供热管网泄漏故障的仿真研究

徐 峰 郝哲宇 吴兴栋 陈 鑫

(1.张家口市可再生能源储热装备与利用重点实验室，河北 张家口 075000;2.张家口市可再生能源供热工程技术研究中心，河北 张家口 075000;3.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000;4.北京建工四建工程建设有限公司，北京 100123)

0 引 言

近年来，随着经济和科技的不断发展，我国的集中供暖事业取得了较大进步.同时，城镇新建建筑不断增加，需要将新建建筑接入热力站及供热管网系统，致使供热管网系统规模不断扩大.运行多年的老旧管网，由于外保温损坏及管道腐蚀等原因，供热管网泄漏故障频发.但引起管网泄漏因素众多，且泄漏发生的时间和地点不易被迅速发现，这给供热管网的安全经济运行带来巨大隐患[1].鉴于此，本文在前期供热管网仿真研究基础上，建立供热管网压力节点泄漏模型，对不同节点及泄漏量进行模拟，并根据模拟数据对供热管网压力、流量的变化和特点进行分析，为供热管网泄漏故障预判和诊断提供参考依据.

1 泄漏压力节点的数学模型

供热管网运行过程是一个连续的过程，各个设备、用户、管段之间的压力参数是相互联系的，其压力、流量关系可以概括为流体网络模型，整个供热管网由压力节点相互联系形成[2].供热管网发生泄漏会引起管段压力变化，所以管网泄漏处的压力节点不同于闭式管网的压力节点，其与外界压力连通，典型泄漏压力节点模型如图1，根据质量守恒和能量平衡建立泄漏节点的数学模型.

图1 供热管网泄漏节点

根据节点质量守恒方程：

(1)

其中W为压力节点处的流体流量；W1、W2为管路1，2流入压力节点的流量；W3为管路3流出压力节点的流量；W4为管路泄漏点流出压力节点的流量.

由W=ρV得：

(2)

水为不可压缩流体，忽略体积变化，假设V为定值，则：

(3)

由于ρ=f(P,H)，则有：

(4)

在供热系统中，焓值变化较压力变化速度慢很多，忽略不计焓值的变化，则：

(5)

若各节点压力P1、P2、P3为已知量，泄漏点压力Pa为大气压力，且P1>P0、P2>P0、P3

(6)

(7)

(8)

将泄漏压力节点的数学模型转化为Fortran语言输入Developer Studio中，将输出的模块导入CyberSIM仿真软件中；设置好常数量以及节点连接管路数，即可进行仿真模型的迭代计算显示出节点压力值.

2 管网泄漏的仿真模型

将泄漏节点设置在既有小区供热管网仿真模型中，建立该小区供热管网的泄漏仿真模型.该小区采暖方式为暖气片，用户均为单体二层住宅楼，栖霞路5个用户为1栋，朝阳路6个用户为1栋，共22栋.小区换热站位于小区北侧，总管径为DN250[3].主管沿栖霞路与朝阳路中敷设，沿1、6巷分别出分支管为东西巷建筑供热，每栋建筑单设分支.小区庭院管网平面布置图如图2所示.供热管道采用直埋敷设，供热管网泄漏故障问题采用实验方法研究无法实现，因此需要借助仿真软件进行供热管网泄漏工况仿真，对小区泄漏故障进行模拟.

图2 小区庭院管网平面布置图

根据小区供热管网搭建的庭院管网仿真模型如图3，在循环水泵入口处进行补水定压，定压点压力为0.22 MPa，正常运行时管网总流量为132 t/h.当供热管网发生泄漏时，系统压力降低，补水系统开始补水从而维持定压点处压力不变.

图3 小区庭院管网仿真模型

3 供热管网泄漏工况模拟分析

泄漏故障是供热管网运行中最常见的故障之一，由于施工不当、损坏，管道老化、腐蚀等都会导致管道泄漏，尤其是在管道的焊缝处.管道的泄漏会影响整体供热系统的运行，同时，管网的泄漏量和泄漏位置不同，对其整体系统的运行参数影响也会有所不同[4-5].

3.1 主干管泄漏工况模拟分析

为了直观表示，将小区庭院管网平面布置图简化为枝状管网系统图，如图4.本节模拟主干管枝状管网图4中供水处节点4与节点6在漏水率4%的情况下，压力与流量的变化情况.

图4 小区庭院管网系统图

从图5中可以看到，当供水管道发生泄漏时，管段的整体压力都会下降；当管段发生泄漏时，泄漏点周围处压力变化最为明显；当管道泄漏量相同时，泄漏点4与泄漏点6相比，泄漏点6发生泄漏，漏点之前的节点压力大于泄漏点4泄漏时的各个节点压力，因此可以推断出：泄漏点越靠前，管段节点压力变化越明显；漏点越靠后，靠近末端，系统节点压力变化越平缓.

图5 泄漏工况下供水管节点压力变化图

当供水管段节点4与节点6在漏水率4%的工况下，回水管段节点压力变化如图6所示.从图6中可以看出，当供热系统发生泄漏时，回水管段的整体压力都会下降；当泄漏点4发生泄漏与泄漏点6发生泄漏时，回水管段节点压力相比，泄漏点4发生泄漏时回水管段各个节点压力要比漏点6发生泄漏时回水管段各个节点压力要大一些，因此可以推断出：泄漏点越靠前，对回水管段各个节点压力影响越小，泄漏点越靠后，对于回水管段各个节点压力影响越大.

图6 泄漏工况下回水管节点压力变化图

泄漏故障时压力变化，必然会引起系统流量变化，图7为供水管段节点4与节点6发生泄漏时，供水管管段流量变化图.

图7 泄漏工况下供水管段流量变化率图

从图7中可以看出，当供热系统发生泄漏时，补水系统进行补水，泄漏点前的供水管各个管段流量均大于正常工况流量；漏水点后的管段流量均小于正常工况流量.越靠近漏点处，流量变化越明显，流量变化率越大.当节点4与节点6泄漏量相同时，节点4发生泄漏时，供水管管段1-2、2-3、3-4中的流量均大于节点6发生泄漏时的管段流量，因此可以推断出：泄漏点越靠前，主管供水段上流量增加越多，泄漏点越靠后，主管供水段流量增加越少.从图中可以看出，节点6泄漏引起的管段流量变化率明显要大于节点4泄漏引起的管段流量变化率.

当供水处发生泄漏故障时，回水管段流量也将发生变化，如图8为供水管段节点4与节点6发生泄漏时，回水管管段流量变化图.从图中可以看到，当系统发生泄漏故障时，回水管段中回水流量均小于正常工况下的流量，因为存在补水系统补水，所以回水管段中流量变化没有供水处流量变化大.当节点4与节点6泄漏量相同，节点4发生泄漏时回水管段的流量大于节点6发生泄漏时回水管段的流量，从图7中也可以看出，节点4泄漏各个管段流量变化率小于节点6泄漏各个管段的流量变化率，因此可以推断出：供水管段泄漏点越靠前，对回水管段流量影响越小；泄漏点越靠后，对回水管段流量影响越大.

图8 泄漏工况下回水管段流量变化率图

3.2 用户管段泄漏工况模拟分析

用户处发生管段泄漏，同样会引起系统压力和流量的变化，以栖霞路西一巷分支为例，进行用户泄漏模拟分析，该分支共有5个用户，因各户面积相同，户型相同，用热相同，所以正常运行时各户流量基本一致.利用仿真平台模拟U3、U5用户发生泄漏时该分支节点流量和压力的变化情况.该分支管段节点示意图如9所示.

图9 栖霞路西一巷分支管段支点示意图

3.2.1 用户供水侧泄漏

在仿真平台上运行模型，将用户U3与用户U5的供水管段处设置泄漏点，泄漏率设为10%，观察该分支流量变化情况，设置泄漏后，各管段流量如图10、11所示.

图10 用户供水管段流量变化率图 图11 用户回水管段流量变化率图

由图10、11可以看出，用户发生泄漏故障时，分支管段供水流量会增加，回水流量会下降，供水流量减去回水流量基本等于泄漏的流量，但回水处流量变化程度没有供水处流量变化明显.从图10中可以看出用户U3供水处泄漏引起管段2-3处流量变化率增加，流量增加；管段3-4、3-5处流量变化率为负，说明该处流量有所减少；用户U5供水处泄漏会导致所有供水管段流量增大，4-5处流量变化率增加最明显.

当供水管段发生泄漏故障时，各个用户流量变化率如图12所示.

图12 热用户U1-U5流量变化率图

从图12中可以看出，当分支中某一用户发生泄漏故障时，各个用户流量都稍有下降，但漏点以及漏点周围流量变化最明显.当用户U3与U5在供水段泄漏流量相等时，用户U5流量变化率明显大于U3.因此可以推断出，用户供水段泄漏，泄漏用户越靠前，用户流量变化率越小；泄漏点越靠后，用户流量变化率越大.

3.2.2 用户回水侧泄漏

在用户U3与用户U5回水处设置泄漏点，泄漏量均设为10%，通过模拟得到供水管段流量和回水管段流量变化如图13、14所示.

由图13、14可以看出，当用户回水段发生泄漏故障时，管网流量变化规律和供水段发生故障时相同.图中可以看出，供水流量会增加，回水流量会减少；回水流量变化明显大于供水流量变化；用户回水段U5泄漏情况下的流量变化率要大于用户U3回水段泄漏的流量变化率.

图13 用户供水管段流量变化率图 图14 用户回水管段流量变化率图

由图15可以看出，当用户回水管段发生泄漏故障时，由于供水流量的增加，经过用户的流量基本都会增加.用户U3与用户U5回水处发生泄漏，流过U3与U5的流量增加最多.从图中可以看出，用户U3回水泄漏与用户U5回水泄漏对经过用户U1的流量影响最小.

图15 热用户U1-U5流量变化率图

综合图12和图15发现，用户泄漏故障位置不同，用户侧流量变化有所不同.供水段上发生泄漏故障会导致用户流量减少，回水段发生泄漏故障会导致用户流量的增加.无论是供水段发生泄漏故障还是回水段发生泄漏故障，都会导致管网总的供水流量增加，总的回水流量减小[1]，从而造成循环泵的流量增加，扬程下降，水泵的耗电量增加，系统运行成本增加.同时泄漏工况发生后，庭院管网总流量会有所增加，但供热效果会变差，原因是系统大量补入冷水，造成供水温度下降.

4 结 论

本文利用Cybersim仿真软件搭建供热管网仿真模型，创建节点泄漏模块，在二次管网主管段以及用户段供回水处设置泄漏点，进行供热管网泄漏工况下的模拟仿真，分析泄漏故障时管网流量的变化规律.仿真结果表明，无论是主管段还是用户侧，发生泄漏故障都会使系统供水流量增加，回水流量减少，且泄漏点越靠近末端，供回水管段的流量变化率就越大.所以，可以根据系统运行参数的变化规律来判断泄漏故障的位置及严重程度.