一、概述
      （一）據(jù)有關(guān)資料［1］（下同），2009年我國采暖城鎮(zhèn)集中供熱率平均超70%；其中北京供熱面積約5.8億平方米，熱網(wǎng)總長約1.7萬公里，集中供熱4.8億平方米，為全國最大。北京、沈陽、吉林、長春、鄭州、天津、邯鄲、秦皇島和太原等中心城市采用200～300MW高參數(shù)大容量熱電機(jī)組是集中供熱主力，非采暖期與凝汽機(jī)組效率基本相同，采暖期明顯節(jié)能［1］，很多城市有十余個(gè)區(qū)域熱電廠和自備熱電廠（如沈陽現(xiàn)有沈海、渾南、沈陽、皇姑、沈北、新北、沈西、金山、張士、化工園、抗生素共12座）［1］，在建的沈北煤、電、熱一體化項(xiàng)目投資75億元，總裝機(jī)1.8GW（2×300MW+2×600MW，可供暖3600萬平方米）。
      集中熱網(wǎng)到用戶是間接供熱，兩者熱媒參數(shù)（溫度、壓力、水質(zhì)等）可完全不同，運(yùn)行調(diào)節(jié)方式簡單，對(duì)運(yùn)行管理人員技術(shù)水平要求較低；其供回水壓力不受用戶散熱設(shè)備耐壓程度限制，作用半徑大，能滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模供熱范圍要求；用戶散熱器中的回水不進(jìn)入一次網(wǎng)，水量、水質(zhì)易控制，運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性高，又可有效防治漏失、氧腐蝕等，維護(hù)費(fèi)用低。系統(tǒng)供回水溫度高、溫差大，因此循環(huán)水量遠(yuǎn)小于二次網(wǎng)總循環(huán)水量，管徑相應(yīng)縮小、管網(wǎng)造價(jià)低、運(yùn)行電耗也遠(yuǎn)低于二次網(wǎng)總電耗，而且熱力站換熱設(shè)備幾乎都設(shè)在地下室或一層，一次網(wǎng)供回水無二次網(wǎng)服務(wù)多層、小高層與高層建筑等，供回水電耗則更低，節(jié)能減排效益均明顯提高。目前單主熱源枝狀管網(wǎng)如由熱電廠或區(qū)域鍋爐房為主熱源，與其它熱源廠為調(diào)峰熱源+熱力站的一次網(wǎng)枝狀異程式格局（示意如圖1-1左）在我國已普遍化［1］。

       這主要與其特點(diǎn)和熱網(wǎng)由小到大的逐步發(fā)展有關(guān)。如其管徑隨其與熱源距離增加和用戶減少而逐步減小，雖無后備供熱性，但管徑、耗能、金屬耗量等均相應(yīng)減小，投資少，運(yùn)行管理簡單，分期建設(shè)容易，每期造價(jià)低、周期短，見效快；當(dāng)管網(wǎng)某處發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)后用戶雖停供，但建筑物有蓄熱能力，通常可迅速消除熱網(wǎng)故障，室溫不致大降，因此普遍采用。但由于各區(qū)域的距離遠(yuǎn)近，管網(wǎng)質(zhì)量，換熱設(shè)備等硬環(huán)境參差不齊，也存在效率較低、供熱不平衡、能量浪費(fèi)、熱網(wǎng)波動(dòng)等諸多問題，發(fā)生事故則影響供熱質(zhì)量，可靠性差。按CJJ34—2002和J216—2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（下稱規(guī)范）5.0.8：供熱建筑面積大于1000萬平方米的供熱系統(tǒng)應(yīng)采用多熱源供熱。多熱源供熱系統(tǒng)環(huán)狀熱網(wǎng)（環(huán)網(wǎng)）較傳統(tǒng)的單熱源枝狀網(wǎng)有明顯的優(yōu)勢(shì):運(yùn)行調(diào)節(jié)簡單，可使各熱源供熱量互補(bǔ)，靈活調(diào)整供熱量，優(yōu)化水力工況，改善系統(tǒng)中最不利環(huán)路的供熱質(zhì)量，提高可靠性與安全性；并網(wǎng)運(yùn)行利用了所有管段的流通能力，可降低管段壓力損失，比摩阻小，增強(qiáng)了系統(tǒng)水力穩(wěn)定性。近年來在集中供熱領(lǐng)域逐漸受到越來越多的推崇，被國內(nèi)外許多先進(jìn)國家采用［1］。
      筆者早在1980年代被當(dāng)時(shí)沈陽市計(jì)委、市科協(xié)等借調(diào)任專家組副組長，參與和主持編制《沈陽熱力總體規(guī)劃》、《沈陽能源總體規(guī)劃》等就將“沈陽熱力干管環(huán)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)”列入，論文稍后刊發(fā)《城市規(guī)劃》1987年第1期，隨后規(guī)劃建設(shè)了沈陽熱電廠循環(huán)水集中供熱為主熱源（流程示意如圖1-1右）與集中鍋爐房為調(diào)峰熱源的200萬平方米的鐵西環(huán)網(wǎng)、皇姑熱電廠為主熱源與集中鍋爐房為調(diào)峰熱源的530萬平方米的皇姑環(huán)網(wǎng)，效益顯著［1］。全國乃至世界規(guī)模最大的北京市熱力公司，現(xiàn)有6座熱電廠、8座自營供熱廠，熱網(wǎng)最大管徑：蒸汽DN1000、熱水DN1400，主干線870km，熱力站2153座，供熱1.3億平方米，供汽105個(gè)工業(yè)用戶897t/h。

      其城八區(qū)地下鋪設(shè)全國最大的熱網(wǎng)系統(tǒng)，總長800km［1］。2010年集中供熱達(dá)1.5億平方米，建立以熱電聯(lián)產(chǎn)為主，多源互補(bǔ)，多網(wǎng)共聯(lián)的安全清潔高效的城市供熱體系。到2020年，北京市供熱基本形成“一個(gè)中心大網(wǎng)，五個(gè)局域新網(wǎng)，六個(gè)聯(lián)片區(qū)網(wǎng)”的格局。尤其我國許多城市各熱源熱網(wǎng)干線相距不甚遠(yuǎn)，又都與用戶間接連接，在舊城改造和新城區(qū)建設(shè)中，原有熱源及在新城區(qū)適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)新熱源建設(shè)為實(shí)現(xiàn)全城多源環(huán)網(wǎng)提供了良好基礎(chǔ)條件［1］。

      （二）大型集中熱網(wǎng)發(fā)生大事故則影響特嚴(yán)重［1］［2］。大型集中熱網(wǎng)一旦發(fā)生事故，則易因室溫陡降而發(fā)病、病危乃至病亡的影響難以估量。因此保證供熱可靠性、安全性非常重要。規(guī)范5.0.9：多熱源供熱系統(tǒng)中熱源間的連通干管設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使各種事故工況下的最低供熱量保證率如表1。
        如沈陽地區(qū)采暖室外計(jì)算溫度為 -19℃，規(guī)劃環(huán)網(wǎng)熱源間的連通干管設(shè)計(jì)供熱量保證率為55%，其規(guī)劃一期工程，即供熱面積1000、500、1800、2000（萬平方米）的沈海—沈陽—沈西—渾南熱電廠為主熱源的環(huán)網(wǎng)東—西—南段為例，四熱源環(huán)網(wǎng)互為備用，因其均以預(yù)防事故為主，有日常保養(yǎng)、維護(hù)和定期檢修、更換，各自事故率均低至≤1%［1］，則環(huán)網(wǎng)停運(yùn)事故率為≤1%、0.1%、0，01%、0.001%，既使最大的渾南熱電廠停供，在緊急搶修乃至其用戶室溫因停供和房屋蓄熱量消耗而下降2℃期間，該廠經(jīng)熱連通干管及時(shí)獲供熱量可供熱1100～1815萬平方米，則對(duì)用戶影響可承受。環(huán)網(wǎng)水力工況調(diào)節(jié)雖復(fù)雜，但溫控器、變頻泵和自力式流量控制閥、壓力調(diào)節(jié)閥、溫度調(diào)節(jié)閥等自控設(shè)施應(yīng)用［1］［2］使其運(yùn)行調(diào)節(jié)簡易，僅需其自動(dòng)調(diào)整各熱源循環(huán)水量以控制其供回水溫度、壓力，全系統(tǒng)就會(huì)達(dá)到統(tǒng)一合格的供熱，為實(shí)現(xiàn)多源環(huán)網(wǎng)運(yùn)行提供了先進(jìn)的技術(shù)條件；我國已經(jīng)躍為世界第二經(jīng)濟(jì)大國，2009年稅收收入達(dá)6.31萬億元，同比增長9.1%，占GDP約20%，如將非稅、游離于預(yù)算外、能統(tǒng)計(jì)在冊(cè)的其它收入都計(jì)算在內(nèi)，可能會(huì)超30%；外匯儲(chǔ)備余額為2.4萬億美元，同比增長23.3%；全社會(huì)固定資產(chǎn)投資22.5萬億元，比上年增長30.1％，增速比上年加快4.6個(gè)百分點(diǎn)；銀行業(yè)金融機(jī)構(gòu)境內(nèi)本外幣資產(chǎn)總額69.4萬億元，各項(xiàng)存款余額57.5萬億元，其中人民幣增加9.6萬億元；社會(huì)消費(fèi)品零售總額超12.5萬億元，這些是確保我國十二五規(guī)劃和2020年大規(guī)模規(guī)劃建設(shè)多聯(lián)環(huán)網(wǎng)的雄厚資金條件［1］。

      二、集中供熱熱網(wǎng)與其多源環(huán)網(wǎng)
      （一）如沈陽市2010年供熱面積達(dá)1.8億平方米，集中供熱面積為1.62億平方米，集中供熱率達(dá)90%，1.62億平方米，目前沈陽渾南熱電廠800MW的規(guī)劃規(guī)模為全國最大，總供熱面積5000萬平方米，其一期工程供熱2000萬平方米，投資30億元；全市供熱熱源300座［1］。
      1、二、三主熱源環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［1］、經(jīng)合理簡化的A、B、C熱源環(huán)網(wǎng)及熱力站布局［1］如圖2-1，布局主要根據(jù)主熱源位置、熱負(fù)荷分布、街區(qū)現(xiàn)狀、發(fā)展規(guī)劃及地質(zhì)、地形條件等確定，尤其應(yīng)充分利用現(xiàn)有和規(guī)劃各主熱源與其輸熱干線，相鄰兩熱源之間可盡量在各自輸熱干線首段短捷“手拉手”連通，其連通管段［1］如圖2-2。
      2、環(huán)網(wǎng)最大優(yōu)點(diǎn)是有較高供熱后備能力。當(dāng)輸配干線出事故，可切除故障段后，經(jīng)環(huán)網(wǎng)由另一方向保證供熱。但其是大慣性系統(tǒng)，供熱面積越大慣性越強(qiáng)，熱力站越多，網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，耦合就越強(qiáng)烈［1］。如沈陽規(guī)劃城市環(huán)網(wǎng)一期工程，即供熱面積1000、500、1800、2000（萬平方米）的沈海—沈陽—沈西—渾南熱電廠為主熱源的東—西—南段，熱力站合計(jì)超600座［1］。我國大力實(shí)施分戶計(jì)量收費(fèi)，促用戶自覺節(jié)熱節(jié)能節(jié)費(fèi)；但供熱企業(yè)管理和熱網(wǎng)控調(diào)難度極大，非人工所及，必須應(yīng)用供熱企業(yè)管理整體解決方案、自動(dòng)監(jiān)控設(shè)施如圖2-3。
      其監(jiān)控中心數(shù)據(jù)幾乎與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)保持同步，可實(shí)現(xiàn)平衡運(yùn)行節(jié)能降耗。尤其24小時(shí)在線運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量出現(xiàn)故障可即時(shí)發(fā)現(xiàn)，并將故障時(shí)間記錄備案。避免計(jì)量損失（漏失、偷盜熱水等；通過仿真系統(tǒng)對(duì)熱網(wǎng)水力、熱力計(jì)算和運(yùn)行分析，可達(dá)最優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源、環(huán)網(wǎng)、熱力站的供/回水溫度、流量、壓力、閥位、用戶室內(nèi)外溫度等數(shù)據(jù)的采取和計(jì)量泵控制（如圖2-4）等，可最大程度節(jié)能減排降耗并提高服務(wù)質(zhì)量［1］。

      （二）環(huán)網(wǎng)水力工況計(jì)算是在給定的用戶流量和管網(wǎng)布局，按設(shè)計(jì)要求選取各管段管徑，計(jì)算管網(wǎng)壓降后選取動(dòng)力設(shè)備；水力工況分析是在給定各管段結(jié)構(gòu)參數(shù)和水泵性能后計(jì)算各節(jié)點(diǎn)壓力、各管段流量、比摩阻等工況參數(shù)是否滿足設(shè)定要求，以便作相應(yīng)調(diào)整。規(guī)劃設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：
      1、制定設(shè)計(jì)工況下各熱源是并聯(lián)供熱或截?cái)喙幔诠崃科胶饣A(chǔ)上規(guī)劃各熱源投入順序和運(yùn)行時(shí)間；根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定各運(yùn)行階段熱源和用戶流量，針對(duì)運(yùn)行階段幾個(gè)最不利的水力工況，依據(jù)各用戶的流量確定各節(jié)點(diǎn)流量，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)距熱源遠(yuǎn)近初步擬定各管線流向。必要時(shí)，還應(yīng)大致確定水力交匯點(diǎn)或平衡管段所在位置。在已知的管網(wǎng)布局基礎(chǔ)上，對(duì)大型環(huán)網(wǎng)作合理簡化。如供回水管路徑相同，故可將熱力站作為節(jié)點(diǎn)將供回水管線分開處理；并將相鄰的小型熱力站合并或在適當(dāng)位置新建一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定的規(guī)模適當(dāng)?shù)臒崃φ荆M量減少節(jié)點(diǎn)數(shù)，于是只需掌握干線與主支線水力工況參數(shù)即可。注意：規(guī)范10.3規(guī)定，民用熱力站最佳供熱規(guī)模應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。當(dāng)不具備經(jīng)濟(jì)比較條件時(shí)，對(duì)新建住宅區(qū)，最大規(guī)模以供熱范圍不超過本街區(qū)為限；對(duì)已有采暖系統(tǒng)的小區(qū)，在減少原有采暖系統(tǒng)工程量的前提下，宜減少熱力站個(gè)數(shù)。
      2、依據(jù)節(jié)點(diǎn)流量平衡原理對(duì)各管段分配初始流量關(guān)系到運(yùn)行費(fèi)用、管網(wǎng)可靠性等技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，有一定經(jīng)驗(yàn)性，宜按分配流量和規(guī)范中對(duì)參數(shù)的限定條件，利用計(jì)算公式或查圖表初步選取管徑后，對(duì)環(huán)線作平差計(jì)算。供回水管可將熱源出口端、定壓點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)壓力設(shè)定，平差計(jì)算使各環(huán)線壓損為零。這是一個(gè)反復(fù)迭代、反復(fù)求解的過程，在滿足一定精度要求的條件下結(jié)束計(jì)算，初步確定各管段流量、節(jié)點(diǎn)壓力、比摩阻、流速等水力工況參數(shù)后，以供、回水節(jié)點(diǎn)壓力最低、高為最不利用戶計(jì)算管網(wǎng)壓降，并考慮用戶預(yù)留壓力和熱源壓損，進(jìn)一步調(diào)整或選取循環(huán)水泵。如上述參數(shù)未滿足相關(guān)技術(shù)要求，需作進(jìn)一步作平差校核計(jì)算調(diào)整。該計(jì)算是迭代求解的反復(fù)調(diào)整、反復(fù)計(jì)算的龐大復(fù)雜過程，傳統(tǒng)的手工計(jì)算結(jié)合圖表計(jì)算工作量特大，而精度方面卻往往難以滿足要求，通常依據(jù)數(shù)學(xué)模型和求解方法編制計(jì)算程序或購入軟件后借助電腦完成。
       （三）投資增加與避免停供影響性、用戶重要性比較合適時(shí)宜采用下列措施：
      1、在循環(huán)水泵供回水管之間設(shè)有或無止回閥的泄壓旁通管，如圖2-5，管路壓力振蕩很快衰減達(dá)到新穩(wěn)定狀態(tài)，莊頭波動(dòng)振幅較無該管小很多。其原理：循環(huán)水泵運(yùn)行的出水側(cè)水壓高于吸水側(cè)，止回閥呈關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)突然停泵瞬間則出水側(cè)壓力急劇降低，而吸水側(cè)壓力則大幅增高，在此壓差作用下，吸水側(cè)管路中的水即推開止回閥至泵出水側(cè)管網(wǎng)系統(tǒng)，從而降低了吸水側(cè)管網(wǎng)中壓力增高幅度；減少和防止了水錘危害。通常按規(guī)定壓力界限的瞬變計(jì)算，確定泄壓旁通管徑與其配套止回閥如在兩標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格之間，宜就大不就小，選用阻力較小、開啟靈活的產(chǎn)品。
      2、環(huán)狀干管和各主熱源輸熱及配熱干管每隔2～3km及1～1.5km設(shè)分段閥室封閉事故點(diǎn)，關(guān)閥使事故影響縮小范圍，并減少大量失水量，事后可更容易和更快地正常運(yùn)行；同時(shí)設(shè)調(diào)節(jié)閥使流量分布趨于合理，并減少各熱源循環(huán)水泵之間不利的相互制約作用，剩余壓頭趨于均勻節(jié)能。
      3、通往熱力站的配熱支管（含少數(shù)配熱干管）設(shè)分段小室，配分段閥、熱力站管網(wǎng)接頭閥、相鄰支管和支管與備用熱源的連通閥、調(diào)節(jié)閥，功能和效益同上。在流量大、較集中處，管徑可適當(dāng)放大，發(fā)生事故時(shí)不至于因管徑選取得太小，使該處壓損過大而影響到其后面熱力站的供熱質(zhì)量。
      4、熱力站通往某些重點(diǎn)小區(qū)或重要部門的用戶管，可設(shè)旁通管，發(fā)生事故可通過旁通管補(bǔ)救。在熱水供應(yīng)負(fù)荷發(fā)達(dá)的城市，為使熱水供應(yīng)系統(tǒng)具有后備能力，無論干管之間連線如何，宜在重點(diǎn)小區(qū)或重要部門的分配管相鄰支管之間設(shè)管徑較小的跨越管。
      5、相鄰2～3km內(nèi)、1～1.5km內(nèi)的在輸送、配熱干線之間宜設(shè)連通管，當(dāng)其中某根干線出故障，可關(guān)閉干線分段閥，開啟連通管閥，由相鄰干線向其停供的配熱支管供熱，提高了環(huán)網(wǎng)安全可靠性和后備能力。連通管流量，應(yīng)按熱負(fù)荷較大的干線切除故障段后，供應(yīng)其余熱負(fù)荷的70%確定。

      （四）目前各熱源隸屬不同的供熱企業(yè)（如沈陽市十二五規(guī)劃全市供熱熱源、企業(yè)減少為300座、100家，力爭規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益的現(xiàn)實(shí)最大化），各自供熱量不同，供熱越少，其原有供熱市場(chǎng)的份額和利潤越被壓縮。另一方面在煤、電、熱價(jià)未反映市場(chǎng)真實(shí)，熱電比直接影響經(jīng)濟(jì)效益，而且熱耗高的中小型機(jī)組越少供熱，能耗越高，造成惡性循環(huán)。因此目前仍須采用按各熱源供熱量的固定比例控調(diào)運(yùn)行，熱網(wǎng)基本處于相似工況狀態(tài)（即各熱力站流量和資用壓頭等比變化），當(dāng)系統(tǒng)控調(diào)平衡后，相似工況之間的變換無需調(diào)節(jié)熱力站閥門開度而仍處于平衡狀態(tài)，簡化了控調(diào)過程而難度大降。但宜盡量采用節(jié)能降耗最優(yōu)化運(yùn)行：打開聯(lián)通管閥門，并將環(huán)網(wǎng)閥門設(shè)為合理開度進(jìn)行水力優(yōu)化調(diào)度；打破各熱源隸屬關(guān)系，在氣溫較高時(shí)只由熱電廠向全網(wǎng)供熱，按效率高—中—低的機(jī)組順序參與；當(dāng)熱電廠已達(dá)最大供熱能力時(shí)，區(qū)域、調(diào)峰鍋爐房參與順序同熱電廠；雖因各熱源供熱量比例的不斷變化導(dǎo)致管網(wǎng)水力工況與最不利端隨熱源的調(diào)度變化均較大，增加了調(diào)控復(fù)雜程度，但節(jié)能降耗量最大，是運(yùn)行最優(yōu)化方式，應(yīng)力爭條件成熟（如各熱源隸屬企業(yè)組建股份有限公司，節(jié)能降耗效益由其股份比例分享等），盡快采用。
      （五）我國供熱系統(tǒng)企業(yè)基本冬供熱、夏檢修，開展多元化經(jīng)營的效益十分有限，不易形成相互拉動(dòng)、相互依托的良性發(fā)展態(tài)勢(shì)。開拓新的供熱市場(chǎng)和盡量提高設(shè)施利用率已成為供熱企業(yè)確保利潤和提高可持續(xù)發(fā)展能力的必由之路。在現(xiàn)有供暖時(shí)間基礎(chǔ)上提前+延后晝夜溫差較大的天數(shù)，最簡單易行。如沈陽、天津、愛輝采暖期按規(guī)范≤5℃與≤8℃為152d與177d、122d與147d、199d與224d，均可提前+延后=25d，改善室內(nèi)熱舒適性。在供熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展生活熱水、夏季供冷系統(tǒng)，具有其優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭力。尤其可緊密結(jié)合低溫冷/熱水地板輻射空調(diào)系統(tǒng)，以16～18℃冷水/≤60℃熱水在地盤管系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，冷卻/加熱整個(gè)地板輻射式空調(diào)。注意：其供冷實(shí)際供/回水溫宜為16～18℃/13℃，可使室溫降3～5℃（結(jié)露溫度為12℃，地面結(jié)露則足感不舒適），僅穿拖鞋保暖足部而無需配置其它空調(diào)，原有戶外管則冬夏均用，使用效率和效益均可大幅提高。---

沈陽市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 武云甫；     沈陽市規(guī)劃局     孫巽；     水利部松遼委員會(huì)   武龍甫；   大連理工大學(xué)     武陵甫