刘国友 ，刘鑫辉 ，庞 博 ，李建高 ，程世军 ，夏云东 ，桑秀军 ，祝培旺 ，翟玉恒 ，胡良辰 ，桑 哲
（1.华能沁北发电有限责任公司，河南 济源 459000；2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071）
1 概述
供热管道是用于传输热量的重要通道，它将热源热量输送给热用户[1]，其设计选型直接影响到供热系统初投资成本和后期运行费用[2]。其中，初投资成本主要由供热管道等相关的材料费和建筑安装费组成；后期运行费用主要由循环水泵电耗和维修费等组成。
供热管道输送的介质一般有较高的压力和温度，为保证输送介质不发生两相流，供热管道合理管径是通过水力计算所选择的[3]。水力计算的方法是确定一定的流动速度，通过计算管道的比摩阻来确定管道的内径，水力计算是供热管道设计、运行和管理的重要科学依据。根据水力计算选择的供热管道管径通常是一个范围值，为进一步优化供热管道管径配置，可以从技术经济的角度进行深入研究和分析。本文以某热电厂给周边城市供热设计为例，分析预制直埋供热管道优化配置。
2 预制直埋供热管道水力计算
2.1 供暖热负荷
供暖热负荷的计算公式如下：
式中：Q 为供暖热负荷，MW；qd为采暖热指标，W/m2；A 为建筑供暖面积，m2。
本节按照北方某城市供热测算，该市采暖面积800hm2，居民采暖指标60W/m2，故采暖热负荷Q 为480MW。
2.2 供热管网设计流量
供暖热负荷热水供热管网设计流量可按下式计算，即：
式中：Gh为供暖热负荷供热管网设计流量，t/h；Qh为供暖热负荷，GJ/h；c 为水的比热容，c=4.1868kJ/（kg*℃）；ts为供暖室外计算温度下的热力网供水温度，℃；tr为供暖室外计算温度下的热力网回水温度，℃。
其中，供回水温度按照130℃/70℃设计，则设计流量Gh为 5159t/h。
2.3 管道内径
管道内径与管内流体流量和密度、流速关系如下：
表1 不同管径供热管道投资成本
表2 不同管径供热管道线路端阻力
式中：di为管道内径，mm；G 为热介质质量流量，t/h；ν 为管内介质流速，m/s；ρ 为热介质密度，kg/m3。
其中，热介质密度按平均温度100℃取值为959kg/m3，按照规范，管内介质流速不超过3m/s，取1m/s 和3m/s分别计算，则内径分别为796.1mm 和1378.9mm。
2.4 管径选取
根据已有管道规格和管道的压力温度参数，符合上述内径要求的管道为：φ920*13、φ1020*15、φ1120*16、φ1220*17、φ1420*20。
3 预制直埋供热管道投资运行费用计算
3.1 预制直埋供热管道初投资成本
预制直埋供热管道线路端投资成本主要为预制直埋保温管，按照热电厂至市区17km 计算，则供回水管道共34km，其投资估算表如表1 所示[4]。
3.2 预制直埋供热管道年运行费用
本研究年运行费用主要考虑循环水泵电耗，由于不同管径导致管道阻力增加值所对应的循环水泵电耗年费用。
（1）管道沿程阻力
管道沿程阻力是因摩擦产生的阻力，计算公式如下：
式中：Rm为平均比摩阻，Pa/m；L 为管道长度，m；λ 为摩擦阻力系数；Ra为表面粗糙度，mm。
其中，表面粗糙度取值为0.2mm，则可求得不同管径的沿程阻力，见表2。
（2）管道局部阻力
为了简化计算，引进当量长度的概念。计算局部阻力损失时，把局部阻力损失化成管道长度损失的形式计算，计算公式如下：
式中：Lel为局部阻力当量长度，m；α 为局部阻力与沿程阻力的比值，估算时使用，本文取为0.2。由此可求得不同管径的局部阻力，见表2。
（3）管道阻力导致的运行费用增量
不同的管道线路端阻力会影响循环水泵的运行功耗，循环水泵的功耗与阻力的关系如下：
式中：Nz为水泵轴功率，kW；ρ 为水密度，kg/m3；G 为流量，m3/s；H 为扬程，m；η 为泵效率，取为 0.8。由此可知，在热网热水流量一定时，即热网供热功率一定时，循环水泵的功耗与扬程（阻力）成正比。经计算，将水泵增加功耗与管径关系列于表3。
表3 不同管径供热管道运行费用
表4 不同管径供热管道年均总费用
4 预制直埋供热管道优化配置分析
预制直埋供热管道的初投资成本属于一次性投资，运行费用是常年发生的费用，两者直接相加的总额并不能合理反映其经济性。从财务专业分析的角度考虑，应通过利率将资金与时间的动态关系折算出来，如此计算的总成本具有统一的尺度和可比性。财务动态分析中常用的方法是年计算费用法，在整个项目寿命周期内，按照规定的基准投资收益率，将全部年限所发生的现金流量折算成现值的方法。其公式如下[5]：
式中：W年值为供热管道年均投资费用，万元；A 为资金回收系数；i 为年利率；n 为计息年数，万年。
计息年数取预制直埋供热管道的设计使用年限，即30 年，利率取为8%，则可得预制直埋供热管道的年均投资费用，见表4。此年均投资费用与年运行费用相加，可得供热管道年均总费用。年均总费用最小值对应的管径就是优化配置管径，由表4 知，年均总费用最小对应管径为φ1120*16。
5 结束语
本文详细分析了预制直埋供热管道优化配置的方法，除了现行水力计算为核心的科学方法，还应辅以财务动态分析，确保预制直埋供热管道选型既科学、又经济。研究得到如下有益结论：
（1）根据水力计算研究，预制直埋供热管道选型主要取决于管内介质流速，通过安全流速范围，可以计算预制直埋供热管道的管径范围。
（2）预制直埋供热管道初投资成本主要是材料和建筑安装费用，受管道选型影响较大，初投资成本随着管径的增大而逐步变大；预制直埋供热管道年运行费用主要考虑循环水泵电耗，其同样受管道选型影响较大，且年运行费用随着管径的增大而逐步变小。因此，合理的预制直埋供热管道选型是保证总费用最低。
（3）实际工程中，不同工程的投资成本和运行成本都有一定差异，本文对某北方城市供热工程实例中的预制直埋供热管道进行优化配置，通过财务动态分析，提出年均总费用的概念，介绍各个参数的计算方法。结果表明，利率取8%时，计算可得年均总费用最小对应管径为φ1120*16。
