太原市集中供熱管網(wǎng)熱瞬態(tài)分析

楊文長 鄭仙榮

(1.太原市熱力集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030012； 2.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原 030024)

1 概述

基于集總參數(shù)法的集中供熱管網(wǎng)能量模型方法無法預(yù)測管道中溫度波的傳遞，所預(yù)測的從熱源到用戶的溫度傳遞是不準(zhǔn)確的。更進一步的溫度暫態(tài)預(yù)測方法是節(jié)點法，節(jié)點法的原則是以一個節(jié)點到下一個節(jié)點的時間步長為研究對象，通過時間步長和不同節(jié)點的歷史溫度得出入口管段的水溫，通過計算熱損失和管子的熱容量，算出管段出口處的水溫。與集總參數(shù)模型一樣，節(jié)點法及其計算機程序在國外供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)運行中已有應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，可以使總體的燃料消耗率至少降低了2%[1]。

節(jié)點法在模擬集中供熱系統(tǒng)的熱瞬態(tài)分析上具有可行性，該方法與集總參數(shù)法相比，節(jié)點法更具有優(yōu)越性。

2 集中供熱管網(wǎng)模型的建立[2]

2.1 能量暫態(tài)平衡模型

一維能量暫態(tài)平衡方程：

流動流體總能量方程：

質(zhì)量平衡方程：

動量平衡方程：

其中，e為流動總能，J/kg；τw為單位體積的壁面阻力，N/m3；x為距離，m；h為比焓，J/kg；θ為管道彎度，rad;ρ為密度，kg/m3；c為水的比熱，kJ/kg℃；u為速度，m/s。

上式是供熱系統(tǒng)中的熱水能量的暫態(tài)方程，壓力變化和管壁阻力的影響可以忽略不計。

2.2 數(shù)值模型

寫成數(shù)值方程式為：

其中，下標(biāo)i代表了節(jié)點，A表示為路徑上的某一截面點，A點位于i-1節(jié)點與i節(jié)點之間。

圖1為熱力管路節(jié)點分布圖，i在t+Δt時的焓值hi(t+Δt)。節(jié)點i在t+Δt時的焓值hi(t+Δt)可以由A點的焓值hA(t)計算而得，而A點的焓值hA(t)可以由節(jié)點(i-2),(i-1),i,(i+1)或者節(jié)點(i-1),i,(i+1),(i+2)在t時刻的焓值來求得。

3 節(jié)點法計算結(jié)果及熱力網(wǎng)實際測量結(jié)果分析

太原集中供熱城南供熱網(wǎng)工程位于長風(fēng)大街南側(cè)，實際的占地面積97余畝，工程總投資為6.4億元，該供熱系統(tǒng)的面積為980萬m2。

該工程于2008年5月開始建設(shè)，2015年8月全面投運。到2017年年底實際供熱的面積為980萬m2，投運熱力站數(shù)達到56座，供暖主管徑在500 mm～800 mm之間，分支管管徑在150 mm～300 mm之間。

3.1 熱力網(wǎng)增加負荷時引起的溫度變化

如圖2所示，熱源所供熱負荷在第18 min～第32 min內(nèi)較快增大，其溫度由70.2 ℃升高到82 ℃。升溫時間為14 min，升溫值為10.2 ℃，最高溫度升到82 ℃。

圖3顯示了所選三個熱力站中距離熱源最近的熱力站的溫度變化曲線圖，該熱力站的升溫過程是在第41 min～56 min之間進行的，最高溫度值達到了81 ℃，它與熱力網(wǎng)熱源的最高溫度值相比僅低了1.4 ℃。說明了該熱力站熱源的升溫時間為24 min，并且在該溫度下的熱水從熱力網(wǎng)熱源輸?shù)皆撜緶囟冉档土?.4 ℃。

如圖4給出了位于長風(fēng)東街支線上的該熱力站的溫度變化曲線趨勢，該熱力站的升溫是在第71 min～86 min之間，其最高的溫度達到了78.5 ℃，和熱源的最高溫度相比降低了1.8 ℃。由此說明了該熱力站熱源的升溫時間大約用了43 min，熱網(wǎng)內(nèi)的熱水由熱源傳輸?shù)皆摕崃φ緶囟冉盗?.8 ℃。

如圖5給出了位于長風(fēng)東街支線而且是這三個熱力站中離熱源最遠的熱力站的溫度變化曲線圖，該熱力站升溫時間位于87 min～98 min，高溫達到了78.3 ℃，該溫度比熱源的最高溫度降低了3.2 ℃，熱網(wǎng)內(nèi)的熱水由熱源傳輸?shù)奖緹崃φ緶囟冉盗?.2 ℃。從圖2～圖5可以看到回水溫度不受熱源負荷增加的影響，這是由于建筑物的熱容量比較大熱慣性較大的原因。

上面三個圖給出了三個熱力站升溫過程中的熱水溫度變化情況，熱量傳輸?shù)綗崃φ舅钑r間是由傳遞長度和熱力網(wǎng)支線熱水的速度來決定的。

圖6是當(dāng)負荷增加時三個熱力站實際測量的溫度與計算所得溫度之間進行的比較，取得比較一致的結(jié)論。計算出來的溫度峰值和振幅與實際測量值保持一致。

3.2 熱力網(wǎng)降低負荷時引起的溫度變化

從圖7可得，熱負荷在第24 min～第38 min熱負荷較快減少，溫度由91 ℃降低到79 ℃，降溫所需時間為16 min，溫度減少了12 ℃，熱源回水溫度沒有發(fā)生大的變化。

從圖8中得到該熱力站的降溫出現(xiàn)在第42 min～38 min之間，最低的溫度達到了79 ℃，這個溫度與熱源的最高溫度相比較降低了1.4 ℃。

從圖9可得該熱力站的降溫過程發(fā)生在第58 min～第72 min由89 ℃降至78 ℃，與熱力網(wǎng)熱源最低溫度相比較降低了1.8 ℃。也就是從熱源到該熱力站熱水損失了1.8 ℃的熱能。

從圖10可得該熱力站的降溫過程發(fā)生在第81 min～第94 min由87 ℃降至76 ℃，與熱力網(wǎng)熱源最低溫度相比較降低了3.2 ℃。也就是從熱源到該熱力站熱水損失了3.2 ℃的熱能。

圖11是當(dāng)負荷降低時三個熱力站實際測量的溫度與計算所得溫度之間進行的比較，取得比較一致的結(jié)論。與集總參數(shù)分析結(jié)果相比誤差減少2.3%，計算出來的溫度峰值和振幅與實際測量值保持一致。

4 結(jié)語

建立了集中供熱管路系統(tǒng)節(jié)點法分析模型，經(jīng)模型分析與現(xiàn)場實際測量結(jié)果比較，節(jié)點法所預(yù)測的從熱源到用戶的溫度傳遞誤差在5.2%以內(nèi)，為熱力網(wǎng)調(diào)節(jié)及經(jīng)濟運行提供依據(jù)。