集中供热管网的水力平衡优化

吴涛

国家电投集团东北电力有限公司抚顺抚电能源分公司，辽宁省抚顺市，113003

摘要：为了对集中供热管网二次网进行水力平衡优化,基于质量守恒、能量守恒和图论,提出了水力数学模型,给出了数值迭代求解算法。基于粒子群优化算法,提出了阻力系数辨识优化算法,可根据用户管段流量测量值,对用户管段的实际阻力系数进行寻优。然后提出了水力平衡优化算法,基于对用户管段流量均衡加以优化的目标,找出阻力系数最优值以用于平衡阀调整。最后应用该水力平衡优化方案对某小区进行仿真模拟,仿真结果表明该方案可以实现管网水力平衡。

关键词：供热管网；水力模型；水力平衡

引言

随着我国社会和技术的进步，集中热网产业得到了快速的发展，与此同时，人们对供热品质的要求也越来越高，但现阶段我国集中供热产业的发展与人们的需求仍存在严重的不平衡和不匹配问题。一方面，热网规模扩大，但能源结构合理性和能源利用效率并没有随之提高，不仅带来了严重的环境污染问题，而且相比于北欧国家，我国建筑冬季耗热量高出2～3倍。另一方面，随着热网的扩建，系统的可靠性及供热效率不高，水力失衡问题严重，导致用户舒适度差且系统输送能耗高。因此，解决热网的水力失调是提升用户体验和降低系统能耗的关键问题之一，对于居民生活质量的改善、系统运行水平和经济性的提高都具有重要意义。

1城镇集中供热发展概况

城镇集中供热从20世纪50年代起就开始发展，经历了从无到有、从小到大、从粗犷到精细的发展。时至今日，中国北方城镇已经基本实现了集中供热，城镇集中供热覆盖面积逐年增加完善，集中供热在惠及民生、采暖便利的同时，也在为我们赖以生存的这片蓝天而努力。集中供热的发展经历了这么多年，真正的普及、全面发展是最近的20多年，各地的热力公司都如雨后春笋般地出现，城镇供热的管网延伸也如夏天的藤蔓爬向高处、伸向远方、触到城镇的边缘。一些经济条件好的城镇集中供热的范围已经覆盖到了城镇周边的村镇。为响应国家环保政策，各地都在为积极发展和倡导集中供热，减少污染物烟气排放、减少热能损耗努力着。当前集中供热的发展已经趋于成熟，发展到丰富完善阶段，一些绿色供热、智慧供热等供热调节方式发展迅速。而城镇集中供热发展初始，供热方式、供热思路，以及供热管网等的设置、供热控制调节等各方面都比较滞后。在后期运行管理和热效管理上许多的热力公司都没有跟上。供热调节控制方面还属于管网调节靠人工，供热效果靠感觉，用户室内温度调控靠窗户的供热模式。现如今，这样高能耗的供热方式仍有大批量存在，尤其在一些发展滞后的偏远乡镇。

2集中供热管网的水力平衡优化

2.1集中供热管网的阻力系数优化辨识

在实际的供热管网中,由于安装不理想,管网运行中出现的内壁结垢、水中杂质沉积、氧化腐蚀、阻力件老化变形等原因,导致实际管段的设计阻力系数与实际运行阻力系数不同。在管网末端的用户管段还安装有平衡阀,工程人员可调整平衡阀来调整用户管段的阻力系数,用于水力平衡调整,因此实际的用户管段阻力系数与设计阻力系数相差很大。在管段阻力系数未知的情况下,应根据已知流量数据与换热站运行数据,基于供热管网数学模型,对管段阻力系数进行优化辨识。本文仅对用户管段进行阻力系数辨识,其余管段的阻力系数与用户管段阻力系数相比很小,且变化幅度不大,假设等于设计值。

2.2水泵节能控制原理

对水泵转速进行管理和控制时，通常情况下要保证与流量转功轴功率等各方面因素条件展开综合分析，实现有针对性的管理和控制。水泵转速以及轴功率直接存在正相关系，如果无法保证随风速度得到有效控制，那么功率也会有变化，所以，要结合实际情况对水泵的整个转速进行有效调节和控制，这样才能够达到效果。对于用户而言，其自身供应量呈现出变化时，会导致各种不同类型问题的发生，各方面因素条件也会呈现出明显的变化。在循环泵出口位置处，需要对设备进行科学合理的安装和利用，以压力仪表方式，可以直接将压力信号在整个传输过程中逐渐转变成为电信号，详细传输到对应的调节器当中。除此之外，将分析结果作为基础，实现与目前实际值的对比分析，将最终结果直接传输到对应的变频器当中，以此来实现对变频器自身输出频率的有效管理和控制。

2.3建立自动化控制的处理模式

在科学技术水平以及互联网信息技术不断发展的大时代背景下，为排除各种外界风险因素对集中供热系统的诸多不利影响，集中供热系统管理部门应投入适当的建设资金，引进先进的技术管理系统来调节供热管网热量平衡。例如，可以引进先进的自动化处理技术，实现电动调节阀和自动反馈系统有机协调，从而达到供热系统全程安全平稳运行的目的。其基本的工作原理，首先，管理人员将每个级别的用户端作为主要的信号采集点，并利用温感器、压感器等相关处理设备，将传输的相关信号准确进行收集、汇总和整理；其次，系统设计人员重点关注相关重要模块，并经过规范的控制运算来算出各级管网所应用的数据参数，在综合分析的基础上，对供热系统的供热流量和供水温度进行二次平衡和调节，进而确保每个供热站传输的热量都相对均匀，防止供热管网热力失调现象的频繁发生；最后，还要对供热系统的自动化控制平台进行适当的调节和处理。

2.4明确管网的水力特性和失调规律

对于系统的调节而言是基础性工作，已有不少研究人员利用多种技术手段对不同类型的管网作了特性分析。从管网的相对流量和用户水力失调度之间的联系出发，针对单热源枝状网，研究了采用不同的采暖方式时，管网的水力稳定性及用户的水力工况的变化情况，并总结了19种采暖形式下管网稳定性随系统参数的变化规律。某研究对象为变流量的供热系统，分析了用户水力失调与系统流量的关系，并确定了不同的变流量运行形式下，系统的流量下限范围。基于管网的水力计算，首先对水力工况进行了定性分析，并利用图论建立了管网的数学模型，计算得到任意管段流量与压降的规律。对管网调节时用户水力失调规律和管网稳定特性的分析，为实现系统的准确调节和调高系统的水力平衡程度提供了理论基础。

结语

集中供热过程的水力失调问题是供热系统节能优化与精细化调节的关键问题。解决水力失调问题的关键要素有两点,一是建立正确的水力数学模型,二是采用有效的管段阻力系数优化算法。对供热系统二次网管网建立基本回路法水力模型,并提出数值迭代求解算法。对于用户管段的阻力系数,根据用户流量观测值,采用粒子群优化算法进行了阻力系数优化辨识。最后提出流量均衡优化方案,得到了用户阻力系数的最优值,该结果用于平衡阀校正,表明其可以实现管网水力平衡。

参考文献

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