摘 要

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

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

關(guān)鍵詞：集中供熱； 水泵定揚(yáng)程； 末端定壓差； 水力模型； 初調(diào)節(jié)； 用戶調(diào)節(jié)

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(tǒng)普遍存在水力失調(diào)問題，供熱系統(tǒng)在實際運(yùn)行中，各熱用戶單位供暖面積的供熱介質(zhì)流量與設(shè)計流量不符，導(dǎo)致近熱遠(yuǎn)冷的熱力失調(diào)現(xiàn)象^[1-2]。要實現(xiàn)供熱系統(tǒng)熱力工況的合理穩(wěn)定，必須有一個穩(wěn)定的水力工況及合理的流量分配。通常，會在集中供熱系統(tǒng)開始運(yùn)行前(或運(yùn)行過程中)，對供熱管網(wǎng)進(jìn)行初調(diào)節(jié)，使各用戶流量達(dá)到理想工況(或設(shè)計工況)。但初調(diào)節(jié)只能使集中供熱系統(tǒng)各熱力站按熱負(fù)荷均勻調(diào)配，進(jìn)而使各用戶平均室溫達(dá)到一致。要保證集中供熱系統(tǒng)在整個供暖期都運(yùn)行良好、按需供熱，還需要進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)，隨時根據(jù)室外氣溫以及用戶自主調(diào)節(jié)的變化，調(diào)節(jié)管網(wǎng)供水溫度和流量^[3]。因此，研究不同運(yùn)行方式下，城鎮(zhèn)熱水集中供熱管網(wǎng)的水力特性，從而為管網(wǎng)的實際運(yùn)行提供指導(dǎo)，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2　集中供熱管網(wǎng)水力模型

2.1　集中供熱管網(wǎng)水力基本模型

集中供熱管網(wǎng)是一種流體網(wǎng)絡(luò)，與電網(wǎng)絡(luò)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(shù)可以類比于電網(wǎng)絡(luò)中的支路電流、電壓和電阻。對于任意一個管網(wǎng)(設(shè)有n+1個節(jié)點(diǎn)，m個管段)，可以得到集中供熱管網(wǎng)水力工況基本模型^[4]：

 

式中A——管網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣，為n×m階矩陣，它唯一代表管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其秩為n

qg——管段流量向量

qj——節(jié)點(diǎn)的流量向量

Bf——管網(wǎng)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(shù)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(jié)點(diǎn)的高程差向量

H——管段的水泵揚(yáng)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(jié)點(diǎn)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(shù)，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(jié)點(diǎn)的高程差，m

H1，H2，…，Hm——第l，2，…，m管段的水泵揚(yáng)程，m

2.2　集中供熱管網(wǎng)水力計算模型

以上建立的非線性水力工況基本模型經(jīng)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(chǔ)的(m-n)×(m-n)階對稱正定矩陣

k，k+1——迭代次數(shù)

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(shù)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(shù)和，Pa

2.3　模擬的一級管網(wǎng)水力模型

模擬的一級管網(wǎng)(見圖l)為1個單熱源枝狀管網(wǎng)，包含l0個熱力站，熱力站采用板式換熱器進(jìn)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(jié)點(diǎn)。

 

該模型包含了城市集中供熱管網(wǎng)的主要特性，但在一些細(xì)節(jié)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，以方便管網(wǎng)建模及對管網(wǎng)動態(tài)特性進(jìn)行分析。模擬的一級管網(wǎng)設(shè)計熱負(fù)荷為67670kW，平均分配給l0個熱力站，即每個熱力站設(shè)計熱負(fù)荷為6767kW。一級管網(wǎng)設(shè)計供、回水溫度為120、60℃，每個熱力站的設(shè)計流量為100m³／h，總流量為1000m³／h。

該模擬管網(wǎng)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(yuǎn)端熱用戶)的設(shè)計壓力降為938.99kPa，選擇節(jié)點(diǎn)(12)(即水泵回水入口)作為定壓點(diǎn)，定壓點(diǎn)壓力考慮防止管網(wǎng)汽化等因素，取0.15MPa^[3]。

3　水泵定揚(yáng)程和末端定壓差工況初調(diào)節(jié)

為論述方便，此處定義水泵定揚(yáng)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(yùn)行調(diào)節(jié)前和調(diào)節(jié)后的結(jié)果進(jìn)行分析比較。

3.1　SBD工況

通過計算整個管網(wǎng)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(xiàn)整個管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)。SBD工況下初調(diào)節(jié)前、后的供回水壓力見圖2。

 

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

 

由于管網(wǎng)初調(diào)節(jié)前，近端用戶資用壓頭遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端用戶，各用戶流量分配很不均勻，出現(xiàn)水力一致失調(diào)。如按此工況運(yùn)行，會導(dǎo)致水泵電耗大大增加，能源浪費(fèi)極大。因此本文模擬的管網(wǎng)進(jìn)行了初凋節(jié)，管網(wǎng)水力工況達(dá)到設(shè)計工況。

3.2　MDD工況

管網(wǎng)采用末端定壓差的方式，定壓差為556.96kPa。初調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)前后的供回水壓力見圖3。

 

MDD工況初調(diào)節(jié)前各支路的流量見表2。MDD工況下，初調(diào)節(jié)前管網(wǎng)總流量為3113m³／h．遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計流量(1000m³／h)，近端用戶的水力失調(diào)度為4.97，出現(xiàn)嚴(yán)重的水力失調(diào)，這樣長時間運(yùn)行下去，不僅管網(wǎng)壓力很高，而且水泵超負(fù)荷運(yùn)行，造成能源的極大浪費(fèi)。

 

初調(diào)節(jié)后供回水壓力曲線比較平緩，說明各用戶資用壓頭平穩(wěn)下降，運(yùn)行條件得到了很大的改善。同時，各用戶流量均達(dá)到了設(shè)計流量。此時，管網(wǎng)用戶支路上等百分比調(diào)節(jié)閥的相對開度見表3。

 

4　用戶閥門調(diào)節(jié)時管網(wǎng)水力特性分析

在管網(wǎng)初調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，對用戶閥門調(diào)節(jié)時兩種工況的管網(wǎng)水力特性進(jìn)行分析。

4.1　壓力分析

以用戶5所在支路上的閥門調(diào)節(jié)為例，對閥門相對開度為50％、90％及74.7％(設(shè)計工況下的閥門相對開度)的水力工況進(jìn)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(yùn)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(wǎng)，無論是水泵定揚(yáng)程還是末端定壓差，當(dāng)進(jìn)行水力初調(diào)節(jié)并達(dá)到理想工況后，管網(wǎng)的水力工況完全相同，進(jìn)一步說明了供熱管網(wǎng)水力初調(diào)節(jié)的重要性。由圖4b可以看出，調(diào)節(jié)工況下的供水壓力比設(shè)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(shè)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(diào)節(jié)工況下的供水壓力比設(shè)計工況低，回水壓力也有所降低(定壓點(diǎn)處壓力不變，為0.15MPa)，且所調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥門之前用戶的資用壓頭減??；所調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(shè)計工況高，回水壓力也有所升高(定壓點(diǎn)處壓力不變，為0.15MPa)，且所調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(guī)律：

 

①對于SBD工況，當(dāng)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(diào)節(jié)閥門支路之后的用戶的資用壓差未受影響；在所調(diào)節(jié)閥門支路之前的用戶(包括所調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)用戶5所在支路上的閥門相對開度時，在調(diào)節(jié)用戶之前的用戶出現(xiàn)一致失調(diào)，且距水泵越遠(yuǎn)，水力失調(diào)度越大；之后的用戶出現(xiàn)等比失調(diào)。以設(shè)計工況下的閥門相對開度為基準(zhǔn)，當(dāng)閥門相對開度變小時，調(diào)節(jié)用戶之前和之后的用戶流量均大于設(shè)計流量(100m³／h)，且之后的用戶流量均相等；當(dāng)閥門相對開度變大時，調(diào)節(jié)用戶之前和之后的用戶流量均小于設(shè)計流量，且之后的用戶流量相等。

 

對于MDD工況，調(diào)節(jié)用戶5所在支路上的閥門相對開度時，在調(diào)節(jié)用戶之前的用戶出現(xiàn)一致失調(diào)，且距離水泵越遠(yuǎn)，水力失調(diào)度越小。之后的用戶流量均無變化，為設(shè)計流量。以設(shè)計工況下的閥門相對開度為基準(zhǔn)，當(dāng)閥門相對開度變小時，調(diào)節(jié)用戶之前的用戶流量均小于設(shè)計流量；當(dāng)閥門相對開度變大時，調(diào)節(jié)用戶之前的用戶流量均大于設(shè)計流量。

因此可以得出兩種運(yùn)行方式下的流量變化規(guī)律：

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

②對于同一支路(非調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥門支路之前的用戶流量均增大。當(dāng)支路為調(diào)節(jié)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(jié)論

①水泵定揚(yáng)程工況，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥門支路之前的用戶，離調(diào)節(jié)用戶越近，影響越大。

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

③水泵定揚(yáng)程工況，所調(diào)節(jié)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(diào)大閥門，增大流量，這勢必會帶來水泵的電耗增加。

 

參考文獻(xiàn)：

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本文作者：高光洋  張林華  周守軍

作者單位：山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

  可再生能源利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實驗室

  山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實驗室