供熱二次管網水力平衡調整方法的研究與實驗

張子琛 郝哲宇 孫敬一 石惠文

(河北建筑工程學院能源工程系，河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來，隨著集中供熱規模的擴大，供熱管網運行產生的問題越來越多.供熱管網在實際運行過程中，往往由于材料、安裝及運行中的因素導致管網實際水力工況與設計水力工況出現偏差，造成各用戶的流量分布與設計值不符，產生水力失調，通常表現為離熱源近的用戶房間過熱，用戶被迫開窗散熱，離熱源遠的用戶房間過冷，室內溫度難以保證，這樣既造成了能源的浪費，也嚴重影響了人們的生活質量.

水力失調產生的根本原因是各熱用戶的實際阻力與設計阻力不一致，造成流量分配的不均勻，即用戶阻力分布不合理[1-2].鑒于此，提出一種快速、高效、適用于任何供熱管網水力平衡調整方法，并將其加以實驗驗證，以指導實際工程的運行.

1 水力平衡調整方法

對任何一個供熱管網，水力失調產生的根本原因是管網實際阻力分布不合理.因此，水力平衡調整的關鍵在于通過調整用戶側阻力，將管網阻力分布調整到合理狀態.

1)在某一穩定工況下，測量管網的實際運行參數，包括各用戶的實際流量及典型節點的壓力值；

2)建立管網水力工況數學模型，通過對實際管網各段阻力特性參數的確定計算出管網的實際阻力分布；

3)根據用戶實際情況，確定該穩定工況下用戶的規定流量，根據水力工況數學模型計算出管網的理想阻力分布；

4)由理想阻力分布和實際阻力分布得出用戶需增加的阻力值，根據閥門開度與阻力特性系數的關系式，得出待調用戶入口閥門所需達到的開度值；

5)一次性將所有用戶的入口閥門調到平衡狀態所需的開度，實現供熱管網的水力平衡調節.

2 管網水力工況數學模型

2.1 供回水干路管段的阻力特性系數計算

供回水干管的阻力系數S僅取決于管段本身的結構特性[3]，它不隨流量的變化而變化，可根據下式(1)計算[4]：

(1)

式中，S——管段的阻力特性數，Pa/(m3/h)2；

K——管壁的當量絕對粗糙度，m；

d——管道內徑，m；

ρ——熱媒的密度，kg/m3;

L——管段實際的長度，m；

Ld——管段實際局部阻力當量長度，m

由式(1)可知，在熱媒密度確定的情況下，各管段的阻力特性數只與管段自身結構有關，即管徑d、管壁的當量絕對粗糙度K、管段總長度L和管段局部阻力當量長度Ld，管徑與管段總長度可由實際勘察測量得出，管段中的三通、變徑、彎頭等閥門管件的局部阻力當量長度可從實用供熱空調設計手冊[5]查得.供回水干路管段的阻力特性數相對于用戶阻力特性數來說可以忽略不計，公式里管段參數對全局影響不大，所以計算時可以采用設計值.

2.2 管網水力工況數學模型的建立

對于任何一個枝狀供熱管網，對節點、管段和用戶進行編號后，都可以簡化為如下的流體網絡拓撲結構：

圖1 供熱管網的網絡拓撲結構

根據伯努利方程與獨立回路壓降平衡方程[6-7]，對于N個節點、M條管段的供熱管網，建立管網的數學模型方程組[8]如下：

(2)

式中，Bf——(M-N+1)×M階的基本回路矩陣；

G——管段流量列向量，G=(G1,G2,G3,……，GM)T；

ΔH——管段壓降列向量，ΔH=(ΔH1,ΔH2,ΔH3,……,ΔHM)T；

S——M×M階阻力特性系數對角矩陣，S=diag(S1,S2,S3,……,SM);

|G|——M×M階管段流量絕對值對角矩陣，|G|=diag(|G1|,|G2|,|G3|,……，|GM|)

由式(2)可得：

Bf·S·|G|·G=0

(3)

為了便于運算，將管段阻力特性系數矩陣S、管段流量矩陣|G|、G和基本回路矩陣Bf按照樹枝矩陣Bf與鏈枝矩陣進行分塊[9]，其中t為樹枝，l為鏈枝：

將分塊后的矩陣帶入式(3)可得：

Bfl·Sl·Gl·Gl=-Bft·St·Gt·Gt

由于Bfl為單位陣，即Bfl=diag(1,1,1，…，1)，上式可進一步簡化為：

(4)

在進行用戶壓降計算時，將最不利用戶資用壓頭作為基準值.因為最不利用戶往往是無法達到設計流量的一個分支，所以在管網的水力平衡調節時，最不利環路是不需要進行閥門調節的，即在對管網進行水力平衡調節時，最不利用戶的阻力特性系數不變.最不利用戶資用壓頭根據下式(5)計算：

(5)

式中，DP——最不利用戶資用壓頭，Pa；

Ssn——最不利用戶的實際阻力特性系數，Pa/(m3/h)2；

GXn——最不利用戶的規定流量，m3/h

將供回水干路管段的實際阻力特性系數和用戶流量帶入式(4)，即可求解各用戶的阻力特性系數，即得到了管網的阻力特性分布.

利用MATLAB將上述數學模型編入程序，對任意一個供熱管網，對管段和節點進行編號，只要輸入最不利用戶資用壓差、各分支供回水干路管段的總當量長度、管徑，以及各用戶的流量，即可輸出各用戶的阻力特性系數，然后根據閥門開度—阻力特性系數函數關系式，輸出各用戶入口閥門應調整至的開度.

3 水力平衡調整實驗

3.1 實驗裝置介紹

為了確保提出的方法最終可以應用至實際工程，在實驗室供熱管網調節實驗臺上進行實驗驗證.該實驗裝置由控制系統、補水系統及水循環系統組成，具有5個虛擬用戶，實驗臺示意圖如圖2所示：

圖2 實驗裝置示意圖

實驗運行過程為：首先將所有用戶的截止閥調至全開狀態，啟動補水泵，將水循環系統注滿水后，啟動單臺循環水泵直至系統運行穩定，在計算機上讀取各用戶的流量值和節點壓力值.

實驗主要儀器參數如表1所示：

表1 實驗主要儀器選型參數

所有的壓力變送器和液體渦輪流量計均與信號采集柜相連，相對應的數據在計算機上顯示.

3.2 實驗過程

(1)循環水泵50Hz運行工況下的水力平衡調整.

讀取最不利用戶壓力值與各用戶流量值，將其輸入所編程序對管網實際工況進行計算，然后給定各用戶規定流量對管網理想工況進行計算，計算結果見表2.

表2 管網實際與理想阻力分布計算

由表2可以看出，各用戶都存在不同程度的水力失調，根據管網的實際與理想阻力分布計算出待調用戶所需增加的阻力值，然后采用截止閥的開度—阻力特性系數關系式[10]得出待調用戶支路的截止閥應該到達的開度，按照所計算開度進行實際操作，調整方案及調整效果如表3所示：

表3 調整方案及結果

由表3可以直觀的看出調整之后的水力失調度區間為0.98～1.02，水力失調度大大降低.

(2)循環水泵45Hz運行工況下的水力平衡調整.

將循環水泵頻率降低至45Hz，讀取最不利用戶壓力值與各用戶流量值，然后給定各用戶規定流量，管網實際與理想阻力分布計算結果見表4，調整方案及調整結果見表5.

表4 管網實際與理想阻力分布

表5 調整方案及結果

由表5可以看出調整之后的水力失調度區間為0.94～1.02，水力失調度大大降低.

為確保實驗的準確性，在循環水泵兩個頻率的運行工況下分別做管網水力平衡調整.由調整結果可以看出，通過調整，管網水力失調度大大降低.

4 結 論

本文針對供熱二次管網提出了一種基于阻力分析的水力平衡調整方法，對提出的調整方法編制了相應的計算程序，該方法需測壓力節點少，調節過程省時省力.經實驗驗證，此方法可以有效的降低管網中各用戶的水力失調度，有效解決用戶阻力分布不均勻的問題，為解決靜態水力失調提供了一種新方法.