摘 要

摘　要：介紹集中供熱管網水力基本模型、計算模型。通過模擬一級管網，對兩種典型運行方式(水泵定揚程和末端定壓差)下供熱管網的初調節、用戶閥門調節的管網水力特性進行分析。

摘　要：介紹集中供熱管網水力基本模型、計算模型。通過模擬一級管網，對兩種典型運行方式(水泵定揚程和末端定壓差)下供熱管網的初調節、用戶閥門調節的管網水力特性進行分析。

關鍵詞：集中供熱； 水泵定揚程； 末端定壓差； 水力模型； 初調節； 用戶調節

Hydraulic Characteristics Analysis of Centralized Heat-supply Network under Typical Condition

Abstract：The basic hydraulic model and calculation model of centralized heat-supply network are introduced．rnle hydraulic characteristics of initial adjustment and user valve adjustment for heat-supply network under two kinds of typical operation modes including constant pump head and constant pressure difference at the end are analyzed by simulation of primary circuit．

Keywords：centralized heat-supply；constant pump head；constant pressure difference at end；hydraulic model；initial adjustment；user adjustment

 

1　概述

目前集中供熱系統普遍存在水力失調問題，供熱系統在實際運行中，各熱用戶單位供暖面積的供熱介質流量與設計流量不符，導致近熱遠冷的熱力失調現象^[1-2]。要實現供熱系統熱力工況的合理穩定，必須有一個穩定的水力工況及合理的流量分配。通常，會在集中供熱系統開始運行前(或運行過程中)，對供熱管網進行初調節，使各用戶流量達到理想工況(或設計工況)。但初調節只能使集中供熱系統各熱力站按熱負荷均勻調配，進而使各用戶平均室溫達到一致。要保證集中供熱系統在整個供暖期都運行良好、按需供熱，還需要進行運行調節，隨時根據室外氣溫以及用戶自主調節的變化，調節管網供水溫度和流量^[3]。因此，研究不同運行方式下，城鎮熱水集中供熱管網的水力特性，從而為管網的實際運行提供指導，具有非常重要的現實意義。

2　集中供熱管網水力模型

2.1　集中供熱管網水力基本模型

集中供熱管網是一種流體網絡，與電網絡類似，遵從基爾霍夫電流、電壓定律，其中的支路流量、壓力降和管路阻力特性系數可以類比于電網絡中的支路電流、電壓和電阻。對于任意一個管網(設有n+1個節點，m個管段)，可以得到集中供熱管網水力工況基本模型^[4]：

 

式中A——管網關聯矩陣，為n×m階矩陣，它唯一代表管網的拓撲結構，其秩為n

qg——管段流量向量

qj——節點的流量向量

Bf——管網的基本回路矩陣，為(m-n)×m階矩陣

p——管段壓力降向量

S——管段阻力特性系數矩陣

qg,j——管段流量的絕對值向量

r——流體密度，kg／m³

g——重力加速度，m／s²

h——管段兩節點的高程差向量

H——管段的水泵揚程向量

qg1，qg2，…，qgm——第1，2，…，m管段的流量，m³／h

qj1，qj2，…，qjn——第1，2，…，n節點的流量，m³／h

p1，p2，…，pm——第l，2，…，m管段的壓力降，Pa

S1，S2，…，Sm——第l，2，…，m管段的阻力特性系數，Pa/(m³·h^-1)²

|qg1|，|qg2|，…，|qgm|——第1，2，…，m管段流量的絕對值，m³／h

H1，h2，…，hm——第l，2，…，m管段兩節點的高程差，m

H1，H2，…，Hm——第l，2，…，m管段的水泵揚程，m

2.2　集中供熱管網水力計算模型

以上建立的非線性水力工況基本模型經過變換，得到水力工況計算模型(為線性方程組)^[4]：

M^kql^k+1＝-p2^k

ql＝(Dql1，Dql2，．．．，Dql(m-n))^T

pz＝(Dp1，Dp2，．．．，Dp(m-n))^T

式中M——馬克斯威矩陣，是以Bf為基礎的(m-n)×(m-n)階對稱正定矩陣

k，k+1——迭代次數

q1——連枝管段流量第(k+1)次迭代與第k次迭代的差值向量

pz——基本回路管段壓力降代數和向量

Dql1，Dql2，．．．，Dql(m-n)——第1，2，…，m-n

連枝管段流量第(k+1)次迭代與第k次迭代的差值，m³／h

Dp1，Dp2，…，Dp(m-n)——第1，2，…，m-n個基本回路管段的壓力降代數和，Pa

2.3　模擬的一級管網水力模型

模擬的一級管網(見圖l)為1個單熱源枝狀管網，包含l0個熱力站，熱力站采用板式換熱器進行換熱(下文將各熱力站稱為用戶)。共含31個管段(圖1中各熱力站供回水管流量相等，計為l個管段)、22個節點。

 

該模型包含了城市集中供熱管網的主要特性，但在一些細節上進行了適當的簡化，以方便管網建模及對管網動態特性進行分析。模擬的一級管網設計熱負荷為67670kW，平均分配給l0個熱力站，即每個熱力站設計熱負荷為6767kW。一級管網設計供、回水溫度為120、60℃，每個熱力站的設計流量為100m³／h，總流量為1000m³／h。

該模擬管網取用戶支路為連枝，每個樹枝管段(圖1中橫管段)長度均為750m，連枝管段分供回水兩部分，均為50m。最不利熱用戶(最遠端熱用戶)的設計壓力降為938.99kPa，選擇節點(12)(即水泵回水入口)作為定壓點，定壓點壓力考慮防止管網汽化等因素，取0.15MPa^[3]。

3　水泵定揚程和末端定壓差工況初調節

為論述方便，此處定義水泵定揚程工況為SBD工況，末端定壓差工況為MDD工況。分別對這兩種工況運行調節前和調節后的結果進行分析比較。

3.1　SBD工況

通過計算整個管網最不利熱用戶的壓力降，選擇水泵的壓頭為938.99kPa。利用Matlab軟件編程實現整個管網的運行調節。SBD工況下初調節前、后的供回水壓力見圖2。

 

以下各圖中，橫坐標中的節點1～11，對于供水壓力曲線，對應圖l中的(1)～(11)節點；對于回水壓力曲線，對應圖l中的(12)～(22)節點；對于資用壓頭曲線，節點l對應的值為圖l中節點(1)、(12)之間的壓差，節點2對應的值為圖l中節點(2)、(13)之間的壓差，依次類推。初調節前各支路的流量見表1。

 

由于管網初調節前，近端用戶資用壓頭遠遠大于遠端用戶，各用戶流量分配很不均勻，出現水力一致失調。如按此工況運行，會導致水泵電耗大大增加，能源浪費極大。因此本文模擬的管網進行了初凋節，管網水力工況達到設計工況。

3.2　MDD工況

管網采用末端定壓差的方式，定壓差為556.96kPa。初調節前近端用戶資用壓頭約為3550kPa，是末端用戶資用壓頭的7倍。MDD工況初調節前后的供回水壓力見圖3。

 

MDD工況初調節前各支路的流量見表2。MDD工況下，初調節前管網總流量為3113m³／h．遠遠超出設計流量(1000m³／h)，近端用戶的水力失調度為4.97，出現嚴重的水力失調，這樣長時間運行下去，不僅管網壓力很高，而且水泵超負荷運行，造成能源的極大浪費。

 

初調節后供回水壓力曲線比較平緩，說明各用戶資用壓頭平穩下降，運行條件得到了很大的改善。同時，各用戶流量均達到了設計流量。此時，管網用戶支路上等百分比調節閥的相對開度見表3。

 

4　用戶閥門調節時管網水力特性分析

在管網初調節基礎上，對用戶閥門調節時兩種工況的管網水力特性進行分析。

4.1　壓力分析

以用戶5所在支路上的閥門調節為例，對閥門相對開度為50％、90％及74.7％(設計工況下的閥門相對開度)的水力工況進行分析比較。SBD工況的閥門相對開度用MSBD表示，MDD工況的閥門相對開度用MMDD表示。兩種運行方式下不同閥門相對開度時的供回水壓力見圖4。

 

 

在同一閥門相對開度下，從第一個用戶至末端用戶供水壓力依次降低，回水壓力依次升高。由圖4a和圖4d可以看出，對于同一個管網，無論是水泵定揚程還是末端定壓差，當進行水力初調節并達到理想工況后，管網的水力工況完全相同，進一步說明了供熱管網水力初調節的重要性。由圖4b可以看出，調節工況下的供水壓力比設計工況時高，回水壓力有所降低，因此各用戶的資用壓頭增大。由圖4c可以看出，供水壓力比設計工況時降低，回水壓力升高，因此各用戶的資用壓頭減小。由圖4e可以看出，調節工況下的供水壓力比設計工況低，回水壓力也有所降低(定壓點處壓力不變，為0.15MPa)，且所調節閥門之前的用戶供水壓力下降的幅度大于回水壓力下降的幅度，因此所調節閥門之前用戶的資用壓頭減小；所調節閥門之后的用戶供水壓力下降的幅度等于回水壓力下降的幅度，因此所調節閥門之后用戶的資用壓頭不變。由圖4f可以看出，供水壓力比設計工況高，回水壓力也有所升高(定壓點處壓力不變，為0.15MPa)，且所調節閥門之前的用戶供水壓力升高的幅度大于回水壓力升高的幅度，因此各用戶的資用壓頭增大；所調節閥門之后的用戶供水壓力升高的幅度等于回水壓力升高的幅度，因此之后用戶的資用壓頭不變。

用戶5所在支路閥門不同相對開度下的供回水壓力、資用壓頭比較見圖5。由圖5可以得出兩種工況下的壓力特性規律：

 

①對于SBD工況，當其中一條支路上閥門相對開度變化時，其余每個用戶的供水壓力隨著閥門相對開度的增大而降低，回水壓力隨著閥門相對開度的增大而升高，因此用戶的資用壓頭隨閥門相對開度的增大而減小。

②對于MDD工況，隨著閥門相對開度的增大，每個用戶的供回水壓力均增大；無論閥門相對開度如何變化，在所調節閥門支路之后的用戶的資用壓差未受影響；在所調節閥門支路之前的用戶(包括所調節的用戶)隨閥門相對開度的增大，資用壓差增大。

4.2　流量分析

兩種工況不同閥門相對開度下的用戶流量見表4。從表4可以看出，對于SBD工況，調節用戶5所在支路上的閥門相對開度時，在調節用戶之前的用戶出現一致失調，且距水泵越遠，水力失調度越大；之后的用戶出現等比失調。以設計工況下的閥門相對開度為基準，當閥門相對開度變小時，調節用戶之前和之后的用戶流量均大于設計流量(100m³／h)，且之后的用戶流量均相等；當閥門相對開度變大時，調節用戶之前和之后的用戶流量均小于設計流量，且之后的用戶流量相等。

 

對于MDD工況，調節用戶5所在支路上的閥門相對開度時，在調節用戶之前的用戶出現一致失調，且距離水泵越遠，水力失調度越小。之后的用戶流量均無變化，為設計流量。以設計工況下的閥門相對開度為基準，當閥門相對開度變小時，調節用戶之前的用戶流量均小于設計流量；當閥門相對開度變大時，調節用戶之前的用戶流量均大于設計流量。

因此可以得出兩種運行方式下的流量變化規律：

①閥門相對開度變化的影響：對于SBD工況，所調節閥門支路之前的用戶，離所調節閥門的支路越近，流量偏離設計值越大，即影響越大；而對于MDD工況，所調節閥門支路之前的用戶，離所調節閥門的支路越近，流量偏離設計值越小，即影響越小。

②對于同一支路(非調節支路)，隨著閥門相對開度的增大，SBD工況時，流量均減小；MDD工況時，所調節閥門支路之前的用戶流量均增大。當支路為調節支路時，無論何種工況，流量都會隨著閥門相對開度的增大而增大。

5　結論

①水泵定揚程工況，調節用戶閥門相對開度的變化，對其他用戶的流量和資用壓頭均有影響，且所調節閥門支路之前的用戶，離調節用戶越近，影響越大。

②末端定壓差工況，所調節的用戶對其后用戶的流量和資用壓頭均無影響，保持設計工況水力特性，其前面的用戶離調節用戶越近，影響越小。

③水泵定揚程工況，所調節的用戶對其相鄰用戶的影響較大，用戶為了滿足自己的用熱要求會調大閥門，增大流量，這勢必會帶來水泵的電耗增加。

 

參考文獻：

[1]石兆玉．再議供熱系統的水力平衡[J]．區域供熱，2010(1)：4-8．

[2]包敦巖，王曉東．供熱系統的熱力平衡及水力調節[J]．煤氣與熱力，2005，25(10)：24-27．

[3]周守軍．基于管網動態模型的城市集中供熱系統參數預測及運行優化研究(博士學位論文)[D]．濟南：山東大學，2012：56-57．

[4]石兆玉．流體網絡分析與綜合[M]．北京：清華大學出版社，l993：5-14．

 

本文作者：高光洋  張林華  周守軍

作者單位：山東建筑大學熱能工程學院

  可再生能源利用技術省部共建教育部重點實驗室

  山東省可再生能源建筑應用技術重點實驗室