沈利芳　劉松　沈亞軍　劉學(xué)峰

摘 要：本文基于實際熱網(wǎng)模型的建模和水力及熱力耦合計算模型，實現(xiàn)了對熱網(wǎng)設(shè)計和調(diào)度的仿真及分析決策。通過最佳流速和最大許用應(yīng)力的思路，可以對熱網(wǎng)的設(shè)計進(jìn)行預(yù)演，給出合理的逐級設(shè)計方案;通過閥門解列調(diào)度和調(diào)節(jié)閥開度優(yōu)化，實現(xiàn)了用戶蒸汽參數(shù)的提高和管網(wǎng)小流量段的參數(shù)改善。因此，實現(xiàn)基于計算模型的熱網(wǎng)設(shè)計、調(diào)度和控制仿真，是熱網(wǎng)安全節(jié)能和智慧化的技術(shù)基礎(chǔ)，是熱網(wǎng)研究的重點。

關(guān)鍵詞：耦合;熱網(wǎng);調(diào)度;智慧化

中圖分類號：O359 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）25-0063-04

Research on Design and Scheduling of Heating Network Based on

Hydraulic and Thermal Coupling Model

SHEN Lifang1 LIU Song2 SHEN Yajun3 LIU Xuefeng2

（1.Shanghai Ingersoll Rand Compressor，Shanghai 20000;2.China Power Construction Group Zhengzhou Pump Industry Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000;3.Northwest Engineering Corporation Limited，Xi'an Shaanxi 710000）

Abstract： In this paper， based on the actual heat network model modeling and hydraulic and thermal coupling calculation model， the simulation and analysis decision of the heat network design and scheduling was realized. Through the idea of optimal flow rate and maximum allowable stress， the design of the heating network could be previewed， and a reasonable step-by-step design scheme was given. The optimization of the user's steam parameters and the tube were realized through the valve dissociation scheduling and the adjustment of the valve opening degree. The parameters of the small traffic segment of the network were improved. Therefore， the realization of the design， scheduling and control simulation of the heat network based on the computational model is the technical basis for the safety， energy saving and intelligentization of the heat network， and is the focus of the research on the heat network.

Keywords： coupling;hot network;scheduling;intelligent

目前，我國熱網(wǎng)的信息化和自動化水平相對于電網(wǎng)要落后很多。當(dāng)前的熱網(wǎng)建設(shè)和管理都相對較為粗放，這主要是因為熱網(wǎng)的機(jī)理模型涉及復(fù)雜的流動傳熱知識，其計算和控制比電網(wǎng)難度大。但熱網(wǎng)的自動化、信息化和智慧化是其發(fā)展的必經(jīng)之路，熱網(wǎng)的節(jié)能和減排很大程度上依賴于其信息化水平。因此，加強(qiáng)對熱網(wǎng)的建模、計算仿真和優(yōu)化控制尤為重要，是目前熱網(wǎng)科學(xué)研究的重點。

隨著我國關(guān)停小鍋爐，逐步發(fā)展龐大的集中供熱熱網(wǎng)，熱網(wǎng)的源網(wǎng)荷儲的動態(tài)變化會讓熱網(wǎng)的設(shè)計運行會變得更加復(fù)雜，因此，基于熱網(wǎng)模型計算的信息化和智慧化是熱網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢[1-3]。本文通過水力和熱力模型的耦合計算，實現(xiàn)了對復(fù)雜熱網(wǎng)的仿真計算，并基于仿真計算對熱網(wǎng)的設(shè)計和運行調(diào)度提出建議，使熱網(wǎng)的設(shè)計運行不僅能依據(jù)經(jīng)驗，也能結(jié)合準(zhǔn)確的仿真計算。

1 計算模型

對于一個多源復(fù)雜的環(huán)狀熱網(wǎng)，根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)的知識，可以將管網(wǎng)分為節(jié)點和區(qū)段。熱網(wǎng)中的熱源、用戶、接頭、疏水器和閥門等均可以簡化為節(jié)點，而管道等則作為區(qū)段。假設(shè)一個熱網(wǎng)的區(qū)段數(shù)為[p]，節(jié)點數(shù)為[m]，區(qū)段和節(jié)點形成基環(huán)的數(shù)目為[n]（如圖1所示）。根據(jù)圖論中的歐拉定理，區(qū)段數(shù)、節(jié)點數(shù)和基環(huán)數(shù)的關(guān)系式如下。

[p=m+n-1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

如圖1所示，區(qū)段數(shù)[p]=7，節(jié)點數(shù)[m]=6，基環(huán)數(shù)[n]=2，滿足歐拉定理。

根據(jù)基爾霍夫第一定律，對于節(jié)點，存在流量守恒方程，區(qū)段的流量和等于節(jié)點的凈流量，即

[Q=Q1，Q2…，Qm-1T]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

[G=G1，G2…，GNT]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，[Q]表示各節(jié)點的凈流量向量，流入為正，流出為負(fù);[G]表示管段流量向量。[Q]和[G]的關(guān)系為：

[AG=Q]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，[A]是[m-1×p]的管網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣，表示節(jié)點和區(qū)段的連接關(guān)系。

根據(jù)基爾霍夫第二定律，對于基環(huán)，環(huán)內(nèi)的壓降和溫降為0。壓力由水力學(xué)公式計算，溫降由熱力學(xué)公式計算，因此熱網(wǎng)的模型和水力是熱力耦合的計算模型。假設(shè)條件為：

[ΔH=ΔH1，ΔH2…，ΔHNT]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

[ΔT=[ΔT1，ΔT2，…，ΔTn]T]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，[ΔH]為管段壓降向量;[ΔT]為管段的溫降向量。

用[Bf]表示管網(wǎng)的基本回路矩陣，即為[N-M+1×N]的矩陣，表示基本回路與管段的相關(guān)關(guān)系，則：

[BfΔH=0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

[BfΔT=0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

壓降和溫降需要根據(jù)區(qū)段的流動傳熱特性來計算。壓降與管段的阻力系數(shù)及流量有關(guān)，根據(jù)水力學(xué)方程：

[ΔH=SGG+Z-DH]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

式中，[S]為阻力系數(shù);[Z]為管段的標(biāo)高差（由進(jìn)出口節(jié)點的標(biāo)高決定）;[DH]為水泵的揚程向量。

溫降則根據(jù)管段的沿程散熱計算，已知進(jìn)口條件下，根據(jù)散熱量和進(jìn)出口速度可計算出口參數(shù)：

[hout=hin-Qlq+V2in-V2out2]?   ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

式中，[hin]和[hout]為進(jìn)出口焓值;[Vin]和[Vout]為進(jìn)出口流速;[Ql]為管段熱損失;[q]為管段質(zhì)量流量。

基于上述理論模型，筆者采用節(jié)點法進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，建模求解采用基于面向?qū)ο蟮腣C開發(fā)語言，可以對熱網(wǎng)進(jìn)行建模和計算求解?；谟嬎隳Ｐ秃颓蠼饨Y(jié)果，可以對管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計和運行調(diào)度優(yōu)化。

2 基于模型計算的管網(wǎng)設(shè)計及運行調(diào)度

2.1 管網(wǎng)建模和設(shè)計

圖2為基于現(xiàn)場運行經(jīng)驗建立的蒸汽供熱管網(wǎng)模型。管網(wǎng)模型中包含熱源、用戶、閥門、管路和疏水器等。熱源為各個熱電廠，是供熱介質(zhì)的提供單位。用戶是各個利用蒸汽或者熱水的公司或居民小區(qū)。管路、閥門和疏水器及補(bǔ)償器等是熱網(wǎng)的必備部件。其中，管路用于熱網(wǎng)的介質(zhì)傳輸;閥門用于熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)控制;疏水器用于蒸汽中水分的排出;補(bǔ)償器用于管道的熱脹冷縮補(bǔ)償，疏水器和補(bǔ)償器等共同保障了熱網(wǎng)系統(tǒng)的安全性[4-6]。

在圖2所示熱網(wǎng)系統(tǒng)中，四個熱源在典型工況下的流量溫度如表1所示。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)可以確定蒸汽熱網(wǎng)的流量范圍和最佳設(shè)計流速，從而可以根據(jù)熱源流量參數(shù)對熱網(wǎng)出口干線進(jìn)行管道設(shè)計。熱網(wǎng)的最佳流速一般為20～30m/s（由管道的實際材質(zhì)決定）。但實際上，熱源的流量是存在波動的，需要根據(jù)熱源的最大可能流量來確定管道的直徑，保證最大流量下的管網(wǎng)安全（管道的許用應(yīng)力）。最終熱源1和3的出口管徑選擇DN800管，熱源2和4選擇DN600管。

在熱網(wǎng)設(shè)計過程中，熱源和用戶的流量是相互匹配的，熱源的供給量決定了其供給區(qū)域，在管線建設(shè)時，也會根據(jù)用戶的特征選擇管線的建造設(shè)計方向和管線的供熱區(qū)域歸屬。

用戶進(jìn)口段的設(shè)計也會根據(jù)用戶的流量特征選擇。根據(jù)管道的最佳流速原則確定用戶的管線一般在DN50～DN350，具體的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

遵循管網(wǎng)最佳流速和許用應(yīng)力（許用應(yīng)力決定最大流速）的設(shè)計原則，熱網(wǎng)系統(tǒng)最終會形成熱源出口線-干線-支線-用戶進(jìn)口線的逐級熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證了熱網(wǎng)能在實際工況范圍和典型工況下具有盡可能低的溫降和損失。基于計算模型的管網(wǎng)設(shè)計能對管網(wǎng)的運行進(jìn)行預(yù)演，明確了熱源需要的供給量和熱網(wǎng)管線片區(qū)的建設(shè)依據(jù)，在設(shè)計階段有效避免了粗獷建設(shè)造成的能源浪費。

2.2 基于模型計算的運行調(diào)度

管網(wǎng)的運行調(diào)度由管網(wǎng)中的調(diào)節(jié)閥和開關(guān)閥決定。在實際熱網(wǎng)系統(tǒng)中，熱源的出口和用戶的進(jìn)口都有調(diào)節(jié)閥裝置，以保證熱源和用戶的參數(shù)保持在某一范圍內(nèi)。但由于熱網(wǎng)運行時熱源和用戶的工況可能是大范圍變化的，因此需要通過調(diào)度來保證熱網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運行。

2.2.1 閥門解列調(diào)。閥門解列調(diào)度主要針對現(xiàn)場只能開和關(guān)的閥門，如隔斷閥。圖3為熱網(wǎng)溫度分布圖，由于左下角熱源2的溫度較低，因此，熱源2所帶的溫度片區(qū)溫度就較低?？梢钥紤]關(guān)閉熱源2周圍的閥門21或閥門22，讓其只供給一路，以提高該片區(qū)的溫度參數(shù)。

因此，結(jié)合閥門全開的方案，目前共有3種運行方案，通過仿真計算可以對方案進(jìn)行比較選擇，做出決策。3種方案的計算結(jié)果如表3所示，目標(biāo)參數(shù)為該片區(qū)用戶的平均供給溫度參數(shù)。

從表3的結(jié)果可知，方案2為最佳方案，但方案2關(guān)閉下線閥門后，會導(dǎo)致左支線的用戶10參數(shù)降低明顯，這要根據(jù)具體用戶的參數(shù)要求進(jìn)行決策。因此，通過優(yōu)化計算可以實現(xiàn)工況的調(diào)度決策。而在實際熱網(wǎng)中，調(diào)度方案可能有幾十種，需要仿真系統(tǒng)的自動生成和判斷，并最終提供實時的優(yōu)化方案，這是我們智慧化的最終目的。

2.2.2 調(diào)節(jié)閥的開度優(yōu)化調(diào)度。閥門解列優(yōu)化主要針對多源熱網(wǎng)的解列和并網(wǎng)運行，由于閥門關(guān)斷后管段很可能存在盲段，因此，閥門的關(guān)閉和開啟操作都會逐步進(jìn)行，開度逐漸增大或減小。而盲段中的大量疏水，需要通過疏水閥排出后才能開啟運行。因此，閥門解列調(diào)節(jié)需要消耗較長時間，并不適合快速響應(yīng)的調(diào)度。因此，熱網(wǎng)中會安裝調(diào)節(jié)閥，通過改變閥門的開度來控制蒸汽的走向，從而保證熱網(wǎng)的正常運行。

根據(jù)計算發(fā)現(xiàn)，本文熱網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運行時，會存在小流量段（如流速小于1m/s），此時管道溫降會很大，可能蒸汽會出現(xiàn)凝結(jié)，導(dǎo)致管道內(nèi)出現(xiàn)大量凝結(jié)水，管網(wǎng)會存在水擊的風(fēng)險。如圖4所示，經(jīng)過左側(cè)用氣用戶后，管內(nèi)流量剩余很小，因此出現(xiàn)了小流量段，而右側(cè)用戶的流量主要來源于流量較大的右側(cè)管線。

若工況比較穩(wěn)定，可以考慮關(guān)閉圖4中兩條并聯(lián)線中的一條，以提高流量。為了能快速響應(yīng)，可以通過調(diào)節(jié)閥改變管線流量，避免管網(wǎng)發(fā)生水擊風(fēng)險。如圖5所示，小流量段位于上下兩主干線的中部，通過改變調(diào)節(jié)閥開度（如閥門42或閥門22），可以增加熱源2和4流向上下兩側(cè)的流量，從而提高管道流速。

實際上，本文熱網(wǎng)主要環(huán)網(wǎng)只有一個，調(diào)節(jié)閥門42或22中的一個就能影響全網(wǎng)的流量變化。本文調(diào)節(jié)的是閥門42，流量由49.3t/h下降到40t/h，導(dǎo)致上側(cè)流量會相應(yīng)增加，同時導(dǎo)致熱源1供向上干線減少和左干線的增加，導(dǎo)致熱源2供向左干線的減少和下干線的增加，最終改善了上下支線的小流量段。也可以發(fā)現(xiàn)，熱源和用戶流量負(fù)荷不變時，閥門42或22只調(diào)節(jié)一個就能影響全網(wǎng)的流量分配和蒸汽走向。

表4為調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)前后的相應(yīng)管段的溫度和流速變化表。

由表可知，調(diào)節(jié)過程改善了小流量管段的流速，達(dá)到了1m/s以上。同時，管段的溫度不再處于飽和溫度（198～199℃），溫度也有了明顯提升。通過調(diào)節(jié)后，小流量段（也稱滯留段）流速小時，管網(wǎng)潛在的風(fēng)險排除。

3 結(jié)論

本文通過水力和熱力方程的耦合，實現(xiàn)了熱網(wǎng)傳熱傳質(zhì)的耦合計算。根據(jù)仿真計算模型，對熱網(wǎng)的建模和設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)，提出基于最佳流速和最大許用應(yīng)力的熱網(wǎng)設(shè)計思路。同時，根據(jù)計算模型對熱網(wǎng)的運行調(diào)度進(jìn)行分析，從而通過解列調(diào)度和調(diào)節(jié)閥開度的優(yōu)化，提高用戶的用氣品質(zhì)，改善存在水擊風(fēng)險的小流量段的速度。因此，熱網(wǎng)計算模型和調(diào)度分析優(yōu)化模塊的建立對熱網(wǎng)的信息化和智慧化是很有幫助的，是熱網(wǎng)實現(xiàn)安全節(jié)能的必經(jīng)之路。

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