小区庭院管网水力特性仿真

陈 鑫 李 凡 徐 峰 张 宇

(河北建筑工程学院，河北张家口市，075000)

0 引 言

近年来，集中供热面积普及率逐年提高.截至2017年底，河北省张家口市实现集中供热面积约为3667万平方米，集中供热实现率达95%以上.但是目前，集中供热运行存在一些问题.很大程度上，对城市集中供热系统的运行管理，沿袭了老的锅炉房采暖习惯.因此，寻找合理的运行模式对于供热系统运行意义重大.由于供热系统复杂多样，影响供热效果的因素众多且各参数之间相互耦合，实际工程中，若采用实验研究，难度大且不易实现.所以，本文拟借助计算机进行仿真，建立供热系统的水力仿真模型，对小区庭院管网水力特性进行可视化仿真，用来寻找合理的运行方式以指导供热系统的实际运行[1].

1 仿真对象

本文的仿真对象设为张家口市某小区庭院管网，该小区为新建小区，小区内均为2F小楼，共22排，小区总建筑面积31720m2，共有住户122户，户内采暖方式均采用地板辐射，小区通过热力站供热，热力站位于小区正北侧，供热主干线从小区北侧接出，供热管网平面如图1-1所示.

图1-1 管网布置平面图

2 庭院管网水力仿真模型

综合各干扰因素建立供热管网的仿真模型，将热网归纳为几大构件元素：循环水泵、压力节点、常用阀门，建立其数学模型和仿真模型.

2.1 供热管网主要构件的数学模型

2.1.1 循环水泵数学模型

供热管网运行中，循环水泵对管网合理运行起着关键的作用.本文基于流体输配管网的基础知识、利用泵的特性曲线及泵的相似率等知识建立循环水泵数学模型[2].根据管网运行特性，管网压力和流量的关系如下：

ΔP=SG2

(2-1)

管网运行过程中循环水泵扬程可表示为：

其中P2、P1为运行中泵的进出口压力；S为供热系统的总阻抗；H为循环水泵扬程.

根据泵的相似律，循环水泵变频运行时其扬程—流量性能曲线为：

K1、K2、K3为循环水泵的数学表达式系数，与循环水泵的型号有关；G为管网流量.

联立(2-1)、(2-2)、(2-3)，求得循环水泵的流量和扬程，即

由循环水泵的流量代入方程(2-1)或(2-2)可求得循环水泵的扬程.由循环水泵的扬程—流量性能曲线可知：K1>0K3<0；因泵的流量G>0，故上式中根号前取负号.

图2-1 供热管网节点示意图

依据以上循环水泵的运行工况及供热管路的特性曲线方程即可求出循环水泵的运行工作点，以此可以确定管网运行流量及运行阻力.

2.1.2 压力节点的数学模型

供热管网中的压力和流量有着很强的耦合关系，可以概括为流体网络模型(如图2-1所示)，整个供热管网可以由若干个压力节点相互联系而形成.典型压力节点数学模型可以根据能量平衡、质量守恒方程建立.

根据节点处列质量守恒方程求解节点压力值P[3].即：

其中G1、G2为管路1，2流入压力节点的流量；G3为管路3流出压力节点的流量；

由G=ρV可得：

庭院供热管网中水温不高，可以忽略密度随温度的变化，故式(2-6)可简化为

此节点方程可以扩充到流体管网中，管网由各个不同的压力节点组合而成.

2.1.3 阀门的数学模型

在供热管网中阀门种类较多，不同的阀门应用场合有所不同[4]，但多数阀门的开度与阻力均有相应关系，假设阀门阻力大小随着开度的变化而变化.

G=F·v

(2-11)

其中Pin、Pout为阀门的前后压力；ξ为阀门阻力系数，其大小与阀门的开度有关；v为流体流速；g为重力加速度；F为管道的截面积；G为管内流体流量.则：

其中C为阀门的流通能力，对于固定阀门，其大小主要取决于阀门开度.由上式可知，通过阀门的流量由阀门前后的压差决定.

2.2 供热管网的仿真模型

建立好各构件的数学模型后，确定好各个构件的输入量、输出量和常数量，将数学模型转化为Fortran语言，再将Fortran语言导入CyberSim仿真软件中，转化为各个构件的仿真模型.通过各构件仿真模型组态，得到了该小区供热管网的仿真模型，实现了供热管网的运行可视化.该小区的仿真模型如图2-2所示.

图2-1 供热管网仿真系统示意图

3 仿真模型运行结果

3.1 模型运行

该仿真模型根据管网设计情况建立，假定各用户负荷一致、阻力一致.在仿真平台上运行该管网，可以得到管网在不同工况下的用户流量、供回水压力、供回水温度及水力失调度情况.将热力站出口主干线的分支由近到远分别设定为支路1-6，朝阳路每个分支带24个用户，栖霞路每个分支带20个用户，主管道管径为DN250，各支管管径为DN125.

在管网不进行调整的情况下，仿真模型分别在循环水泵35HZ、40HZ及45HZ工况下运行，得到不同工况下各分支及用户的流量分配及水力失调度情况，如图3-1至3-2所示.

图3-1 水泵不同频率下各支路流量分配 图3-2 水泵不同频率下各支路水力失调度

由图可知，各分支的流量随水泵运行频率的增加而增加，各支路增加幅度大致相同.由水力失调度显示可以看出，近端用户水力失调度大于1，远端用户水力失调度小于1，即近端流量偏大，远端流量偏小.说明该管网存在一定程度的水力失调.这与实际管网运行情况相吻合.

图3-3 不同频率下最近端与远端用户流量分配 图3-4 不同频率下近端和远端用户的水力失调度

图3-3和图3-4分别为水泵在不同频率下最近端用户和最远端用户流量及水力失调度情况.由图可知，随着水泵频率的增加，用户流量增大，且近端用户水力失调度有所下降，说明，大流量可以掩盖一定程度的管网水力失调.

3.2 模型运行调节结果

由模型运行结果可知，该管网存在一定的水力失调，在仿真平台上采用比例调节法对该管网进行调整.按水力失调度从大到小进行排序进行支线内管网调整，调整结束后再进行支线间的平衡调节，管网调整的结果如图3-5所示.

图3-5 管网调整前后各支路流量分配 图3-6 管网调整前后各支路水力失调度

由图可知，通过对管网进行调整，近端支路流量有所下降，远端流量上升，调整后各分支水力失调度接近1.从仿真平台可以导出管网平衡状态下各支路阀门开度，如表3-1所示：

表3-1 管网平衡状态开各支路阀门开度值

该仿真结果对于实际管网水力平衡调整具有一定的指导意义.

3.3 模型误差分析

该仿真模型是根据设计工况建立的，但实际工程中，因安装方式、施工质量、运行习惯等不同，易造成管网实际运行的阻力与设计工况有所不同.因此，仿真结果与实际运行结果有一定偏差.因此，模型应用时应根据其实际运行数据对仿真模型进行调试，模拟得到真实用户阻力及管网阻力，以提高仿真模型运行精度.

4 结 论

本文基于供热工程、能量平衡等原理，建立了供热主要构件的数学模型和仿真模型，并利用模型组态，得到了庭院管网的可视化仿真模型，实现了小区供热管网的水力运行特性仿真.仿真模型结果显示，该管网存在一定程度的水力失调，在仿真平台上通过对用户阀门及支线阀门的调整，实现了管网的平衡调整，锁定阀门开度，仿真结果对于实际管网运行调整具有一定的指导意义.