姜坤

摘 要：供熱管網(wǎng)及其構(gòu)成的管網(wǎng)系統(tǒng)是連接熱源與熱用戶(hù)的重要組成部分，同時(shí)也是供熱系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。本文為了分析供熱管網(wǎng)系統(tǒng)故障響應(yīng)滯后時(shí)間，完善基于熱用戶(hù)室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)的故障判定標(biāo)準(zhǔn)，提出基于狀態(tài)空間法的供熱管網(wǎng)動(dòng)態(tài)熱力工況的問(wèn)題。根據(jù)本文建立的供熱管網(wǎng)動(dòng)態(tài)熱力工況求解方法，得出管網(wǎng)正常運(yùn)行和故障時(shí)的系統(tǒng)的水力工況及水壓圖。并對(duì)供熱管道熱力工況模型與建設(shè)，從而驗(yàn)證了方法的可行性與準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)空間;供熱管網(wǎng);動(dòng)態(tài);熱力工況

北京一超高層辦公樓—中建財(cái)富中心，位于北京北四環(huán)，總建筑面積147017.80㎡，其中地上建筑面積95437㎡，建筑高度173m，該辦公樓地上共37層（其中11層、21層為避難層），地下4層，標(biāo)準(zhǔn)層辦公空調(diào)面積1750㎡，層高4.2m。辦公標(biāo)準(zhǔn)層的供熱管網(wǎng)動(dòng)態(tài)按照空調(diào)內(nèi)、外區(qū)分區(qū)設(shè)置，距建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)2m進(jìn)深范圍內(nèi)為外區(qū)，其余為內(nèi)區(qū)，內(nèi)區(qū)為單供熱管網(wǎng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，外區(qū)為四管制風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)熱力工況假設(shè)是供熱系統(tǒng)故障熱力工況研究的主要方法，也是解禍水力工況與熱力工況的重要手段。供熱管道內(nèi)流體壓力波變化的傳遞速度約是溫度變化傳遞速度的4001200倍。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)熱力工況是假設(shè)在熱力工況的一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)水力工況不變，且水力工況是穩(wěn)態(tài)的。

1、基于狀態(tài)空間法的供熱管網(wǎng)動(dòng)態(tài)熱力工況的問(wèn)題

由于熱源及水泵設(shè)有備用，可靠性較高，相比之下供熱管道及其附件構(gòu)成的室外管網(wǎng)是供熱系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，在供熱可靠性研究中通常與熱源和泵站剝離，單獨(dú)研究。因此本文供熱管網(wǎng)元件故障指的是室外供熱管網(wǎng)管道和管路附件的故障，包括干管、支干管和支管管道，以及管路附件的故障。正是由于供熱管道和其他附件的故障導(dǎo)致供熱系統(tǒng)的正常運(yùn)行被迫中斷而進(jìn)入故障狀態(tài)甚至停運(yùn)階段。供熱管網(wǎng)上的元件發(fā)生故障之后，通過(guò)隔離故障元件也切斷了部分管網(wǎng)與熱源的連通，系統(tǒng)的供給熱量與在網(wǎng)和停供熱用戶(hù)的需熱量的平衡被破壞，熱用戶(hù)室內(nèi)溫度和回水溫度的變化與正常工況的預(yù)期不一致，并隨著故障時(shí)間的延續(xù)而逐漸惡化。由于故障持續(xù)時(shí)間與供熱系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間相比要短的多，且供熱發(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)定了維修時(shí)間的限值，因而供熱管網(wǎng)故障工況中這類(lèi)熱力特性參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程在可靠性研究現(xiàn)狀中往往被忽略。但是我國(guó)供熱行業(yè)的相關(guān)規(guī)范未規(guī)定維修時(shí)間，且維修水平參差不齊，故障工況的基本保障不可控而造成事故，因此故障工況下供熱管網(wǎng)熱力特性的研究不容忽視。為了研究故障供熱管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)熱力工況，基于準(zhǔn)動(dòng)態(tài)熱力工況的假設(shè)解禍水力與熱力工況，建立供熱管網(wǎng)水力計(jì)算基本模型和故障工況的可及性方程。在水力工況己知的條件下首先研究供熱管網(wǎng)的組成部件一一管道的傳熱模型，并轉(zhuǎn)化為供熱管道的狀態(tài)空間模型;根據(jù)管道的傳熱數(shù)學(xué)模型和管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立供熱管網(wǎng)熱力工況的狀態(tài)空間模型;最后應(yīng)用某區(qū)域供熱管網(wǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。仍以直埋供熱管道為研究對(duì)象。

2、基于狀態(tài)空間法的供熱管網(wǎng)動(dòng)態(tài)熱力工況求解方法

對(duì)故障工況供熱管網(wǎng)的水力特性進(jìn)行分析時(shí)，首先基于故障工況重構(gòu)的供熱管網(wǎng)，通過(guò)水力模型式計(jì)算故障工況下各用戶(hù)的資用壓頭;再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)可及性分析，尋找使供熱管網(wǎng)中所有用戶(hù)的資用壓力達(dá)到最大值、且不超過(guò)設(shè)計(jì)資用壓頭時(shí)的管網(wǎng)流量和節(jié)點(diǎn)壓力分布。故障工況的可及性分析是個(gè)尋優(yōu)過(guò)程，表達(dá)如下：

式中

Ps，j----第j個(gè)熱用戶(hù)的供水壓力，mH20 ;Pr，j-----第j個(gè)熱用戶(hù)的回水壓力，mH20 ;

S----故障工況管道阻力系數(shù)列向量;S，-----設(shè)計(jì)工況管道阻力系數(shù)列向量;

H，-----循環(huán)水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程列向量;H----循環(huán)水泵故障工況揚(yáng)程列向量。

3、供熱管道熱力工況模型與建設(shè)

忽略管內(nèi)熱水沿管道軸向的導(dǎo)熱; 忽略管壁軸向?qū)?管道截面溫度均勻分布;忽略由水泵機(jī)械能耗散引起的熱水溫度上升;忽略管道的漏水。 應(yīng)用集總參數(shù)法對(duì)供熱管道的熱力工況數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模，將管道的傳熱方程分為徑向和軸向傳熱兩部分。在建立管網(wǎng)的熱力模型時(shí)，一段無(wú)分支、管徑不變的管道（在這樣的一個(gè)管道中，熱水的流量以及管道的物理參數(shù)均不發(fā)生變化）集總為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)的能量方程可以由入口的初始溫度開(kāi)始逐級(jí)遞推出其后的各個(gè)管道質(zhì)點(diǎn)的溫度，即在管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、熱源出口溫度以及各個(gè)管道質(zhì)點(diǎn)之間的流量己知的情況下，可以得到各個(gè)時(shí)刻的溫度分布

考慮管道散熱損失，將供熱管道劃分成若干微元，基于熱容量質(zhì)點(diǎn)法建立供熱管道各微元段的熱平衡方程，并構(gòu)成供熱管網(wǎng)狀態(tài)方程。通過(guò)對(duì)某小區(qū)供熱管網(wǎng)進(jìn)行建模，然后對(duì)其熱源及6個(gè)換熱站的一次側(cè)供水溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各換熱站供水溫度仿真結(jié)果的相對(duì)誤差均不超過(guò)士10 %，使得所提出的模型及算法得到驗(yàn)證。

基于故障工況供熱管網(wǎng)拓?fù)渲貥?gòu)，聯(lián)立供熱管網(wǎng)動(dòng)態(tài)熱力工況模型、換熱站熱力工況模型及建筑物室內(nèi)動(dòng)態(tài)熱力工況模型構(gòu)建系統(tǒng)仿真平臺(tái)。當(dāng)供熱管網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于關(guān)斷閥門(mén)隔離故障元件進(jìn)行維修，使得供熱管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，各熱用戶(hù)的供水溫度發(fā)生改變，對(duì)于本文中研究的供熱管網(wǎng)，當(dāng)故障發(fā)生數(shù)小時(shí)后，距離熱源最遠(yuǎn)端換熱站和最近端換熱站的供水溫度相差約2℃。當(dāng)故障工況的限額流量保持不變時(shí)，隨著故障時(shí)間的延續(xù)各熱用戶(hù)的供、回水溫差逐漸增大，熱用戶(hù)的供熱率增加。當(dāng)供熱管網(wǎng)故障發(fā)生在較高室外溫度下時(shí)，建筑物室內(nèi)溫降變緩。

通過(guò)對(duì)故障工況供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)熱特性分析，得出供熱管網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)的變化滯后于管網(wǎng)元件故障的結(jié)論，提出基于故障響應(yīng)滯后的Markov可修系統(tǒng)模型，并基于故障工況熱用戶(hù)室內(nèi)溫度水平對(duì)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)聚合。提出了允許間斷供熱時(shí)間、允許限額供熱時(shí)間的概念，以分析供熱管網(wǎng)系統(tǒng)故障響應(yīng)滯后時(shí)間，同時(shí)完善基于熱用戶(hù)室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)的故障判定標(biāo)準(zhǔn)，提出供熱管網(wǎng)動(dòng)態(tài)可靠性評(píng)價(jià)方法和系列指標(biāo)，包括熱用戶(hù)及供熱管網(wǎng)的可用度及可靠度指標(biāo)、熱用戶(hù)及供熱管網(wǎng)的平均故障及事故時(shí)間、供熱管網(wǎng)的功能可用度指標(biāo)。因此，根據(jù)本文建立的供熱管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)可以得到供熱系統(tǒng)的可靠性在供暖期內(nèi)隨著室外溫度升高而增長(zhǎng)、進(jìn)行供熱管網(wǎng)系統(tǒng)熱力模型的動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)研究，更準(zhǔn)確地反映故障工況下多樣化的熱用戶(hù)特性，完善基于熱力工況的動(dòng)態(tài)可靠性研究，分析靜態(tài)與動(dòng)態(tài)可靠度之間的關(guān)聯(lián)性，建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的可靠性評(píng)價(jià)體系。

結(jié)論

基于狀態(tài)空間法的供熱管網(wǎng)動(dòng)態(tài)熱力工況的研究應(yīng)從元件和系統(tǒng)兩方面逐漸深入和完善。開(kāi)展供熱管道腐蝕監(jiān)測(cè)，堅(jiān)持長(zhǎng)期的故障率統(tǒng)計(jì)工作，為建立直埋供熱管道腐蝕規(guī)律模型和故障率數(shù)據(jù)庫(kù)提供一手資料。結(jié)合住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部正在推進(jìn)的老舊管網(wǎng)改造工作、綜合管廊建設(shè)工作，繼續(xù)深入和完善該研究方向，形成有實(shí)際價(jià)值的高水平科研成果。

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