楊 光， 王 海, 李錚偉

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海200092)

1 概述

根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心與國(guó)際能源署(IEA)聯(lián)合發(fā)布的2017年《中國(guó)區(qū)域清潔供暖發(fā)展研究報(bào)告》，2015年中國(guó)的集中供熱系統(tǒng)規(guī)模已躍居世界首位?！吨袊?guó)清潔供熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2019)》顯示，截至2017年底，北方地區(qū)供熱總面積達(dá)232×108m2，已有41%實(shí)現(xiàn)了清潔供暖。中國(guó)政府十部委聯(lián)合印發(fā)的《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃2017—2021》提出，到2021年底，綜合清潔供暖率需從2016年的34%提升到70%的重大任務(wù)。

集中供熱系統(tǒng)具有顯著的動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性，需要借助信息技術(shù)構(gòu)建智慧供熱系統(tǒng)以提升集中供熱全過程的動(dòng)態(tài)協(xié)同、協(xié)調(diào)能力。Lund等人[1-2]提出供熱系統(tǒng)將發(fā)展為第4代供熱系統(tǒng)(智慧供熱系統(tǒng))，并且量化了智慧供熱系統(tǒng)在未來可持續(xù)能源系統(tǒng)中的成本和效益：成本包括供熱系統(tǒng)的升級(jí)和熱網(wǎng)的運(yùn)行，效益包括降低熱網(wǎng)損耗，更好地利用低溫?zé)嵩春吞岣呱a(chǎn)效率。Rehman等人[3]對(duì)智慧供熱系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分及技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家進(jìn)行了綜述，包括斯堪的納維亞半島的可持續(xù)熱源、東歐細(xì)致的熱網(wǎng)、中國(guó)創(chuàng)新的分布式拓?fù)錈峋W(wǎng)以及中歐正在深入研究的熱能儲(chǔ)能技術(shù)。

智慧供熱要求借助信息系統(tǒng)承載知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，輔助和提升人的決策水平，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控、故障診斷等智能化功能。在優(yōu)化調(diào)控方面，Wang等人[4]提出了一種基于云計(jì)算、遠(yuǎn)程控制技術(shù)的分布式循環(huán)泵精確變頻方法，該方法可精確調(diào)節(jié)水泵頻率達(dá)到0.001 Hz，節(jié)約20%以上的耗電量。Wang等人[5]還對(duì)多熱源管網(wǎng)提出了一種粗調(diào)節(jié)與細(xì)調(diào)節(jié)相結(jié)合的運(yùn)行方法，可在滿足用戶供熱需求的前提下實(shí)現(xiàn)熱源供熱費(fèi)用與循環(huán)泵耗電費(fèi)總和最低。在故障診斷方面，國(guó)內(nèi)外針對(duì)熱網(wǎng)阻力系數(shù)的辨識(shí)[6]、管段堵塞故障的診斷[7]以及管段泄漏的診斷分析[8]等開展了研究。

精細(xì)的供熱系統(tǒng)仿真模型對(duì)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)控、故障診斷等功能有著重要作用，是實(shí)現(xiàn)智慧供熱必不可少的基礎(chǔ)和工具。傳統(tǒng)熱網(wǎng)模型在水力計(jì)算時(shí)普遍采用供回水管網(wǎng)完全對(duì)稱假設(shè)，基于平面熱網(wǎng)的方法僅對(duì)供回水管道二者之一單獨(dú)計(jì)算[9]。在實(shí)際供熱管網(wǎng)中，由于管子粗糙度差異、管段堵塞、泄漏等原因，供水管道與回水管道并非完全水力對(duì)稱。針對(duì)供回水管網(wǎng)中某管段發(fā)生故障進(jìn)行檢修時(shí)的場(chǎng)景，王曉霞等人[10]開創(chuàng)了熱網(wǎng)空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究的先例。周鵬[11]探討了采取空間管網(wǎng)方法建模的必要性。面對(duì)空間熱網(wǎng)的拓?fù)浣馕鰡栴}，周海艦等人[12]提出了一種新的面向?qū)ο蠓椒?，這種方法可普遍適用于供回水不對(duì)稱的空間管網(wǎng)。利用該方法，王海等人[13-14]對(duì)多熱源環(huán)狀熱網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算并取得了良好的效果，并對(duì)管網(wǎng)熱力模型進(jìn)行改進(jìn)，提出新的數(shù)值解法[15-16]。王海等人[17]還基于該方法，討論了管網(wǎng)的水力不對(duì)稱性，但是該研究中熱源流量和熱用戶均簡(jiǎn)化成節(jié)點(diǎn)流量進(jìn)行處理，熱網(wǎng)依舊可以拆分成供水、回水兩個(gè)系統(tǒng)，分別按照平面管網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算，并未突出該方法針對(duì)空間熱網(wǎng)仿真的優(yōu)勢(shì)。

本文在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上，增加熱源循環(huán)泵特性，分析供回水管粗糙度(本文指絕對(duì)粗糙度)、管段堵塞、泄漏對(duì)管網(wǎng)供回水壓線對(duì)稱性的影響。

2 水力模型

采用面向?qū)ο笏τ?jì)算方法對(duì)空間熱網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行解析時(shí)，對(duì)供熱系統(tǒng)中的每個(gè)元件都進(jìn)行“對(duì)象化”建模。對(duì)管道、熱源、用戶等分別建立各自的“對(duì)象”，然后根據(jù)“對(duì)象”之間的拓?fù)潢P(guān)系，建立符合物理守恒定律的參數(shù)傳遞，進(jìn)而得到水力模型。

① 管道

管道的水力模型可根據(jù)其連續(xù)性方程、動(dòng)量方程聯(lián)合建立：

式中ρ——水的密度，kg/m3

t——時(shí)間，s

u——水的流速，m/s

x——管段軸向長(zhǎng)度，m

p——壓力(絕對(duì)壓力)，Pa

f——摩擦阻力系數(shù)

d——管道內(nèi)直徑，m

g——重力加速度，m/s2，本文取9.8 m/s2

θ——管段水平傾角，rad

摩擦阻力系數(shù)f采用Colebrook & White(C-W)方程計(jì)算，表達(dá)式為[18]：

式中ε——管子粗糙度，m

Re——水的雷諾數(shù)

② 熱源

熱源類型廣泛，除熱電廠、鍋爐房外，還有多種可再生能源和余熱資源等。但從水力建模的角度，可以簡(jiǎn)化熱源的水力性質(zhì)。對(duì)含有定壓點(diǎn)的熱源，回水壓力可直接設(shè)置為定壓點(diǎn)壓力，即：

pr=pset

式中pr——回水壓力，Pa

pset——定壓點(diǎn)壓力，Pa

熱源的供回壓差由循環(huán)泵提供，當(dāng)確定循環(huán)泵流量和運(yùn)行頻率時(shí)，循環(huán)泵壓頭可通過水泵特性曲線確定。由此，熱源的水力模型為[19]：

ρgHp=ps-pr+Δp

式中Hp——水泵揚(yáng)程，m

ps——供水壓力，Pa

Δp——熱源內(nèi)部阻力，Pa

k0、k1、k2——水泵回歸系數(shù)

qp——循環(huán)泵流量，m3/s

n——水泵實(shí)際轉(zhuǎn)速，min-1

n0——水泵額定轉(zhuǎn)速，min-1

③ 用戶

為簡(jiǎn)化熱網(wǎng)水力模型，用戶可設(shè)定為一個(gè)阻力節(jié)點(diǎn)，水頭損失Δhm根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)回歸為多項(xiàng)式[19]：

式中 Δhm——用戶水頭損失，m

r0、r1、r2——回歸系數(shù)

qm——用戶流量，m3/s

當(dāng)建立熱網(wǎng)各對(duì)象的水力模型后，對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算，可得到全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)和管段的水力參數(shù)[12]。

3 算例分析

3.1 概況

選取有2個(gè)熱源的環(huán)狀空間熱網(wǎng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1[17]。

對(duì)于圖1，供水主管網(wǎng)布置在頂面，由管段1～22組成。回水主管網(wǎng)布置在底面，由管段47～68組成。含有熱源和用戶的支網(wǎng)由豎直管段23～46組成。兩組循環(huán)泵與熱源分別由管段69、70連接。箭頭表示預(yù)設(shè)的水流方向，若水流方向與預(yù)設(shè)方向相同，則流量為正；反之，流量為負(fù)。

圖1 供熱系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

輸入條件：設(shè)定在熱源S1處采用補(bǔ)水泵定壓，定壓點(diǎn)壓力為500 kPa。熱源S1、S2內(nèi)部阻力均為50 kPa。熱用戶的設(shè)計(jì)流量均為180 m3/h，管子粗糙度的初始值設(shè)定為0.5 mm，各管段的內(nèi)直徑、長(zhǎng)度見表1。循環(huán)泵P1、P2的流量-揚(yáng)程曲線分別見圖2、3。在輸入條件下，根據(jù)模擬結(jié)果可知熱源S1的設(shè)計(jì)流量為720 m3/h，熱源S2的設(shè)計(jì)流量為1 080 m3/h，循環(huán)泵P1的揚(yáng)程為15 m，循環(huán)泵P2的揚(yáng)程為21.3 m。

表1 各管段的內(nèi)直徑、長(zhǎng)度

續(xù)表1

圖2 循環(huán)泵P1的流量-揚(yáng)程曲線

圖3 循環(huán)泵P2的流量-揚(yáng)程曲線

3.2 供回水壓線對(duì)稱性影響因素

① 回水主管粗糙度

供水主管、支管粗糙度保持0.5 mm，回水主管粗糙度分別設(shè)定為0.1、0.5、1.0 mm。選取以下供回水主管的供回水壓線進(jìn)行分析：供水主管：節(jié)點(diǎn)S1-3001-3002-3003-3023-3022-3024-4001-3006-S2；回水主管：節(jié)點(diǎn)P1-3011-3012-3013-3027-3031-3032-4004-3016-P2。

根據(jù)水力模型，計(jì)算得到的不同回水主管粗糙度下的供回水壓線見圖4，圖中橫坐標(biāo)標(biāo)值括號(hào)中數(shù)值為回水主管節(jié)點(diǎn)編號(hào)。由圖4可知，與供回水主管粗糙度一致時(shí)相比，當(dāng)供回水管粗糙度不同時(shí)，供回水壓線出現(xiàn)不對(duì)稱。

圖4 不同回水主管粗糙度下的供回水壓線

為了更加直觀反映回水主管粗糙度的變化對(duì)供回水壓線不對(duì)稱性的影響，筆者計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的供回水壓力平均值(算術(shù)平均值)，見圖5。由圖5可知，當(dāng)回水主管粗糙度偏離0.5 mm，供回水壓線即出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象。回水主管粗糙度越小，不對(duì)稱情況越明顯。

圖5 各節(jié)點(diǎn)的供回水壓力平均值

② 管段堵塞

仍選取上述供回水主管進(jìn)行分析，堵塞管段分別選取供水主管的管段17、14以及對(duì)應(yīng)的回水主管的管段59、66。供回水主管、支管粗糙度均為0.5 mm。管段17、59分別堵塞時(shí)的供回水壓線見圖6，管段14、66分別堵塞時(shí)的供回水壓線見圖7。由圖6、7可知，供回水主管堵塞均導(dǎo)致供回水壓線不對(duì)稱。與回水主管堵塞相比，供水主管堵塞是導(dǎo)致供回水壓線不對(duì)稱的主要原因。

圖6 管段17、59分別堵塞時(shí)的供回水壓線

圖7 管段14、66分別堵塞時(shí)的供回水壓線

③ 管段泄漏

仍選取上述供回水主管進(jìn)行分析，泄漏管段分別選取供水主管的管段1、12以及對(duì)應(yīng)的回水主管的管段47、58，泄漏位置位于泄漏管段中間。供回水主管、支管粗糙度均為0.5 mm。

泄漏量為總流量的1%，管段1、12分別泄漏時(shí)的供回水壓線見圖8，管段47、58分別泄漏時(shí)的供回水壓線見圖9。由圖8、9可知，與回水主管泄漏相比，供水主管的泄漏是導(dǎo)致供回水壓線不對(duì)稱的主要原因。筆者還對(duì)泄漏量為總流量的2%、4%、10%的情況進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示：泄漏量越大，由供水主管泄漏引起的供回水壓線的不對(duì)稱越明顯。

圖8 管段1、12分別泄漏時(shí)的供回水壓線

圖9 管段47、58分別泄漏時(shí)的供回水壓線

4 結(jié)論

① 回水主管絕對(duì)粗糙度的影響：當(dāng)供回水主管粗糙度不同時(shí)，供回水壓線出現(xiàn)不對(duì)稱?；厮鞴艽植诙仍叫。粚?duì)稱情況越明顯。

② 管段堵塞的影響：供回水主管堵塞均導(dǎo)致供回水壓線不對(duì)稱。與回水主管堵塞相比，供水主管堵塞是導(dǎo)致供回水壓線不對(duì)稱的主要原因。

③ 管段泄漏的影響：與回水主管泄漏相比，供水主管泄漏是導(dǎo)致供回水壓線不對(duì)稱的主要原因。泄漏量越大，由供水主管泄漏引起的供回水壓線的不對(duì)稱越明顯。