浅析基于状态空间法的供热管网动态热力工况

姜坤

摘 要：供热管网及其构成的管网系统是连接热源与热用户的重要组成部分，同时也是供热系统可靠性的薄弱环节。本文为了分析供热管网系统故障响应滞后时间，完善基于热用户室内温度动态响应的故障判定标准，提出基于状态空间法的供热管网动态热力工况的问题。根据本文建立的供热管网动态热力工况求解方法，得出管网正常运行和故障时的系统的水力工况及水压图。并对供热管道热力工况模型与建设，从而验证了方法的可行性与准确性。

关键词：状态空间;供热管网;动态;热力工况

北京一超高层办公楼—中建财富中心，位于北京北四环，总建筑面积147017.80㎡，其中地上建筑面积95437㎡，建筑高度173m，该办公楼地上共37层（其中11层、21层为避难层），地下4层，标准层办公空调面积1750㎡，层高4.2m。办公标准层的供热管网动态按照空调内、外区分区设置，距建筑外围护结构2m进深范围内为外区，其余为内区，内区为单供热管网动态系统，外区为四管制风机盘管系统。准动态热力工况假设是供热系统故障热力工况研究的主要方法，也是解祸水力工况与热力工况的重要手段。供热管道内流体压力波变化的传递速度约是温度变化传递速度的4001200倍。准动态热力工况是假设在热力工况的一个计算周期内水力工况不变，且水力工况是稳态的。

1、基于状态空间法的供热管网动态热力工况的问题

由于热源及水泵设有备用，可靠性较高，相比之下供热管道及其附件构成的室外管网是供热系统的薄弱环节，在供热可靠性研究中通常与热源和泵站剥离，单独研究。因此本文供热管网元件故障指的是室外供热管网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。正是由于供热管道和其他附件的故障导致供热系统的正常运行被迫中断而进入故障状态甚至停运阶段。供热管网上的元件发生故障之后，通过隔离故障元件也切断了部分管网与热源的连通，系统的供给热量与在网和停供热用户的需热量的平衡被破坏，热用户室内温度和回水温度的变化与正常工况的预期不一致，并随着故障时间的延续而逐渐恶化。由于故障持续时间与供热系统的运行时间相比要短的多，且供热发达国家规定了维修时间的限值，因而供热管网故障工况中这类热力特性参数的动态变化过程在可靠性研究現状中往往被忽略。但是我国供热行业的相关规范未规定维修时间，且维修水平参差不齐，故障工况的基本保障不可控而造成事故，因此故障工况下供热管网热力特性的研究不容忽视。为了研究故障供热管网的动态热力工况，基于准动态热力工况的假设解祸水力与热力工况，建立供热管网水力计算基本模型和故障工况的可及性方程。在水力工况己知的条件下首先研究供热管网的组成部件一一管道的传热模型，并转化为供热管道的状态空间模型;根据管道的传热数学模型和管网的拓扑结构，建立供热管网热力工况的状态空间模型;最后应用某区域供热管网的测试数据对状态空间数学模型进行验证。仍以直埋供热管道为研究对象。

2、基于状态空间法的供热管网动态热力工况求解方法

对故障工况供热管网的水力特性进行分析时，首先基于故障工况重构的供热管网，通过水力模型式计算故障工况下各用户的资用压头;再根据网络可及性分析，寻找使供热管网中所有用户的资用压力达到最大值、且不超过设计资用压头时的管网流量和节点压力分布。故障工况的可及性分析是个寻优过程，表达如下：

式中

Ps，j----第j个热用户的供水压力，mH20 ;Pr，j-----第j个热用户的回水压力，mH20 ;

S----故障工况管道阻力系数列向量;S，-----设计工况管道阻力系数列向量;

H，-----循环水泵设计扬程列向量;H----循环水泵故障工况扬程列向量。

3、供热管道热力工况模型与建设

忽略管内热水沿管道轴向的导热; 忽略管壁轴向导热;管道截面温度均匀分布;忽略由水泵机械能耗散引起的热水温度上升;忽略管道的漏水。 应用集总参数法对供热管道的热力工况数学模型进行建模，将管道的传热方程分为径向和轴向传热两部分。在建立管网的热力模型时，一段无分支、管径不变的管道（在这样的一个管道中，热水的流量以及管道的物理参数均不发生变化）集总为一个质点，根据系统的能量方程可以由入口的初始温度开始逐级递推出其后的各个管道质点的温度，即在管网结构、热源出口温度以及各个管道质点之间的流量己知的情况下，可以得到各个时刻的温度分布

考虑管道散热损失，将供热管道划分成若干微元，基于热容量质点法建立供热管道各微元段的热平衡方程，并构成供热管网状态方程。通过对某小区供热管网进行建模，然后对其热源及6个换热站的一次侧供水温度的监测数据作为验证数据。结果发现，各换热站供水温度仿真结果的相对误差均不超过士10 %，使得所提出的模型及算法得到验证。

基于故障工况供热管网拓扑重构，联立供热管网动态热力工况模型、换热站热力工况模型及建筑物室内动态热力工况模型构建系统仿真平台。当供热管网发生故障时，由于关断阀门隔离故障元件进行维修，使得供热管网拓扑结构发生改变，各热用户的供水温度发生改变，对于本文中研究的供热管网，当故障发生数小时后，距离热源最远端换热站和最近端换热站的供水温度相差约2℃。当故障工况的限额流量保持不变时，随着故障时间的延续各热用户的供、回水温差逐渐增大，热用户的供热率增加。当供热管网故障发生在较高室外温度下时，建筑物室内温降变缓。

通过对故障工况供热管网系统的动态热特性分析，得出供热管网系统状态的变化滞后于管网元件故障的结论，提出基于故障响应滞后的Markov可修系统模型，并基于故障工况热用户室内温度水平对供热管网系统进行状态聚合。提出了允许间断供热时间、允许限额供热时间的概念，以分析供热管网系统故障响应滞后时间，同时完善基于热用户室内温度动态响应的故障判定标准，提出供热管网动态可靠性评价方法和系列指标，包括热用户及供热管网的可用度及可靠度指标、热用户及供热管网的平均故障及事故时间、供热管网的功能可用度指标。因此，根据本文建立的供热管网的动态可靠性评价指标可以得到供热系统的可靠性在供暖期内随着室外温度升高而增长、进行供热管网系统热力模型的动态参数辨识研究，更准确地反映故障工况下多样化的热用户特性，完善基于热力工况的动态可靠性研究，分析静态与动态可靠度之间的关联性，建立统一标准的可靠性评价体系。

结论

基于状态空间法的供热管网动态热力工况的研究应从元件和系统两方面逐渐深入和完善。开展供热管道腐蚀监测，坚持长期的故障率统计工作，为建立直埋供热管道腐蚀规律模型和故障率数据库提供一手资料。结合住房和城乡建设部正在推进的老旧管网改造工作、综合管廊建设工作，继续深入和完善该研究方向，形成有实际价值的高水平科研成果。

参考文献：

[1] 于繁华，刘仁云，张义民，孙秋成，张晓丽. 机械结构动态可靠性设计的智能计算方法[J]. 吉林大学学报（工学版）. 2016（04）

[2]梁鹂. 某高温高压供热管道事故分析[J].建筑热能通风空调. 2015（04）

[3]李军，秦朝葵，马洪敬.城市高压燃气管道的结构可靠性分析[J].中国安全生产科学技术. 2014（11）

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