深析供熱管網動態特性及其控制策略

袁 鋒

（鄭州市建筑設計院，河南 鄭州 450052）

深析供熱管網動態特性及其控制策略

袁 鋒

（鄭州市建筑設計院，河南 鄭州 450052）

在我國人口規模以及生活質量不斷增加的情況下，集中供熱的規模也在隨之增加，供熱系統是一個非常復雜且多變量的控制系統，擁有合理調節措施以及控制算法的供熱系統，不僅可以保護環境，還可以節約能源。但是從目前我國供熱系統的建設與設計的相關情況來看，仍然存在較多方面的不足，不僅能源利用率不高，而且系統效率和調控裝備也不夠完善。本文主要對供熱管網的動態過程進行詳細的分析，并在此基礎上提出有關運行調節的相關策略，以便提升我國供熱系統的建設水平。

供熱；管網動態；特性；控制；策略

目前，我國北方冬季取暖的主要方式就是集中供熱，隨著我國供熱規模的不斷增加，供熱所需的能源消耗也隨之增加，由于我國人口數量比較多，能源人均占有量非常有限，據相關調查表名，我國煤炭儲量占世界儲量的 11%，而人均煤炭儲量僅為世界平均量的42.5%。因此如何對我國供熱事業進行深化改革，開發研究出穩定、節能、高效的運行方式與供熱系統，是我國供熱行業目前必須重視與繼續解決的問題，以便獲得一項現代自動化技術，使供熱行業獲得更大的社會效益與經濟效益。

1.供熱管網動態特性的現狀

由于供熱管網動態性的組成和結構成分比較復雜，對其研究起來有一定的困難性，完全穩定熱力工況也有一定的難度，只有采用動態方法分析熱力工況，才能有效實現按需供熱的要求。

目前我國在供熱管網動態研究方面主要有以下幾種方式：（1）進行理論研究和分析，基爾霍夫第一、第二定律等基礎理論的應用和研究，把復雜的管網結構轉化成數學模型，通過計算機完成水利計算。（2）通過仿真模型與物力模型各工況結果的對比，證實仿真模型的相似程度，通過對仿真模型的研究來實現對網絡系統的研究。（3）通過對改造、改建、運行或新建的具體實際工程的研究，提出問題、解決方案。

2.供熱管網的建模

對于供熱管網進行控制與調節，能夠使整個管網整體協調控制，滿足不同用戶的供熱需求，從最大程度上節約能源，從而使供熱管網從滿組了不同用戶的供熱需求以及最大限度的節約能源方面得到優化。供熱管網作為一種控制對象，首先要了解其本身固有的動態特性，然后在此基礎上根據管網的特點，提供調節策略與控制算法。

2.1 供熱系統管網的水利工況模擬

一般情況下，供熱系統中，系統的水利工況是指壓力與流量的分布狀況。想要對供熱管網進行模擬，首先應對其水利工況進行系統的分析，供熱系統的供熱網是一種流體網絡，與電網絡類似，基本原理遵從霍爾夫流量定律與壓降定律，（三個熱用戶的供熱管網的流體網絡模型圖如圖所示）。本文主要按圖1的管網作為研究對象，從3個熱用戶的管網開始其動態性以及控制策略的研究。

圖1 流體網絡模型圖

3.供熱管網節點處的換熱數學模型

對于管網供水段上的節點，其流入溫度值等于流出節點流體的溫度值；而對于回水管段上的節點，則由于流入節點的流體溫度志不同在節點處進行了接觸換熱，節點輸出流體的溫度滿足混合流方程。本文在假設的前提下，詳細分析供熱管網的特點，提出一種能夠在流量時變的情況下傳輸水溫的方法，即分段計分法，求出個小段管道水量平均溫度值，再對流速進行實時積分，以便實現管道對供回水溫度的輸送。

4.管式換熱器的數學模型

假設:(1)忽略熱水器中的壓降（取換熱器中壓力保持不變）及動量的變化；（2）換熱器中介質為不可壓縮流體（熱換器圖化圖如圖2所示），其密度可視為不變；（3）截止的比熱近似為常數。

本次試驗主要對不同擾動因素，推導出不同分段線性化的傳遞函數，并在分段數量趨于無窮大是證明出傳遞幻術的極值與分布參數模型的解析完全一致。在此基礎上，將該方法進行推廣至集總參數形式的分段性化方法，以此來接近分布參數模型，從物理和數學模型量方面分析該方法的可行性。

圖2 熱換器的圖化示意圖

在時間間隔dt內，從壁面向流體的傳熱量為：dQ2-a2（Tw-T2）S2dldt

從流體狀態參數的變化角度來看：dQ2-mdu2-A2p2c2dldT2

可寫出殼側介質的動態方程：

集總參數形式的分段線性化方法對換熱器模型的仿真，對于不同的換熱器，其效果也不同。比如逆流管式換熱器熱側入口溫度擾動對于冷側出水溫度的延遲環節沒有影響，但對其慣性環節的沒有影響，但是對換熱器慣性環節有較大的影響，而對于熱側出口溫度，不僅影響其慣性環節還影響其延遲環節[1]。

5.供熱管網的動態性仿真

本次實驗在連接成的小型枝狀管網上對供熱管網進行實例仿真，（小型枝狀管網如圖 3所示）主要分析供熱管網中多種可能出現的工況，利用階躍響應從溫度動態曲線的角度對管網的各個換熱站的熱交換影響情況進行詳細分析，結果符合邏輯分析。假設：供熱管網在啟動的過程中熱源出供熱量不變，啟動時1、2、3、三站各站流量一次側為：20t/h、14t/h、10t/h；二次側分貝為10t/h、12t/h、20t/h。啟動時首站和各熱力站一次側入口溫度都為0℃，二次側入口溫度為40℃、45℃、55℃[2]。

圖3 小型枝狀管網

5.1 一次網流量擾動從圖 3可得出，從三個換熱站的一次網側熱水進口溫度變化來看，由于總站離各換熱站的距離不同，而產生了不同的延遲。從換熱站二次側口的溫度變化的情況可得出，在流量變化之后，3號換熱水站的出水溫度明顯下降，而總站的出水溫度明顯上升，1號站和2號站水溫沒有多大變化。在以此網總流量變化之后延遲了一段時間后溫度慢慢下降，這是由于3號站的一次網的熱水口溫度下降造成的，而且其溫度變化的滯后時間即為3號站到總站的溫度傳輸所用的時間。綜合流量通道的變化在1.04-1.06萬秒時有一小段的溫度回落，隨著總站入口溫度的升高逐漸回溫，直到最后趨于穩定[3]。

5.2 二次網流量擾動

從各二級站的二次側出水溫度變化的曲線來看，2號站冷側流量上調之后，其冷側出口溫度最先下降，由于 2號站的二次側流量變化的影響，總站出口溫度也開始下降。隨后由于總站的出水要傳遞到各個熱換站熱側進口，使得各站冷熱兩側出水溫度開始下降，但是 2號站的一次側入口溫度與二次側流量同是變化。這樣整個管網溫度的變化就由2號換熱站的冷測流量通道反映在2號站的熱側口，繼而通過溫度通道專遞給各二級站[4]。

5.3 二次回水溫度擾動

對于二次網回水溫度的擾動響應，同二次網側流量擾動的影響幾乎相似，其先對該站的熱側出水溫度產生影響，然后在通過回水管道傳給總站，總站再傳給各個熱力站，從而引起各站冷側出水溫度變化，傳遞給各用戶，改變室內溫度。

綜上所述，由于管道輸送的延遲特性，因此供熱系統具有一定的時差性以及時變性，而用戶室溫的變化以及換熱器本身的一些參數會隨著流量與水溫的變化而變化，再加上各換熱站之間是通過水管相連，一個站改變就會使其他的站隨之改變。在供熱管網動態特性及其控制策略的研究與管網仿真試驗中，通過各種控制算法對供熱管網進行控制驗證與比較，取其優者，達到供熱管網協調節能控制、整體優化的目的。

[1]葉泉流.集中供熱管網動態特性及其控制策略研究[J].山東大學,2013,23(14):23-28.

[2]王淞,劉威.分戶計量供熱系統室溫及熱負荷動態模擬軟件研究[J].暖通空調,2013,33(21):12-16.

[3]王昭俊,董立華,姜永成,趙佳寧.熱計量變流量供熱系統室外管網動態水力失調與控制[J].哈爾濱工業大學學報,2012,4(22):23-28.

[4]唐玉峰,田茂成,張冠敏,姜波.集中供熱孕程網絡控制系統優化設計[J].山東大學學報,2012,54(36):43-47.

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1007-6344（2015）08-0049-02