一、概述
      （一）據有關資料［1］（下同），2009年我國采暖城鎮集中供熱率平均超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高參數大容量熱電機組是集中供熱主力，非采暖期與凝汽機組效率基本相同，采暖期明顯節能［1］，很多城市有十余個區域熱電廠和自備熱電廠（如沈陽現有沈海、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、熱一體化項目投資75億元，總裝機1.8GW（2×300MW+2×600MW，可供暖3600萬平方米）。
      集中熱網到用戶是間接供熱，兩者熱媒參數（溫度、壓力、水質等）可完全不同，運行調節方式簡單，對運行管理人員技術水平要求較低；其供回水壓力不受用戶散熱設備耐壓程度限制，作用半徑大，能滿足規劃設計的經濟規模供熱范圍要求；用戶散熱器中的回水不進入一次網，水量、水質易控制，運行穩定性和安全性高，又可有效防治漏失、氧腐蝕等，維護費用低。系統供回水溫度高、溫差大，因此循環水量遠小于二次網總循環水量，管徑相應縮小、管網造價低、運行電耗也遠低于二次網總電耗，而且熱力站換熱設備幾乎都設在地下室或一層，一次網供回水無二次網服務多層、小高層與高層建筑等，供回水電耗則更低，節能減排效益均明顯提高。目前單主熱源枝狀管網如由熱電廠或區域鍋爐房為主熱源，與其它熱源廠為調峰熱源+熱力站的一次網枝狀異程式格局（示意如圖1-1左）在我國已普遍化［1］。

       這主要與其特點和熱網由小到大的逐步發展有關。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、金屬耗量等均相應減小，投資少，運行管理簡單，分期建設容易，每期造價低、周期短，見效快；當管網某處發生故障時，故障點后用戶雖停供，但建筑物有蓄熱能力，通常可迅速消除熱網故障，室溫不致大降，因此普遍采用。但由于各區域的距離遠近，管網質量，換熱設備等硬環境參差不齊，也存在效率較低、供熱不平衡、能量浪費、熱網波動等諸多問題，發生事故則影響供熱質量，可靠性差。按CJJ34—2002和J216—2002《城市熱力網設計規范》（下稱規范）5.0.8：供熱建筑面積大于1000萬平方米的供熱系統應采用多熱源供熱。多熱源供熱系統環狀熱網（環網）較傳統的單熱源枝狀網有明顯的優勢:運行調節簡單，可使各熱源供熱量互補，靈活調整供熱量，優化水力工況，改善系統中最不利環路的供熱質量，提高可靠性與安全性；并網運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，增強了系統水力穩定性。近年來在集中供熱領域逐漸受到越來越多的推崇，被國內外許多先進國家采用［1］。
      筆者早在1980年代被當時沈陽市計委、市科協等借調任專家組副組長，參與和主持編制《沈陽熱力總體規劃》、《沈陽能源總體規劃》等就將“沈陽熱力干管環網規劃建設”列入，論文稍后刊發《城市規劃》1987年第1期，隨后規劃建設了沈陽熱電廠循環水集中供熱為主熱源（流程示意如圖1-1右）與集中鍋爐房為調峰熱源的200萬平方米的鐵西環網、皇姑熱電廠為主熱源與集中鍋爐房為調峰熱源的530萬平方米的皇姑環網，效益顯著［1］。全國乃至世界規模最大的北京市熱力公司，現有6座熱電廠、8座自營供熱廠，熱網最大管徑：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個工業用戶897t/h。

      其城八區地下鋪設全國最大的熱網系統，總長800km［1］。2010年集中供熱達1.5億平方米，建立以熱電聯產為主，多源互補，多網共聯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“一個中心大網，五個局域新網，六個聯片區網”的格局。尤其我國許多城市各熱源熱網干線相距不甚遠，又都與用戶間接連接，在舊城改造和新城區建設中，原有熱源及在新城區適當地點新熱源建設為實現全城多源環網提供了良好基礎條件［1］。

      （二）大型集中熱網發生大事故則影響特嚴重［1］［2］。大型集中熱網一旦發生事故，則易因室溫陡降而發病、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。規范5.0.9：多熱源供熱系統中熱源間的連通干管設計時，應使各種事故工況下的最低供熱量保證率如表1。
        如沈陽地區采暖室外計算溫度為 -19℃，規劃環網熱源間的連通干管設計供熱量保證率為55%，其規劃一期工程，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網東—西—南段為例，四熱源環網互為備用，因其均以預防事故為主，有日常保養、維護和定期檢修、更換，各自事故率均低至≤1%［1］，則環網停運事故率為≤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，該廠經熱連通干管及時獲供熱量可供熱1100～1815萬平方米，則對用戶影響可承受。環網水力工況調節雖復雜，但溫控器、變頻泵和自力式流量控制閥、壓力調節閥、溫度調節閥等自控設施應用［1］［2］使其運行調節簡易，僅需其自動調整各熱源循環水量以控制其供回水溫度、壓力，全系統就會達到統一合格的供熱，為實現多源環網運行提供了先進的技術條件；我國已經躍為世界第二經濟大國，2009年稅收收入達6.31萬億元，同比增長9.1%，占GDP約20%，如將非稅、游離于預算外、能統計在冊的其它收入都計算在內，可能會超30%；外匯儲備余額為2.4萬億美元，同比增長23.3%；全社會固定資產投資22.5萬億元，比上年增長30.1％，增速比上年加快4.6個百分點；銀行業金融機構境內本外幣資產總額69.4萬億元，各項存款余額57.5萬億元，其中人民幣增加9.6萬億元；社會消費品零售總額超12.5萬億元，這些是確保我國十二五規劃和2020年大規模規劃建設多聯環網的雄厚資金條件［1］。

      二、集中供熱熱網與其多源環網
      （一）如沈陽市2010年供熱面積達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90%，1.62億平方米，目前沈陽渾南熱電廠800MW的規劃規模為全國最大，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、三主熱源環網拓撲結構［1］、經合理簡化的A、B、C熱源環網及熱力站布局［1］如圖2-1，布局主要根據主熱源位置、熱負荷分布、街區現狀、發展規劃及地質、地形條件等確定，尤其應充分利用現有和規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、環網最大優點是有較高供熱后備能力。當輸配干線出事故，可切除故障段后，經環網由另一方向保證供熱。但其是大慣性系統，供熱面積越大慣性越強，熱力站越多，網絡越復雜，耦合就越強烈［1］。如沈陽規劃城市環網一期工程，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，熱力站合計超600座［1］。我國大力實施分戶計量收費，促用戶自覺節熱節能節費；但供熱企業管理和熱網控調難度極大，非人工所及，必須應用供熱企業管理整體解決方案、自動監控設施如圖2-3。
      其監控中心數據幾乎與現場數據保持同步，可實現平衡運行節能降耗。尤其24小時在線運行，現場計量出現故障可即時發現，并將故障時間記錄備案。避免計量損失（漏失、偷盜熱水等；通過仿真系統對熱網水力、熱力計算和運行分析，可達最優化運行，實現對熱源、環網、熱力站的供/回水溫度、流量、壓力、閥位、用戶室內外溫度等數據的采取和計量泵控制（如圖2-4）等，可最大程度節能減排降耗并提高服務質量［1］。

      （二）環網水力工況計算是在給定的用戶流量和管網布局，按設計要求選取各管段管徑，計算管網壓降后選取動力設備；水力工況分析是在給定各管段結構參數和水泵性能后計算各節點壓力、各管段流量、比摩阻等工況參數是否滿足設定要求，以便作相應調整。規劃設計計算步驟：
      1、制定設計工況下各熱源是并聯供熱或截斷供熱，在供熱量平衡基礎上規劃各熱源投入順序和運行時間；根據設計要求確定各運行階段熱源和用戶流量，針對運行階段幾個最不利的水力工況，依據各用戶的流量確定各節點流量，并根據節點距熱源遠近初步擬定各管線流向。必要時，還應大致確定水力交匯點或平衡管段所在位置。在已知的管網布局基礎上，對大型環網作合理簡化。如供回水管路徑相同，故可將熱力站作為節點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位置新建一個技術經濟比較確定的規模適當的熱力站，盡量減少節點數，于是只需掌握干線與主支線水力工況參數即可。注意：規范10.3規定，民用熱力站最佳供熱規模應通過技術經濟比較確定。當不具備經濟比較條件時，對新建住宅區，最大規模以供熱范圍不超過本街區為限；對已有采暖系統的小區，在減少原有采暖系統工程量的前提下，宜減少熱力站個數。
      2、依據節點流量平衡原理對各管段分配初始流量關系到運行費用、管網可靠性等技術經濟問題，有一定經驗性，宜按分配流量和規范中對參數的限定條件，利用計算公式或查圖表初步選取管徑后，對環線作平差計算。供回水管可將熱源出口端、定壓點作為參考節點壓力設定，平差計算使各環線壓損為零。這是一個反復迭代、反復求解的過程，在滿足一定精度要求的條件下結束計算，初步確定各管段流量、節點壓力、比摩阻、流速等水力工況參數后，以供、回水節點壓力最低、高為最不利用戶計算管網壓降，并考慮用戶預留壓力和熱源壓損，進一步調整或選取循環水泵。如上述參數未滿足相關技術要求，需作進一步作平差校核計算調整。該計算是迭代求解的反復調整、反復計算的龐大復雜過程，傳統的手工計算結合圖表計算工作量特大，而精度方面卻往往難以滿足要求，通常依據數學模型和求解方法編制計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宜采用下列措施：
      1、在循環水泵供回水管之間設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到新穩定狀態，莊頭波動振幅較無該管小很多。其原理：循環水泵運行的出水側水壓高于吸水側，止回閥呈關閉狀態。當突然停泵瞬間則出水側壓力急劇降低，而吸水側壓力則大幅增高，在此壓差作用下，吸水側管路中的水即推開止回閥至泵出水側管網系統，從而降低了吸水側管網中壓力增高幅度；減少和防止了水錘危害。通常按規定壓力界限的瞬變計算，確定泄壓旁通管徑與其配套止回閥如在兩標準規格之間，宜就大不就小，選用阻力較小、開啟靈活的產品。
      2、環狀干管和各主熱源輸熱及配熱干管每隔2～3km及1～1.5km設分段閥室封閉事故點，關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行；同時設調節閥使流量分布趨于合理，并減少各熱源循環水泵之間不利的相互制約作用，剩余壓頭趨于均勻節能。
      3、通往熱力站的配熱支管（含少數配熱干管）設分段小室，配分段閥、熱力站管網接頭閥、相鄰支管和支管與備用熱源的連通閥、調節閥，功能和效益同上。在流量大、較集中處，管徑可適當放大，發生事故時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量。
      4、熱力站通往某些重點小區或重要部門的用戶管，可設旁通管，發生事故可通過旁通管補救。在熱水供應負荷發達的城市，為使熱水供應系統具有后備能力，無論干管之間連線如何，宜在重點小區或重要部門的分配管相鄰支管之間設管徑較小的跨越管。
      5、相鄰2～3km內、1～1.5km內的在輸送、配熱干線之間宜設連通管，當其中某根干線出故障，可關閉干線分段閥，開啟連通管閥，由相鄰干線向其停供的配熱支管供熱，提高了環網安全可靠性和后備能力。連通管流量，應按熱負荷較大的干線切除故障段后，供應其余熱負荷的70%確定。

      （四）目前各熱源隸屬不同的供熱企業（如沈陽市十二五規劃全市供熱熱源、企業減少為300座、100家，力爭規模經濟效益的現實最大化），各自供熱量不同，供熱越少，其原有供熱市場的份額和利潤越被壓縮。另一方面在煤、電、熱價未反映市場真實，熱電比直接影響經濟效益，而且熱耗高的中小型機組越少供熱，能耗越高，造成惡性循環。因此目前仍須采用按各熱源供熱量的固定比例控調運行，熱網基本處于相似工況狀態（即各熱力站流量和資用壓頭等比變化），當系統控調平衡后，相似工況之間的變換無需調節熱力站閥門開度而仍處于平衡狀態，簡化了控調過程而難度大降。但宜盡量采用節能降耗最優化運行：打開聯通管閥門，并將環網閥門設為合理開度進行水力優化調度；打破各熱源隸屬關系，在氣溫較高時只由熱電廠向全網供熱，按效率高—中—低的機組順序參與；當熱電廠已達最大供熱能力時，區域、調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致管網水力工況與最不利端隨熱源的調度變化均較大，增加了調控復雜程度，但節能降耗量最大，是運行最優化方式，應力爭條件成熟（如各熱源隸屬企業組建股份有限公司，節能降耗效益由其股份比例分享等），盡快采用。
      （五）我國供熱系統企業基本冬供熱、夏檢修，開展多元化經營的效益十分有限，不易形成相互拉動、相互依托的良性發展態勢。開拓新的供熱市場和盡量提高設施利用率已成為供熱企業確保利潤和提高可持續發展能力的必由之路。在現有供暖時間基礎上提前+延后晝夜溫差較大的天數，最簡單易行。如沈陽、天津、愛輝采暖期按規范≤5℃與≤8℃為152d與177d、122d與147d、199d與224d，均可提前+延后=25d，改善室內熱舒適性。在供熱系統的基礎上發展生活熱水、夏季供冷系統，具有其優勢和競爭力。尤其可緊密結合低溫冷/熱水地板輻射空調系統，以16～18℃冷水/≤60℃熱水在地盤管系統內循環流動，冷卻/加熱整個地板輻射式空調。注意：其供冷實際供/回水溫宜為16～18℃/13℃，可使室溫降3～5℃（結露溫度為12℃，地面結露則足感不舒適），僅穿拖鞋保暖足部而無需配置其它空調，原有戶外管則冬夏均用，使用效率和效益均可大幅提高。---

沈陽市規劃設計研究院 武云甫；     沈陽市規劃局     孫巽；     水利部松遼委員會   武龍甫；   大連理工大學     武陵甫