太原市集中供热管网热瞬态分析

2020-01-03杨文长郑仙荣

山西建筑 2020年1期

杨文长郑仙荣

(1.太原市热力集团有限责任公司，山西太原 030012； 2.太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原 030024)

1 概述

基于集总参数法的集中供热管网能量模型方法无法预测管道中温度波的传递，所预测的从热源到用户的温度传递是不准确的。更进一步的温度暂态预测方法是节点法，节点法的原则是以一个节点到下一个节点的时间步长为研究对象，通过时间步长和不同节点的历史温度得出入口管段的水温，通过计算热损失和管子的热容量，算出管段出口处的水温。与集总参数模型一样，节点法及其计算机程序在国外供热系统的调节运行中已有应用，应用结果表明，可以使总体的燃料消耗率至少降低了2%[1]。

节点法在模拟集中供热系统的热瞬态分析上具有可行性，该方法与集总参数法相比，节点法更具有优越性。

2 集中供热管网模型的建立[2]

2.1 能量暂态平衡模型

一维能量暂态平衡方程：

流动流体总能量方程：

质量平衡方程：

动量平衡方程：

其中，e为流动总能，J/kg；τw为单位体积的壁面阻力，N/m3；x为距离，m；h为比焓，J/kg；θ为管道弯度，rad;ρ为密度，kg/m3；c为水的比热，kJ/kg℃；u为速度，m/s。

上式是供热系统中的热水能量的暂态方程，压力变化和管壁阻力的影响可以忽略不计。

2.2 数值模型

写成数值方程式为：

其中，下标i代表了节点，A表示为路径上的某一截面点，A点位于i-1节点与i节点之间。

图1为热力管路节点分布图，i在t+Δt时的焓值hi(t+Δt)。节点i在t+Δt时的焓值hi(t+Δt)可以由A点的焓值hA(t)计算而得，而A点的焓值hA(t)可以由节点(i-2),(i-1),i,(i+1)或者节点(i-1),i,(i+1),(i+2)在t时刻的焓值来求得。

3 节点法计算结果及热力网实际测量结果分析

太原集中供热城南供热网工程位于长风大街南侧，实际的占地面积97余亩，工程总投资为6.4亿元，该供热系统的面积为980万m2。

该工程于2008年5月开始建设，2015年8月全面投运。到2017年年底实际供热的面积为980万m2，投运热力站数达到56座，供暖主管径在500 mm～800 mm之间，分支管管径在150 mm～300 mm之间。

3.1 热力网增加负荷时引起的温度变化

如图2所示，热源所供热负荷在第18 min～第32 min内较快增大，其温度由70.2 ℃升高到82 ℃。升温时间为14 min，升温值为10.2 ℃，最高温度升到82 ℃。

图3显示了所选三个热力站中距离热源最近的热力站的温度变化曲线图，该热力站的升温过程是在第41 min～56 min之间进行的，最高温度值达到了81 ℃，它与热力网热源的最高温度值相比仅低了1.4 ℃。说明了该热力站热源的升温时间为24 min，并且在该温度下的热水从热力网热源输到该站温度降低了1.4 ℃。

如图4给出了位于长风东街支线上的该热力站的温度变化曲线趋势，该热力站的升温是在第71 min～86 min之间，其最高的温度达到了78.5 ℃，和热源的最高温度相比降低了1.8 ℃。由此说明了该热力站热源的升温时间大约用了43 min，热网内的热水由热源传输到该热力站温度降了1.8 ℃。

如图5给出了位于长风东街支线而且是这三个热力站中离热源最远的热力站的温度变化曲线图，该热力站升温时间位于87 min～98 min，高温达到了78.3 ℃，该温度比热源的最高温度降低了3.2 ℃，热网内的热水由热源传输到本热力站温度降了3.2 ℃。从图2～图5可以看到回水温度不受热源负荷增加的影响，这是由于建筑物的热容量比较大热惯性较大的原因。

上面三个图给出了三个热力站升温过程中的热水温度变化情况，热量传输到热力站所需时间是由传递长度和热力网支线热水的速度来决定的。

图6是当负荷增加时三个热力站实际测量的温度与计算所得温度之间进行的比较，取得比较一致的结论。计算出来的温度峰值和振幅与实际测量值保持一致。