一、概述
（一）据有关资料［1］（下同），2009年我国采暖城镇集中供热率平均超70%；其中北京供热面积约5.8亿平方米，热网总长约1.7万公里，集中供热4.8亿平方米，为全国最大。北京、沈阳、吉林、长春、郑州、天津、邯郸、秦皇岛和太原等中心城市采用200～300MW高参数大容量热电机组是集中供热主力，非采暖期与凝汽机组效率基本相同，采暖期明显节能［1］，很多城市有十余个区域热电厂和自备热电厂（如沈阳现有沈海、浑南、沈阳、皇姑、沈北、新北、沈西、金山、张士、化工园、抗生素共12座）［1］，在建的沈北煤、电、热一体化项目投资75亿元，总装机1.8GW（2×300MW+2×600MW，可供暖3600万平方米）。
集中热网到用户是间接供热，两者热媒参数（温度、压力、水质等）可完全不同，运行调节方式简单，对运行管理人员技术水平要求较低；其供回水压力不受用户散热设备耐压程度限制，作用半径大，能满足规划设计的经济规模供热范围要求；用户散热器中的回水不进入一次网，水量、水质易控制，运行稳定性和安全性高，又可有效防治漏失、氧腐蚀等，维护费用低。系统供回水温度高、温差大，因此循环水量远小于二次网总循环水量，管径相应缩小、管网造价低、运行电耗也远低于二次网总电耗，而且热力站换热设备几乎都设在地下室或一层，一次网供回水无二次网服务多层、小高层与高层建筑等，供回水电耗则更低，节能减排效益均明显提高。目前单主热源枝状管网如由热电厂或区域锅炉房为主热源，与其它热源厂为调峰热源+热力站的一次网枝状异程式格局（示意如图1-1左）在我国已普遍化［1］。
这主要与其特点和热网由小到大的逐步发展有关。如其管径随其与热源距离增加和用户减少而逐步减小，虽无后备供热性，但管径、耗能、金属耗量等均相应减小，投资少，运行管理简单，分期建设容易，每期造价低、周期短，见效快；当管网某处发生故障时，故障点后用户虽停供，但建筑物有蓄热能力，通常可迅速消除热网故障，室温不致大降，因此普遍采用。但由于各区域的距离远近，管网质量，换热设备等硬环境参差不齐，也存在效率较低、供热不平衡、能量浪费、热网波动等诸多问题，发生事故则影响供热质量，可靠性差。按CJJ34—2002和J216—2002《城市热力网设计规范》（下称规范）5.0.8：供热建筑面积大于1000万平方米的供热系统应采用多热源供热。多热源供热系统环状热网（环网）较传统的单热源枝状网有明显的优势:运行调节简单，可使各热源供热量互补，灵活调整供热量，优化水力工况，改善系统中最不利环路的供热质量，提高可靠性与安全性；并网运行利用了所有管段的流通能力，可降低管段压力损失，比摩阻小，增强了系统水力稳定性。近年来在集中供热领域逐渐受到越来越多的推崇，被国内外许多先进国家采用［1］。
笔者早在1980年代被当时沈阳市计委、市科协等借调任专家组副组长，参与和主持编制《沈阳热力总体规划》、《沈阳能源总体规划》等就将“沈阳热力干管环网规划建设”列入，论文稍后刊发《城市规划》1987年第1期，随后规划建设了沈阳热电厂循环水集中供热为主热源（流程示意如图1-1右）与集中锅炉房为调峰热源的200万平方米的铁西环网、皇姑热电厂为主热源与集中锅炉房为调峰热源的530万平方米的皇姑环网，效益显著［1］。全国乃至世界规模最大的北京市热力公司，现有6座热电厂、8座自营供热厂，热网最大管径：蒸汽DN1000、热水DN1400，主干线870km，热力站2153座，供热1.3亿平方米，供汽105个工业用户897t/h。
其城八区地下铺设全国最大的热网系统，总长800km［1］。2010年集中供热达1.5亿平方米，建立以热电联产为主，多源互补，多网共联的安全清洁高效的城市供热体系。到2020年，北京市供热基本形成“一个中心大网，五个局域新网，六个联片区网”的格局。尤其我国许多城市各热源热网干线相距不甚远，又都与用户间接连接，在旧城改造和新城区建设中，原有热源及在新城区适当地点新热源建设为实现全城多源环网提供了良好基础条件［1］。
（二）大型集中热网发生大事故则影响特严重［1］［2］。大型集中热网一旦发生事故，则易因室温陡降而发病、病危乃至病亡的影响难以估量。因此保证供热可靠性、安全性非常重要。规范5.0.9：多热源供热系统中热源间的连通干管设计时，应使各种事故工况下的最低供热量保证率如表1。
如沈阳地区采暖室外计算温度为 -19℃，规划环网热源间的连通干管设计供热量保证率为55%，其规划一期工程，即供热面积1000、500、1800、2000（万平方米）的沈海—沈阳—沈西—浑南热电厂为主热源的环网东—西—南段为例，四热源环网互为备用，因其均以预防事故为主，有日常保养、维护和定期检修、更换，各自事故率均低至≤1%［1］，则环网停运事故率为≤1%、0.1%、0，01%、0.001%，既使最大的浑南热电厂停供，在紧急抢修乃至其用户室温因停供和房屋蓄热量消耗而下降2℃期间，该厂经热连通干管及时获供热量可供热1100～1815万平方米，则对用户影响可承受。环网水力工况调节虽复杂，但温控器、变频泵和自力式流量控制阀、压力调节阀、温度调节阀等自控设施应用［1］［2］使其运行调节简易，仅需其自动调整各热源循环水量以控制其供回水温度、压力，全系统就会达到统一合格的供热，为实现多源环网运行提供了先进的技术条件；我国已经跃为世界第二经济大国，2009年税收收入达6.31万亿元，同比增长9.1%，占GDP约20%，如将非税、游离于预算外、能统计在册的其它收入都计算在内，可能会超30%；外汇储备余额为2.4万亿美元，同比增长23.3%；全社会固定资产投资22.5万亿元，比上年增长30.1％，增速比上年加快4.6个百分点；银行业金融机构境内本外币资产总额69.4万亿元，各项存款余额57.5万亿元，其中人民币增加9.6万亿元；社会消费品零售总额超12.5万亿元，这些是确保我国十二五规划和2020年大规模规划建设多联环网的雄厚资金条件［1］。
二、集中供热热网与其多源环网
（一）如沈阳市2010年供热面积达1.8亿平方米，集中供热面积为1.62亿平方米，集中供热率达90%，1.62亿平方米，目前沈阳浑南热电厂800MW的规划规模为全国最大，总供热面积5000万平方米，其一期工程供热2000万平方米，投资30亿元；全市供热热源300座［1］。
1、二、三主热源环网拓扑结构［1］、经合理简化的A、B、C热源环网及热力站布局［1］如图2-1，布局主要根据主热源位置、热负荷分布、街区现状、发展规划及地质、地形条件等确定，尤其应充分利用现有和规划各主热源与其输热干线，相邻两热源之间可尽量在各自输热干线首段短捷“手拉手”连通，其连通管段［1］如图2-2。
2、环网最大优点是有较高供热后备能力。当输配干线出事故，可切除故障段后，经环网由另一方向保证供热。但其是大惯性系统，供热面积越大惯性越强，热力站越多，网络越复杂，耦合就越强烈［1］。如沈阳规划城市环网一期工程，即供热面积1000、500、1800、2000（万平方米）的沈海—沈阳—沈西—浑南热电厂为主热源的东—西—南段，热力站合计超600座［1］。我国大力实施分户计量收费，促用户自觉节热节能节费；但供热企业管理和热网控调难度极大，非人工所及，必须应用供热企业管理整体解决方案、自动监控设施如图2-3。
其监控中心数据几乎与现场数据保持同步，可实现平衡运行节能降耗。尤其24小时在线运行，现场计量出现故障可即时发现，并将故障时间记录备案。避免计量损失（漏失、偷盗热水等；通过仿真系统对热网水力、热力计算和运行分析，可达最优化运行，实现对热源、环网、热力站的供/回水温度、流量、压力、阀位、用户室内外温度等数据的采取和计量泵控制（如图2-4）等，可最大程度节能减排降耗并提高服务质量［1］。
（二）环网水力工况计算是在给定的用户流量和管网布局，按设计要求选取各管段管径，计算管网压降后选取动力设备；水力工况分析是在给定各管段结构参数和水泵性能后计算各节点压力、各管段流量、比摩阻等工况参数是否满足设定要求，以便作相应调整。规划设计计算步骤：
1、制定设计工况下各热源是并联供热或截断供热，在供热量平衡基础上规划各热源投入顺序和运行时间；根据设计要求确定各运行阶段热源和用户流量，针对运行阶段几个最不利的水力工况，依据各用户的流量确定各节点流量，并根据节点距热源远近初步拟定各管线流向。必要时，还应大致确定水力交汇点或平衡管段所在位置。在已知的管网布局基础上，对大型环网作合理简化。如供回水管路径相同，故可将热力站作为节点将供回水管线分开处理；并将相邻的小型热力站合并或在适当位置新建一个技术经济比较确定的规模适当的热力站，尽量减少节点数，于是只需掌握干线与主支线水力工况参数即可。注意：规范10.3规定，民用热力站最佳供热规模应通过技术经济比较确定。当不具备经济比较条件时，对新建住宅区，最大规模以供热范围不超过本街区为限；对已有采暖系统的小区，在减少原有采暖系统工程量的前提下，宜减少热力站个数。
2、依据节点流量平衡原理对各管段分配初始流量关系到运行费用、管网可靠性等技术经济问题，有一定经验性，宜按分配流量和规范中对参数的限定条件，利用计算公式或查图表初步选取管径后，对环线作平差计算。供回水管可将热源出口端、定压点作为参考节点压力设定，平差计算使各环线压损为零。这是一个反复迭代、反复求解的过程，在满足一定精度要求的条件下结束计算，初步确定各管段流量、节点压力、比摩阻、流速等水力工况参数后，以供、回水节点压力最低、高为最不利用户计算管网压降，并考虑用户预留压力和热源压损，进一步调整或选取循环水泵。如上述参数未满足相关技术要求，需作进一步作平差校核计算调整。该计算是迭代求解的反复调整、反复计算的庞大复杂过程，传统的手工计算结合图表计算工作量特大，而精度方面却往往难以满足要求，通常依据数学模型和求解方法编制计算程序或购入软件后借助电脑完成。
（三）投资增加与避免停供影响性、用户重要性比较合适时宜采用下列措施：
1、在循环水泵供回水管之间设有或无止回阀的泄压旁通管，如图2-5，管路压力振荡很快衰减达到新稳定状态，庄头波动振幅较无该管小很多。其原理：循环水泵运行的出水侧水压高于吸水侧，止回阀呈关闭状态。当突然停泵瞬间则出水侧压力急剧降低，而吸水侧压力则大幅增高，在此压差作用下，吸水侧管路中的水即推开止回阀至泵出水侧管网系统，从而降低了吸水侧管网中压力增高幅度；减少和防止了水锤危害。通常按规定压力界限的瞬变计算，确定泄压旁通管径与其配套止回阀如在两标准规格之间，宜就大不就小，选用阻力较小、开启灵活的产品。
2、环状干管和各主热源输热及配热干管每隔2～3km及1～1.5km设分段阀室封闭事故点，关阀使事故影响缩小范围，并减少大量失水量，事后可更容易和更快地正常运行；同时设调节阀使流量分布趋于合理，并减少各热源循环水泵之间不利的相互制约作用，剩余压头趋于均匀节能。
3、通往热力站的配热支管（含少数配热干管）设分段小室，配分段阀、热力站管网接头阀、相邻支管和支管与备用热源的连通阀、调节阀，功能和效益同上。在流量大、较集中处，管径可适当放大，发生事故时不至于因管径选取得太小，使该处压损过大而影响到其后面热力站的供热质量。
4、热力站通往某些重点小区或重要部门的用户管，可设旁通管，发生事故可通过旁通管补救。在热水供应负荷发达的城市，为使热水供应系统具有后备能力，无论干管之间连线如何，宜在重点小区或重要部门的分配管相邻支管之间设管径较小的跨越管。
5、相邻2～3km内、1～1.5km内的在输送、配热干线之间宜设连通管，当其中某根干线出故障，可关闭干线分段阀，开启连通管阀，由相邻干线向其停供的配热支管供热，提高了环网安全可靠性和后备能力。连通管流量，应按热负荷较大的干线切除故障段后，供应其余热负荷的70%确定。
（四）目前各热源隶属不同的供热企业（如沈阳市十二五规划全市供热热源、企业减少为300座、100家，力争规模经济效益的现实最大化），各自供热量不同，供热越少，其原有供热市场的份额和利润越被压缩。另一方面在煤、电、热价未反映市场真实，热电比直接影响经济效益，而且热耗高的中小型机组越少供热，能耗越高，造成恶性循环。因此目前仍须采用按各热源供热量的固定比例控调运行，热网基本处于相似工况状态（即各热力站流量和资用压头等比变化），当系统控调平衡后，相似工况之间的变换无需调节热力站阀门开度而仍处于平衡状态，简化了控调过程而难度大降。但宜尽量采用节能降耗最优化运行：打开联通管阀门，并将环网阀门设为合理开度进行水力优化调度；打破各热源隶属关系，在气温较高时只由热电厂向全网供热，按效率高—中—低的机组顺序参与；当热电厂已达最大供热能力时，区域、调峰锅炉房参与顺序同热电厂；虽因各热源供热量比例的不断变化导致管网水力工况与最不利端随热源的调度变化均较大，增加了调控复杂程度，但节能降耗量最大，是运行最优化方式，应力争条件成熟（如各热源隶属企业组建股份有限公司，节能降耗效益由其股份比例分享等），尽快采用。
（五）我国供热系统企业基本冬供热、夏检修，开展多元化经营的效益十分有限，不易形成相互拉动、相互依托的良性发展态势。开拓新的供热市场和尽量提高设施利用率已成为供热企业确保利润和提高可持续发展能力的必由之路。在现有供暖时间基础上提前+延后昼夜温差较大的天数，最简单易行。如沈阳、天津、爱辉采暖期按规范≤5℃与≤8℃为152d与177d、122d与147d、199d与224d，均可提前+延后=25d，改善室内热舒适性。在供热系统的基础上发展生活热水、夏季供冷系统，具有其优势和竞争力。尤其可紧密结合低温冷/热水地板辐射空调系统，以16～18℃冷水/≤60℃热水在地盘管系统内循环流动，冷却/加热整个地板辐射式空调。注意：其供冷实际供/回水温宜为16～18℃/13℃，可使室温降3～5℃（结露温度为12℃，地面结露则足感不舒适），仅穿拖鞋保暖足部而无需配置其它空调，原有户外管则冬夏均用，使用效率和效益均可大幅提高。---
沈阳市规划设计研究院 武云甫； 沈阳市规划局 孙巽； 水利部松辽委员会 武龙甫； 大连理工大学 武陵甫
