陳 鑫 李 凡 徐 峰 張 宇

(河北建筑工程學(xué)院，河北張家口市，075000)

0 引 言

近年來，集中供熱面積普及率逐年提高.截至2017年底，河北省張家口市實現(xiàn)集中供熱面積約為3667萬平方米，集中供熱實現(xiàn)率達95%以上.但是目前，集中供熱運行存在一些問題.很大程度上，對城市集中供熱系統(tǒng)的運行管理，沿襲了老的鍋爐房采暖習(xí)慣.因此，尋找合理的運行模式對于供熱系統(tǒng)運行意義重大.由于供熱系統(tǒng)復(fù)雜多樣，影響供熱效果的因素眾多且各參數(shù)之間相互耦合，實際工程中，若采用實驗研究，難度大且不易實現(xiàn).所以，本文擬借助計算機進行仿真，建立供熱系統(tǒng)的水力仿真模型，對小區(qū)庭院管網(wǎng)水力特性進行可視化仿真，用來尋找合理的運行方式以指導(dǎo)供熱系統(tǒng)的實際運行[1].

1 仿真對象

本文的仿真對象設(shè)為張家口市某小區(qū)庭院管網(wǎng)，該小區(qū)為新建小區(qū)，小區(qū)內(nèi)均為2F小樓，共22排，小區(qū)總建筑面積31720m2，共有住戶122戶，戶內(nèi)采暖方式均采用地板輻射，小區(qū)通過熱力站供熱，熱力站位于小區(qū)正北側(cè)，供熱主干線從小區(qū)北側(cè)接出，供熱管網(wǎng)平面如圖1-1所示.

圖1-1 管網(wǎng)布置平面圖

2 庭院管網(wǎng)水力仿真模型

綜合各干擾因素建立供熱管網(wǎng)的仿真模型，將熱網(wǎng)歸納為幾大構(gòu)件元素：循環(huán)水泵、壓力節(jié)點、常用閥門，建立其數(shù)學(xué)模型和仿真模型.

2.1 供熱管網(wǎng)主要構(gòu)件的數(shù)學(xué)模型

2.1.1 循環(huán)水泵數(shù)學(xué)模型

供熱管網(wǎng)運行中，循環(huán)水泵對管網(wǎng)合理運行起著關(guān)鍵的作用.本文基于流體輸配管網(wǎng)的基礎(chǔ)知識、利用泵的特性曲線及泵的相似率等知識建立循環(huán)水泵數(shù)學(xué)模型[2].根據(jù)管網(wǎng)運行特性，管網(wǎng)壓力和流量的關(guān)系如下：

ΔP=SG2

(2-1)

管網(wǎng)運行過程中循環(huán)水泵揚程可表示為：

其中P2、P1為運行中泵的進出口壓力；S為供熱系統(tǒng)的總阻抗；H為循環(huán)水泵揚程.

根據(jù)泵的相似律，循環(huán)水泵變頻運行時其揚程—流量性能曲線為：

K1、K2、K3為循環(huán)水泵的數(shù)學(xué)表達式系數(shù)，與循環(huán)水泵的型號有關(guān)；G為管網(wǎng)流量.

聯(lián)立(2-1)、(2-2)、(2-3)，求得循環(huán)水泵的流量和揚程，即

由循環(huán)水泵的流量代入方程(2-1)或(2-2)可求得循環(huán)水泵的揚程.由循環(huán)水泵的揚程—流量性能曲線可知：K1>0K3<0；因泵的流量G>0，故上式中根號前取負號.

圖2-1 供熱管網(wǎng)節(jié)點示意圖

依據(jù)以上循環(huán)水泵的運行工況及供熱管路的特性曲線方程即可求出循環(huán)水泵的運行工作點，以此可以確定管網(wǎng)運行流量及運行阻力.

2.1.2 壓力節(jié)點的數(shù)學(xué)模型

供熱管網(wǎng)中的壓力和流量有著很強的耦合關(guān)系，可以概括為流體網(wǎng)絡(luò)模型(如圖2-1所示)，整個供熱管網(wǎng)可以由若干個壓力節(jié)點相互聯(lián)系而形成.典型壓力節(jié)點數(shù)學(xué)模型可以根據(jù)能量平衡、質(zhì)量守恒方程建立.

根據(jù)節(jié)點處列質(zhì)量守恒方程求解節(jié)點壓力值P[3].即：

其中G1、G2為管路1，2流入壓力節(jié)點的流量；G3為管路3流出壓力節(jié)點的流量；

由G=ρV可得：

庭院供熱管網(wǎng)中水溫不高，可以忽略密度隨溫度的變化，故式(2-6)可簡化為

此節(jié)點方程可以擴充到流體管網(wǎng)中，管網(wǎng)由各個不同的壓力節(jié)點組合而成.

2.1.3 閥門的數(shù)學(xué)模型

在供熱管網(wǎng)中閥門種類較多，不同的閥門應(yīng)用場合有所不同[4]，但多數(shù)閥門的開度與阻力均有相應(yīng)關(guān)系，假設(shè)閥門阻力大小隨著開度的變化而變化.

G=F·v

(2-11)

其中Pin、Pout為閥門的前后壓力；ξ為閥門阻力系數(shù)，其大小與閥門的開度有關(guān)；v為流體流速；g為重力加速度；F為管道的截面積；G為管內(nèi)流體流量.則：

其中C為閥門的流通能力，對于固定閥門，其大小主要取決于閥門開度.由上式可知，通過閥門的流量由閥門前后的壓差決定.

2.2 供熱管網(wǎng)的仿真模型

建立好各構(gòu)件的數(shù)學(xué)模型后，確定好各個構(gòu)件的輸入量、輸出量和常數(shù)量，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為Fortran語言，再將Fortran語言導(dǎo)入CyberSim仿真軟件中，轉(zhuǎn)化為各個構(gòu)件的仿真模型.通過各構(gòu)件仿真模型組態(tài)，得到了該小區(qū)供熱管網(wǎng)的仿真模型，實現(xiàn)了供熱管網(wǎng)的運行可視化.該小區(qū)的仿真模型如圖2-2所示.

圖2-1 供熱管網(wǎng)仿真系統(tǒng)示意圖

3 仿真模型運行結(jié)果

3.1 模型運行

該仿真模型根據(jù)管網(wǎng)設(shè)計情況建立，假定各用戶負荷一致、阻力一致.在仿真平臺上運行該管網(wǎng)，可以得到管網(wǎng)在不同工況下的用戶流量、供回水壓力、供回水溫度及水力失調(diào)度情況.將熱力站出口主干線的分支由近到遠分別設(shè)定為支路1-6，朝陽路每個分支帶24個用戶，棲霞路每個分支帶20個用戶，主管道管徑為DN250，各支管管徑為DN125.

在管網(wǎng)不進行調(diào)整的情況下，仿真模型分別在循環(huán)水泵35HZ、40HZ及45HZ工況下運行，得到不同工況下各分支及用戶的流量分配及水力失調(diào)度情況，如圖3-1至3-2所示.

圖3-1 水泵不同頻率下各支路流量分配 圖3-2 水泵不同頻率下各支路水力失調(diào)度

由圖可知，各分支的流量隨水泵運行頻率的增加而增加，各支路增加幅度大致相同.由水力失調(diào)度顯示可以看出，近端用戶水力失調(diào)度大于1，遠端用戶水力失調(diào)度小于1，即近端流量偏大，遠端流量偏小.說明該管網(wǎng)存在一定程度的水力失調(diào).這與實際管網(wǎng)運行情況相吻合.

圖3-3 不同頻率下最近端與遠端用戶流量分配 圖3-4 不同頻率下近端和遠端用戶的水力失調(diào)度

圖3-3和圖3-4分別為水泵在不同頻率下最近端用戶和最遠端用戶流量及水力失調(diào)度情況.由圖可知，隨著水泵頻率的增加，用戶流量增大，且近端用戶水力失調(diào)度有所下降，說明，大流量可以掩蓋一定程度的管網(wǎng)水力失調(diào).

3.2 模型運行調(diào)節(jié)結(jié)果

由模型運行結(jié)果可知，該管網(wǎng)存在一定的水力失調(diào)，在仿真平臺上采用比例調(diào)節(jié)法對該管網(wǎng)進行調(diào)整.按水力失調(diào)度從大到小進行排序進行支線內(nèi)管網(wǎng)調(diào)整，調(diào)整結(jié)束后再進行支線間的平衡調(diào)節(jié)，管網(wǎng)調(diào)整的結(jié)果如圖3-5所示.

圖3-5 管網(wǎng)調(diào)整前后各支路流量分配 圖3-6 管網(wǎng)調(diào)整前后各支路水力失調(diào)度

由圖可知，通過對管網(wǎng)進行調(diào)整，近端支路流量有所下降，遠端流量上升，調(diào)整后各分支水力失調(diào)度接近1.從仿真平臺可以導(dǎo)出管網(wǎng)平衡狀態(tài)下各支路閥門開度，如表3-1所示：

表3-1 管網(wǎng)平衡狀態(tài)開各支路閥門開度值

該仿真結(jié)果對于實際管網(wǎng)水力平衡調(diào)整具有一定的指導(dǎo)意義.

3.3 模型誤差分析

該仿真模型是根據(jù)設(shè)計工況建立的，但實際工程中，因安裝方式、施工質(zhì)量、運行習(xí)慣等不同，易造成管網(wǎng)實際運行的阻力與設(shè)計工況有所不同.因此，仿真結(jié)果與實際運行結(jié)果有一定偏差.因此，模型應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)其實際運行數(shù)據(jù)對仿真模型進行調(diào)試，模擬得到真實用戶阻力及管網(wǎng)阻力，以提高仿真模型運行精度.

4 結(jié) 論

本文基于供熱工程、能量平衡等原理，建立了供熱主要構(gòu)件的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，并利用模型組態(tài)，得到了庭院管網(wǎng)的可視化仿真模型，實現(xiàn)了小區(qū)供熱管網(wǎng)的水力運行特性仿真.仿真模型結(jié)果顯示，該管網(wǎng)存在一定程度的水力失調(diào)，在仿真平臺上通過對用戶閥門及支線閥門的調(diào)整，實現(xiàn)了管網(wǎng)的平衡調(diào)整，鎖定閥門開度，仿真結(jié)果對于實際管網(wǎng)運行調(diào)整具有一定的指導(dǎo)意義.