李 睿，洪文鵬，曾賀湛，李海波，金 旭，楊 迪，吳 爽，黃飛強

(1.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.珠海橫琴能源發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519015)

水力不平衡在建筑物空調(diào)水系統(tǒng)中屬于最常見的問題.由于水力不平衡導(dǎo)致整個系統(tǒng)分配無法達到合理化，造成部分區(qū)域流量過剩，部分區(qū)域流量不足，整個系統(tǒng)輸送冷、熱量不合理，引起能量浪費[1].水力平衡調(diào)試工作多在工程項目竣工后進行，由于沒有實際負荷且調(diào)試質(zhì)量難以保障，在后期運行過程中很容易出現(xiàn)各種水力失調(diào)問題.加之由于缺乏有效的運行管理技術(shù)，水力失調(diào)問題會隨著運行時間的推移不斷加劇[2-3].為了消除系統(tǒng)水力不平衡進而引起的冷熱不均現(xiàn)象，必須對系統(tǒng)進行流量調(diào)節(jié).

目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者已提出了比例法、補償法、計算機法、回水溫度法及模擬分析法等系統(tǒng)流量初調(diào)節(jié)方法.秦繼恒[4]等介紹了比例調(diào)節(jié)法和實用調(diào)節(jié)法兩種空調(diào)水系統(tǒng)水力平衡調(diào)節(jié)方法，指出在理論上實用調(diào)節(jié)法更為有效.陳云飛[5]以實際項目為例介紹了工程項目中常見的水力失調(diào)問題，給出了使用比例法進行調(diào)節(jié)時的流程、注意事項，以及一些提高調(diào)節(jié)工作效率的思路和方法.王鑫磊[6]在比例法水力平衡調(diào)試方法的基礎(chǔ)上進行改進和調(diào)整，提出了基準(zhǔn)流量比例法.但比例法、補償法等流量初調(diào)節(jié)方法操作繁瑣，難以在大型系統(tǒng)上應(yīng)用，而模擬分析法具有迅速可靠、節(jié)省人力、實施方便等優(yōu)點.本文應(yīng)用模擬分析法對橫琴新區(qū)供冷管網(wǎng)進行了初調(diào)節(jié)，驗證模擬分析法在初調(diào)節(jié)中具有推廣意義.

1 工程概況

本項目位于珠海市橫琴新區(qū)，橫琴新區(qū)3#站總供冷面積為498 813.9 m2，分北側(cè)、南側(cè)、西側(cè)三側(cè)進行供冷，其中北側(cè)供冷面積為223 818.1 m2，南側(cè)供冷面積為179 459.7 m2，西側(cè)供冷面積為95 536.1 m2.橫琴新區(qū)3#站共含有十三臺循環(huán)水泵，具體水泵參數(shù)如表1所示.

表1 橫琴3#站水泵參數(shù)表

橫琴3#冷站供冷系統(tǒng)平面圖如圖1所示.圖1中紅色實線為管網(wǎng)分布，藍色區(qū)域為管網(wǎng)北側(cè)用戶，紫色區(qū)域為管網(wǎng)南側(cè)用戶，黃色區(qū)域為管網(wǎng)西側(cè)用戶，具體數(shù)字編號所對應(yīng)的用戶名稱及各用戶的冷負荷如表2所示.

表2 橫琴3#站冷負荷表

2 水力失調(diào)分析

2.1 水力失調(diào)定義

供熱和供冷系統(tǒng)水力失調(diào)是指管網(wǎng)中各冷熱用戶在運行中的實際流量與設(shè)計流量的不一致現(xiàn)象.也就是說，供熱或供冷管網(wǎng)不能按用戶需要的流量 (熱量或冷量)分配給各個用戶，導(dǎo)致不同位置的冷熱不均的現(xiàn)象[7].

供熱或供冷系統(tǒng)水力失調(diào)的程度用水力失調(diào)度來衡量[8].

(1)

公式中：x為水力失調(diào)度；Vs為用戶的實際流量(m3/h)；Vg為用戶的設(shè)計流量(m3/h).

對于整個管網(wǎng)系統(tǒng)，各用戶出現(xiàn)水力失調(diào)的情況是多種多樣的，水力失調(diào)分為不一致失調(diào)和一致失調(diào)，一致失調(diào)又可分為等比失調(diào)和一致不等比失調(diào)[9].常見的水力失調(diào)狀況，如表3所示.

表3 常見水力失調(diào)情況[9]

2.2 失調(diào)情況分析

在對管網(wǎng)水力失調(diào)情況進行分析前，首先對管網(wǎng)進行簡化，對管段進行編號，并對相關(guān)信息進行統(tǒng)計.管網(wǎng)示意圖,如圖2所示.

對管網(wǎng)實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并進行水力失調(diào)度的計算[10]，如表4所示.

表4 橫琴3#站實測流量表

由實測數(shù)據(jù)可知，北側(cè)管網(wǎng)的實測總流量為GN=9 542 t/h，北側(cè)管網(wǎng)的設(shè)計總流量為G′N=10 092 t/h，則系統(tǒng)北側(cè)的實際失調(diào)率xN=GN/G′N=0.95；南側(cè)管網(wǎng)的實測總流量為GS=2 196 t/h，南側(cè)管網(wǎng)的設(shè)計總流量為G′S=3 143 t/h，則系統(tǒng)南側(cè)的實際失調(diào)率xS=GS/G′S=0.70；西側(cè)管網(wǎng)的實測總流量為GE=7 128 t/h，西側(cè)管網(wǎng)的設(shè)計總流量為G′E=5 512 t/h，則系統(tǒng)西側(cè)的實際失調(diào)率xE=GE/G′E=1.29.

對實測數(shù)據(jù)進行分析，北、南兩側(cè)管網(wǎng)的總實測流量均小于設(shè)計流量，西側(cè)管網(wǎng)的總實測流量大于設(shè)計流量.其中南側(cè)管網(wǎng)失調(diào)度相較于北側(cè)和西側(cè)更大，其冷量不足的情況更為嚴重.北側(cè)管網(wǎng)8個用戶中，5個用戶的水力失調(diào)度處于0.8～1.2之間，其中水力失調(diào)最嚴重的華融大廈用戶，水力失調(diào)度達到0.65，流量嚴重不足.南側(cè)管網(wǎng)的水力失調(diào)情況較為嚴重，10個用戶中僅有1個用戶的失調(diào)度在0.8～1.2之間，而其中消防站用戶流量過大，水力失調(diào)度達到2.59，創(chuàng)意谷用戶流量過小，水力失調(diào)度達到0.39.西側(cè)管網(wǎng)的水力失調(diào)情況相對平均，水力失調(diào)度接近西側(cè)總失調(diào)度.

通過上述水力失調(diào)的分析，橫琴3#冷站三側(cè)均存在水力失調(diào)現(xiàn)象，需要對其進行流量初調(diào)節(jié).

2.3 數(shù)學(xué)模型及MKP法

根據(jù)管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)性質(zhì)，若一個管網(wǎng)的節(jié)點數(shù)

為m，管段數(shù)為n，則整個管網(wǎng)的流動方程組為[11]

公式中：A為(m-1)×n的管網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣，其中各元素的值為1，-1或0；Bf為管網(wǎng)基本回路矩陣，若設(shè)n-m+1=k，則為k×n矩陣；G為管段流量向量，G=(G1，G2，…，Gn)T(m3/h)；ΔH為管網(wǎng)水頭降向量，ΔH=(ΔH1，ΔH2，…，ΔHn)T(kPa)；Q為(m-1)個元素的常向數(shù)量，代表各節(jié)點的凈出流量(m3/h)，流入為正，流出為負；S為n階的對角矩陣，Si角代表各管段的阻力特性系數(shù)(h2/m5)；∣G∣為n階的對角矩陣，∣Gi∣角代表各管段流量的絕對值；DH為管段水泵揚程向量，DH=(DH1，DH2，…，DHn)T(kPa)，當(dāng)管段不含水泵時，該管段DHi=0.

應(yīng)用基本回路法求解方程組的過程所編寫的程序即為MKP程序，MKP程序框圖,如圖3所示.

3 初調(diào)節(jié)方案及效果分析

橫琴新區(qū)供冷系統(tǒng)是一個耦合系統(tǒng)，各用戶支線閥門的調(diào)節(jié)，均會對其他支線以致整個供冷系統(tǒng)的流量造成影響.將某一用戶流量調(diào)節(jié)為理想流量后，再對其他用戶流量進行調(diào)節(jié)，前一用戶流量已不再是理想流量.采用“模擬分析”初調(diào)節(jié)法，即可解決這一問題.

在計算機上制訂初調(diào)節(jié)方案，首先應(yīng)當(dāng)確定閥門的調(diào)節(jié)順序，基本調(diào)節(jié)原則為失調(diào)度大的用戶先調(diào)節(jié)，失調(diào)度小的用戶后調(diào)節(jié).其中北側(cè)從水力失調(diào)度最大的編號01號用戶勵駿友誼廣場開始依次進行調(diào)節(jié)，南側(cè)從水力失調(diào)度最大的編號12號用戶消防站依次進行調(diào)節(jié)，西側(cè)從水力失調(diào)度最大的編號19號用戶恒立大廈依次進行調(diào)節(jié).

用戶流量完全取決于阻力特性系數(shù)矩陣S，按照調(diào)節(jié)順序，用理想阻力特性系數(shù)代替實測阻力特性系數(shù)，每作一次替換運行一次MKP程序，計算該次替換后系統(tǒng)的運行參數(shù)，直至完全替換，將替換結(jié)果進行記錄，即為初調(diào)節(jié)方案.初調(diào)節(jié)前后各個用戶的水力失調(diào)度如圖4所示.

分析實測數(shù)據(jù)和上圖可知，在進行初調(diào)節(jié)前，北、南、西三側(cè)用戶均存在一定程度的水力失調(diào)現(xiàn)象.在進行水力初調(diào)節(jié)前，北、西、南三側(cè)全部22個用戶，僅有6個用戶不存在水力失調(diào)現(xiàn)象，水力失調(diào)度處于0.8～1.2之間，經(jīng)過水力初調(diào)節(jié)后，所有用戶的水力失調(diào)度均在0.8～1.2之間，達到水力平衡.水力初調(diào)節(jié)后，北側(cè)、南側(cè)、西側(cè)的總流量分別為10 124 t/h、3 108 t/h、5 468 t/h，其與該側(cè)理想流量的差值均在5%之內(nèi)，而超過半數(shù)用戶的調(diào)節(jié)后流量與理想流量的差值在3%之內(nèi)，可見水力初調(diào)節(jié)效果是理想的.

4 結(jié) 語

通過對管網(wǎng)水力工況的計算和分析，以實用化為目標(biāo)，針對橫琴新區(qū)供冷管網(wǎng)建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用“模擬分析法”編制初調(diào)節(jié)程序，為實際應(yīng)用于工程實踐中供冷管網(wǎng)的調(diào)節(jié)提供了一種新方法.“模擬分析法”調(diào)節(jié)量小，模擬調(diào)節(jié)精度高，調(diào)節(jié)設(shè)備少，對于多用戶供冷(熱)管網(wǎng)的調(diào)節(jié)的開發(fā)具有一定的參考作用.