徐 峰 郝哲宇 吳興棟 陳 鑫

(1.張家口市可再生能源儲(chǔ)熱裝備與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000;2.張家口市可再生能源供熱工程技術(shù)研究中心，河北 張家口 075000;3.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000;4.北京建工四建工程建設(shè)有限公司，北京 100123)

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，我國的集中供暖事業(yè)取得了較大進(jìn)步.同時(shí)，城鎮(zhèn)新建建筑不斷增加，需要將新建建筑接入熱力站及供熱管網(wǎng)系統(tǒng)，致使供熱管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大.運(yùn)行多年的老舊管網(wǎng)，由于外保溫?fù)p壞及管道腐蝕等原因，供熱管網(wǎng)泄漏故障頻發(fā).但引起管網(wǎng)泄漏因素眾多，且泄漏發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)不易被迅速發(fā)現(xiàn)，這給供熱管網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來巨大隱患[1].鑒于此，本文在前期供熱管網(wǎng)仿真研究基礎(chǔ)上，建立供熱管網(wǎng)壓力節(jié)點(diǎn)泄漏模型，對(duì)不同節(jié)點(diǎn)及泄漏量進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬數(shù)據(jù)對(duì)供熱管網(wǎng)壓力、流量的變化和特點(diǎn)進(jìn)行分析，為供熱管網(wǎng)泄漏故障預(yù)判和診斷提供參考依據(jù).

1 泄漏壓力節(jié)點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型

供熱管網(wǎng)運(yùn)行過程是一個(gè)連續(xù)的過程，各個(gè)設(shè)備、用戶、管段之間的壓力參數(shù)是相互聯(lián)系的，其壓力、流量關(guān)系可以概括為流體網(wǎng)絡(luò)模型，整個(gè)供熱管網(wǎng)由壓力節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系形成[2].供熱管網(wǎng)發(fā)生泄漏會(huì)引起管段壓力變化，所以管網(wǎng)泄漏處的壓力節(jié)點(diǎn)不同于閉式管網(wǎng)的壓力節(jié)點(diǎn)，其與外界壓力連通，典型泄漏壓力節(jié)點(diǎn)模型如圖1，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量平衡建立泄漏節(jié)點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型.

圖1 供熱管網(wǎng)泄漏節(jié)點(diǎn)

根據(jù)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量守恒方程：

(1)

其中W為壓力節(jié)點(diǎn)處的流體流量；W1、W2為管路1，2流入壓力節(jié)點(diǎn)的流量；W3為管路3流出壓力節(jié)點(diǎn)的流量；W4為管路泄漏點(diǎn)流出壓力節(jié)點(diǎn)的流量.

由W=ρV得：

(2)

水為不可壓縮流體，忽略體積變化，假設(shè)V為定值，則：

(3)

由于ρ=f(P,H)，則有：

(4)

在供熱系統(tǒng)中，焓值變化較壓力變化速度慢很多，忽略不計(jì)焓值的變化，則：

(5)

若各節(jié)點(diǎn)壓力P1、P2、P3為已知量，泄漏點(diǎn)壓力Pa為大氣壓力，且P1>P0、P2>P0、P3

(6)

(7)

(8)

將泄漏壓力節(jié)點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為Fortran語言輸入Developer Studio中，將輸出的模塊導(dǎo)入CyberSIM仿真軟件中；設(shè)置好常數(shù)量以及節(jié)點(diǎn)連接管路數(shù)，即可進(jìn)行仿真模型的迭代計(jì)算顯示出節(jié)點(diǎn)壓力值.

2 管網(wǎng)泄漏的仿真模型

將泄漏節(jié)點(diǎn)設(shè)置在既有小區(qū)供熱管網(wǎng)仿真模型中，建立該小區(qū)供熱管網(wǎng)的泄漏仿真模型.該小區(qū)采暖方式為暖氣片，用戶均為單體二層住宅樓，棲霞路5個(gè)用戶為1棟，朝陽路6個(gè)用戶為1棟，共22棟.小區(qū)換熱站位于小區(qū)北側(cè)，總管徑為DN250[3].主管沿棲霞路與朝陽路中敷設(shè)，沿1、6巷分別出分支管為東西巷建筑供熱，每棟建筑單設(shè)分支.小區(qū)庭院管網(wǎng)平面布置圖如圖2所示.供熱管道采用直埋敷設(shè)，供熱管網(wǎng)泄漏故障問題采用實(shí)驗(yàn)方法研究無法實(shí)現(xiàn)，因此需要借助仿真軟件進(jìn)行供熱管網(wǎng)泄漏工況仿真，對(duì)小區(qū)泄漏故障進(jìn)行模擬.

圖2 小區(qū)庭院管網(wǎng)平面布置圖

根據(jù)小區(qū)供熱管網(wǎng)搭建的庭院管網(wǎng)仿真模型如圖3，在循環(huán)水泵入口處進(jìn)行補(bǔ)水定壓，定壓點(diǎn)壓力為0.22 MPa，正常運(yùn)行時(shí)管網(wǎng)總流量為132 t/h.當(dāng)供熱管網(wǎng)發(fā)生泄漏時(shí)，系統(tǒng)壓力降低，補(bǔ)水系統(tǒng)開始補(bǔ)水從而維持定壓點(diǎn)處壓力不變.

圖3 小區(qū)庭院管網(wǎng)仿真模型

3 供熱管網(wǎng)泄漏工況模擬分析

泄漏故障是供熱管網(wǎng)運(yùn)行中最常見的故障之一，由于施工不當(dāng)、損壞，管道老化、腐蝕等都會(huì)導(dǎo)致管道泄漏，尤其是在管道的焊縫處.管道的泄漏會(huì)影響整體供熱系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)，管網(wǎng)的泄漏量和泄漏位置不同，對(duì)其整體系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)影響也會(huì)有所不同[4-5].

3.1 主干管泄漏工況模擬分析

為了直觀表示，將小區(qū)庭院管網(wǎng)平面布置圖簡(jiǎn)化為枝狀管網(wǎng)系統(tǒng)圖，如圖4.本節(jié)模擬主干管枝狀管網(wǎng)圖4中供水處節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)6在漏水率4%的情況下，壓力與流量的變化情況.

圖4 小區(qū)庭院管網(wǎng)系統(tǒng)圖

從圖5中可以看到，當(dāng)供水管道發(fā)生泄漏時(shí)，管段的整體壓力都會(huì)下降；當(dāng)管段發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)周圍處壓力變化最為明顯；當(dāng)管道泄漏量相同時(shí)，泄漏點(diǎn)4與泄漏點(diǎn)6相比，泄漏點(diǎn)6發(fā)生泄漏，漏點(diǎn)之前的節(jié)點(diǎn)壓力大于泄漏點(diǎn)4泄漏時(shí)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力，因此可以推斷出：泄漏點(diǎn)越靠前，管段節(jié)點(diǎn)壓力變化越明顯；漏點(diǎn)越靠后，靠近末端，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壓力變化越平緩.

圖5 泄漏工況下供水管節(jié)點(diǎn)壓力變化圖

當(dāng)供水管段節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)6在漏水率4%的工況下，回水管段節(jié)點(diǎn)壓力變化如圖6所示.從圖6中可以看出，當(dāng)供熱系統(tǒng)發(fā)生泄漏時(shí)，回水管段的整體壓力都會(huì)下降；當(dāng)泄漏點(diǎn)4發(fā)生泄漏與泄漏點(diǎn)6發(fā)生泄漏時(shí)，回水管段節(jié)點(diǎn)壓力相比，泄漏點(diǎn)4發(fā)生泄漏時(shí)回水管段各個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力要比漏點(diǎn)6發(fā)生泄漏時(shí)回水管段各個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力要大一些，因此可以推斷出：泄漏點(diǎn)越靠前，對(duì)回水管段各個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力影響越小，泄漏點(diǎn)越靠后，對(duì)于回水管段各個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力影響越大.

圖6 泄漏工況下回水管節(jié)點(diǎn)壓力變化圖

泄漏故障時(shí)壓力變化，必然會(huì)引起系統(tǒng)流量變化，圖7為供水管段節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)6發(fā)生泄漏時(shí)，供水管管段流量變化圖.

圖7 泄漏工況下供水管段流量變化率圖

從圖7中可以看出，當(dāng)供熱系統(tǒng)發(fā)生泄漏時(shí)，補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水，泄漏點(diǎn)前的供水管各個(gè)管段流量均大于正常工況流量；漏水點(diǎn)后的管段流量均小于正常工況流量.越靠近漏點(diǎn)處，流量變化越明顯，流量變化率越大.當(dāng)節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)6泄漏量相同時(shí)，節(jié)點(diǎn)4發(fā)生泄漏時(shí)，供水管管段1-2、2-3、3-4中的流量均大于節(jié)點(diǎn)6發(fā)生泄漏時(shí)的管段流量，因此可以推斷出：泄漏點(diǎn)越靠前，主管供水段上流量增加越多，泄漏點(diǎn)越靠后，主管供水段流量增加越少.從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)6泄漏引起的管段流量變化率明顯要大于節(jié)點(diǎn)4泄漏引起的管段流量變化率.

當(dāng)供水處發(fā)生泄漏故障時(shí)，回水管段流量也將發(fā)生變化，如圖8為供水管段節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)6發(fā)生泄漏時(shí)，回水管管段流量變化圖.從圖中可以看到，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生泄漏故障時(shí)，回水管段中回水流量均小于正常工況下的流量，因?yàn)榇嬖谘a(bǔ)水系統(tǒng)補(bǔ)水，所以回水管段中流量變化沒有供水處流量變化大.當(dāng)節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)6泄漏量相同，節(jié)點(diǎn)4發(fā)生泄漏時(shí)回水管段的流量大于節(jié)點(diǎn)6發(fā)生泄漏時(shí)回水管段的流量，從圖7中也可以看出，節(jié)點(diǎn)4泄漏各個(gè)管段流量變化率小于節(jié)點(diǎn)6泄漏各個(gè)管段的流量變化率，因此可以推斷出：供水管段泄漏點(diǎn)越靠前，對(duì)回水管段流量影響越??；泄漏點(diǎn)越靠后，對(duì)回水管段流量影響越大.

圖8 泄漏工況下回水管段流量變化率圖

3.2 用戶管段泄漏工況模擬分析

用戶處發(fā)生管段泄漏，同樣會(huì)引起系統(tǒng)壓力和流量的變化，以棲霞路西一巷分支為例，進(jìn)行用戶泄漏模擬分析，該分支共有5個(gè)用戶，因各戶面積相同，戶型相同，用熱相同，所以正常運(yùn)行時(shí)各戶流量基本一致.利用仿真平臺(tái)模擬U3、U5用戶發(fā)生泄漏時(shí)該分支節(jié)點(diǎn)流量和壓力的變化情況.該分支管段節(jié)點(diǎn)示意圖如9所示.

圖9 棲霞路西一巷分支管段支點(diǎn)示意圖

3.2.1 用戶供水側(cè)泄漏

在仿真平臺(tái)上運(yùn)行模型，將用戶U3與用戶U5的供水管段處設(shè)置泄漏點(diǎn)，泄漏率設(shè)為10%，觀察該分支流量變化情況，設(shè)置泄漏后，各管段流量如圖10、11所示.

圖10 用戶供水管段流量變化率圖 圖11 用戶回水管段流量變化率圖

由圖10、11可以看出，用戶發(fā)生泄漏故障時(shí)，分支管段供水流量會(huì)增加，回水流量會(huì)下降，供水流量減去回水流量基本等于泄漏的流量，但回水處流量變化程度沒有供水處流量變化明顯.從圖10中可以看出用戶U3供水處泄漏引起管段2-3處流量變化率增加，流量增加；管段3-4、3-5處流量變化率為負(fù)，說明該處流量有所減少；用戶U5供水處泄漏會(huì)導(dǎo)致所有供水管段流量增大，4-5處流量變化率增加最明顯.

當(dāng)供水管段發(fā)生泄漏故障時(shí)，各個(gè)用戶流量變化率如圖12所示.

圖12 熱用戶U1-U5流量變化率圖

從圖12中可以看出，當(dāng)分支中某一用戶發(fā)生泄漏故障時(shí)，各個(gè)用戶流量都稍有下降，但漏點(diǎn)以及漏點(diǎn)周圍流量變化最明顯.當(dāng)用戶U3與U5在供水段泄漏流量相等時(shí)，用戶U5流量變化率明顯大于U3.因此可以推斷出，用戶供水段泄漏，泄漏用戶越靠前，用戶流量變化率越小；泄漏點(diǎn)越靠后，用戶流量變化率越大.

3.2.2 用戶回水側(cè)泄漏

在用戶U3與用戶U5回水處設(shè)置泄漏點(diǎn)，泄漏量均設(shè)為10%，通過模擬得到供水管段流量和回水管段流量變化如圖13、14所示.

由圖13、14可以看出，當(dāng)用戶回水段發(fā)生泄漏故障時(shí)，管網(wǎng)流量變化規(guī)律和供水段發(fā)生故障時(shí)相同.圖中可以看出，供水流量會(huì)增加，回水流量會(huì)減少；回水流量變化明顯大于供水流量變化；用戶回水段U5泄漏情況下的流量變化率要大于用戶U3回水段泄漏的流量變化率.

圖13 用戶供水管段流量變化率圖 圖14 用戶回水管段流量變化率圖

由圖15可以看出，當(dāng)用戶回水管段發(fā)生泄漏故障時(shí)，由于供水流量的增加，經(jīng)過用戶的流量基本都會(huì)增加.用戶U3與用戶U5回水處發(fā)生泄漏，流過U3與U5的流量增加最多.從圖中可以看出，用戶U3回水泄漏與用戶U5回水泄漏對(duì)經(jīng)過用戶U1的流量影響最小.

圖15 熱用戶U1-U5流量變化率圖

綜合圖12和圖15發(fā)現(xiàn)，用戶泄漏故障位置不同，用戶側(cè)流量變化有所不同.供水段上發(fā)生泄漏故障會(huì)導(dǎo)致用戶流量減少，回水段發(fā)生泄漏故障會(huì)導(dǎo)致用戶流量的增加.無論是供水段發(fā)生泄漏故障還是回水段發(fā)生泄漏故障，都會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)總的供水流量增加，總的回水流量減小[1]，從而造成循環(huán)泵的流量增加，揚(yáng)程下降，水泵的耗電量增加，系統(tǒng)運(yùn)行成本增加.同時(shí)泄漏工況發(fā)生后，庭院管網(wǎng)總流量會(huì)有所增加，但供熱效果會(huì)變差，原因是系統(tǒng)大量補(bǔ)入冷水，造成供水溫度下降.

4 結(jié) 論

本文利用Cybersim仿真軟件搭建供熱管網(wǎng)仿真模型，創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)泄漏模塊，在二次管網(wǎng)主管段以及用戶段供回水處設(shè)置泄漏點(diǎn)，進(jìn)行供熱管網(wǎng)泄漏工況下的模擬仿真，分析泄漏故障時(shí)管網(wǎng)流量的變化規(guī)律.仿真結(jié)果表明，無論是主管段還是用戶側(cè)，發(fā)生泄漏故障都會(huì)使系統(tǒng)供水流量增加，回水流量減少，且泄漏點(diǎn)越靠近末端，供回水管段的流量變化率就越大.所以，可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律來判斷泄漏故障的位置及嚴(yán)重程度.