環(huán)狀空間熱網(wǎng)供回水壓線不對稱性研究

楊 光， 王 海, 李錚偉

(同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海200092)

1 概述

根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心與國際能源署(IEA)聯(lián)合發(fā)布的2017年《中國區(qū)域清潔供暖發(fā)展研究報告》，2015年中國的集中供熱系統(tǒng)規(guī)模已躍居世界首位?！吨袊鍧嵐岙a(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2019)》顯示，截至2017年底，北方地區(qū)供熱總面積達232×108m2，已有41%實現(xiàn)了清潔供暖。中國政府十部委聯(lián)合印發(fā)的《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)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(wù)。

集中供熱系統(tǒng)具有顯著的動態(tài)性和復(fù)雜性，需要借助信息技術(shù)構(gòu)建智慧供熱系統(tǒng)以提升集中供熱全過程的動態(tài)協(xié)同、協(xié)調(diào)能力。Lund等人[1-2]提出供熱系統(tǒng)將發(fā)展為第4代供熱系統(tǒng)(智慧供熱系統(tǒng))，并且量化了智慧供熱系統(tǒng)在未來可持續(xù)能源系統(tǒng)中的成本和效益：成本包括供熱系統(tǒng)的升級和熱網(wǎng)的運行，效益包括降低熱網(wǎng)損耗，更好地利用低溫?zé)嵩春吞岣呱a(chǎn)效率。Rehman等人[3]對智慧供熱系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分及技術(shù)領(lǐng)先的國家進行了綜述，包括斯堪的納維亞半島的可持續(xù)熱源、東歐細致的熱網(wǎng)、中國創(chuàng)新的分布式拓撲熱網(wǎng)以及中歐正在深入研究的熱能儲能技術(shù)。

智慧供熱要求借助信息系統(tǒng)承載知識和經(jīng)驗，輔助和提升人的決策水平，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控、故障診斷等智能化功能。在優(yōu)化調(diào)控方面，Wang等人[4]提出了一種基于云計算、遠程控制技術(shù)的分布式循環(huán)泵精確變頻方法，該方法可精確調(diào)節(jié)水泵頻率達到0.001 Hz，節(jié)約20%以上的耗電量。Wang等人[5]還對多熱源管網(wǎng)提出了一種粗調(diào)節(jié)與細調(diào)節(jié)相結(jié)合的運行方法，可在滿足用戶供熱需求的前提下實現(xiàn)熱源供熱費用與循環(huán)泵耗電費總和最低。在故障診斷方面，國內(nèi)外針對熱網(wǎng)阻力系數(shù)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(tǒng)仿真模型對實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)控、故障診斷等功能有著重要作用，是實現(xiàn)智慧供熱必不可少的基礎(chǔ)和工具。傳統(tǒng)熱網(wǎng)模型在水力計算時普遍采用供回水管網(wǎng)完全對稱假設(shè)，基于平面熱網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)中某管段發(fā)生故障進行檢修時的場景，王曉霞等人[10]開創(chuàng)了熱網(wǎng)空間拓撲結(jié)構(gòu)研究的先例。周鵬[11]探討了采取空間管網(wǎng)方法建模的必要性。面對空間熱網(wǎng)的拓撲解析問題，周海艦等人[12]提出了一種新的面向?qū)ο蠓椒?，這種方法可普遍適用于供回水不對稱的空間管網(wǎng)。利用該方法，王海等人[13-14]對多熱源環(huán)狀熱網(wǎng)進行水力計算并取得了良好的效果，并對管網(wǎng)熱力模型進行改進，提出新的數(shù)值解法[15-16]。王海等人[17]還基于該方法，討論了管網(wǎng)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(jié)點流量進行處理，熱網(wǎng)依舊可以拆分成供水、回水兩個系統(tǒng)，分別按照平面管網(wǎng)進行計算，并未突出該方法針對空間熱網(wǎng)仿真的優(yōu)勢。

本文在文獻[17]的基礎(chǔ)上，增加熱源循環(huán)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(wǎng)供回水壓線對稱性的影響。

2 水力模型

采用面向?qū)ο笏τ嬎惴椒▽臻g熱網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行解析時，對供熱系統(tǒng)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(jù)“對象”之間的拓撲關(guān)系，建立符合物理守恒定律的參數(shù)傳遞，進而得到水力模型。

① 管道

管道的水力模型可根據(jù)其連續(xù)性方程、動量方程聯(lián)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(shù)

d——管道內(nèi)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(shù)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(shù)

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(zhì)。對含有定壓點的熱源，回水壓力可直接設(shè)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(huán)泵提供，當(dāng)確定循環(huán)泵流量和運行頻率時，循環(huán)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(nèi)部阻力，Pa

k0、k1、k2——水泵回歸系數(shù)

qp——循環(huán)泵流量，m3/s

n——水泵實際轉(zhuǎn)速，min-1

n0——水泵額定轉(zhuǎn)速，min-1

③ 用戶

為簡化熱網(wǎng)水力模型，用戶可設(shè)定為一個阻力節(jié)點，水頭損失Δhm根據(jù)運行數(shù)據(jù)回歸為多項式[19]：

式中 Δhm——用戶水頭損失，m

r0、r1、r2——回歸系數(shù)

qm——用戶流量，m3/s

當(dāng)建立熱網(wǎng)各對象的水力模型后，對熱網(wǎng)進行水力計算，可得到全網(wǎng)各節(jié)點和管段的水力參數(shù)[12]。

3 算例分析

3.1 概況

選取有2個熱源的環(huán)狀空間熱網(wǎng)，拓撲結(jié)構(gòu)見圖1[17]。

對于圖1，供水主管網(wǎng)布置在頂面，由管段1～22組成。回水主管網(wǎng)布置在底面，由管段47～68組成。含有熱源和用戶的支網(wǎng)由豎直管段23～46組成。兩組循環(huán)泵與熱源分別由管段69、70連接。箭頭表示預(yù)設(shè)的水流方向，若水流方向與預(yù)設(shè)方向相同，則流量為正；反之，流量為負。

圖1 供熱系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

輸入條件：設(shè)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(nèi)部阻力均為50 kPa。熱用戶的設(shè)計流量均為180 m3/h，管子粗糙度的初始值設(shè)定為0.5 mm，各管段的內(nèi)直徑、長度見表1。循環(huán)泵P1、P2的流量-揚程曲線分別見圖2、3。在輸入條件下，根據(jù)模擬結(jié)果可知熱源S1的設(shè)計流量為720 m3/h，熱源S2的設(shè)計流量為1 080 m3/h，循環(huán)泵P1的揚程為15 m，循環(huán)泵P2的揚程為21.3 m。

表1 各管段的內(nèi)直徑、長度

續(xù)表1

圖2 循環(huán)泵P1的流量-揚程曲線

圖3 循環(huán)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(shè)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(jié)點S1-3001-3002-3003-3023-3022-3024-4001-3006-S2；回水主管：節(jié)點P1-3011-3012-3013-3027-3031-3032-4004-3016-P2。

根據(jù)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(biāo)標(biāo)值括號中數(shù)值為回水主管節(jié)點編號。由圖4可知，與供回水主管粗糙度一致時相比，當(dāng)供回水管粗糙度不同時，供回水壓線出現(xiàn)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(jié)點的供回水壓力平均值(算術(shù)平均值)，見圖5。由圖5可知，當(dāng)回水主管粗糙度偏離0.5 mm，供回水壓線即出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象?；厮鞴艽植诙仍叫?，不對稱情況越明顯。

圖5 各節(jié)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(jié)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(jié)論

① 回水主管絕對粗糙度的影響：當(dāng)供回水主管粗糙度不同時，供回水壓線出現(xiàn)不對稱。回水主管粗糙度越小，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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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。