022室内流量阶跃变化时热网工况模拟及控制策略研究正文

室内流量阶跃变化时热网工况模拟及控制策略研究*河北工业大学杨华齐承英张新光高艳安晓英摘要：针对采用电动阀通断式调节的新型供热计量控制系统，通过编制供热管网水力工况计算程序，模拟新系统的运行工况。分析得出室内流量阶跃变化会引起用户和整个管网的工况的波动，不利于系统的运行；采用立管热力入口安装自力式压差控制阀、立管定压差控制方式，能有效提高管网的稳定性，保证用户的正常使用和系统的运行，是适合室内流量阶跃变化时管网的控制方式。关键词：供热管网；阶跃变化；管网工况；计算机模拟；控制方式0引言目前，我国的供热改革中，主要借鉴欧洲经验，采用热计量表和散热器恒温阀对供热系统进行热计量和控制，通过恒温阀的节流来调节室内供热流体的流量[1]。这种调节方式是多位连续性调节，根据用户设定的室内温度恒温阀调节到合适的开度后，即达到稳定状态，对管网工况的影响较小。采用这种调节方式的管网调节控制技术较为成熟。但是这样的系统在使用推广过程中存在不足之处，如恒温阀阻力较高，易导致系统失调；我国供热水质差，恒温阀易阻塞；且价格昂贵，成本较高等。文献[2]提出了一种新型供热计量控制系统，用户房间入口安装热计量表和通断式电动球阀，不装设散热器恒温阀，室内温控器根据房间实际温度和用户设定温度来控制电动球阀的启、闭动作，进而达到控制室温的目的。新系统的调节方式是一种动态调节，依靠电动阀的开启和关闭调节供热流量，达到室温调节的目的，大部分情况下室内处于热不平衡状态，室温在温控器的控制精度范围内波动。电动阀的启、闭造成室内流量阶跃变化，而这种变化势必会导致管网运行工况的变动，对系统的运行不利。新系统调节方式下，系统水力工况如何变化；采用何种控制策略，以维持系统稳定性、保证用户的正常运行等问题，需要进一步研究。目前，新型供热系统缺乏大规模、大面积、完整和独立的试点，无法验证其运行效果。因此，只有采用数值模拟的方法，模拟系统的运行，分析新系统水力工况调节特性，提出合适的控制策略，为新系统在工程上的实际应用奠定基础。随着网络理论的不断完善与计算机技术的快速发展，利用计算机对供热系统水力工况进行模拟，是解决上述问题的有效方法。1管网水力工况模拟1.1管网水力工况模拟的数学模型流体在管网中的流动符合基尔霍夫第一定律、第二定律和阻力定律，即：所有流入或流出任一节点的流量，其代数和为零；任何回路，其压降的代数和为零；管段上的压降与流量的二次方呈正比。因此，管网水力工况模拟的数学描述为：⎪⎩⎪⎨⎧−+=Δ=Δ=DHZGGSHHBQAGf0（1）其中，A为管网的基本关联矩阵；BBf为管网的基本回路矩阵；G为管网流量向量；Q为节点流量向量；HΔ为管段压降向量；为管段阻力系数向量；SZ为管段水平高度向量；DH为水泵提供的扬程向量。利用此方程组解算管网水力工况的方法称为基本回路法。方程组的求解采用HardyCross迭代法。此迭代法是以回路校正流量为未知变量，该方法比较简单、容易理解，以流体流动基本规律为依据，利用高斯－赛德尔迭代法逐次求解回路校正流量，直到其值满足设定的精度为止，以获得接近方程组真实解的渐————————————*天津市自然科学基金资助项目（043605711）河北省自然科学基金资助项目（E2005000036）进流量[3]。1.2编制管网水力工况模拟程序供热系统是由热源、管网和热用户组成，因此要全面地模拟系统运行，需要综合考虑循环水泵、室外管网和室内管网三者工况，建立管网水力工况全面模拟程序。在管网的迭代求解过程中，循环水泵的扬程也应该根据管网内总流量进行迭代，对其性能曲线采用数值拟和，根据水泵的特征工况点，采用最小二乘法拟和，按回归方程为H＝A0＋A1G＋A2G2，解得多项式系数，即得到循环水泵性能曲线的拟和公式[4]。供热二次管网根据位置的不同又可以划分为室内管网和室外管网。在模拟供热管网的水力工况时，既要分别计算室外管网和室内管网的工况，又要考虑到二者之间的联系。室外管网多为单一热源的枝状管网，其特点是同一地点的供回水管路是对称的，即管径、长度、流量、阻力均相同。因此在管网模拟时，可以对室外管网进行简化，只分析供水管网或回水管网二者之一，建筑物内的室内管网看作是室外管网的热用户，并在管网图上简化为节点。对于分户采暖系统，室内管网上各个热用户间并联，计算时在用户两侧加上的重力作用压头。同时用户阀门的调节，不仅改变了自身阻力，立管总阻力也相应改变，进而影响到室外管网的流量分配。因而需根据阻力数串、并联关系，编写程序计算各种调节状态下立管的总阻力数。考虑到管道的防冻、室温的控制质量及节能效果，当电动阀处于关闭状态时不能让阀芯全关，而是要留有一定空隙。计算表明，阀门关闭的流量系数为0.2时，用户的能耗最低，因此阀门关闭时的流量为阀门全开时的0.2倍[5]，并据此计算出阀门关闭时的阻力系数。通过改变用户的阻力系数，即可模拟用户的调节动作，更加真实具体地模拟了热网的实际运行。考虑到上述问题，按照HardyCross迭代法和内、外管网的关联关系编制水力工况模拟程序，其结构如图1。2控制策略研究为得到采用电动阀阶跃调节方式时，管网的动态特性及适合的控制策略，选取一小区供热二次管网作为研究对象进行模拟计算。此管网为枝状管网，共有六根立管，计算时自靠近循环水泵依次编号，每个立管上有八层，每层有四个用户，室内管网为双管系统。为研究方便，假定所有室内管网的结构、阻力、热负荷均相同，每层的四个用户假设为一个用户，按由下至上的顺序分别为用户1－8，用户设计流量为570kg/h，设计阻力为20kpa，立管的设计压降为21kpa。为了简化分析，将用户划分为调节用户和未调节用户两类，认为调节用户即为那些由于主人离开等原因，而将室内温度设定为10℃、电动阀处于关闭状态的用户；未调节用户为那些室内设定温度为20℃、电动阀处于全开状态的用户。在后面的计算中，将分析调节用户的调节对管网工况的影响输入初始数据发生调节动作计算立管总阻力计算外网水力工况计算内网水力工况输出计算结果图1模拟程序Figure1simulator。2.1无控制装置时管网的调节工况为了分析室内流量阶越变化对管网水力工况的影响程度，先考察热力入口不安装任何控制装置时，室内管网的调节工况。由于调节用户的不确定性，因此我们随机地选取调节用户，分析调节用户对同一立管上的用户的影响，不同的调节用户数量对同一立管上的用户流量的影响。计算结果如表1，其中G1－G8分别表示用户1－8的流量，P和H表示立管压降和水泵扬程，调节1至调节8表示分别有1至8个用户发生调节时的工况。为了便于分析调节后的水力工况并得到其变化规律，对表1的数据进行处理，得出不同的调节状态下调节用户和未调节用户流量与设计流量的流量比的平均值，如图2；不同调节状态下立管的总压降和水泵的扬程，如图3。从上面的计算结果可以看到：调节用户发生调节动作，引起未调节用户和自身流量的增加，并且调节用户的数量越多，流量增加的值越大。当每根立管上都有一个用户发生调节后，未调节用户的平均流量比为1.11，根据室内热平衡方程计算可得出，在此流量下对应的室内温度为20.5℃，已经达到温控器的控制上限，会引起电动阀的关闭；调节用户的平均流量比为0.22，低于室内温度为10℃时对应的流量，因此调节用户可以降低到设定温度。再考察一下极限情况，当每根立管上只有一个用户没有调节时，未调节用户的流量比为1.96，接近了设计流量的两倍，在此流量下电动阀必然会非常频繁的动作。而当所有用户都为调节用户时，其平均流量比为0.42，在此流量下，用户稳定后的室内温度为14℃，始终无法达到设定温度，大大降低了节能效果。同时用户调节后，用户立管的总压降和循环水泵的扬程均提高，并且调节用户数越多提高的值越大。在极限情况下，所有用户都调节后，立管的总压降接近设计压降的四倍，水泵的扬程也增大到设计扬程1.5倍左右。表1热力入口无控制装置时管网的调节工况Table1Network’sworkingconditionwithoutcontrollingequipmentG1(kg/h)G2(kg/h)G3(kg/h)G4(kg/h)G5(kg/h)G6(kg/h)G7(kg/h)G8(kg/h)P(kpa)H(kpa)设计5705705705705705705705702100065000起始5745745765785785795795812116465560调节16326321276356346356346362520267665调节26906916926951396901407002990869979调节31527627637651537671547683626372938调节41688408418431691698471704384176300调节51859271869301861879331875320980311调节6204204204205102320510242056429284972调节722222311152232242242242257624090043调节824024024024024124124224288415954870123456780100002000030000400005000060000700008000090000100000压力pa调节用户数立管压降水泵扬程未调节用户0123456780.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0调节用户流量比调节用户数图2用户流量比随调节用户数的变化图3立管压降和水泵扬程随调节用户数的变化2.2热力入口安装自力式压差控制阀时管网的调节工况新系统是一种典型的变流量系统，而且流量的变化比现有的变流量系统更加剧烈、频繁，对于系统运行时的动态控制提出了更高的要求。对于变流量系统，在热力入口安装自力式压差控制阀能够有效地消除多余压头，维持立管压差的稳定，现有的变流量系统在使用自力式压差控制器后提高了管网的稳定性，收到了良好的运行效果[6]。因此，我们考虑在新系统的热力入口安装自力式压差控制阀，室内管网采用定压差控制，并通过模拟计算考察其控制效果。同样按照无控制装置时的调节方法，计算出立管定压差控制时的调节工况，计算结果如表2：表2定压差控制时管网的调节工况Table3.3Network’sworkingconditionwhenkeeptube’spressuredifferenceconstantG1(kg/h)G2(kg/h)G3(kg/h)G4(kg/h)G5(kg/h)G6(kg/h)G7(kg/h)G8(kg/h)P(kpa)H(kpa)设计5705705705705705705705702100065000起始5745745765785785795795812777273953调节15765771165815815835835843998177994调节25775805825851185901195945161381971调节31165815845871185921195966226785749调节41165835865901191195981207197589323调节51165851185921191206001218045592624调节61171171185931191206021218781095682调节71171171185951201201211229411698543调节811711811811912012112112299122101100为了便于分析立管采用定压差控制的控制效果，对表1的数据进行处理，得出此时用户的实际流量比以及立管压降和水泵扬程随调节用户数变化的曲线，分别可见图4和图5。0123456780.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1流量比调节用户数未调节用户调节用户0123456780100002000030000400005000060000700008000090000100000压力pa调节用户数立管压降水泵扬程图4用户流量比随调节用户数的变化图5立管压降随调