基于水力和热力耦合模型的热网设计调度研究

沈利芳　刘松　沈亚军　刘学峰

摘 要：本文基于實际热网模型的建模和水力及热力耦合计算模型，实现了对热网设计和调度的仿真及分析决策。通过最佳流速和最大许用应力的思路，可以对热网的设计进行预演，给出合理的逐级设计方案;通过阀门解列调度和调节阀开度优化，实现了用户蒸汽参数的提高和管网小流量段的参数改善。因此，实现基于计算模型的热网设计、调度和控制仿真，是热网安全节能和智慧化的技术基础，是热网研究的重点。

关键词：耦合;热网;调度;智慧化

中图分类号：O359 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）25-0063-04

Research on Design and Scheduling of Heating Network Based on

Hydraulic and Thermal Coupling Model

SHEN Lifang1 LIU Song2 SHEN Yajun3 LIU Xuefeng2

（1.Shanghai Ingersoll Rand Compressor，Shanghai 20000;2.China Power Construction Group Zhengzhou Pump Industry Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000;3.Northwest Engineering Corporation Limited，Xi'an Shaanxi 710000）

Abstract： In this paper， based on the actual heat network model modeling and hydraulic and thermal coupling calculation model， the simulation and analysis decision of the heat network design and scheduling was realized. Through the idea of optimal flow rate and maximum allowable stress， the design of the heating network could be previewed， and a reasonable step-by-step design scheme was given. The optimization of the user's steam parameters and the tube were realized through the valve dissociation scheduling and the adjustment of the valve opening degree. The parameters of the small traffic segment of the network were improved. Therefore， the realization of the design， scheduling and control simulation of the heat network based on the computational model is the technical basis for the safety， energy saving and intelligentization of the heat network， and is the focus of the research on the heat network.

Keywords： coupling;hot network;scheduling;intelligent

目前，我国热网的信息化和自动化水平相对于电网要落后很多。当前的热网建设和管理都相对较为粗放，这主要是因为热网的机理模型涉及复杂的流动传热知识，其计算和控制比电网难度大。但热网的自动化、信息化和智慧化是其发展的必经之路，热网的节能和减排很大程度上依赖于其信息化水平。因此，加强对热网的建模、计算仿真和优化控制尤为重要，是目前热网科学研究的重点。

随着我国关停小锅炉，逐步发展庞大的集中供热热网，热网的源网荷储的动态变化会让热网的设计运行会变得更加复杂，因此，基于热网模型计算的信息化和智慧化是热网发展的主要趋势[1-3]。本文通过水力和热力模型的耦合计算，实现了对复杂热网的仿真计算，并基于仿真计算对热网的设计和运行调度提出建议，使热网的设计运行不仅能依据经验，也能结合准确的仿真计算。

1 计算模型

对于一个多源复杂的环状热网，根据拓扑学的知识，可以将管网分为节点和区段。热网中的热源、用户、接头、疏水器和阀门等均可以简化为节点，而管道等则作为区段。假设一个热网的区段数为[p]，节点数为[m]，区段和节点形成基环的数目为[n]（如图1所示）。根据图论中的欧拉定理，区段数、节点数和基环数的关系式如下。

[p=m+n-1]                              （1）

如图1所示，区段数[p]=7，节点数[m]=6，基环数[n]=2，满足欧拉定理。

根据基尔霍夫第一定律，对于节点，存在流量守恒方程，区段的流量和等于节点的净流量，即

[Q=Q1，Q2…，Qm-1T]                         （2）

[G=G1，G2…，GNT]                          （3）

式中，[Q]表示各节点的净流量向量，流入为正，流出为负;[G]表示管段流量向量。[Q]和[G]的关系为：

[AG=Q]                                         （4）

式中，[A]是[m-1×p]的管网关联矩阵，表示节点和区段的连接关系。

根据基尔霍夫第二定律，对于基环，环内的压降和温降为0。压力由水力学公式计算，温降由热力学公式计算，因此热网的模型和水力是热力耦合的计算模型。假设条件为：

[ΔH=ΔH1，ΔH2…，ΔHNT]                    （5）

[ΔT=[ΔT1，ΔT2，…，ΔTn]T]                       （6）

式中，[ΔH]为管段压降向量;[ΔT]为管段的温降向量。

用[Bf]表示管网的基本回路矩阵，即为[N-M+1×N]的矩阵，表示基本回路与管段的相关关系，则：

[BfΔH=0]                               （7）

[BfΔT=0]                              （8）

压降和温降需要根据区段的流动传热特性来计算。压降与管段的阻力系数及流量有关，根据水力学方程：

[ΔH=SGG+Z-DH]                       （9）

式中，[S]为阻力系数;[Z]为管段的标高差（由进出口节点的标高决定）;[DH]为水泵的扬程向量。

温降则根据管段的沿程散热计算，已知进口条件下，根据散热量和进出口速度可计算出口参数：

[hout=hin-Qlq+V2in-V2out2]                    （10）

式中，[hin]和[hout]为进出口焓值;[Vin]和[Vout]为进出口流速;[Ql]为管段热损失;[q]为管段质量流量。

基于上述理论模型，笔者采用节点法进行数学求解，建模求解采用基于面向对象的VC开发语言，可以对热网进行建模和计算求解。基于计算模型和求解结果，可以对管网进行设计和运行调度优化。

2 基于模型计算的管网设计及运行调度

2.1 管网建模和设计

图2为基于现场运行经验建立的蒸汽供热管网模型。管网模型中包含热源、用户、阀门、管路和疏水器等。热源为各个热电厂，是供热介质的提供单位。用户是各个利用蒸汽或者热水的公司或居民小区。管路、阀门和疏水器及补偿器等是热网的必备部件。其中，管路用于热网的介质传输;阀门用于热网的调节控制;疏水器用于蒸汽中水分的排出;补偿器用于管道的热胀冷缩补偿，疏水器和补偿器等共同保障了热网系统的安全性[4-6]。

在图2所示热网系统中，四个热源在典型工况下的流量温度如表1所示。

根据国家标准可以确定蒸汽热网的流量范围和最佳设计流速，从而可以根据热源流量参数对热网出口干线进行管道设计。热网的最佳流速一般为20～30m/s（由管道的实际材质决定）。但实际上，热源的流量是存在波动的，需要根据热源的最大可能流量来确定管道的直径，保证最大流量下的管网安全（管道的许用应力）。最终热源1和3的出口管径选择DN800管，热源2和4选择DN600管。

在热网设计过程中，热源和用户的流量是相互匹配的，热源的供给量决定了其供给区域，在管线建设时，也会根据用户的特征选择管线的建造设计方向和管线的供热区域归属。

用户进口段的设计也会根据用户的流量特征选择。根据管道的最佳流速原则确定用户的管线一般在DN50～DN350，具体的对应关系如表2所示。

遵循管网最佳流速和许用应力（许用应力决定最大流速）的设计原则，热网系统最终会形成热源出口线-干线-支线-用户进口线的逐级热网结构，保证了热网能在实际工况范围和典型工况下具有尽可能低的温降和损失。基于计算模型的管网设计能对管网的运行进行预演，明确了热源需要的供给量和热网管线片区的建设依据，在设计阶段有效避免了粗犷建设造成的能源浪费。

2.2 基于模型计算的运行调度

管网的运行调度由管网中的调节阀和开关阀决定。在实际热网系统中，热源的出口和用户的进口都有调节阀装置，以保证热源和用户的參数保持在某一范围内。但由于热网运行时热源和用户的工况可能是大范围变化的，因此需要通过调度来保证热网的安全经济运行。

2.2.1 阀门解列调。阀门解列调度主要针对现场只能开和关的阀门，如隔断阀。图3为热网温度分布图，由于左下角热源2的温度较低，因此，热源2所带的温度片区温度就较低。可以考虑关闭热源2周围的阀门21或阀门22，让其只供给一路，以提高该片区的温度参数。

因此，结合阀门全开的方案，目前共有3种运行方案，通过仿真计算可以对方案进行比较选择，做出决策。3种方案的计算结果如表3所示，目标参数为该片区用户的平均供给温度参数。

从表3的结果可知，方案2为最佳方案，但方案2关闭下线阀门后，会导致左支线的用户10参数降低明显，这要根据具體用户的参数要求进行决策。因此，通过优化计算可以实现工况的调度决策。而在实际热网中，调度方案可能有几十种，需要仿真系统的自动生成和判断，并最终提供实时的优化方案，这是我们智慧化的最终目的。

2.2.2 调节阀的开度优化调度。阀门解列优化主要针对多源热网的解列和并网运行，由于阀门关断后管段很可能存在盲段，因此，阀门的关闭和开启操作都会逐步进行，开度逐渐增大或减小。而盲段中的大量疏水，需要通过疏水阀排出后才能开启运行。因此，阀门解列调节需要消耗较长时间，并不适合快速响应的调度。因此，热网中会安装调节阀，通过改变阀门的开度来控制蒸汽的走向，从而保证热网的正常运行。

根据计算发现，本文热网系统联网运行时，会存在小流量段（如流速小于1m/s），此时管道温降会很大，可能蒸汽会出现凝结，导致管道内出现大量凝结水，管网会存在水击的风险。如图4所示，经过左侧用气用户后，管内流量剩余很小，因此出现了小流量段，而右侧用户的流量主要来源于流量较大的右侧管线。

若工况比较稳定，可以考虑关闭图4中两条并联线中的一条，以提高流量。为了能快速响应，可以通过调节阀改变管线流量，避免管网发生水击风险。如图5所示，小流量段位于上下两主干线的中部，通过改变调节阀开度（如阀门42或阀门22），可以增加热源2和4流向上下两侧的流量，从而提高管道流速。

实际上，本文热网主要环网只有一个，调节阀门42或22中的一个就能影响全网的流量变化。本文调节的是阀门42，流量由49.3t/h下降到40t/h，导致上侧流量会相应增加，同时导致热源1供向上干线减少和左干线的增加，导致热源2供向左干线的减少和下干线的增加，最终改善了上下支线的小流量段。也可以发现，热源和用户流量负荷不变时，阀门42或22只调节一个就能影响全网的流量分配和蒸汽走向。

表4为调节阀调节前后的相应管段的温度和流速变化表。

由表可知，调节过程改善了小流量管段的流速，达到了1m/s以上。同时，管段的温度不再处于饱和温度（198～199℃），温度也有了明显提升。通过调节后，小流量段（也称滞留段）流速小时，管网潜在的风险排除。

3 结论

本文通过水力和热力方程的耦合，实现了热网传热传质的耦合计算。根据仿真计算模型，对热网的建模和设计进行指导，提出基于最佳流速和最大许用应力的热网设计思路。同时，根据计算模型对热网的运行调度进行分析，从而通过解列调度和调节阀开度的优化，提高用户的用气品质，改善存在水击风险的小流量段的速度。因此，热网计算模型和调度分析优化模块的建立对热网的信息化和智慧化是很有帮助的，是热网实现安全节能的必经之路。

参考文献：

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[6]刘笑驰，蔡瑞忠，吕崇德.大型蒸汽管网的在线仿真研究[C]//二○○一年中国系统仿真学会学术年会.2001.