CN108006333B - 一种长距输送的高温水管网***、管道及管件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种长距输送的高温水管网***、管道及管件，属于供热技术领域。该管网***由管路、管路附件、泵、阀将热源与热用户端联结构成，该高温水管网***中部分或所有热水通过的钢材质的部件内壁均复合一层减阻涂层。所述减阻涂层具有以下特征：其海曾·威廉粗糙系数为130～140。所述减阻涂层以熔融结合环氧粉末涂料为基体。本发明长距输送热水管网***通过复合减阻涂层来降低管道输送阻力，可以有节省建设投资和运行的输送能耗。这对于幅员辽阔，人口众多的我国城市集中供热而言意义重大。

Description

一种长距输送的高温水管网***、管道及管件
技术领域
本发明属于供热技术领域，具体涉及一种长距输送的高温水管网***、管道及管件。
背景技术
随着我国城市规模的不断扩大，原有的集中供热热源已无法满足城市供热的需要，而在人口密集的城镇新增或扩建热源又面临着越来越大的大气环境治理压力，因此选择利用远郊现有电厂向城市长距离供热。得益于近几年热电联产余热回收技术、大温差供热技术的日趋成熟，集中供热市场己出现了40～70km距离的集中供热工程。
对于长输供热工程，运行成本在供热成本中占有较重的比例，而输送电耗在运行成本中所占的比例近80％。这是因为目前我国集中供热工程采用高温(110-130℃)热水供热，而输送热水多采用预制直埋保温管，其工作管为热轧带钢卷制螺旋焊缝钢管，内壁未经任何处理，表面粗糙度较大且随着运行时间的推移越来越大，导致供热***输送压力损失不断加大，成为长距离供热经济运行的最短板。就本质而言，管道压力损失是影响长距输送的真正原因。尽管热电联产余热回收及大温差供热节能技术的应用加大了供热经济半径，但所节约能源的一部分被管道压力损失所消耗。因此减少管道压力损失降低输送电耗已迫在眉睫。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种使用减阻涂层的长距输送的高温水管道***，可大大降低输送阻力，还可以提高管道使用的安全与寿命。
具体地，本发明提供了一种长距输送的高温水管网***，由管路、管路附件、泵、阀将热源(电厂)与热用户端联结构成，该高温水管网***中部分或所有热水通过的钢材质的部件内壁均复合一层减阻涂层，其海曾·威廉粗糙系数为130～140，并且满足下述技术要求：
——涂层的一般性能：
常温弯曲度为3°，
常温抗冲击≥5J；
常温邵氏硬度≥70(H)；
耐磨性：用CS-10的砂轮，1kg载荷，转数为每分钟1000转；磨损量≤30mg；
阴极剥离：在23±2℃，48h，3.5％NaCl，-1.5V条件下，根据SY/T 0315标准的测试结果≤5um；
——涂层的湿附着力，依次满足低温、高温和交变蒸馏水浸泡，要求：
低温浸泡，90℃，常压，45天，≤2级脱层；
高温浸泡，140℃，2.5MPa，45天，≤2级脱层；
交变浸泡，90℃，常压至110℃，3.2MPa，频率2～3小时，频次大于600次，≤2级脱层。
本发明提供的输送的高温水管网***中，减阻涂层厚度为200-700μm。
本发明提供的输送的高温水管网***中，所述减阻涂层最好选用熔融结合环氧粉末涂料为基体材。
此外，本发明还提供了一种用于上述长距输送的高温水管网***的高温水热管道，其特征在于所述高温水热管道内壁复合一层减阻涂层，其海曾·威廉粗糙系数为130～140，为了实现涂层的可靠性，涂层还需要满足下述技术要求：
——涂层的一般性能：
常温弯曲度为3°，
常温抗冲击≥5J；
常温邵氏硬度≥70(H)；
耐磨性：用CS-10的砂轮，1kg载荷，转数为每分钟1000转；磨损量≤30mg；
阴极剥离：在23±2℃，48h，3.5％NaCl，-1.5V条件下，根据SY/T 0315标准的测试结果≤5um；
——涂层的湿附着力，依次满足低温、高温和交变蒸馏水浸泡，要求：
低温浸泡，90℃，常压，45天，≤2级脱层；
高温浸泡，140℃，2.5MPa，45天，≤2级脱层；
交变浸泡，90℃，常压至110℃，3.2MPa，频率2～3小时，频次大于600次，≤2级脱层。
本发明所提供的高温水热管道中，减阻涂层厚度为200-700μm。
本发明所提供的高温水热管道中，所述减阻涂层为优选为熔融结合环氧粉末涂料。
最后，本发明提供了一种用于上述长距输送的高温水管网***的高温水热管件，包括弯头、三通、变径管，其特征在于所述高温水热管件内壁复合一层减阻涂层，其海曾·威廉粗糙系数为130～140，为了实现涂层的可靠性，涂层还需要满足下述技术要求：
——涂层的一般性能：
常温弯曲度为3°，
常温抗冲击≥5J；
常温邵氏硬度≥70(H)；
耐磨性：用CS-10的砂轮，1kg载荷，转数为每分钟1000转；磨损量≤30mg；
阴极剥离：在23±2℃，48h，3.5％NaCl，-1.5V条件下，根据SY/T 0315标准的测试结果≤5um；
——涂层的湿附着力，依次满足低温、高温和交变蒸馏水浸泡，要求：
低温浸泡，90℃，常压，45天，≤2级脱层；
高温浸泡，140℃，2.5MPa，45天，≤2级脱层；
交变浸泡，90℃，常压至110℃，3.2MPa，频率2～3小时，频次大于600次，≤2级脱层。
本发明所提供的高温水热管件，减阻涂层厚度为200-700μm。
本发明所提供的高温水热管件，所述减阻涂层优选为熔融结合环氧粉末涂料。
根据GB50015-2010《建筑给排水设计规范》3.6.10所述，管道单位长度水头损失计算采用海曾·威廉公式：
i＝105Ch-1.85dj-4.87qg1.85
其中，Ch为海曾·威廉粗糙系数。
GB50015中明确：普通钢管、铸铁管的海曾·威廉粗糙系数为100；塑料管、内衬(涂)塑管的海曾·威廉粗糙系数为140。由海曾·威廉公式可知，塑料管、内衬(涂)塑管比普通钢管、铸铁管的单位长度水头损失(kPa/m)减少40％。将普通钢管内壁表面改造为塑料表面将大大降低输送阻力，即可大大减少输送电耗。熔融结合环氧粉末涂层属于一种热固型塑料涂层，将其复合于输送高温水的普通钢管内壁即可大大降低输送阻力，同时这种涂层优异的防护性能还可以提高管道使用的安全与寿命。
本发明一种使用减阻涂层的长距输送的高温水管网，将该高温水管网中所有的钢材质的部件内壁均复合一层减阻涂层，将大大降低输送阻力，即可大大减少输送电耗。本发明所用的熔融结合环氧粉末涂层属于一种热固型塑料涂层，将其复合于输送高温水的普通钢管内壁即可大大降低输送阻力，同时这种涂层优异的防腐性能还可以提高管道使用的安全与寿命。
本发明长距输送热水管网通过复合减租涂层减阻来降低管道压降，可以有节省建设投资和日后的输送能耗。这对于幅员辽阔，人口众多的我国城市集中供热而言意义重大。
说明书附图
图1为一种长距输送的高温水管网的示意图。
其中：1电厂、2水泵、3弯头、4固定管件、5补偿器、6隔断阀、7三通、8变径管、9管道、10换热器、11热用户。
图2为：φ1420单回路方案；
图3为：φ1020双回路方案；
图4为：二供一回方案。
具体实施方式
实施例1
某城市由远郊向市区集中供热长输热水管线工程为例：
距离：路由40km，总长40×4＝160km(二供二回)；
参数：供水温度130℃、回水温度55℃、压力2.5MPa、流量30000t/h、流速2.91m/s、设计寿命30年；
管径：供水φ1420×20mm×2、回水φ1420×18mm×2；
管材：L290螺旋焊缝钢管。
该管线网如图1所示；包括电厂1、水泵2、弯头3、固定管件4、补偿器5、隔断阀6、三通7、变径管8、管道9、换热器10、热用户11；由泵、阀、管件、管路将热供应端与热用户端联结构成。起、始端最大落差约300m，全程拟建设7座加压站，仅加压站总投资约7亿元。
减阻目的：1、减少加压站的数量，以节省建设投资；
2、降低输配能耗，减少运行成本。
按照设计：
所述减阻涂层为熔融结合环氧粉末涂料，该涂料用双酚A环氧树脂和胺类固化剂等组成。该环氧粉末涂料，其原料按重量份包括：有机硅改性环氧树脂20份、甲基苯基硅树脂10份、聚乙烯10份、乙烯基三烷基硅烷5份、丙二醇甲醚醋酸酯2份、甲基丙烯酸甲酯2份、醇酸树脂1份、间苯二酚2份、聚乙烯醚2份、活性炭1份、滑石粉15份、氮化铝粉末5份、硅灰粉4份、三氧化二锑份、云母粉10份、双氰胺10份、氧化铁1份。该耐热性环氧粉末涂料具有优异的附着力、硬度、耐化学性和物理机械性能，同时具有优异的耐热效果和耐磨性能。将该涂料喷涂到供热长输管线的管道内壁，喷涂厚度为400μm。
经检测，该涂层满足以下性能。
——涂层的一般性能：
常温弯曲度为3°，
常温抗冲击≥5J；
常温邵氏硬度≥70(H)；
耐磨性：用CS-10的砂轮，1kg载荷，转数为每分钟1000转；磨损量≤30mg；
阴极剥离：在23±2℃，48h，3.5％NaCl，-1.5V条件下，根据SY/T 0315标准的测试结果≤5um；
——涂层的湿附着力，依次满足低温、高温和交变蒸馏水浸泡，要求：
低温浸泡，90℃，常压，45天，≤2级脱层；
高温浸泡，140℃，2.5MPa，45天，≤2级脱层；
交变浸泡，90℃，常压至110℃，3.2MPa，频率2～3小时，频次大于600次，≤2级脱层。
海曾·威廉粗糙系数Ch为140。
采用上述办法在钢管内壁复合一层减阻涂层后，使管道压降下降约40％，即***压降减少141×2m。其结果比无减阻层时：
1、减少二座加压站，节省建设投资约1.8亿元。扣除减阻投入约0.9亿元后，节省总建设费0.9亿元。
2、每个采暖季节省输配电耗4398万度，折合电费(峰谷均价)2418万元，30年可累计节省电费7.254亿元。
由此可见，长距输送热水管网通过塑料涂层减阻来降低管道压降，可大大节省建设投资和日后的输送能耗。这对于幅员辽阔，人口众多的我国城市集中供热而言意义重大。
实施例2
某城市集中供热一级高温水管网改造工程，原有地沟横截面尺寸4.9m×2.2m，总长约40公里，工作参数为供水温度125℃、回水温度65℃、压力2.5MPa、流量15000t/h、流速2.91m/s、设计寿命20年。原改造方案是安装一供一回二根φ1420mm热水管道(保温外径φ1650mm)，形成单回路一级高温水管网如图2所示。为提高运行的可靠性，欲将为原单回路方案改为双回路方案，即由4根φ1020×12mm(保温外径φ1164mm)组成二供二回的供热形式如图3所示，
图中可见原有地沟无法排布4根φ1020的热水管，如实施此方案不仅增加约2亿元的地沟扩建费，而且40km的路由中经城镇部分也没有扩建空间。新方案采用二供(φ1020×2)一回(φ1220×1)的供热形式，如图4所示。通常按供，回管流量匹配的原则，回水管径应选用φ1420，由于原地沟剩余空间仅能安装一根φ1220的管道。解决此***瓶颈问题的方案是，将φ1220回水管内壁施以减阻层，利用其减阻特性，使15000t/h流量的热水通过时产生的阻力≤二根φ1020供水管的阻力。阻力计算校核按GB50015-2010《建筑给排水设计规范》中水力计算海曾·威廉公式(Hazen-Williams)
i＝105Ch -1.85dj -4.87qg 1.85
其中：i为单位长度水头损失，kPa/m；qg为流量，m3/s；dj为管道内径，m；
Ch为H-W摩阻系数，钢管为100，铜管为130，塑料管为140，内衬水泥铸铁管为130。
1、供水管，φ1020×12mm×2根，单管流量(t/h)15000/2＝2.085m3/s，内壁无减阻层时Ch＝100，供水单管阻力iG(kPa/m)：
iG＝105×100-1.85×0.996-4.87×2.0851.85
iG＝0.0832kPa/m
2、回水管，φ1220×14mm×1根，总流量15000t/h＝4.17m3/s，内壁有减阻层时Ch＝130～140，保守计算时取Ch＝130，回水管阻力iH(kPa/m)：
iH＝105×130-1.85×1.192-4.87×4.171.85
iH＝0.077kPa/m
3、结论：iH≤iG，经内壁减阻，单根φ1220×14mm管道不仅满足使用要求，而且节省40km地沟改建费约2亿元，还大大加快了工程进度。
设计寿命20年。按照设计，在该管网中所有的管道内壁均复合一层减阻涂层。
所述减阻涂层为熔融结合环氧粉末涂料，所述减阻涂层为熔融结合环氧粉末涂料，该涂料包含500重量份酸值为30～38mgKOH/g的饱和聚酯树脂、40重量份环氧当量为105～115g/eq的TGIC固化剂、110重量份的硫酸钡、100重量份的助剂和250重量份的颜料，其中所述助剂为流平剂、除气剂和蜡粉的混合物；所述流平剂、润湿剂、除气剂和蜡粉的质量比为1:1:0.5:0.5。所述润湿剂为丙烯酸酯共聚物类润湿剂。所述蜡粉为聚四氟类蜡粉。所述除气剂为安息香。所述流平剂为丙烯酸酯流平剂。
将该涂料喷涂到供热长输管线的管道内壁，喷涂厚度为500μm。
我们对涂层进行检测，该涂层满足以下性能。
——涂层的一般性能：
常温弯曲度为3°，
常温抗冲击≥5J；
常温邵氏硬度≥70(H)；
耐磨性：用CS-10的砂轮，1kg载荷，转数为每分钟1000转；磨损量≤30mg；
阴极剥离：在23±2℃，48h，3.5％NaCl，-1.5V条件下，根据SY/T 0315标准的测试结果≤5um；
——涂层的湿附着力，依次满足低温、高温和交变蒸馏水浸泡，要求：
低温浸泡，90℃，常压，45天，≤2级脱层；
高温浸泡，140℃，2.5MPa，45天，≤2级脱层；
交变浸泡，90℃，常压至110℃，3.2MPa，频率2～3小时，频次大于600次，≤2级脱层。
实施例3
某城市集中供热热水管网运行参数为：供水温度130℃、回水温度65℃、压力2.5MPa、流量11000t/h、流速2.96m/s、设计寿命30年，采用单回路输配热水，供、回水管径φ1220×16mm，直埋敷设。途经市区管段约3km，按要求须进入城市公用管廊架空敷设，而管廊内只能布置二根φ1020×12mm的保温管，为解决管网局部缩径的问题，拟通过内壁减阻涂层降低φ1020×12mm管段阻力来解决缩径截流的问题，方案验算过程如下：
阻力验算校核按GB50015-2010《建筑给排水设计规范》中水力计算海曾·威廉公式(Hazen-Williams)
i＝105Ch -1.85dj -4.87qg 1.85
其中：i为单位长度水头损失，kPa/m；qg为流量，m3/s；dj为管道内径，m；
Ch为H-W摩阻系数，钢管为100，铜管为130，塑料管为140，内衬水泥铸铁管为130。
1、φ1020×12mm减阻后阻力计算
工作钢管φ1020×12mm，流量11800t/h＝3.28m3/s，H-W摩阻系数Ch＝140，阻力i10(kPa/m)：
i10＝105×140-1.85×0.996-4.87×3.281.85
i10＝0.1kPa/m
2、φ1220×16mm未减阻时阻力计算
工作钢管φ1220×16mm，流量11800t/h＝3.28m3/s，内壁无减阻层时Ch＝100，阻力i12(kPa/m)：
i12＝105×100-1.85×1.188-4.87×3.281.85
i12＝0.082kPa/m
3、结论：φ1020×12mm管道经内壁减阻，其单长水头损失虽比φ1220×16mm管道大0.018kPa/m，但仍在循环水泵扬程裕量范围，故此方案可行。
按照设计，在该管网中敷设于管廊内的φ1020×12mm供、回水管道和管件内壁均复合一层减阻涂层。
所述减阻涂层为熔融结合环氧粉末涂料，所述减阻涂层为熔融结合环氧粉末涂料，该涂料高耐热环氧树脂基粉末涂料及制备方法，按照质量百分比由以下组分组成：分子量为4000～6000的高分子量环氧树脂20％，聚芳硫醚类树脂2％，二丁基锡二月桂酸酯2％，经硅烷偶联剂处理过的二氧化钛16％，颜料20％与，分子量为1200～3000的低分子量环氧树脂50％。
将该涂料喷涂到供热长输管线的管道内壁，喷涂厚度为400μm。
我们对涂层进行检测，该涂层满足以下性能。
——涂层的一般性能：
常温弯曲度为3°，
常温抗冲击≥5J；
常温邵氏硬度≥70(H)；
耐磨性：用CS-10的砂轮，1kg载荷，转数为每分钟1000转；磨损量≤30mg；
阴极剥离：在23±2℃，48h，3.5％NaCl，-1.5V条件下，根据SY/T 0315标准的测试结果≤5um；
——涂层的湿附着力，依次满足低温、高温和交变蒸馏水浸泡，要求：
低温浸泡，90℃，常压，45天，≤2级脱层；
高温浸泡，140℃，2.5MPa，45天，≤2级脱层；
交变浸泡，90℃，常压至110℃，3.2MPa，频率2～3小时，频次大于600次，≤2级脱层。
以集中供热长输管线工程为例，采用上述办法在钢管内壁复合一层减阻涂层厚，可使管道压降下降40％，即***压降减少141×2m。每个采暖季节电4398万度，折合电费(峰谷均价)2418万元。可直接减少二个加压站，节省建设投资约1.6亿元。20年合计节省电费7.254亿元。

Claims (3)

1.一种长距输送的高温水管网***，由管路、管路附件、泵、阀将热源与热用户端联结构成，该高温水管网***中部分或所有热水通过的钢材质的部件内壁均复合一层减阻涂层，其海曾·威廉粗糙系数为130～140，其特征在于，所述减阻涂层满足下述技术要求：
——涂层的一般性能：
常温弯曲度为3°；
常温抗冲击≥5J；
常温邵氏硬度≥70(H)；
耐磨性：用CS-10的砂轮，1kg载荷，转速1000转/分；磨损量≤30mg；
阴极剥离：在23±2℃，48h，3.5％NaCl，－1.5V条件下，根据SY/T 0315标准的测试结果≤5μm；
——涂层的湿附着力，依序满足低温、高温和交变蒸馏水浸泡，要求：
低温浸泡，90℃，常压，45天，≤2级脱层；
高温浸泡，140℃，2.5MPa，45天，≤2级脱层；
交变浸泡，90℃，常压至110℃，3.2MPa，频率2～3小时，频次600次，≤2级脱层；
所述减阻涂层具厚度为400-700μm；
所述减阻涂层为熔融结合环氧粉末涂料，该涂料包含500重量份酸值为30～38mgKOH/g的饱和聚酯树脂、40重量份环氧当量为105～115g/eq的TGIC固化剂、110重量份的硫酸钡、100重量份的助剂和250重量份的颜料，其中所述助剂为流平剂、润湿剂、除气剂和蜡粉的混合物；所述流平剂、润湿剂、除气剂和蜡粉的质量比为1:1:0.5:0.5，所述润湿剂为丙烯酸酯共聚物类润湿剂，所述蜡粉为聚四氟类蜡粉，所述除气剂为安息香，所述流平剂为丙烯酸酯流平剂。
2.一种用于权利要求1所述长距输送的高温水管网***的高温水热管道，所述高温水热管道内壁复合一层减阻涂层，其海曾·威廉粗糙系数为130～140，其特征在于，所述减阻涂层满足下述技术要求：
——涂层的一般性能：
常温弯曲度为3°；
常温抗冲击≥5J；
常温邵氏硬度≥70(H)；
耐磨性：用CS-10的砂轮，1kg载荷，转数为每分钟1000转；磨损量≤30mg；
阴极剥离：在23±2℃，48h，3.5％NaCl，-1.5V条件下，根据SY/T 0315标准的测试结果≤5μm；
——涂层的湿附着力，依序满足低温、高温和交变蒸馏水浸泡，要求：
低温浸泡，90℃，常压，45天，≤2级脱层；
高温浸泡，140℃，2.5MPa，45天，≤2级脱层；
交变浸泡，90℃，常压至110℃，3.2MPa，频率2～3小时，频次大于600次，≤2级脱层；
所述减阻涂层具厚度为400-700μm；
所述减阻涂层为熔融结合环氧粉末涂料，该涂料包含500重量份酸值为30～38mgKOH/g的饱和聚酯树脂、40重量份环氧当量为105～115g/eq的TGIC固化剂、110重量份的硫酸钡、100重量份的助剂和250重量份的颜料，其中所述助剂为流平剂、润湿剂、除气剂和蜡粉的混合物；所述流平剂、润湿剂、除气剂和蜡粉的质量比为1:1:0.5:0.5，所述润湿剂为丙烯酸酯共聚物类润湿剂，所述蜡粉为聚四氟类蜡粉，所述除气剂为安息香，所述流平剂为丙烯酸酯流平剂。
3.一种用于权利要求1所述长距输送的高温水管网***的高温水热管件，包括弯头、三通、变径管，所述高温水热管件内壁复合一层减阻涂层，其海曾·威廉粗糙系数为130～140，其特征在于，所述减阻涂层满足下述技术要求：
——涂层的一般性能：
常温弯曲度为3°；
常温抗冲击≥5J；
常温邵氏硬度≥70(H)；
耐磨性：用CS-10的砂轮，1kg载荷，转数为每分钟1000转；磨损量≤30mg；
阴极剥离：在23±2℃，48h，3.5％NaCl，-1.5V条件下，根据SY/T 0315标准的测试结果≤5um；
——涂层的湿附着力，依次满足低温、高温和交变蒸馏水浸泡，要求：
低温浸泡，90℃，常压，45天，≤2级脱层；
高温浸泡，140℃，2.5MPa，45天，≤2级脱层；
交变浸泡，90℃，常压至110℃，3.2MPa，频率2～3小时，频次大于600次，≤2级脱层；
所述减阻涂层具厚度为400-700μm；
所述减阻涂层为熔融结合环氧粉末涂料，该涂料包含500重量份酸值为30～38mgKOH/g的饱和聚酯树脂、40重量份环氧当量为105～115g/eq的TGIC固化剂、110重量份的硫酸钡、100重量份的助剂和250重量份的颜料，其中所述助剂为流平剂、润湿剂、除气剂和蜡粉的混合物；所述流平剂、润湿剂、除气剂和蜡粉的质量比为1:1:0.5:0.5，所述润湿剂为丙烯酸酯共聚物类润湿剂，所述蜡粉为聚四氟类蜡粉，所述除气剂为安息香，所述流平剂为丙烯酸酯流平剂。
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