田亞男 李雙燕 王 倩 萬(wàn) 山
(河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院,河北 張家口 075024)
供熱網(wǎng)不等選取經(jīng)濟(jì)比摩阻的研究
田亞男 李雙燕 王 倩 萬(wàn) 山
(河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院,河北 張家口 075024)
提出將不等選取經(jīng)濟(jì)比摩阻的設(shè)計(jì)方法用于供熱網(wǎng)設(shè)計(jì)中的意義和作用,并在壽命周期內(nèi)建立單段供熱管經(jīng)濟(jì)比摩阻的數(shù)學(xué)模型,在求解數(shù)學(xué)模型并得出經(jīng)濟(jì)比摩阻與各個(gè)參數(shù)的關(guān)系式的同時(shí),重點(diǎn)探討了流量對(duì)經(jīng)濟(jì)比摩阻的影響.
不等;經(jīng)濟(jì)比摩阻;流量;供熱網(wǎng);管段
經(jīng)濟(jì)比摩阻在供熱領(lǐng)域具有重要意義,包括設(shè)計(jì)階段的管徑選擇、評(píng)估階段對(duì)管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)、運(yùn)行階段對(duì)運(yùn)行效果的測(cè)試等.本文主要針對(duì)設(shè)計(jì)階段的管徑選擇方面來(lái)展開探討,傳統(tǒng)的外網(wǎng)設(shè)計(jì)通常都是根據(jù)不同的介質(zhì)、不同的位置擬定一個(gè)比摩阻,然后對(duì)該工程的各個(gè)管段通過(guò)擬定的比摩阻和負(fù)荷確定的流量來(lái)選取管徑.但是此過(guò)程中存在所有的管段選取一個(gè)經(jīng)濟(jì)比摩阻是否合適的問(wèn)題.隨著集中供熱的發(fā)展,管網(wǎng)巨型化和復(fù)雜化,管段之間的差異性越來(lái)越大,例如一次網(wǎng)熱源處的大管徑可至DN1400,末端處的小管徑可低至DN150.本文針對(duì)此問(wèn)題提出運(yùn)用不等選取經(jīng)濟(jì)比摩阻的方法,即對(duì)不同的管段采取不同的經(jīng)濟(jì)比摩阻來(lái)進(jìn)行管徑的選取,使投資的效益更好.
經(jīng)濟(jì)比摩阻本身是一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)概念,是指從經(jīng)濟(jì)角度考慮,使選定的經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)時(shí)的比摩阻.因此對(duì)其探討必須涉及到技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的內(nèi)容,經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)分為靜態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo).動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅計(jì)入了資金的時(shí)間價(jià)值,而且考察了項(xiàng)目在整個(gè)壽命期內(nèi)收入與支出的全部經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),因此,它們是比靜態(tài)指標(biāo)更全面、更科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)[1].本文將采用動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo),考慮到采暖價(jià)格是由政府指導(dǎo)定價(jià)的,當(dāng)規(guī)模一定時(shí)收益是相同的[3],因此采用費(fèi)用現(xiàn)值來(lái)作為目標(biāo)函數(shù)建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行求解.
敏感性分析是通過(guò)一個(gè)或多個(gè)不確定因素的變化所導(dǎo)致的決策評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化幅度,了解各種因素的變化對(duì)實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的影響程度[2],本文敏感性分析僅做定性分析.本文數(shù)學(xué)模型的建立以費(fèi)用現(xiàn)值為目標(biāo)函數(shù),影響管網(wǎng)費(fèi)用現(xiàn)值的因素分為兩個(gè)大的方面——初投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用.初投資包括管材費(fèi)、敷設(shè)人工費(fèi)、設(shè)備費(fèi),運(yùn)行費(fèi)包括電費(fèi)、燃料費(fèi)、水費(fèi)、維修費(fèi)、人工工資.在供熱規(guī)模一定時(shí),設(shè)備費(fèi)(熱電廠或鍋爐房?jī)?nèi)各種設(shè)備,包括加熱設(shè)備、除污器、分集水器、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵等)、水費(fèi)、維修費(fèi)和人工工資費(fèi)用隨經(jīng)濟(jì)比摩阻的變化發(fā)生變化的幅度很小,即經(jīng)濟(jì)比摩阻對(duì)其敏感性低,可以忽略不計(jì).而對(duì)于管材費(fèi),當(dāng)經(jīng)濟(jì)比摩阻發(fā)生變化時(shí),管徑會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,而不同管徑的供熱管價(jià)格必然不同;電費(fèi)是運(yùn)行費(fèi)中的主要費(fèi)用,電的耗損來(lái)源于管道內(nèi)的阻力損失,因此其必然與比摩阻的選取有直接的關(guān)系;運(yùn)行期間用戶熱量來(lái)源于燃料的燃燒,當(dāng)供熱規(guī)模一定時(shí),用于熱用戶的熱量相同,但由于供熱規(guī)模的巨型化和復(fù)雜化,沿途的損失成為不可忽略項(xiàng),當(dāng)經(jīng)濟(jì)比摩阻選取不同時(shí),導(dǎo)致管徑不同,管道表面積不同,因而發(fā)生的熱損失不同,使燃料費(fèi)成為敏感因素.因此,在數(shù)學(xué)模型的建立中需考慮的費(fèi)用包括管材費(fèi)、敷設(shè)人工費(fèi)、電費(fèi)和燃料費(fèi).
以下數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程均以第i段管段為對(duì)象進(jìn)行分析:
2.1 管材費(fèi)及敷設(shè)費(fèi)用
不同材質(zhì)不同廠家鋼管價(jià)格不同,但大致趨勢(shì)一樣,為了進(jìn)一步的工作,經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研(河北某物資有限公司,無(wú)縫鋼管)得到一組關(guān)于不同管徑di與單米價(jià)格pi一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),如下:
圖1 不同管徑供熱管與價(jià)格擬合曲線
通過(guò)軟件做模擬,用二次多項(xiàng)式擬合該曲線,結(jié)果為pi=1228di2-63.48di+31.87,其R-square高達(dá)0.9961,相符程度較高,因此價(jià)格與管徑可用二次多項(xiàng)式模擬如下(a、b和c的取值具體情況具體確定):
pi=adi2+bdi+c
(1)
pi:第i管段的單價(jià),元/m
di:第i管段的管徑,m
a、b、c:擬合曲線系數(shù)
由于敷設(shè)方式的不同可能造成單米管材總的費(fèi)用不同,通過(guò)在管材費(fèi)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正來(lái)解決此問(wèn)題,為此引入敷設(shè)方式修正系數(shù)ζ,對(duì)(1)式進(jìn)行修正如下:
pi=(adi2+bdi+c)ζ
(2)
ζ:敷設(shè)方式修正系數(shù),對(duì)于直埋、管溝、架空不同敷設(shè)方式,取不同值,其值的具體選取本文不予討論.
設(shè)第i段管的長(zhǎng)度為li,總投資費(fèi)用為:
P1i=(adi2+bdi+c)ζli
(3)
在供熱工程中,比摩阻和管徑、流量有如下關(guān)系式[1]:
(4)
λ:管段的摩擦阻力系數(shù)
d:管道內(nèi)徑,m
ρ:熱媒的密度,kg/m3
Gt:對(duì)應(yīng)管段的流量,t/h
G:對(duì)應(yīng)管段的流量,kg/s
通過(guò)(3)式和(4)式,消去d,可建立如下關(guān)系式:
(5)
2.2 電費(fèi)
管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)每段管道的電費(fèi)來(lái)源于管道的阻力損失,因此對(duì)于該管段在壽命周期內(nèi)每年的電費(fèi)如下:
(6)
P2ij:i管段第j年的運(yùn)行電費(fèi),元
c1:電價(jià),元/J
η:水泵的效率
Ri:第i管段的經(jīng)濟(jì)比摩阻,pa/m
li:第i管段的管長(zhǎng),m
Gi:第i管段的流量,kg/s
τij:i管段第j年運(yùn)行時(shí)間,s
2.3 燃料費(fèi)
在供熱規(guī)模一定時(shí),熱用戶用熱量一定,此熱量帶來(lái)的燃料費(fèi)不受經(jīng)濟(jì)比摩阻的影響,因此只考慮沿途熱損失導(dǎo)致的燃料費(fèi).
P3ij=c2hΔtπdiliτij
(7)
P3ij:i管段第j年該管段的燃料費(fèi),元
c2:燃料單價(jià),元/J
h:表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),w/(m2.k)
Δt:管內(nèi)介質(zhì)溫度與管段環(huán)境溫度差,℃
將(4)式代入(7)式可得出如下關(guān)系式:
(8)
2.4 費(fèi)用現(xiàn)值
應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué),按一定的折現(xiàn)率將各年的現(xiàn)金流出額折現(xiàn)到初期可得i管段費(fèi)用現(xiàn)值如下:
(9)
PC:費(fèi)用現(xiàn)值,元
n:壽命周期,年
ε:折現(xiàn)率
將式(5)、(6)和(8)代入式(9),可得:
(10)
式(10)是以費(fèi)用現(xiàn)值為目標(biāo)建立的函數(shù)關(guān)系式,其關(guān)系可簡(jiǎn)化如下:
PC=f(Ri,li,Gi,λ,ρ,ζ,c1,c2,η,n,h,Δt,τj,ε)
可見,某段供熱管的費(fèi)用年值是與諸多因素有關(guān)系的,其中之一是比摩阻,對(duì)于某個(gè)一定規(guī)模的供熱系統(tǒng),假設(shè)其它因素都固定,則只需對(duì)R求導(dǎo)即可得使該管段費(fèi)用年值最小的經(jīng)濟(jì)比摩阻,如下:
(11)
(12)
在實(shí)際供熱設(shè)計(jì)中,通常都是在管道位置規(guī)劃好的情況下進(jìn)行管徑的選值,由式(12)可知,在影響經(jīng)濟(jì)比摩阻的因素中隨管段發(fā)生改變的因素只有流量,此時(shí)系數(shù)α、β、μ、υ已知,則可得到關(guān)于流量G和經(jīng)濟(jì)比摩阻R的關(guān)系式,而對(duì)應(yīng)各管段的流量G已通過(guò)負(fù)荷計(jì)算出來(lái),將各流量代入式(12)即可得到每一段對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)比摩阻,由于各管段流量不同,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)比摩阻亦不同.
當(dāng)α、β、μ、ν確定時(shí),由(12)式可得到一條關(guān)于流量G和經(jīng)濟(jì)比摩阻R的一條曲線.假設(shè):
a=1228,b=-63.48,c=31.87,λ=0.0293,ρ=1000 kg/m3,ζ=1,c1=0.5元/度,η=70%,n=33年,τij=4032×3600 s,ε=0,c2=1.707184×10-8元/J,h=1.0w/(m2·k)Δt=50 k,則α=-6.946935,
β=-1.509590,μ=0.09504,υ=-30.5463478
將其代入(12)式,有
(13)
模擬該曲線如下:
圖2 經(jīng)濟(jì)比摩阻隨流量的變化曲線
可見,隨著流量的增大,經(jīng)濟(jì)比摩阻會(huì)減小,在0~50 kg/s時(shí),變化幅度較大,之后變化幅度很小.其具體變化情況有待于進(jìn)一步的研究.
由以上分析及求解可知,對(duì)于規(guī)模一定的供熱系統(tǒng),經(jīng)濟(jì)比摩阻與流量有直接的聯(lián)系,隨著集中供熱的發(fā)展,大型管網(wǎng)越來(lái)越普遍,各管段流量差異性明顯提高,管網(wǎng)的起始端和末端應(yīng)區(qū)別對(duì)待,因此傳統(tǒng)的等比摩阻計(jì)算存在不合理性.本文建立了經(jīng)濟(jì)比摩阻與流量的關(guān)系,可直接求解不同管段的經(jīng)濟(jì)比摩阻.但以上討論均假設(shè)供熱系統(tǒng)確定,即各管段流量、管長(zhǎng)、壽命周期、換熱系數(shù)等已知,具有局限性,有待于進(jìn)一步更深刻的探討.
[1]賀平,孫剛.供熱工程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000
[2]傅家驥.工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)[M].清華大學(xué)出版社,1996.09
[3]蔡啟林,陳兆祥.供熱網(wǎng)經(jīng)濟(jì)比摩阻的確定[J].煤氣與熱力,1989.06
[4]孫曉芹.熱水供熱一次網(wǎng)經(jīng)濟(jì)比摩阻的研究[D].碩士,2010.06
[5]史慧鑫.供熱管網(wǎng)最佳經(jīng)濟(jì)比摩阻的理論研究[D].碩士,2013.05
Study on Varying Economic-specific Frictional Resistance in Heating Network
TIANYa-nan,LIShuang-yan,WANGQian,WANShan
(Hebei University of Actecture,Zhangjiakou,Hebei 075000)
The significance and function of varying economic-specific frictional resistance,which is used in the design of heating network,is first put forward.Then,the mathematical model of economic-specific frictional resistance for a single pipe section in its life cycle is established.While solving the mathematical model and getting the relation between the economic-specific frictional resistance and the various parameters,the effect of flow rate on the economic-specific frictional resistance is mainly discussed.
varying economic-specific frictional resistance;flow rate;heating network;pipe section
2016-05-22
田亞男(1992-),女,現(xiàn)河北建筑工程學(xué)院研究生在讀.
TU 83
A