1、蒸汽管网水力热力模型与应用天津大学 张红玉 郑雪晶 由世俊摘要：本文建立了蒸汽管网水力热力模型， 应用于实际案例 时，将管网 简化为由节点和支路组成的一种网络结构，应用 SynerGEE gas 进行模拟求解。初次模拟结果表明，部分热用户压力的实测值和模拟值相对误差较大。通 过模型修正，除了距热源最近的一个热用户实测温度和模拟温度值平均相对误差为 11%外，其他末端用户实测温度和模拟温度值平均相对误差均在5% 以内；除距热源最远的一个热用户实测压力和模拟压力值相对误差为 23.5%外,其他末端用户实测温度和模拟温度值平均相对误差均在10%以内。关键词：蒸汽管网 水力 热力 模型验证集中供热是节
2、能、保护环境的重要途径，是城市现代化的基础设施之一 1。2009 年，我国的集中供热事业取得了蓬勃发展，有近 300 个城市敷设了城市集中供热管网，集中供热面积达到 85 亿平方米 2。然而，2007 年我国工业蒸汽系统的能源效率仅在 30%-40%之间，比西方发达国家低 20 个百分点左右 3。从节能减排和企业利益出发，要求供热管网系统在满足热用户需求的基础上消耗最少的能源，同时考虑对环境的影响。这个问题的解决不仅需要较高的操作水平，还需要动态的管理和优化调度 4。由于蒸汽管网除热源与热用户外，管网其它未安装测量仪表的重要部位，其温度、压力、热损失等参数难以及时掌握，导致高度管理不力、造成蒸
3、汽严重浪费，甚至出现重大运行事故 5。因此有必要建立供热管网的在线优化运行系统，故障实时诊断系统，以及仿真分析和培训系统 6。利用管网的运行参数和仿真模拟理论计算的方法，对管网进行热损失综合分析。1 研究案例1.1 蒸汽管网简介天津市空港加工区蒸汽管网承担了空港加工区内 102km2 范围内工业生产工艺、采暖和供冷所需的蒸汽。共有 34 个热用户，均为生产工艺用热，压力要求不低于 0.6MPa；热源为 4 台 75t/h 蒸汽锅炉的主热源，4 台 35t/h 燃煤锅炉（调峰锅炉） 。蒸汽管网采用直埋敷设、架空敷设与半管沟敷设相结合的方式，主干线尽量通过热用户密集区，最远供热距离为 12.77k
4、m，管网布置如图 1 所示 .SynerGEE gas 是美国 Advantica 公司开发的一系列有关水、气、油和电网仿真模拟软件中有关水力热力模拟的一个。该软件主要用于气体管网离线仿真模拟，可以计算管段或节点的压力、温度、焓值、热损及冷凝水量等。2 理论建模空 客 项 目工 业 用 户热 源 厂调 峰 锅 炉 房一 期 蒸 汽 架 空 管 线一 期 蒸 汽 管 沟 管 线一 期 蒸 汽 直 埋 管 线图 例图 1 空港加工区蒸汽管网平面布置示意图2.1 模型简化蒸汽供热一般为过热蒸汽，假设输送过程中产生的冷凝水可以随时排走，因而管内蒸汽可认为是单相可压缩流体 7。此外，在仿真模拟过程中，考
5、虑模型收敛速度问题，在对实际蒸汽管网建立拓扑图的过程中作了一些假设。具体简化内容如下：整个蒸汽管网主要由节点和支路两大部分组成。节点是管网中一个或更多管段流入或流出的地方，管道连接两个节点。其中节点又可以分为热源、中间节点和末端用户三类8。支线代表实际管段，通常把管路中蒸汽质量流量和管径都没有改变的一段管道称为一个计算管段 9。 阀门、变径等局部阻力元件，在造成的压力降不大的情况下，模型中不必考虑。假设后的管网拓扑见图 2。图 2 管网拓扑图2.2 流量模拟单相可压缩流体密度与压力关系：(1)4.396.0P 为液体密度，kg/m 3；P 为流体压力，Pa。流量微分方程：(2)02)(2Adx
6、Q综上两式得流量公式：(3)eLpPQ946.12.15.2043.其中，D 管段内径，m；e 管段效率，无量纲；f 管段摩擦系数，无量纲；L 管段长度，m ；P1 上游节点压力，Pa；P2 下游节点压力，Pa。2.3 冷凝水量模拟由于温差的存在，在任何蒸汽管道中，无论敷设于管外的保温层性能有多好，散热损失始终存在，以致管内的部分蒸汽冷却成凝结水 10。如图 3 所示一蒸汽管道，其质量平衡计算式为：(4)coim图 3 蒸汽管段计算例图能量平衡计算式为：(5)Hhmhcoi 用 x 代表冷凝蒸汽比，则： ix1将其代入能量平衡公式，化简得：(6)coiihmx在饱和蒸汽的前提下，给定管段进出口
7、的压力和流量，h i、h o 和 hc 可从蒸汽表中查到，而公式中唯一未知的热损失可由此计算：(7)mtKAH其中，K 为传热系数，W/(m 2 k)；A 管段面积，m 2； tm 管内外温差，。由于饱和温度与压力在实际流动范围内近似线性关系，用饱和蒸汽压结合蒸汽表可查出管道平均温度 Ta，设周围温度为 Tamb，则： 。 ambTt(8)2.4 局部阻力元件压降公式蒸汽流经局部阻力元件（阀门）的压降公式如下：(9) 12121 64.59sin)460(52360 PCgTGQsv其中，Q 流量，m 3/s；G 气体比重，无量纲；T 入口气体温度，；P1 上游节点压力，Pa； P 流经阻力元
8、件的压降，Pa；Cg 气体常数，m 3/h；Cv 液体常数，m 3/h；C1 Cg/ Cv，无量纲；C2 比热校正因子，取 1。3 模型验证3.1 实测数据实测数据来源于 2009 年 9 月 27 日空港加工区远传数据，所取数据以小时为单位。3.2 温度比较将模拟温度计算结果与实测数据进行比对，得到以下结果： 160165170175180185190195200205天铁 赛誉 万寿家 仁立 棉四 飞天家纺 中生乳胶 益源钢板 金威 高利乐 凯赫威 关节动力 色织 东亚 普林电路 利民调料 正达科技 华明永盛 应大 甘地特 碧珍 扎努西 丰田合成热 用 户温度 模 拟 值实 测 值图 4
9、温度比对由图 4 可看出，模拟值和实测值吻合的较好。除天铁模拟值和实测值平均相对误差为9%外，其他热用户模拟温度和实测温度平均相对误差均在3%以内。此外，模拟值普遍高于实测值，这主要是由于建模过程中并未考虑管网的跑、冒、滴、露，认为管网的保温及计量仪表运行良好，因此模拟温度比实测温度高。3.3 压力比较将模拟温度计算结果与实测数据进行比对，得到以下结果：5005506006507007508008509009501000飞天家纺丰田合成 甘地特 高利尔关节动力华明永盛 金威 凯赫威利民调料马鲁雅思 棉四普林电路 仁立 赛誉 丝绸 天铁 万寿家益源钢板 扎努西正达科技中生乳胶热 用 户压力(KP
10、a) 实 测 值模 拟 值图 5 压力比对由图 5 可看出，模拟压力和实测压力相对误差略大。除末端用户扎努西、应大模拟值和实测值平均相对误差分别为 26%、13%外，其他热用户模拟压力和实测压力平均相对误差均在10%以内。此外，模拟值略高于实测值，这主要是由于建模过程中并未考虑实际管网上的阀门及其他附属设备对蒸汽流动的阻力作用，因此模拟压力比实测压力高。4 模型修正鉴于模拟压力值普遍高于实际值，因此考虑在模型中加入阀门等局部阻力元件。根据实际调研，某些热用户在计量仪表前都有阀门，而且阀门并未全开。通过计算，阀门输入参数如下：表 1 阀门计算参数表阀 门 位 置 管 径 （ mm） 开 度 Cg
11、 C1丰 田 合 成 150 20% 0.16 29.75扎 努 西 200 10% 0.2 30.54飞 天 家 纺 250 30% 1.17 29.22应 大 200 10% 0.2 30.54益 源 150 20% 0.16 29.75高 利 尔 150 5% 0.03 26.37金 威 500 20% 2.55 28.95干 管 700 10% 1.74 26.37加阀门前后压力模拟值和实测值的比较如下表所示：表 2 加阀前后压力比较表实 测 压 力（ Kpa） 模 拟 压 力（ Kpa） 差 值 相 对 误 差 模 拟 压 力（ Kpa） 差 值 相 对 误 差飞 天 家 纺 795
12、.9 833.9 38.0 5% 785.4 -10.5 -1%丰 田 合 成 798.6 835.0 36.4 5% 824.7 26.1 3%甘 地 特 829.5 831.1 1.6 0% 830.9 1.4 0%高 利 尔 804.8 839.9 35.1 4% 813.6 8.8 1%关 节 动 力 838.6 840.8 2.2 0% 849.8 11.2 1%华 明 永 盛 861.6 807.9 -53.7 -6% 846.1 -15.5 -2%金 威 809.3 837.4 28.1 3% 832.6 23.3 3%凯 赫 威 874.4 840.4 -34.1 -4% 84
13、9.3 -25.1 -3%利 民 调 料 851.3 842.8 -8.5 -1% 856.5 5.2 1%马 鲁 雅 思 825.2 841.0 15.8 2% 851.0 25.8 3%棉 四 828.3 843.6 15.3 2% 857.2 28.9 3%普 林 电 路 830.9 843.2 12.3 1% 849.1 18.2 2%仁 立 840.8 845.0 4.2 0% 857.5 16.7 2%赛 誉 860.5 845.7 -14.8 -2% 857.8 -2.7 0%丝 绸 813.5 844.2 30.7 4% 848.9 35.4 4%天 铁 829.7 860.1
14、 30.4 4% 864.1 34.4 4%万 寿 家 840.2 845.7 5.5 1% 857.8 17.6 2%益 源 钢 板 804.0 841.8 37.8 5% 841.9 37.9 5%扎 努 西 668.0 838.3 170.3 25% 815.8 147.8 22%正 达 科 技 855.1 842.3 -12.8 -1% 854.4 -0.7 0%中 生 乳 胶 869.0 844.6 -24.4 -3% 856.4 -12.6 -1%热 用 户 名 称 加 阀 前 加 阀 后可以看出，通过加阀门，压力吻合度比未加阀门前有很大的提高，除扎努西这个末端热用户压力吻合度仍比
15、较高之外，其它用户的压力吻合度均在7%以内。5 结论本文建立了蒸汽水力热力模型，通过对案例初次模拟结果的分析，进行模型修正，在管网某些部位加入阻力元件。末端实测数据与模拟数据吻合程度很高，温度吻合度在5%以内，压力吻合度在7%以内。因此，该模型的准确性得以验证，可用于指导实际工程的设计及运行调节计算。参考文献1 王东. 城市蒸汽采暖系统热力与水力计算的研究D山东：山东建筑大学，2007.2 刘发启. 关于城市集中供热的住宅建筑节能措施研究J经济技术协作信息，2009，(29)：99-99.3 宋徐辉. 我国蒸汽系统现状及节能潜力J节能与环保，2007，(1)：52-54.4 Atli beno
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