摘 要

摘　要：介绍集中供热管网水力基本模型、计算模型。通过模拟一级管网，对两种典型运行方式(水泵定扬程和末端定压差)下供热管网的初调节、用户阀门调节的管网水力特性进行分析。

摘　要：介绍集中供热管网水力基本模型、计算模型。通过模拟一级管网，对两种典型运行方式(水泵定扬程和末端定压差)下供热管网的初调节、用户阀门调节的管网水力特性进行分析。

关键词：集中供热； 水泵定扬程； 末端定压差； 水力模型； 初调节； 用户调节

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

目前集中供热系统普遍存在水力失调问题，供热系统在实际运行中，各热用户单位供暖面积的供热介质流量与设计流量不符，导致近热远冷的热力失调现象^[1-2]。要实现供热系统热力工况的合理稳定，必须有一个稳定的水力工况及合理的流量分配。通常，会在集中供热系统开始运行前(或运行过程中)，对供热管网进行初调节，使各用户流量达到理想工况(或设计工况)。但初调节只能使集中供热系统各热力站按热负荷均匀调配，进而使各用户平均室温达到一致。要保证集中供热系统在整个供暖期都运行良好、按需供热，还需要进行运行调节，随时根据室外气温以及用户自主调节的变化，调节管网供水温度和流量^[3]。因此，研究不同运行方式下，城镇热水集中供热管网的水力特性，从而为管网的实际运行提供指导，具有非常重要的现实意义。

2　集中供热管网水力模型

2.1　集中供热管网水力基本模型

集中供热管网是一种流体网络，与电网络类似，遵从基尔霍夫电流、电压定律，其中的支路流量、压力降和管路阻力特性系数可以类比于电网络中的支路电流、电压和电阻。对于任意一个管网(设有n+1个节点，m个管段)，可以得到集中供热管网水力工况基本模型^[4]：

 

式中A——管网关联矩阵，为n×m阶矩阵，它唯一代表管网的拓扑结构，其秩为n

qg——管段流量向量

qj——节点的流量向量

Bf——管网的基本回路矩阵，为(m-n)×m阶矩阵

p——管段压力降向量

S——管段阻力特性系数矩阵

qg,j——管段流量的绝对值向量

r——流体密度，kg／m³

g——重力加速度，m／s²

h——管段两节点的高程差向量

H——管段的水泵扬程向量

qg1，qg2，…，qgm——第1，2，…，m管段的流量，m³／h

qj1，qj2，…，qjn——第1，2，…，n节点的流量，m³／h

p1，p2，…，pm——第l，2，…，m管段的压力降，Pa

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

|qg1|，|qg2|，…，|qgm|——第1，2，…，m管段流量的绝对值，m³／h

H1，h2，…，hm——第l，2，…，m管段两节点的高程差，m

H1，H2，…，Hm——第l，2，…，m管段的水泵扬程，m

2.2　集中供热管网水力计算模型

以上建立的非线性水力工况基本模型经过变换，得到水力工况计算模型(为线性方程组)^[4]：

M^kql^k+1＝-p2^k

ql＝(Dql1，Dql2，．．．，Dql(m-n))^T

pz＝(Dp1，Dp2，．．．，Dp(m-n))^T

式中M——马克斯威矩阵，是以Bf为基础的(m-n)×(m-n)阶对称正定矩阵

k，k+1——迭代次数

q1——连枝管段流量第(k+1)次迭代与第k次迭代的差值向量

pz——基本回路管段压力降代数和向量

Dql1，Dql2，．．．，Dql(m-n)——第1，2，…，m-n

连枝管段流量第(k+1)次迭代与第k次迭代的差值，m³／h

Dp1，Dp2，…，Dp(m-n)——第1，2，…，m-n个基本回路管段的压力降代数和，Pa

2.3　模拟的一级管网水力模型

模拟的一级管网(见图l)为1个单热源枝状管网，包含l0个热力站，热力站采用板式换热器进行换热(下文将各热力站称为用户)。共含31个管段(图1中各热力站供回水管流量相等，计为l个管段)、22个节点。

 

该模型包含了城市集中供热管网的主要特性，但在一些细节上进行了适当的简化，以方便管网建模及对管网动态特性进行分析。模拟的一级管网设计热负荷为67670kW，平均分配给l0个热力站，即每个热力站设计热负荷为6767kW。一级管网设计供、回水温度为120、60℃，每个热力站的设计流量为100m³／h，总流量为1000m³／h。

该模拟管网取用户支路为连枝，每个树枝管段(图1中横管段)长度均为750m，连枝管段分供回水两部分，均为50m。最不利热用户(最远端热用户)的设计压力降为938.99kPa，选择节点(12)(即水泵回水入口)作为定压点，定压点压力考虑防止管网汽化等因素，取0.15MPa^[3]。

3　水泵定扬程和末端定压差工况初调节

为论述方便，此处定义水泵定扬程工况为SBD工况，末端定压差工况为MDD工况。分别对这两种工况运行调节前和调节后的结果进行分析比较。

3.1　SBD工况

通过计算整个管网最不利热用户的压力降，选择水泵的压头为938.99kPa。利用Matlab软件编程实现整个管网的运行调节。SBD工况下初调节前、后的供回水压力见图2。

 

以下各图中，横坐标中的节点1～11，对于供水压力曲线，对应图l中的(1)～(11)节点；对于回水压力曲线，对应图l中的(12)～(22)节点；对于资用压头曲线，节点l对应的值为图l中节点(1)、(12)之间的压差，节点2对应的值为图l中节点(2)、(13)之间的压差，依次类推。初调节前各支路的流量见表1。

 

由于管网初调节前，近端用户资用压头远远大于远端用户，各用户流量分配很不均匀，出现水力一致失调。如按此工况运行，会导致水泵电耗大大增加，能源浪费极大。因此本文模拟的管网进行了初凋节，管网水力工况达到设计工况。

3.2　MDD工况

管网采用末端定压差的方式，定压差为556.96kPa。初调节前近端用户资用压头约为3550kPa，是末端用户资用压头的7倍。MDD工况初调节前后的供回水压力见图3。

 

MDD工况初调节前各支路的流量见表2。MDD工况下，初调节前管网总流量为3113m³／h．远远超出设计流量(1000m³／h)，近端用户的水力失调度为4.97，出现严重的水力失调，这样长时间运行下去，不仅管网压力很高，而且水泵超负荷运行，造成能源的极大浪费。

 

初调节后供回水压力曲线比较平缓，说明各用户资用压头平稳下降，运行条件得到了很大的改善。同时，各用户流量均达到了设计流量。此时，管网用户支路上等百分比调节阀的相对开度见表3。

 

4　用户阀门调节时管网水力特性分析

在管网初调节基础上，对用户阀门调节时两种工况的管网水力特性进行分析。

4.1　压力分析

以用户5所在支路上的阀门调节为例，对阀门相对开度为50％、90％及74.7％(设计工况下的阀门相对开度)的水力工况进行分析比较。SBD工况的阀门相对开度用MSBD表示，MDD工况的阀门相对开度用MMDD表示。两种运行方式下不同阀门相对开度时的供回水压力见图4。

 

 

在同一阀门相对开度下，从第一个用户至末端用户供水压力依次降低，回水压力依次升高。由图4a和图4d可以看出，对于同一个管网，无论是水泵定扬程还是末端定压差，当进行水力初调节并达到理想工况后，管网的水力工况完全相同，进一步说明了供热管网水力初调节的重要性。由图4b可以看出，调节工况下的供水压力比设计工况时高，回水压力有所降低，因此各用户的资用压头增大。由图4c可以看出，供水压力比设计工况时降低，回水压力升高，因此各用户的资用压头减小。由图4e可以看出，调节工况下的供水压力比设计工况低，回水压力也有所降低(定压点处压力不变，为0.15MPa)，且所调节阀门之前的用户供水压力下降的幅度大于回水压力下降的幅度，因此所调节阀门之前用户的资用压头减小；所调节阀门之后的用户供水压力下降的幅度等于回水压力下降的幅度，因此所调节阀门之后用户的资用压头不变。由图4f可以看出，供水压力比设计工况高，回水压力也有所升高(定压点处压力不变，为0.15MPa)，且所调节阀门之前的用户供水压力升高的幅度大于回水压力升高的幅度，因此各用户的资用压头增大；所调节阀门之后的用户供水压力升高的幅度等于回水压力升高的幅度，因此之后用户的资用压头不变。

用户5所在支路阀门不同相对开度下的供回水压力、资用压头比较见图5。由图5可以得出两种工况下的压力特性规律：

 

①对于SBD工况，当其中一条支路上阀门相对开度变化时，其余每个用户的供水压力随着阀门相对开度的增大而降低，回水压力随着阀门相对开度的增大而升高，因此用户的资用压头随阀门相对开度的增大而减小。

②对于MDD工况，随着阀门相对开度的增大，每个用户的供回水压力均增大；无论阀门相对开度如何变化，在所调节阀门支路之后的用户的资用压差未受影响；在所调节阀门支路之前的用户(包括所调节的用户)随阀门相对开度的增大，资用压差增大。

4.2　流量分析

两种工况不同阀门相对开度下的用户流量见表4。从表4可以看出，对于SBD工况，调节用户5所在支路上的阀门相对开度时，在调节用户之前的用户出现一致失调，且距水泵越远，水力失调度越大；之后的用户出现等比失调。以设计工况下的阀门相对开度为基准，当阀门相对开度变小时，调节用户之前和之后的用户流量均大于设计流量(100m³／h)，且之后的用户流量均相等；当阀门相对开度变大时，调节用户之前和之后的用户流量均小于设计流量，且之后的用户流量相等。

 

对于MDD工况，调节用户5所在支路上的阀门相对开度时，在调节用户之前的用户出现一致失调，且距离水泵越远，水力失调度越小。之后的用户流量均无变化，为设计流量。以设计工况下的阀门相对开度为基准，当阀门相对开度变小时，调节用户之前的用户流量均小于设计流量；当阀门相对开度变大时，调节用户之前的用户流量均大于设计流量。

因此可以得出两种运行方式下的流量变化规律：

①阀门相对开度变化的影响：对于SBD工况，所调节阀门支路之前的用户，离所调节阀门的支路越近，流量偏离设计值越大，即影响越大；而对于MDD工况，所调节阀门支路之前的用户，离所调节阀门的支路越近，流量偏离设计值越小，即影响越小。

②对于同一支路(非调节支路)，随着阀门相对开度的增大，SBD工况时，流量均减小；MDD工况时，所调节阀门支路之前的用户流量均增大。当支路为调节支路时，无论何种工况，流量都会随着阀门相对开度的增大而增大。

5　结论

①水泵定扬程工况，调节用户阀门相对开度的变化，对其他用户的流量和资用压头均有影响，且所调节阀门支路之前的用户，离调节用户越近，影响越大。

②末端定压差工况，所调节的用户对其后用户的流量和资用压头均无影响，保持设计工况水力特性，其前面的用户离调节用户越近，影响越小。

③水泵定扬程工况，所调节的用户对其相邻用户的影响较大，用户为了满足自己的用热要求会调大阀门，增大流量，这势必会带来水泵的电耗增加。

 

参考文献：

[1]石兆玉．再议供热系统的水力平衡[J]．区域供热，2010(1)：4-8．

[2]包敦岩，王晓东．供热系统的热力平衡及水力调节[J]．煤气与热力，2005，25(10)：24-27．

[3]周守军．基于管网动态模型的城市集中供热系统参数预测及运行优化研究(博士学位论文)[D]．济南：山东大学，2012：56-57．

[4]石兆玉．流体网络分析与综合[M]．北京：清华大学出版社，l993：5-14．

 

本文作者：高光洋  张林华  周守军

作者单位：山东建筑大学热能工程学院

  可再生能源利用技术省部共建教育部重点实验室

  山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室