環狀空間熱網供回水壓線不對稱性研究

楊 光， 王 海, 李錚偉

(同濟大學機械與能源工程學院，上海200092)

1 概述

根據清華大學建筑節能研究中心與國際能源署(IEA)聯合發布的2017年《中國區域清潔供暖發展研究報告》，2015年中國的集中供熱系統規模已躍居世界首位?！吨袊鍧嵐岙a業發展報告(2019)》顯示，截至2017年底，北方地區供熱總面積達232×108m2，已有41%實現了清潔供暖。中國政府十部委聯合印發的《北方地區冬季清潔取暖規劃2017—2021》提出，到2021年底，綜合清潔供暖率需從2016年的34%提升到70%的重大任務。

集中供熱系統具有顯著的動態性和復雜性，需要借助信息技術構建智慧供熱系統以提升集中供熱全過程的動態協同、協調能力。Lund等人[1-2]提出供熱系統將發展為第4代供熱系統(智慧供熱系統)，并且量化了智慧供熱系統在未來可持續能源系統中的成本和效益：成本包括供熱系統的升級和熱網的運行，效益包括降低熱網損耗，更好地利用低溫熱源和提高生產效率。Rehman等人[3]對智慧供熱系統的重要構成部分及技術領先的國家進行了綜述，包括斯堪的納維亞半島的可持續熱源、東歐細致的熱網、中國創新的分布式拓撲熱網以及中歐正在深入研究的熱能儲能技術。

智慧供熱要求借助信息系統承載知識和經驗，輔助和提升人的決策水平，實現供熱系統優化調控、故障診斷等智能化功能。在優化調控方面，Wang等人[4]提出了一種基于云計算、遠程控制技術的分布式循環泵精確變頻方法，該方法可精確調節水泵頻率達到0.001 Hz，節約20%以上的耗電量。Wang等人[5]還對多熱源管網提出了一種粗調節與細調節相結合的運行方法，可在滿足用戶供熱需求的前提下實現熱源供熱費用與循環泵耗電費總和最低。在故障診斷方面，國內外針對熱網阻力系數的辨識[6]、管段堵塞故障的診斷[7]以及管段泄漏的診斷分析[8]等開展了研究。

精細的供熱系統仿真模型對實現優化調控、故障診斷等功能有著重要作用，是實現智慧供熱必不可少的基礎和工具。傳統熱網模型在水力計算時普遍采用供回水管網完全對稱假設，基于平面熱網的方法僅對供回水管道二者之一單獨計算[9]。在實際供熱管網中，由于管子粗糙度差異、管段堵塞、泄漏等原因，供水管道與回水管道并非完全水力對稱。針對供回水管網中某管段發生故障進行檢修時的場景，王曉霞等人[10]開創了熱網空間拓撲結構研究的先例。周鵬[11]探討了采取空間管網方法建模的必要性。面對空間熱網的拓撲解析問題，周海艦等人[12]提出了一種新的面向對象方法，這種方法可普遍適用于供回水不對稱的空間管網。利用該方法，王海等人[13-14]對多熱源環狀熱網進行水力計算并取得了良好的效果，并對管網熱力模型進行改進，提出新的數值解法[15-16]。王海等人[17]還基于該方法，討論了管網的水力不對稱性，但是該研究中熱源流量和熱用戶均簡化成節點流量進行處理，熱網依舊可以拆分成供水、回水兩個系統，分別按照平面管網進行計算，并未突出該方法針對空間熱網仿真的優勢。

本文在文獻[17]的基礎上，增加熱源循環泵特性，分析供回水管粗糙度(本文指絕對粗糙度)、管段堵塞、泄漏對管網供回水壓線對稱性的影響。

2 水力模型

采用面向對象水力計算方法對空間熱網的拓撲結構進行解析時，對供熱系統中的每個元件都進行“對象化”建模。對管道、熱源、用戶等分別建立各自的“對象”，然后根據“對象”之間的拓撲關系，建立符合物理守恒定律的參數傳遞，進而得到水力模型。

① 管道

管道的水力模型可根據其連續性方程、動量方程聯合建立：

式中ρ——水的密度，kg/m3

t——時間，s

u——水的流速，m/s

x——管段軸向長度，m

p——壓力(絕對壓力)，Pa

f——摩擦阻力系數

d——管道內直徑，m

g——重力加速度，m/s2，本文取9.8 m/s2

θ——管段水平傾角，rad

摩擦阻力系數f采用Colebrook & White(C-W)方程計算，表達式為[18]：

式中ε——管子粗糙度，m

Re——水的雷諾數

② 熱源

熱源類型廣泛，除熱電廠、鍋爐房外，還有多種可再生能源和余熱資源等。但從水力建模的角度，可以簡化熱源的水力性質。對含有定壓點的熱源，回水壓力可直接設置為定壓點壓力，即：

pr=pset

式中pr——回水壓力，Pa

pset——定壓點壓力，Pa

熱源的供回壓差由循環泵提供，當確定循環泵流量和運行頻率時，循環泵壓頭可通過水泵特性曲線確定。由此，熱源的水力模型為[19]：

ρgHp=ps-pr+Δp

式中Hp——水泵揚程，m

ps——供水壓力，Pa

Δp——熱源內部阻力，Pa

k0、k1、k2——水泵回歸系數

qp——循環泵流量，m3/s

n——水泵實際轉速，min-1

n0——水泵額定轉速，min-1

③ 用戶

為簡化熱網水力模型，用戶可設定為一個阻力節點，水頭損失Δhm根據運行數據回歸為多項式[19]：

式中 Δhm——用戶水頭損失，m

r0、r1、r2——回歸系數

qm——用戶流量，m3/s

當建立熱網各對象的水力模型后，對熱網進行水力計算，可得到全網各節點和管段的水力參數[12]。

3 算例分析

3.1 概況

選取有2個熱源的環狀空間熱網，拓撲結構見圖1[17]。

對于圖1，供水主管網布置在頂面，由管段1～22組成?；厮鞴芫W布置在底面，由管段47～68組成。含有熱源和用戶的支網由豎直管段23～46組成。兩組循環泵與熱源分別由管段69、70連接。箭頭表示預設的水流方向，若水流方向與預設方向相同，則流量為正；反之，流量為負。

圖1 供熱系統的拓撲結構

輸入條件：設定在熱源S1處采用補水泵定壓，定壓點壓力為500 kPa。熱源S1、S2內部阻力均為50 kPa。熱用戶的設計流量均為180 m3/h，管子粗糙度的初始值設定為0.5 mm，各管段的內直徑、長度見表1。循環泵P1、P2的流量-揚程曲線分別見圖2、3。在輸入條件下，根據模擬結果可知熱源S1的設計流量為720 m3/h，熱源S2的設計流量為1 080 m3/h，循環泵P1的揚程為15 m，循環泵P2的揚程為21.3 m。

表1 各管段的內直徑、長度

續表1

圖2 循環泵P1的流量-揚程曲線

圖3 循環泵P2的流量-揚程曲線

3.2 供回水壓線對稱性影響因素

① 回水主管粗糙度

供水主管、支管粗糙度保持0.5 mm，回水主管粗糙度分別設定為0.1、0.5、1.0 mm。選取以下供回水主管的供回水壓線進行分析：供水主管：節點S1-3001-3002-3003-3023-3022-3024-4001-3006-S2；回水主管：節點P1-3011-3012-3013-3027-3031-3032-4004-3016-P2。

根據水力模型，計算得到的不同回水主管粗糙度下的供回水壓線見圖4，圖中橫坐標標值括號中數值為回水主管節點編號。由圖4可知，與供回水主管粗糙度一致時相比，當供回水管粗糙度不同時，供回水壓線出現不對稱。

圖4 不同回水主管粗糙度下的供回水壓線

為了更加直觀反映回水主管粗糙度的變化對供回水壓線不對稱性的影響，筆者計算出各節點的供回水壓力平均值(算術平均值)，見圖5。由圖5可知，當回水主管粗糙度偏離0.5 mm，供回水壓線即出現不對稱現象。回水主管粗糙度越小，不對稱情況越明顯。

圖5 各節點的供回水壓力平均值

② 管段堵塞

仍選取上述供回水主管進行分析，堵塞管段分別選取供水主管的管段17、14以及對應的回水主管的管段59、66。供回水主管、支管粗糙度均為0.5 mm。管段17、59分別堵塞時的供回水壓線見圖6，管段14、66分別堵塞時的供回水壓線見圖7。由圖6、7可知，供回水主管堵塞均導致供回水壓線不對稱。與回水主管堵塞相比，供水主管堵塞是導致供回水壓線不對稱的主要原因。

圖6 管段17、59分別堵塞時的供回水壓線

圖7 管段14、66分別堵塞時的供回水壓線

③ 管段泄漏

仍選取上述供回水主管進行分析，泄漏管段分別選取供水主管的管段1、12以及對應的回水主管的管段47、58，泄漏位置位于泄漏管段中間。供回水主管、支管粗糙度均為0.5 mm。

泄漏量為總流量的1%，管段1、12分別泄漏時的供回水壓線見圖8，管段47、58分別泄漏時的供回水壓線見圖9。由圖8、9可知，與回水主管泄漏相比，供水主管的泄漏是導致供回水壓線不對稱的主要原因。筆者還對泄漏量為總流量的2%、4%、10%的情況進行了計算，結果顯示：泄漏量越大，由供水主管泄漏引起的供回水壓線的不對稱越明顯。

圖8 管段1、12分別泄漏時的供回水壓線

圖9 管段47、58分別泄漏時的供回水壓線

4 結論

① 回水主管絕對粗糙度的影響：當供回水主管粗糙度不同時，供回水壓線出現不對稱?；厮鞴艽植诙仍叫?，不對稱情況越明顯。

② 管段堵塞的影響：供回水主管堵塞均導致供回水壓線不對稱。與回水主管堵塞相比，供水主管堵塞是導致供回水壓線不對稱的主要原因。

③ 管段泄漏的影響：與回水主管泄漏相比，供水主管泄漏是導致供回水壓線不對稱的主要原因。泄漏量越大，由供水主管泄漏引起的供回水壓線的不對稱越明顯。