浅谈复杂地形条件下蒸汽管网优化设计

[ 摘要 ] 随着我国热电联产和集中供热事业的蓬勃发展，多数大型机组距离热负荷集中区距离较远，蒸汽管网在敷设途中所遇地形条件复杂多变，优化复杂地形条件下的蒸汽管网设计势在必行。本文结合南京南站供热工程实际案例，提出在不同复杂地形条件下的优化设计方案，为今后类似工程的设计提供参考。

[ 关键词 ]蒸汽管网；复杂地形；南京南站供热；优化设计

中图分类号：S611文献标识码： A

1 前言

随着我国热电联产和集中供热事业的蓬勃发展，蒸汽管网的建设也在如火如荼的进行。管网建设过程中，沿途地形地貌复杂多变，尤其是管道在通过山地、宽阔河流及水域（水库）、宽阔道路及铁路、城市及集中居住区、流沙地区等复杂地形时，管道敷设尤其困难。

针对蒸汽管网在通过复杂地形时遇到的难点，笔者从管网的安全、经济、合理、灵活等角度出发，结合南京南站供热工程案例，提出在复杂地形条件下蒸汽管网的优化设计。

2案例简介

南京华润热电有限公司至南京铁路南站供热工程（以下简称“南站工程”）为南京华润热电有限公司为京沪高铁南京铁路南站供热配套项目，管线设计全长23.7km，管径DN500变径DN450，途经九条高等级道路、三条河道、两条铁路、一座山、一座水库等复杂地形。工程于2010年10月8日开工建设，于2011年12月12日冲管调试结束。

根据测试报告，管线在30t/h（50%负荷）运行时，管线温降为6.32℃/km，压降0.0105MPa/km，达到国内领先水平。

3 复杂地形条件下蒸汽管网优化设计

通过对山地、宽阔河流及水域（水库）、宽阔道路及铁路、城市及集中居住区、地质不稳定（流沙）地区等复杂地形的分析和研究，考虑最经济管道热补偿方式，提出蒸汽管网敷设的优化设计解决方案。

3.1 山地

南站工程主要沿高铁敷设，须通过岱山，岱山是南京南部的山丘，表面浮土约500mm，下为岩石，管线通过处，高差变化大，机械不易进场作业，标高不易确定。为最大限度地降低工程造价，减小不良地形对安全施工及人员造成的损伤，我们提出爬高绕行自然补偿方案，充分利用管道爬坡及拐弯来解决热补偿问题，同时在详细分析山体岩石承载力的前提下，缩小土建支架体量，并设法将支架基础与岩石锚为一体，确保工程质量。部分地段管道高差较大，最大处高差达12m，设计考虑将高差分段，采用中间设弹簧形式自热补偿通过。

3.2 宽阔河流及水域

南站工程需跨越板桥河、秦淮新河和石岗水库。板桥河是秦淮新河的分支，是重要的泄洪河道，河面宽约50m。秦淮新河是秦淮河的分洪道，集行洪、灌溉和航运功能于一体，河面宽130m。石岗水库是用于防洪蓄水的水库，水面面积500m×280m，管道通过水面长度236m。

蒸汽管道通过河流一般分为水上敷设和水下敷设两种方式，水上可采用独立支架、桁架、拱管、悬索桥、随桥敷设等方式；水下可采用顶管、沉管等方式。各种敷设方式特点如下：

1、独立支架：适用于水深0-5m，管道支架的敷设不影响水域功能的地形条件。由于管道跨距有限，故水中支架较多，投资较大。

2、桁架：适用于河面较窄（20-60m），投资费用相对较小。

3、拱管：适用跨度为40-80m。利用管道自身柔性吸收热膨胀，建设投资最省，安全可靠性高。

4、悬索桥：适用跨度为70-300m。通常单独为管道或其他构筑物通过设计，造型美观，投资较高。

5、随桥敷设：适用于符合相关设计规范前提下，桥梁设计时已经预留管道敷设通道或荷载余量能够满足管道架设。采用化学螺栓或其他方式生根于桥梁侧壁，架管通过，施工工序简单，投资少工期短，维护方便。

6、顶管：适用于跨距20-150m。采用预先顶进混凝土外护管，再通过拖拉或顶进成品直埋管方式施工。通过河流时，管道埋深很深，必须在河床底以下3m左右，施工工序复杂且难度较大，投资大、工期长，受外部条件约束较多，一般为多重约束条件下使用。

7、沉管：适用于50-150m跨距。需对河道进行处理，将成品直埋管添加配重后沉入河道。施工工序复杂且难度较大，管道稳定性较顶管差，相对于顶管和悬索桥投资费用较低。

优化设计方案如下：①通过板桥河，因河道相对较窄且附近无可利用桥梁，设计采用拱管方式通过，拱管跨距70m，由于管道处于源头，蒸汽温度约为320℃，选用矢跨比1/4，以利管道热膨胀，管道投资较少。②通过秦淮新河，因该河道常年通航，两侧为十里秦淮风光带，对过河方案的景观要求较高。我们通过对顶管、沉管及悬索桥方案的反复比较，从经济、安全、管道补偿、河道景观、建设补偿等多方面综合比较，最终采用悬索桥方式通过，悬索主塔跨距150m，管道采用球形补偿器补偿，悬索桥及管道投资比顶管方案节省，且检修方便。

秦淮新河悬索桥（150m）

③通过石岗水库，考虑管道与高铁并行，有限高要求，且管道通过处水库水深较浅约为3m左右，设计采用独立支架通过，并采用管道加强等优化方式加大管道跨距，减少水中支架数量，以节省投资。

3.3 宽阔道路及铁路

南站工程需通过滨江大道（80m）、宁马高速（70m）、绕越高速（60m）、绕城高速（60m）、宁芜公路及宁芜铁路（120m）等9条主要交通干道和2条铁路。

蒸汽管道通过宽阔道路及铁路一般采用直埋、顶管、多段分体桁架方式或管廊。其特点如下：

1、直埋：适用于道路建设过程中或允许开挖路段。工程质量易控，投资费用较顶管少。

2、顶管：适用于已建成且不允许开挖道路。采用预先顶进混凝土外护管，再拖拉或顶进成品直埋管方式通过道路，施工工序复杂，投资较大，受外部条件约束较多。

3、多段分体桁架或管廊：适用于道路中间有绿化带，且单边跨度不超过50m的道路。由于大跨度桁架吊装不便，分体桁架多用于单边路宽30m左右道路，线路架设经济型优于直埋方式。

优化设计方案如下：由于滨江大道、宁马高速、绕越高速、绕城高速、宁芜公路及宁芜铁路等主要交通干道都已经建成通车，且高速公路虽有中间绿岛但不能因施工影响通行，故开挖直埋及分体桁架实施的可能性较小，设计优化考虑采用顶管通过。通过铁路时，需要根据铁路部门要求，留足安全距离。

3.4 城市及集中居住区

南站工程沿线有定坊市场、韩府新苑等居住密集区，为避免因蒸汽管道引起的安全事故，从安全和经济的角度出发，通过居住区，管道考虑沿围墙高支架敷设，遇道路或小区大门等通道，管道下地直埋敷设。管道选线力求长直，减少弯头，加厚加强保温。

3.5地质不稳定（流沙）地区

南站工程在顶管通过宁芜公路及油新路时遇有大片流沙，因前期地质勘察未探及，我们立即组织相关单位针对两处地质不稳定区域进行补勘。

分析新的地质资料，设计方案如下：地下管道部分就近重新选择顶进通道，并改变顶管作业方式，部分线段采用打木桩方式加强。 架空管道部分采用扩大管径并加强方式通过流沙区。

3.6管道补偿及疏水方案优化

蒸汽管道在复杂地形条件下敷设时，拐弯、爬高走低较多，增大了管线压降，为减少不利条件带来的影响，管道热补偿及疏水必须进行优化设计。从经济、减损的角度考虑，主要优化设计措施如下：①管道通过调整支架高度，结合地形条件，尽可能实现分段同标高布置，减少弯头数量；②山地区域利用管道拐弯、爬高走低采用自然补偿吸收热位移；③长直有高差段采用旋转补偿器及球形补偿器等无应力补偿器补偿；④蒸汽过热度较高及人员密集区不设置连续疏水装置等。

4 结语

随着集中供热事业的不断推进，蒸汽管网的敷设距离由早期的5km经济半径，拓展至现阶段的20-30km长输管网，原来很少触及的复杂地形变得司空见惯，处理好复杂地形条件下的蒸汽管道布置，优化设计方案，精确模拟计算，可以有效的减少管道建设费用，降低管网运行风险，发挥管网的经济效益。

文章结合南站工程案例，有针对性的提出复杂地形条件下的设计思路，从安全经济角度出发，最大限度的减小管线的温降压降，为今后类似工程的设计提供参考。

参考文献

[1] 施振球. 动力管道设计手册.北京：机械工业出版社，2006

[2] 李善化. 集中供热设计手册.北京：中国电力出版社，1995