蒸汽管网数值模拟研究

摘 要

摘要：建立了蒸汽管网模型，结合工程实例，验证了模型可满足工程精度要求。分析了蒸汽管网主管管径、调峰热源压力、热网结构对蒸汽质量损失率(凝结水沿程排放质量占供汽总质量的
摘要：建立了蒸汽管网模型，结合工程实例，验证了模型可满足工程精度要求。分析了蒸汽管网主管管径、调峰热源压力、热网结构对蒸汽质量损失率(凝结水沿程排放质量占供汽总质量的比例)的影响。
关键词：蒸汽管网；数值模拟；凝结水；调峰热源；热网结构
Study on Numerical Simulation of Steam Pipe Network
LI Congcong，ZHANG Huan，ZHANG Hongyu
Abstract：The model for steam pipe network is established.Combined with an engineering example，it is proved that the model can meet the engineering accuracy requirements.The influence of main diameter of steam pipe network，peak shaving heat source pressure and heat-supply network strueture on steam mass loss rate that is the mass percentage of condensate emission along the way in total steam supply is analyzed.
Key words：steam pipe network；numerical simulation；condensate；peak shaving heat source；heat-supply network structure
    我国蒸汽管网的规模不断扩大，蒸汽供热系统的运行优化成为现实问题。然而，蒸汽管网的特点决定了不可能在现场安装大量测点进行多种工业实验研究，因此根据研究对象的特点建立相应的数学模型进行模拟以获取运行参数就成为指导蒸汽管网规划设计、优化调度、合理排凝的一种重要而有效的手段[1～4]。A.Garcia-Gutierrez等人[5]应用PIPEPHASE、SIMSNET软件对墨西哥一个地热发电系统蒸汽管网进行模拟，前者能计算两相流，后者能计算单相流，并分析了两种软件模拟结果的差异。殷戈等人[6]通过一些合理的假设，建立了单热源的枝状蒸汽管网二叉树模型，管段压力的求解针对的是低压蒸汽管网，没有考虑温度的影响。本文对蒸汽管网进行数值模拟研究。
1 蒸汽管网模型
1.1 模型几何结构
    蒸汽管网模型由节点和计算管段两部分构成。节点是管网中一个或多个管段流入或流出的地方，分为热源、中间节点、末端用户3类。计算管段代表实际管段，一个计算管段的蒸汽质量流量、管径和敷设方式均相同。
1.2 模型简化
    考虑到蒸汽管网实际运行情况复杂，在建模过程中对管网进行简化：采用长度相同的直管段代替弯曲管段；饱和蒸汽产生的凝结水被立刻排出；管道内蒸汽参数只随管道长度变化，截面上蒸汽参数均匀分布。
1.3 模型控制方程
   ① 动量平衡方程
蒸汽流动过程中的动量平衡方程为：
 
式(1)中第1项为对流项，第3项为重力项。由于蒸汽流速一般为10～70m/s[7]，因此对流项可忽略。考虑到蒸汽管网高差对压力影响不大，因此可忽略重力项。式(1)可简化为：
 
   ② 蒸汽质量平衡方程
运行过程中，计算管段蒸汽参数的变化见图1。
 

   蒸汽质量平衡方程为：
    qm,in=qm,o+qm,c    (3)
引入流量效率因数e，反映局部阻力的影响。无局部阻力的直管段取1.00，运行较好的管段取0.95，运行一般的管段取0.92，运行不好的管段取0.85。计算管段出口蒸汽质量流量qm,o的计算式为：
 
式中pin、po——计算管段进、出口的绝对压力，Pa
    L——计算管段长度，m
   ③ 能量平衡方程
   对于图1所示计算管段，能量平衡方程为：
    qm,inhin=qm,oho+qm,chc+Φ    (5)
    饱和蒸汽段沿途有凝结水排出，热量损失包括散热损失和凝结水的热量。过热蒸汽段无凝结水排出(qm,c=0)，热损失仅为散热损失。
计算管段散热损失Φ的计算式为：
Φ=K△tmL     (6)
式中K——计算管段单位长度的传热系数，kW/(m·K)
    △tm——蒸汽与计算管段外界环境的对数平均温差，℃
计算管段传热系数K的计算式为：
 
式中h1——计算管段内壁的表面传热系数，W/(m·K)
    n——蒸汽管道保温层层数
    λi——第i层保温材料的热导率，W/(m·K)
    Di+1——第i+1层保温层的内直径，m
    Di——第i层保温层的内直径，m
    h2——计算管段外壁的表面传热系数，W/(m2·K)
    Do——计算管段外直径，m
对于直埋蒸汽管道，h2的计算式为[7～10]：
 
式中λg——土壤的热导率，W/(m·K)
    h——管中心埋深，m
    hg——土壤表面传热系数，W/(m2·K)，取11.3～17.5W/(m2·K)
    对于过热蒸汽段，散热损失Φ等于管道内蒸汽的显热损失，计算式为：
    Φ=qm,in(hin-ho)    (9)
    对于饱和蒸汽段，散热损失Φ等于蒸汽凝结释放的汽化潜热，计算式为：
    Φ=qm,c(hin-hc)    (10)
   ④ 节点质量流量平衡方程
   节点质量流量平衡方程由基尔霍夫第一定律得到，即任意节点质量流量的代数和为0。
1.4 边界条件
    边界条件为：热源压力已知，且恒定；用户蒸汽质量流量恒定；室外温度为实测值。所求变量为热源质量流量、用户压力。
2 模型求解与验证
2.1 模型求解方法及验证数据
    模型采用SynerGEE Gas软件(作为一种通用型管网仿真工具，适用于天然气、蒸汽、氧气等管网的仿真和分析)求解，模型采用式(3)～(10)联立并结合节点质量流量平衡方程，利用Newton-Raphson迭代法解方程组。
    模型验证数据来自天津空港加工区蒸汽管网，数据采自2009年9月27日(全天24h)热源、用户的流量和压力，流量计为涡街式流量计，通过温压补偿法计算蒸汽质量流量，测量相对误差为±1%。
    共42家用户，末端用户蒸汽设计资用压力为0.6MPa。主热源为4台75t/h中温中压蒸汽锅炉，最高供汽(过热蒸汽)压力为1.6MPa。调峰热源采用4台35t/h的饱和蒸汽锅炉，供汽压力为0.9MPa。供热系统规划负荷为384t/h，输送半径为12.77km，管网总长为36.48km。从主热源开始位置计算的3km内为过热蒸汽段。热网布置形式见图2。
 

2.2 用户压力验证
    经计算对比，用户压力的计算值与实测值相对误差为±5%以内的占83%，最大相对误差不超过±10%，模型的计算精度能够满足工程要求。大部分计算值都高于实测值，原因为：一些用户的压力表分度值选择不当，测量误差较大。模型未考虑蒸汽带水，实际上两相流的阻力大于单相流。
2.3 热源质量流量验证
    热源质量流量的实测值与计算值随时间的变化见图3。由图3可知，除9：00和17：00偏差较大外，其余时刻相对误差均在±10%以内，全天质量流量的计算值与实测值的平均相对误差为-4.1%。由于9：00与17：00为上、下班时间，管网流量波动较大，系统处于非稳态，因此计算值与实测值偏差较大。
 

3 管网运行状况模拟分析
    由图3可知，目前管网最大质量流量约77t/h，没有达到规划负荷384t/h。下面模拟不同供汽主管管径、调峰热源压力和管网结构形式对蒸汽质量损失率的影响。将凝结水沿程排放质量占供汽总质量的比例定义为蒸汽质量损失率，蒸汽质量损失率越小说明管网运行效率越高。
    ① 供汽主管管径的影响
    主热源到调峰热源的一段管道为供汽主管，规格为DN 800mm，长度为5.6km。选取10：00用户质量流量实测值与热源压力实测值，计算减小主管管径对蒸汽质量损失率的影响。主管管径变化对蒸汽质量损失率的影响见图4。由图4可知，在目前的负荷下，随着供汽主管管径减小，蒸汽质量损失率相应降低。计算过程未出现由于管径减小而导致末端用户压力不满足要求的情况。原因在于，管网末端用户距热源较远，管道阻力主要集中在主管以后，因此即使主管规格降至DN 400mm，仍能满足末端用户的压力要求。

    ② 调峰热源压力的影响
    调峰热源的主要作用是调峰，必须合理调节调峰热源压力以保证供汽压力。采用10：00用户质量流量实测值与热源压力实测值计算调峰热源出口压力降低对管网运行状况的影响。主热源出口压力保持928kPa，调峰热源压力由实际的925kPa降低至能够满足末端用户压力的905kPa，用户流量不变。蒸汽质量损失率随调峰热源压力的变化见图5。
 

    由图5可知，较低的调峰热源出口压力可以降低蒸汽质量损失率。原因在于：当调峰热源压力过高时，部分管段两端压差低，导致管内蒸汽流动过缓，甚至停滞，大部分蒸汽凝结成水排出管道。调峰热源压力降低后，存在流动过缓现象的管道数量减少，蒸汽质量损失率减小。因此，在投入调峰热源时，压力若能够保证用户需求，不应再提高。可在调峰热源出口加装压力表和压力传感器，实现实时监测、调整。
   ③ 管网结构的影响
   为保证管网连续供汽，此管网设计为环状，在目前供汽量较小的情况下，会产生蒸汽在环网中流动距离过长、散热损失增大问题。切断用户15与16间的管道，将环网管网改为枝状管网。3：00、10：00环状管网、枝状管网的蒸汽质量损失率见表1，3：00调峰热源不运行，10：00调峰热源运行。
表1 3：00、10：00环状管网、枝状管网的蒸汽质量损失率    %
时间
3：00
10：O0
环网管网
32.78
19.46
枝状管网
30.72
18.28
由表1可知，在目前管网供汽量较少的情况下，枝状管网可以降低1%～2%的蒸汽质量损失率。综合考虑供汽的连续性，可以在设定切断的管道上安装阀门，手动切换管网结构，在某管段故障时采用环状管网保证供汽的连续性，在管网运行良好时采用枝状管网降低蒸汽质量损失率。
4 结论
    ① 减小供汽主管管径，有利于控制蒸汽质量损失率。
    ② 调峰热源出口压力不宜太高，保证用户压力即可。
    ③ 环状管网能够保证供汽的连续性，枝状网能降低蒸汽质量损失，可在适当位置安装阀门，手动调节管网结构。
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(本文作者：李聪聪1 张欢1 张红玉2 1.天津大学环境科学与工程学院 天津 300072；2.天津市房屋鉴定勘测设计院 天津 300070)