深析供熱管網(wǎng)動態(tài)特性及其控制策略

袁 鋒

（鄭州市建筑設(shè)計院，河南 鄭州 450052）

深析供熱管網(wǎng)動態(tài)特性及其控制策略

袁 鋒

（鄭州市建筑設(shè)計院，河南 鄭州 450052）

在我國人口規(guī)模以及生活質(zhì)量不斷增加的情況下，集中供熱的規(guī)模也在隨之增加，供熱系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜且多變量的控制系統(tǒng)，擁有合理調(diào)節(jié)措施以及控制算法的供熱系統(tǒng)，不僅可以保護環(huán)境，還可以節(jié)約能源。但是從目前我國供熱系統(tǒng)的建設(shè)與設(shè)計的相關(guān)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(tǒng)效率和調(diào)控裝備也不夠完善。本文主要對供熱管網(wǎng)的動態(tài)過程進行詳細(xì)的分析，并在此基礎(chǔ)上提出有關(guān)運行調(diào)節(jié)的相關(guān)策略，以便提升我國供熱系統(tǒng)的建設(shè)水平。

供熱；管網(wǎng)動態(tài)；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(guī)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(shù)量比較多，能源人均占有量非常有限，據(jù)相關(guān)調(diào)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(yè)進行深化改革，開發(fā)研究出穩(wěn)定、節(jié)能、高效的運行方式與供熱系統(tǒng)，是我國供熱行業(yè)目前必須重視與繼續(xù)解決的問題，以便獲得一項現(xiàn)代自動化技術(shù)，使供熱行業(yè)獲得更大的社會效益與經(jīng)濟效益。

1.供熱管網(wǎng)動態(tài)特性的現(xiàn)狀

由于供熱管網(wǎng)動態(tài)性的組成和結(jié)構(gòu)成分比較復(fù)雜，對其研究起來有一定的困難性，完全穩(wěn)定熱力工況也有一定的難度，只有采用動態(tài)方法分析熱力工況，才能有效實現(xiàn)按需供熱的要求。

目前我國在供熱管網(wǎng)動態(tài)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(chǔ)理論的應(yīng)用和研究，把復(fù)雜的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)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(jié)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(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(wǎng)的建模

對于供熱管網(wǎng)進行控制與調(diào)節(jié)，能夠使整個管網(wǎng)整體協(xié)調(diào)控制，滿足不同用戶的供熱需求，從最大程度上節(jié)約能源，從而使供熱管網(wǎng)從滿組了不同用戶的供熱需求以及最大限度的節(jié)約能源方面得到優(yōu)化。供熱管網(wǎng)作為一種控制對象，首先要了解其本身固有的動態(tài)特性，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)管網(wǎng)的特點，提供調(diào)節(jié)策略與控制算法。

2.1 供熱系統(tǒng)管網(wǎng)的水利工況模擬

一般情況下，供熱系統(tǒng)中，系統(tǒng)的水利工況是指壓力與流量的分布狀況。想要對供熱管網(wǎng)進行模擬，首先應(yīng)對其水利工況進行系統(tǒng)的分析，供熱系統(tǒng)的供熱網(wǎng)是一種流體網(wǎng)絡(luò)，與電網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)的流體網(wǎng)絡(luò)模型圖如圖所示）。本文主要按圖1的管網(wǎng)作為研究對象，從3個熱用戶的管網(wǎng)開始其動態(tài)性以及控制策略的研究。

圖1 流體網(wǎng)絡(luò)模型圖

3.供熱管網(wǎng)節(jié)點處的換熱數(shù)學(xué)模型

對于管網(wǎng)供水段上的節(jié)點，其流入溫度值等于流出節(jié)點流體的溫度值；而對于回水管段上的節(jié)點，則由于流入節(jié)點的流體溫度志不同在節(jié)點處進行了接觸換熱，節(jié)點輸出流體的溫度滿足混合流方程。本文在假設(shè)的前提下，詳細(xì)分析供熱管網(wǎng)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(xiàn)管道對供回水溫度的輸送。

4.管式換熱器的數(shù)學(xué)模型

假設(shè):(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(zhì)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(shù)。

本次試驗主要對不同擾動因素，推導(dǎo)出不同分段線性化的傳遞函數(shù)，并在分段數(shù)量趨于無窮大是證明出傳遞幻術(shù)的極值與分布參數(shù)模型的解析完全一致。在此基礎(chǔ)上，將該方法進行推廣至集總參數(shù)形式的分段性化方法，以此來接近分布參數(shù)模型，從物理和數(shù)學(xué)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(nèi)，從壁面向流體的傳熱量為：dQ2-a2（Tw-T2）S2dldt

從流體狀態(tài)參數(shù)的變化角度來看：dQ2-mdu2-A2p2c2dldT2

可寫出殼側(cè)介質(zhì)的動態(tài)方程：

集總參數(shù)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(cè)入口溫度擾動對于冷側(cè)出水溫度的延遲環(huán)節(jié)沒有影響，但對其慣性環(huán)節(jié)的沒有影響，但是對換熱器慣性環(huán)節(jié)有較大的影響，而對于熱側(cè)出口溫度，不僅影響其慣性環(huán)節(jié)還影響其延遲環(huán)節(jié)[1]。

5.供熱管網(wǎng)的動態(tài)性仿真

本次實驗在連接成的小型枝狀管網(wǎng)上對供熱管網(wǎng)進行實例仿真，（小型枝狀管網(wǎng)如圖 3所示）主要分析供熱管網(wǎng)中多種可能出現(xiàn)的工況，利用階躍響應(yīng)從溫度動態(tài)曲線的角度對管網(wǎng)的各個換熱站的熱交換影響情況進行詳細(xì)分析，結(jié)果符合邏輯分析。假設(shè)：供熱管網(wǎng)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(cè)為：20t/h、14t/h、10t/h；二次側(cè)分貝為10t/h、12t/h、20t/h。啟動時首站和各熱力站一次側(cè)入口溫度都為0℃，二次側(cè)入口溫度為40℃、45℃、55℃[2]。

圖3 小型枝狀管網(wǎng)

5.1 一次網(wǎng)流量擾動從圖 3可得出，從三個換熱站的一次網(wǎng)側(cè)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(chǎn)生了不同的延遲。從換熱站二次側(cè)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(wǎng)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(wǎng)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(wěn)定[3]。

5.2 二次網(wǎng)流量擾動

從各二級站的二次側(cè)出水溫度變化的曲線來看，2號站冷側(cè)流量上調(diào)之后，其冷側(cè)出口溫度最先下降，由于 2號站的二次側(cè)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(cè)進口，使得各站冷熱兩側(cè)出水溫度開始下降，但是 2號站的一次側(cè)入口溫度與二次側(cè)流量同是變化。這樣整個管網(wǎng)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(cè)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(wǎng)回水溫度的擾動響應(yīng)，同二次網(wǎng)側(cè)流量擾動的影響幾乎相似，其先對該站的熱側(cè)出水溫度產(chǎn)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(cè)出水溫度變化，傳遞給各用戶，改變室內(nèi)溫度。

綜上所述，由于管道輸送的延遲特性，因此供熱系統(tǒng)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(shù)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(wǎng)動態(tài)特性及其控制策略的研究與管網(wǎng)仿真試驗中，通過各種控制算法對供熱管網(wǎng)進行控制驗證與比較，取其優(yōu)者，達到供熱管網(wǎng)協(xié)調(diào)節(jié)能控制、整體優(yōu)化的目的。

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

[2]王淞,劉威.分戶計量供熱系統(tǒng)室溫及熱負(fù)荷動態(tài)模擬軟件研究[J].暖通空調(diào),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(tǒng)室外管網(wǎng)動態(tài)水力失調(diào)與控制[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)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(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].山東大學(xué)學(xué)報,2012,54(36):43-47.

G322

B

1007-6344（2015）08-0049-02