【摘要】本文針對阜新市集中供熱一期管網改造工程，歸納總結了設計中熱負荷、計算參數、管網敷設及補償方式、管道保溫和保護層等問題的設計體會，最后得出了該工程的綜合經濟分析結論。
【關鍵詞】供熱外網設計 熱負荷計算 參數 敷設方式 補償器
一、概況
阜新市集中供熱一期工程管網干線敷設于1981年，熱源為阜新發電廠，現負擔著阜新市中心區域180萬平方米的供熱負荷。管網現運行參數為供水溫度60℃，回水溫度45℃。原管網采用架空、地溝、直埋的多種敷設方式，沿線開口支線達54處，沿線閥門為1.0MPa閘閥，補償器為方型補償（兩處）和老式套筒補償器。管道保溫材料為巖棉或珍珠巖瓦塊，外保護層為兩布三油。
一期管網設計使用年限16年，已超期服役8年，管網腐蝕及附件老化問題日益嚴重，存在著極大的安全隱患，而且該區域管網現已超負荷運行，更無法滿足阜新市中心區域供熱負荷不斷增長的需求。故此，對阜新市集中供熱一期管網改造工程，本著改造更新和擴充能力并舉的設計原則，對設計熱負荷的確定，設計計算參數的選定，管道敷設及補償方式的選擇，管道保溫、保溫層的計算等問題進行了詳盡的技術、經濟分析，較好地兼顧了經濟效益、社會效益和環境效益。
本文對阜新市集中供熱一期管網改造工程技術設計的幾點體會進行歸納、總結，同時，以該工程為例，得出了綜合經濟分析結論。
二、管網熱負荷的確定要具有合理性、全局性和前瞻性
（1）合理性:
對管網熱負荷現狀的調查要詳盡,周密.重點是考慮現有負荷在采暖、生活熱水等方面有無增減的可能性,調查民用住宅和工業、企業單位的負荷比例,以便結合實際情況,確定熱指標和熱負荷；
（2）全局性:
確定熱負荷時應立足于整個城市熱網的聯網運行,重點是聯網區域管網負荷的調整問題。在考慮各熱源能力及相應熱網負荷的基礎上,不但要滿足本工程管區域內的熱負荷需求,同時要兼顧其他區域熱負荷的增長和聯網運行的調峰功能。
（3）前瞻性:
大型供熱外網工程的設計使用壽命要達到15—20年，而要對城市的發展進行規劃、預測是非常困難的。所以，不但要根據現有的城市總體規劃和城市熱力規劃來確定民用采暖與生活熱負荷的逐年增長量,更要結合城市日新月異的發展，作出方向性的待發展負荷遠景分布規劃,以便設計時確定負荷及進行管徑計算。
對于大型供熱外網工程，建設規模大，初投資數額大，只有從以上三方面出發，確定的管網熱負荷才最為準確，才能最大限度地避免管網建成幾年后，熱網的輸出能力就逐漸滯后于城市建設的問題，從而最大限度地避免熱網的重復建設，保證城市發展。
三、確定設計計算參數不但要科學合理,也要靈活可行
供熱外網工程設計中，計算參數是熱網水力、熱力計算的前提，是熱網設計的關鍵問題.在此次阜新市集中供熱一期管網改造工程設計時，不僅依據《阜新市集中供熱一期管網改造工程可行性研究報告》中的經濟技術比較結論，參照熱源（阜新發電廠）現行供熱參數及管網現狀,確定了管網的水力計算參數：供水溫度60℃，回水溫度45℃。
而且考慮未來10—20年后，增大熱網輸出能力的要求，將管網的熱力計算參數確定為：供水溫度70℃，回水溫度50℃。
前面提到,大型供熱外網工程的設計使用壽命要達到15—20年，而城市的發展日新月異,根本無法預測、規劃未來10—15年后城市的熱網負荷.尤其管網改造工程，必須與目前城市熱網現狀協調一致，否則既無法與現有熱源匹配,更無法進行全市的聯網運行調節。本工程設計中采用了以上兩套計算參數，目前，供水溫度60℃，回水溫度45℃，設計熱指標為65w/m2條件下，管網的供熱面積可達到280萬平方米；當電廠首站出口溫度參數提高到供水溫度70℃，回水溫度50℃時，熱網干線可增帶93萬平方米熱負荷，供熱面積可達到373萬平方米。即可以隨著熱網區域內負荷的增長，提高運行參數，分階段地調整熱網的輸送能力┆△供熱采暖網。
如此，既可保證現階段管網改造后與其它區域聯網運行的需求,又預留了調整管網輸送能力的空間,對于這種大規模的管網改造工程是非常靈活,非?？茖W的。
四、管網的敷設、補償方式要針對管網敷設路由的具體情況,進行選擇確定
熱網的敷設分為架空、地溝、直埋等幾種敷設方式，相應的管道補償也有自然補償，方脹、波紋管、套筒等補償器補償,以及目前逐漸推廣的無補償直埋等多種方式。進行大型供熱外網工程設計,要分析各段管網敷設路由的不同現狀,對于改造工程，首先要盡量利用原有的土建（地溝、支架等）結構，再對各種敷設方式的保溫、補償器、土建等各方面進行經濟技術分析,針對不同管徑的管段，多樣、靈活地選擇技術可行、投資經濟的敷設、補償方式。
例如，此次阜新市供熱一期管網改造工程的設計方案,自熱源首站出口的干線部分原來采用架空敷設，利用方型補償器及管道自然補償。此次改造工程設計，首先進行了原有高、低支架的校核鑒定。依據鑒定結論，盡量利用現有支架,重新設計固定支墩。對東、西環支線,則根據規劃路由和管道設計管徑大小，逐段選擇了地溝、直埋等敷設方式。選擇敷設方式,不光要注重技術可行,投資經濟,還要兼顧施工對環境的影響。如東環支線,經過經濟技術比較計算,采用地溝有補償敷設最為有利?？煽紤]到該段管網沿阜新市中心商業區干道（濱河路）敷設,為盡量減少施工時對其它地下市政設施(上水、下水等)的破壞,盡量減少施工工期過長對環境和交通的影響,最終選擇了直埋敷設，兼顧了社會效益和環境效益。
另外，此次阜新市供熱一期管網改造工程的設計，對各種管網敷設方式下，進行了不同的補償方式的經濟技術比較，以2Φ920的500m溝長管道為例：
敷設及補償方式投資估算（萬元）
無補償直埋210
有補償直埋（套筒補償器補償并設井）290
有補償直埋（波紋管補償器直埋）240
地溝敷設（波紋管補償器補償）260
地溝敷設（套筒補償器補償）265
對整個管網改造工程，應按不同管徑，逐段進行投資經濟比較。
而最終確定各段具體的補償方式時，不但要盡量采用目前先進的技術、設備，還要兼顧本次改造的實際情況。
例如，管網的西環支線，為地溝內管線，管道直線敷設。采用目前先進的柔性套筒補償器進行補償，運行安全可靠，投資低，施工簡便。而管網的東環支線為直埋管線，沿濱河路敷設，管道折點較多，支線較多。以近十年來采用波紋管補償器的經驗來看，管道轉角多時，利用全平衡、半平衡型波紋管補償器可降低配套的土建規模和造價；管道折點多，支線多時，在管道管徑大，補償量小時，同等計算參數條件下，采用波紋管補償器也較為經濟；而且，安裝波紋管補償器對于施工的管道同心度要求較低，也便于保證施工質量。同時，在管網及附件的計算溫度參數較低（供水70℃，回水50℃），又低參數運行（供水60℃，回水45℃）的條件下，高質量的波紋管補償器在使用壽命和運行安全性上是有保障的?？梢圆捎貌y管補償器進行補償。
總之，選擇管網的敷設、補償方式時要具體情況具體分析，靈活多樣充分利用各種方式的優點，達到優化設計的目的┆△供熱采暖網。
五、保溫及保護層對管道壽命起著決定性作用
大型供熱外網工程管道的設計使用壽命要達到15—20年，涉及管道壽命的關鍵問題主要包括：①管材壁厚；②管道保溫和保護層③管道實際運行年限。
（1）確定管材的設計取用壁厚，要以理論計算壁厚為基礎，同時著重管道壁厚附加值的計算。
1、分析理論計算壁厚公式：
δ=PDw/（2［σ］tη+р）mm（按外徑確定）
上式中δ——管道計算壁厚，mm
р——設計壓力，MPa
Dw——管道外徑，mm
［σ］t——鋼管在設計溫度t下的許用
應力，MPa
η——許用應力修正系數
可見，式中р—設計壓力對壁厚的取值起到決定性作用。在取相同附加值條件下，不同設計壓力的壁厚計算結果見下表：
2、管道壁厚附加值分兩部分，即管道壁厚負偏差C1和管道壁厚腐蝕裕度C2：C1的取值范圍0.5—0.8㎜。
對于一般汽水管道，C2=0。
雖然運行壓力不超過0.8MPa，但考慮大管徑直埋管道施工及埋深產生橢圓化變形以及管材質量、設計壽命等綜合因素，設計壁厚按公稱壓力1.6MPa選取。
通過以上計算過程可見，管道壁厚如果按較大壓力選取，完全可以滿足管道的強度計算和應力驗算，而且汽水管道可視為無內腐蝕，所以設計的管材取用壁厚完全可以滿足管道使用壽命的要求。
（2）管道保溫和保護層的選取和計算，對管道的壽命起著決定性作用。
一些設計資料指出，一般管道保溫壽命為15—18年，根據對阜新市集中供熱一期管網現狀的取樣分析，測驗結果表明：管道外腐蝕主要在發生在管道保溫接頭處，且巖棉保溫管腐蝕大于聚氨酯保溫管。目前，直埋管道普通選用聚氨酯保溫外罩高密度聚乙烯保護殼。根據理論計算和目前的工程實踐分為以下兩種規格：
考慮管材保溫質量、設計壽命等因素，保溫按標準型選取。
根據對聚氨酯外罩聚乙烯保護殼的保溫方式的研究，采用發泡方式生產的預制保溫管，尤其是施工時對保溫接頭采用套袖式處理后，其保溫壽命可以達到25—30年。
前面提到汽水管道無內腐蝕，若在工程設計中重點解決了管道的保溫和保護層問題，盡量減少管道外腐蝕，即可滿足管網使用壽命的要求，甚至大幅度延長管網的實際運行壽命。
（3）按照管道的實際運行年限，折算管網運行壽命。
阜新市集中供熱一期管網屬于季節性運行供熱管網，每年運行151天，在管網服役24年時，進行的管道壁厚測驗結果表明，原Φ1020×12mm，現狀δ=6-8mm，原Φ720×8mm，現狀δ=4-6mm。此次改造設計，我們提出，對采用標準型的聚氨酯保溫外罩高密度聚乙烯保護殼的直埋管道，依照管道的實際運行年限，對管網運行壽命進行折算。
目前，設計資料給出的管道壽命為15—18年。若考慮季節性供熱，低參數運行，選用高質量的保溫、保護殼材料，以及完善保溫接頭的施工方法等因素后，管網的運行壽命可折算至25—30年。
對以上三個方面的分析可見，對管網最終的運行壽命起決定性作用的是保溫結構，即保溫、保護層材料及厚度。所以，在設計中不僅要計算各種保溫的經濟性，更應注重管網運行的安全性。
六、綜合經濟技術分析
阜新市集中供熱一期管網改造工程的設計范圍主要包括：
1、81年敷設的一期管網改造（管徑為Φ1220—Φ630系列，管網總長7512m×2=15024m。
2、81年敷設的一期管網附件（閥門、補償器等），保溫及土建設施改造
3、干線管網熱負荷的調整及確定
4、部分支線改造
5、管網調節的自動化控制
據《阜新市集中供熱一期管網改造工程可行性研究報告》，本工程熱網部分投資估算為6167萬元。在工程的技術設計方案中，通過以下幾方面的優化設計：1、對干線管徑按不同平均比摩阻進行計算，采用最經濟的管徑配置。管材及安裝方面可節約資金150萬元。
2、針對不同地段，多種敷設方式、補償方式結合運用，補償器、固定支墩等附件可節約資金180萬元。
3、靈活多樣的選擇多種保溫材料，管道保溫可節約資金120萬元。
以上優化設計，總計節約工程投資450萬元，工程投資額降低7.3%。
七、結語
我們總結了阜新市集中供熱一期管網改造工程技術設計中的幾點體會，上述見解，難免錯誤疏漏，希望各位專家不吝指正。
【關鍵詞】供熱外網設計 熱負荷計算 參數 敷設方式 補償器
一、概況
阜新市集中供熱一期工程管網干線敷設于1981年，熱源為阜新發電廠，現負擔著阜新市中心區域180萬平方米的供熱負荷。管網現運行參數為供水溫度60℃，回水溫度45℃。原管網采用架空、地溝、直埋的多種敷設方式，沿線開口支線達54處，沿線閥門為1.0MPa閘閥，補償器為方型補償（兩處）和老式套筒補償器。管道保溫材料為巖棉或珍珠巖瓦塊，外保護層為兩布三油。
一期管網設計使用年限16年，已超期服役8年，管網腐蝕及附件老化問題日益嚴重，存在著極大的安全隱患，而且該區域管網現已超負荷運行，更無法滿足阜新市中心區域供熱負荷不斷增長的需求。故此，對阜新市集中供熱一期管網改造工程，本著改造更新和擴充能力并舉的設計原則，對設計熱負荷的確定，設計計算參數的選定，管道敷設及補償方式的選擇，管道保溫、保溫層的計算等問題進行了詳盡的技術、經濟分析，較好地兼顧了經濟效益、社會效益和環境效益。
本文對阜新市集中供熱一期管網改造工程技術設計的幾點體會進行歸納、總結，同時，以該工程為例，得出了綜合經濟分析結論。
二、管網熱負荷的確定要具有合理性、全局性和前瞻性
（1）合理性:
對管網熱負荷現狀的調查要詳盡,周密.重點是考慮現有負荷在采暖、生活熱水等方面有無增減的可能性,調查民用住宅和工業、企業單位的負荷比例,以便結合實際情況,確定熱指標和熱負荷；
（2）全局性:
確定熱負荷時應立足于整個城市熱網的聯網運行,重點是聯網區域管網負荷的調整問題。在考慮各熱源能力及相應熱網負荷的基礎上,不但要滿足本工程管區域內的熱負荷需求,同時要兼顧其他區域熱負荷的增長和聯網運行的調峰功能。
（3）前瞻性:
大型供熱外網工程的設計使用壽命要達到15—20年，而要對城市的發展進行規劃、預測是非常困難的。所以，不但要根據現有的城市總體規劃和城市熱力規劃來確定民用采暖與生活熱負荷的逐年增長量,更要結合城市日新月異的發展，作出方向性的待發展負荷遠景分布規劃,以便設計時確定負荷及進行管徑計算。
對于大型供熱外網工程，建設規模大，初投資數額大，只有從以上三方面出發，確定的管網熱負荷才最為準確，才能最大限度地避免管網建成幾年后，熱網的輸出能力就逐漸滯后于城市建設的問題，從而最大限度地避免熱網的重復建設，保證城市發展。
三、確定設計計算參數不但要科學合理,也要靈活可行
供熱外網工程設計中，計算參數是熱網水力、熱力計算的前提，是熱網設計的關鍵問題.在此次阜新市集中供熱一期管網改造工程設計時，不僅依據《阜新市集中供熱一期管網改造工程可行性研究報告》中的經濟技術比較結論，參照熱源（阜新發電廠）現行供熱參數及管網現狀,確定了管網的水力計算參數：供水溫度60℃，回水溫度45℃。
而且考慮未來10—20年后，增大熱網輸出能力的要求，將管網的熱力計算參數確定為：供水溫度70℃，回水溫度50℃。
前面提到,大型供熱外網工程的設計使用壽命要達到15—20年，而城市的發展日新月異,根本無法預測、規劃未來10—15年后城市的熱網負荷.尤其管網改造工程，必須與目前城市熱網現狀協調一致，否則既無法與現有熱源匹配,更無法進行全市的聯網運行調節。本工程設計中采用了以上兩套計算參數，目前，供水溫度60℃，回水溫度45℃，設計熱指標為65w/m2條件下，管網的供熱面積可達到280萬平方米；當電廠首站出口溫度參數提高到供水溫度70℃，回水溫度50℃時，熱網干線可增帶93萬平方米熱負荷，供熱面積可達到373萬平方米。即可以隨著熱網區域內負荷的增長，提高運行參數，分階段地調整熱網的輸送能力┆△供熱采暖網。
如此，既可保證現階段管網改造后與其它區域聯網運行的需求,又預留了調整管網輸送能力的空間,對于這種大規模的管網改造工程是非常靈活,非?？茖W的。
四、管網的敷設、補償方式要針對管網敷設路由的具體情況,進行選擇確定
熱網的敷設分為架空、地溝、直埋等幾種敷設方式，相應的管道補償也有自然補償，方脹、波紋管、套筒等補償器補償,以及目前逐漸推廣的無補償直埋等多種方式。進行大型供熱外網工程設計,要分析各段管網敷設路由的不同現狀,對于改造工程，首先要盡量利用原有的土建（地溝、支架等）結構，再對各種敷設方式的保溫、補償器、土建等各方面進行經濟技術分析,針對不同管徑的管段，多樣、靈活地選擇技術可行、投資經濟的敷設、補償方式。
例如，此次阜新市供熱一期管網改造工程的設計方案,自熱源首站出口的干線部分原來采用架空敷設，利用方型補償器及管道自然補償。此次改造工程設計，首先進行了原有高、低支架的校核鑒定。依據鑒定結論，盡量利用現有支架,重新設計固定支墩。對東、西環支線,則根據規劃路由和管道設計管徑大小，逐段選擇了地溝、直埋等敷設方式。選擇敷設方式,不光要注重技術可行,投資經濟,還要兼顧施工對環境的影響。如東環支線,經過經濟技術比較計算,采用地溝有補償敷設最為有利?？煽紤]到該段管網沿阜新市中心商業區干道（濱河路）敷設,為盡量減少施工時對其它地下市政設施(上水、下水等)的破壞,盡量減少施工工期過長對環境和交通的影響,最終選擇了直埋敷設，兼顧了社會效益和環境效益。
另外，此次阜新市供熱一期管網改造工程的設計，對各種管網敷設方式下，進行了不同的補償方式的經濟技術比較，以2Φ920的500m溝長管道為例：
敷設及補償方式投資估算（萬元）
無補償直埋210
有補償直埋（套筒補償器補償并設井）290
有補償直埋（波紋管補償器直埋）240
地溝敷設（波紋管補償器補償）260
地溝敷設（套筒補償器補償）265
對整個管網改造工程，應按不同管徑，逐段進行投資經濟比較。
而最終確定各段具體的補償方式時，不但要盡量采用目前先進的技術、設備，還要兼顧本次改造的實際情況。
例如，管網的西環支線，為地溝內管線，管道直線敷設。采用目前先進的柔性套筒補償器進行補償，運行安全可靠，投資低，施工簡便。而管網的東環支線為直埋管線，沿濱河路敷設，管道折點較多，支線較多。以近十年來采用波紋管補償器的經驗來看，管道轉角多時，利用全平衡、半平衡型波紋管補償器可降低配套的土建規模和造價；管道折點多，支線多時，在管道管徑大，補償量小時，同等計算參數條件下，采用波紋管補償器也較為經濟；而且，安裝波紋管補償器對于施工的管道同心度要求較低，也便于保證施工質量。同時，在管網及附件的計算溫度參數較低（供水70℃，回水50℃），又低參數運行（供水60℃，回水45℃）的條件下，高質量的波紋管補償器在使用壽命和運行安全性上是有保障的?？梢圆捎貌y管補償器進行補償。
總之，選擇管網的敷設、補償方式時要具體情況具體分析，靈活多樣充分利用各種方式的優點，達到優化設計的目的┆△供熱采暖網。
五、保溫及保護層對管道壽命起著決定性作用
大型供熱外網工程管道的設計使用壽命要達到15—20年，涉及管道壽命的關鍵問題主要包括：①管材壁厚；②管道保溫和保護層③管道實際運行年限。
（1）確定管材的設計取用壁厚，要以理論計算壁厚為基礎，同時著重管道壁厚附加值的計算。
1、分析理論計算壁厚公式：
δ=PDw/（2［σ］tη+р）mm（按外徑確定）
上式中δ——管道計算壁厚，mm
р——設計壓力，MPa
Dw——管道外徑，mm
［σ］t——鋼管在設計溫度t下的許用
應力，MPa
η——許用應力修正系數
可見，式中р—設計壓力對壁厚的取值起到決定性作用。在取相同附加值條件下，不同設計壓力的壁厚計算結果見下表：
2、管道壁厚附加值分兩部分，即管道壁厚負偏差C1和管道壁厚腐蝕裕度C2：C1的取值范圍0.5—0.8㎜。
對于一般汽水管道，C2=0。
雖然運行壓力不超過0.8MPa，但考慮大管徑直埋管道施工及埋深產生橢圓化變形以及管材質量、設計壽命等綜合因素，設計壁厚按公稱壓力1.6MPa選取。
通過以上計算過程可見，管道壁厚如果按較大壓力選取，完全可以滿足管道的強度計算和應力驗算，而且汽水管道可視為無內腐蝕，所以設計的管材取用壁厚完全可以滿足管道使用壽命的要求。
（2）管道保溫和保護層的選取和計算，對管道的壽命起著決定性作用。
一些設計資料指出，一般管道保溫壽命為15—18年，根據對阜新市集中供熱一期管網現狀的取樣分析，測驗結果表明：管道外腐蝕主要在發生在管道保溫接頭處，且巖棉保溫管腐蝕大于聚氨酯保溫管。目前，直埋管道普通選用聚氨酯保溫外罩高密度聚乙烯保護殼。根據理論計算和目前的工程實踐分為以下兩種規格：
考慮管材保溫質量、設計壽命等因素，保溫按標準型選取。
根據對聚氨酯外罩聚乙烯保護殼的保溫方式的研究，采用發泡方式生產的預制保溫管，尤其是施工時對保溫接頭采用套袖式處理后，其保溫壽命可以達到25—30年。
前面提到汽水管道無內腐蝕，若在工程設計中重點解決了管道的保溫和保護層問題，盡量減少管道外腐蝕，即可滿足管網使用壽命的要求，甚至大幅度延長管網的實際運行壽命。
（3）按照管道的實際運行年限，折算管網運行壽命。
阜新市集中供熱一期管網屬于季節性運行供熱管網，每年運行151天，在管網服役24年時，進行的管道壁厚測驗結果表明，原Φ1020×12mm，現狀δ=6-8mm，原Φ720×8mm，現狀δ=4-6mm。此次改造設計，我們提出，對采用標準型的聚氨酯保溫外罩高密度聚乙烯保護殼的直埋管道，依照管道的實際運行年限，對管網運行壽命進行折算。
目前，設計資料給出的管道壽命為15—18年。若考慮季節性供熱，低參數運行，選用高質量的保溫、保護殼材料，以及完善保溫接頭的施工方法等因素后，管網的運行壽命可折算至25—30年。
對以上三個方面的分析可見，對管網最終的運行壽命起決定性作用的是保溫結構，即保溫、保護層材料及厚度。所以，在設計中不僅要計算各種保溫的經濟性，更應注重管網運行的安全性。
六、綜合經濟技術分析
阜新市集中供熱一期管網改造工程的設計范圍主要包括：
1、81年敷設的一期管網改造（管徑為Φ1220—Φ630系列，管網總長7512m×2=15024m。
2、81年敷設的一期管網附件（閥門、補償器等），保溫及土建設施改造
3、干線管網熱負荷的調整及確定
4、部分支線改造
5、管網調節的自動化控制
據《阜新市集中供熱一期管網改造工程可行性研究報告》，本工程熱網部分投資估算為6167萬元。在工程的技術設計方案中，通過以下幾方面的優化設計：1、對干線管徑按不同平均比摩阻進行計算，采用最經濟的管徑配置。管材及安裝方面可節約資金150萬元。
2、針對不同地段，多種敷設方式、補償方式結合運用，補償器、固定支墩等附件可節約資金180萬元。
3、靈活多樣的選擇多種保溫材料，管道保溫可節約資金120萬元。
以上優化設計，總計節約工程投資450萬元，工程投資額降低7.3%。
七、結語
我們總結了阜新市集中供熱一期管網改造工程技術設計中的幾點體會，上述見解，難免錯誤疏漏，希望各位專家不吝指正。
