模拟分析法在横琴新区供冷管网中的应用

李 睿，洪文鹏，曾贺湛，李海波，金 旭，杨 迪，吴 爽，黄飞强

(1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.珠海横琴能源发展有限公司，广东 珠海 519015)

水力不平衡在建筑物空调水系统中属于最常见的问题.由于水力不平衡导致整个系统分配无法达到合理化，造成部分区域流量过剩，部分区域流量不足，整个系统输送冷、热量不合理，引起能量浪费[1].水力平衡调试工作多在工程项目竣工后进行，由于没有实际负荷且调试质量难以保障，在后期运行过程中很容易出现各种水力失调问题.加之由于缺乏有效的运行管理技术，水力失调问题会随着运行时间的推移不断加剧[2-3].为了消除系统水力不平衡进而引起的冷热不均现象，必须对系统进行流量调节.

目前，国内外诸多学者已提出了比例法、补偿法、计算机法、回水温度法及模拟分析法等系统流量初调节方法.秦继恒[4]等介绍了比例调节法和实用调节法两种空调水系统水力平衡调节方法，指出在理论上实用调节法更为有效.陈云飞[5]以实际项目为例介绍了工程项目中常见的水力失调问题，给出了使用比例法进行调节时的流程、注意事项，以及一些提高调节工作效率的思路和方法.王鑫磊[6]在比例法水力平衡调试方法的基础上进行改进和调整，提出了基准流量比例法.但比例法、补偿法等流量初调节方法操作繁琐，难以在大型系统上应用，而模拟分析法具有迅速可靠、节省人力、实施方便等优点.本文应用模拟分析法对横琴新区供冷管网进行了初调节，验证模拟分析法在初调节中具有推广意义.

1 工程概况

本项目位于珠海市横琴新区，横琴新区3#站总供冷面积为498 813.9 m2，分北侧、南侧、西侧三侧进行供冷，其中北侧供冷面积为223 818.1 m2，南侧供冷面积为179 459.7 m2，西侧供冷面积为95 536.1 m2.横琴新区3#站共含有十三台循环水泵，具体水泵参数如表1所示.

表1 横琴3#站水泵参数表

横琴3#冷站供冷系统平面图如图1所示.图1中红色实线为管网分布，蓝色区域为管网北侧用户，紫色区域为管网南侧用户，黄色区域为管网西侧用户，具体数字编号所对应的用户名称及各用户的冷负荷如表2所示.

表2 横琴3#站冷负荷表

2 水力失调分析

2.1 水力失调定义

供热和供冷系统水力失调是指管网中各冷热用户在运行中的实际流量与设计流量的不一致现象.也就是说，供热或供冷管网不能按用户需要的流量 (热量或冷量)分配给各个用户，导致不同位置的冷热不均的现象[7].

供热或供冷系统水力失调的程度用水力失调度来衡量[8].

(1)

公式中：x为水力失调度；Vs为用户的实际流量(m3/h)；Vg为用户的设计流量(m3/h).

对于整个管网系统，各用户出现水力失调的情况是多种多样的，水力失调分为不一致失调和一致失调，一致失调又可分为等比失调和一致不等比失调[9].常见的水力失调状况，如表3所示.

表3 常见水力失调情况[9]

2.2 失调情况分析

在对管网水力失调情况进行分析前，首先对管网进行简化，对管段进行编号，并对相关信息进行统计.管网示意图,如图2所示.

对管网实测数据进行统计，并进行水力失调度的计算[10]，如表4所示.

表4 横琴3#站实测流量表

由实测数据可知，北侧管网的实测总流量为GN=9 542 t/h，北侧管网的设计总流量为G′N=10 092 t/h，则系统北侧的实际失调率xN=GN/G′N=0.95；南侧管网的实测总流量为GS=2 196 t/h，南侧管网的设计总流量为G′S=3 143 t/h，则系统南侧的实际失调率xS=GS/G′S=0.70；西侧管网的实测总流量为GE=7 128 t/h，西侧管网的设计总流量为G′E=5 512 t/h，则系统西侧的实际失调率xE=GE/G′E=1.29.

对实测数据进行分析，北、南两侧管网的总实测流量均小于设计流量，西侧管网的总实测流量大于设计流量.其中南侧管网失调度相较于北侧和西侧更大，其冷量不足的情况更为严重.北侧管网8个用户中，5个用户的水力失调度处于0.8～1.2之间，其中水力失调最严重的华融大厦用户，水力失调度达到0.65，流量严重不足.南侧管网的水力失调情况较为严重，10个用户中仅有1个用户的失调度在0.8～1.2之间，而其中消防站用户流量过大，水力失调度达到2.59，创意谷用户流量过小，水力失调度达到0.39.西侧管网的水力失调情况相对平均，水力失调度接近西侧总失调度.

通过上述水力失调的分析，横琴3#冷站三侧均存在水力失调现象，需要对其进行流量初调节.

2.3 数学模型及MKP法

根据管网的拓扑结构性质，若一个管网的节点数

为m，管段数为n，则整个管网的流动方程组为[11]

公式中：A为(m-1)×n的管网关联矩阵，其中各元素的值为1，-1或0；Bf为管网基本回路矩阵，若设n-m+1=k，则为k×n矩阵；G为管段流量向量，G=(G1，G2，…，Gn)T(m3/h)；ΔH为管网水头降向量，ΔH=(ΔH1，ΔH2，…，ΔHn)T(kPa)；Q为(m-1)个元素的常向数量，代表各节点的净出流量(m3/h)，流入为正，流出为负；S为n阶的对角矩阵，Si角代表各管段的阻力特性系数(h2/m5)；∣G∣为n阶的对角矩阵，∣Gi∣角代表各管段流量的绝对值；DH为管段水泵扬程向量，DH=(DH1，DH2，…，DHn)T(kPa)，当管段不含水泵时，该管段DHi=0.

应用基本回路法求解方程组的过程所编写的程序即为MKP程序，MKP程序框图,如图3所示.

3 初调节方案及效果分析

横琴新区供冷系统是一个耦合系统，各用户支线阀门的调节，均会对其他支线以致整个供冷系统的流量造成影响.将某一用户流量调节为理想流量后，再对其他用户流量进行调节，前一用户流量已不再是理想流量.采用“模拟分析”初调节法，即可解决这一问题.

在计算机上制订初调节方案，首先应当确定阀门的调节顺序，基本调节原则为失调度大的用户先调节，失调度小的用户后调节.其中北侧从水力失调度最大的编号01号用户励骏友谊广场开始依次进行调节，南侧从水力失调度最大的编号12号用户消防站依次进行调节，西侧从水力失调度最大的编号19号用户恒立大厦依次进行调节.

用户流量完全取决于阻力特性系数矩阵S，按照调节顺序，用理想阻力特性系数代替实测阻力特性系数，每作一次替换运行一次MKP程序，计算该次替换后系统的运行参数，直至完全替换，将替换结果进行记录，即为初调节方案.初调节前后各个用户的水力失调度如图4所示.

分析实测数据和上图可知，在进行初调节前，北、南、西三侧用户均存在一定程度的水力失调现象.在进行水力初调节前，北、西、南三侧全部22个用户，仅有6个用户不存在水力失调现象，水力失调度处于0.8～1.2之间，经过水力初调节后，所有用户的水力失调度均在0.8～1.2之间，达到水力平衡.水力初调节后，北侧、南侧、西侧的总流量分别为10 124 t/h、3 108 t/h、5 468 t/h，其与该侧理想流量的差值均在5%之内，而超过半数用户的调节后流量与理想流量的差值在3%之内，可见水力初调节效果是理想的.

4 结 语

通过对管网水力工况的计算和分析，以实用化为目标，针对横琴新区供冷管网建立数学模型，应用“模拟分析法”编制初调节程序，为实际应用于工程实践中供冷管网的调节提供了一种新方法.“模拟分析法”调节量小，模拟调节精度高，调节设备少，对于多用户供冷(热)管网的调节的开发具有一定的参考作用.