深析供热管网动态特性及其控制策略

袁 锋

（郑州市建筑设计院，河南 郑州 450052）

深析供热管网动态特性及其控制策略

袁 锋

（郑州市建筑设计院，河南 郑州 450052）

在我国人口规模以及生活质量不断增加的情况下，集中供热的规模也在随之增加，供热系统是一个非常复杂且多变量的控制系统，拥有合理调节措施以及控制算法的供热系统，不仅可以保护环境，还可以节约能源。但是从目前我国供热系统的建设与设计的相关情况来看，仍然存在较多方面的不足，不仅能源利用率不高，而且系统效率和调控装备也不够完善。本文主要对供热管网的动态过程进行详细的分析，并在此基础上提出有关运行调节的相关策略，以便提升我国供热系统的建设水平。

供热；管网动态；特性；控制；策略

目前，我国北方冬季取暖的主要方式就是集中供热，随着我国供热规模的不断增加，供热所需的能源消耗也随之增加，由于我国人口数量比较多，能源人均占有量非常有限，据相关调查表名，我国煤炭储量占世界储量的 11%，而人均煤炭储量仅为世界平均量的42.5%。因此如何对我国供热事业进行深化改革，开发研究出稳定、节能、高效的运行方式与供热系统，是我国供热行业目前必须重视与继续解决的问题，以便获得一项现代自动化技术，使供热行业获得更大的社会效益与经济效益。

1.供热管网动态特性的现状

由于供热管网动态性的组成和结构成分比较复杂，对其研究起来有一定的困难性，完全稳定热力工况也有一定的难度，只有采用动态方法分析热力工况，才能有效实现按需供热的要求。

目前我国在供热管网动态研究方面主要有以下几种方式：（1）进行理论研究和分析，基尔霍夫第一、第二定律等基础理论的应用和研究，把复杂的管网结构转化成数学模型，通过计算机完成水利计算。（2）通过仿真模型与物力模型各工况结果的对比，证实仿真模型的相似程度，通过对仿真模型的研究来实现对网络系统的研究。（3）通过对改造、改建、运行或新建的具体实际工程的研究，提出问题、解决方案。

2.供热管网的建模

对于供热管网进行控制与调节，能够使整个管网整体协调控制，满足不同用户的供热需求，从最大程度上节约能源，从而使供热管网从满组了不同用户的供热需求以及最大限度的节约能源方面得到优化。供热管网作为一种控制对象，首先要了解其本身固有的动态特性，然后在此基础上根据管网的特点，提供调节策略与控制算法。

2.1 供热系统管网的水利工况模拟

一般情况下，供热系统中，系统的水利工况是指压力与流量的分布状况。想要对供热管网进行模拟，首先应对其水利工况进行系统的分析，供热系统的供热网是一种流体网络，与电网络类似，基本原理遵从霍尔夫流量定律与压降定律，（三个热用户的供热管网的流体网络模型图如图所示）。本文主要按图1的管网作为研究对象，从3个热用户的管网开始其动态性以及控制策略的研究。

图1 流体网络模型图

3.供热管网节点处的换热数学模型

对于管网供水段上的节点，其流入温度值等于流出节点流体的温度值；而对于回水管段上的节点，则由于流入节点的流体温度志不同在节点处进行了接触换热，节点输出流体的温度满足混合流方程。本文在假设的前提下，详细分析供热管网的特点，提出一种能够在流量时变的情况下传输水温的方法，即分段计分法，求出个小段管道水量平均温度值，再对流速进行实时积分，以便实现管道对供回水温度的输送。

4.管式换热器的数学模型

假设:(1)忽略热水器中的压降（取换热器中压力保持不变）及动量的变化；（2）换热器中介质为不可压缩流体（热换器图化图如图2所示），其密度可视为不变；（3）截止的比热近似为常数。

本次试验主要对不同扰动因素，推导出不同分段线性化的传递函数，并在分段数量趋于无穷大是证明出传递幻术的极值与分布参数模型的解析完全一致。在此基础上，将该方法进行推广至集总参数形式的分段性化方法，以此来接近分布参数模型，从物理和数学模型量方面分析该方法的可行性。

图2 热换器的图化示意图

在时间间隔dt内，从壁面向流体的传热量为：dQ2-a2（Tw-T2）S2dldt

从流体状态参数的变化角度来看：dQ2-mdu2-A2p2c2dldT2

可写出壳侧介质的动态方程：

集总参数形式的分段线性化方法对换热器模型的仿真，对于不同的换热器，其效果也不同。比如逆流管式换热器热侧入口温度扰动对于冷侧出水温度的延迟环节没有影响，但对其惯性环节的没有影响，但是对换热器惯性环节有较大的影响，而对于热侧出口温度，不仅影响其惯性环节还影响其延迟环节[1]。

5.供热管网的动态性仿真

本次实验在连接成的小型枝状管网上对供热管网进行实例仿真，（小型枝状管网如图 3所示）主要分析供热管网中多种可能出现的工况，利用阶跃响应从温度动态曲线的角度对管网的各个换热站的热交换影响情况进行详细分析，结果符合逻辑分析。假设：供热管网在启动的过程中热源出供热量不变，启动时1、2、3、三站各站流量一次侧为：20t/h、14t/h、10t/h；二次侧分贝为10t/h、12t/h、20t/h。启动时首站和各热力站一次侧入口温度都为0℃，二次侧入口温度为40℃、45℃、55℃[2]。

图3 小型枝状管网

5.1 一次网流量扰动从图 3可得出，从三个换热站的一次网侧热水进口温度变化来看，由于总站离各换热站的距离不同，而产生了不同的延迟。从换热站二次侧口的温度变化的情况可得出，在流量变化之后，3号换热水站的出水温度明显下降，而总站的出水温度明显上升，1号站和2号站水温没有多大变化。在以此网总流量变化之后延迟了一段时间后温度慢慢下降，这是由于3号站的一次网的热水口温度下降造成的，而且其温度变化的滞后时间即为3号站到总站的温度传输所用的时间。综合流量通道的变化在1.04-1.06万秒时有一小段的温度回落，随着总站入口温度的升高逐渐回温，直到最后趋于稳定[3]。

5.2 二次网流量扰动

从各二级站的二次侧出水温度变化的曲线来看，2号站冷侧流量上调之后，其冷侧出口温度最先下降，由于 2号站的二次侧流量变化的影响，总站出口温度也开始下降。随后由于总站的出水要传递到各个热换站热侧进口，使得各站冷热两侧出水温度开始下降，但是 2号站的一次侧入口温度与二次侧流量同是变化。这样整个管网温度的变化就由2号换热站的冷测流量通道反映在2号站的热侧口，继而通过温度通道专递给各二级站[4]。

5.3 二次回水温度扰动

对于二次网回水温度的扰动响应，同二次网侧流量扰动的影响几乎相似，其先对该站的热侧出水温度产生影响，然后在通过回水管道传给总站，总站再传给各个热力站，从而引起各站冷侧出水温度变化，传递给各用户，改变室内温度。

综上所述，由于管道输送的延迟特性，因此供热系统具有一定的时差性以及时变性，而用户室温的变化以及换热器本身的一些参数会随着流量与水温的变化而变化，再加上各换热站之间是通过水管相连，一个站改变就会使其他的站随之改变。在供热管网动态特性及其控制策略的研究与管网仿真试验中，通过各种控制算法对供热管网进行控制验证与比较，取其优者，达到供热管网协调节能控制、整体优化的目的。

[1]叶泉流.集中供热管网动态特性及其控制策略研究[J].山东大学,2013,23(14):23-28.

[2]王淞,刘威.分户计量供热系统室温及热负荷动态模拟软件研究[J].暖通空调,2013,33(21):12-16.

[3]王昭俊,董立华,姜永成,赵佳宁.热计量变流量供热系统室外管网动态水力失调与控制[J].哈尔滨工业大学学报,2012,4(22):23-28.

[4]唐玉峰,田茂成,张冠敏,姜波.集中供热孕程网络控制系统优化设计[J].山东大学学报,2012,54(36):43-47.

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1007-6344（2015）08-0049-02