（动力机械及工程专业论文）热力发电厂母管制给水系统优化运行及研究.pdf

摘要 摘要 提高能源利用率和降低环境污染已经成为全球重视的课题。热电联产符合按质用能的原则，是 一种高能源利用率的节能减排手段。供热机组的给水系统耗电在热电厂厂用电中占有很大的比重； 母管制给水系统不仅可以减少备用给水泵的数量，而且使给水系统的运行方式更为灵活，还可以降 低给水系统耗能；因此，母管制给水系统在我国供热机组中被广泛应用，但给水管网运行的优化问 题一直未得到很好解决。 作者在阅读大量中外文献的基础上，对给水管网水力特性进行深入分析，从母管制给水管网的 机理模型着手，根据流体力学相关知识，将复杂的管网模块化、简单化。通过利用计算机语言将常 规计算所需查询的图表程序化，大大地减小了工作量。 本文采用a p r o s5 0 4 高级过程仿真支撑系统，以扬子石化热电厂的给水管网系统为对象，采 用以模块化建模思想为指导的自动建模技术，利用支撑系统提供的基本组件模型进行图形组态，开 发出给水管网模型。仿真模型具有通用性强、计算精度高和仿真收敛迅速等特点，因此，它可以很 好地反映现场给水管网的真实运行特性，为运行人员提供了一定的参考。 本文中的弯管和三通仿真模型考虑了其局部阻力系数的变动情况，在一定的计算周期内重新查 询它们的阻力特性值，并将仿真模型里的值进行刷新，以尽量减小了仿真计算的误差。本文给水泵 静态特性采用的是现场试验结果，并可在仿真系统中对给水泵进行动态仿真试验，得到模型各主要 输出参数的响应曲线，与理论分析达到一致，能够满足对现场对象进行动态仿真的要求。根据扬子 石化热电厂提供的具体运行数据，调试得到模型在对应的负荷和给水运行方式工况下的仿真运行数 据，并与实际运行数据比较，误差很小。 本文把神经网络应用于解决给水泵和加热器的流量的在线测量，充分利用b p 神经网的显著特 点：具有非线性映射能力，不需要精确的数学模型，擅长从输入输出数据中学习有用知识，容易实 现并行计算；建立了精确的给水泵及高加的流量软测量模型。 最后，本文利用v c 、v b 和m a t l a b 共同开发了母管制给水管网的实时优化软件，该软件采 用人机交互界面，具有界面友好，操作简单等特点，比较适合实际工程应用。 本文所提出以泵的功耗与抽汽回热损失发电之和为优化目标，不仅减小了机组的热力计算量， 而且使优化目标更为明确。 关键词：母管制给水系统数学模型仿真运行优化 a b s t r a c t a b s t r a c t r a i s i n ge n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i oa n dr e d u c i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r ea l r e a d yg r e a ts u b j e c t sa l l a r o u n dt h ew o r l d t h ec o g e n e r a t i o n ，w h i c hi sa c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l eo fu l t i z i n g ，i sa l le f f i c i e n tw a y f o ri m p r o v i n ge n e r g yu l t i z a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt h ea m o u n to fe x h a u s t i nh e a ts u p p l yu n i tp l a n t s e r v i c ep o w e rc o n s u m p t i o n ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o no ff e e d w a t e rs y s t e ma c c o u n t sf o ral a r g ep e r c e n t a g e f o rb e i n ga b l et or e d u c et h en u m b e ro fs t a n d b yp u m p ，m a k et h es y s t e mb ef l e x i b l ea n dr e d u c ee n e r g y c o n s u m p t i o n ，h e a d e rt y p ef e e d - w a t e rs y s t e mi sw i d e l yu s e d h o w e v e r , t h eo p e r a t i n go p t i m i z a t i o no f h e a d e r t y p ef e e d - w a t e rs y s t e mh a sn o tb e e ns o l v e d o nt h eb a s i so fm a n ya r t i c l e sb o t hh o m ea n da b r o a d a u t h o ra n a l y s i st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e f e e d w a t e rs y s t e r m , i nc o m b i n a t i o nw i t hf l u i dm e c h a n i c s ，m a k et h es y s t e r mb em o d e lm o d u l a r i z a t i o na n d s i m p l i f i c a t i o n p r o g r a ml a n g u a g ei si n s t e a do ft a b l e s e a r c h i n gm e t h o d ，a n dw o r kt a s kb e c o m es i m p l e a p r o s 5 0 4 ，a l la d v a n c e dp r o c e s ss i m u l a t i o ns u p p o r t i n ge n v i r o n m e n t ，w h i c hp r o v i d e sb a s i cp r o c e s s c o m p o n e n tm o d e l sf o rg r a p h i cc o n f i g u r a t i o nb a s e do nm o d u l a rm o d e l i n g ，i su s e di nt h i sa r t i c l et od e v e l o p t h em o d e l so fa l ls u b s y s t e m so ft h et u r b i n e i s l a n df o ry a n g z ip e t r o c h e m i c a lp o w e rp l a n t h a v i n gs t r o n g c u r r e n c ya n dh i g hp r e c i s i o n , s i m u l a t i o nm o d e lc a nr e a l l yr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef e e d w a t e r s y s t e r m a c c o u n ti n t ot h ef o r ml o s sc h a n g eo fb e n da n dt h r e e w a yp i p e ，r e f r e s ht h ef o r m l o s si nap e r i o d , t h e c a l c u l a t i o ne r r o ri sr e d u c e dt ot h em o s te x t e n t r i t he n o u g ht e s t e dd a t af o rp u m p t h ep u m ps i m u l a t i o n m o d e lc a nr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o c a lp u m p d y n a m i cs i m u l a t i o nt e s to ft h ep u m pi sa l s od o n e ， d y n a m i cc u r v eo ft h em o d e li sc o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s w i t ho p e r a t i o nd a t ao fy a n g z i p e 仃o c h e m i c a lp o w e rp l a n t c o m p a r e dw i t ht h er a t e dd a t a ，t h ef i n a le r r o ro ft h es i m u l a t i o nm o d e li sv e r y s m a l l w i t ht h ea b i l i t yn o n l i n e a ra p p r o x i m a t i o na n d l e a r n i n g ，n e u r a ln e t w o r ki su s e df o rb u i l d i n g s o f t - s e n s i n gm o d e l n em o d e lc a nc o n v e r g e sq u i c k l yw i t hah i 曲c a l c u l a t i o na c c u r a c y f i n a l l y , t h i sp a p e ru s e sv b ，v ca n dm a t l a bt od e v e l o pa no n l i n eo p t i m i z a t i o ns o f t w a r eo fh e a d e r t y p ef e e d w a t e rs y s t e m t h es o f t w a r eh a saf r i e n d l yi n t e r f a c ea n ds i m p l eo p e r a t i o n s oi ti ss u i t a b l ef o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 1 1 1 eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e w h i c hi sd e f i n e da st h es u n lo ft h er e d u c i n gp o w e rg e n e r a t i o nc a u s e db y e x t r a c t i o ns t e a n ls y s t e ma n dp u m pp o w e rc o n s u m p t i o n s a l o n gt h i sw a y ，i tc a nn o to n l yr e d u c et h e c o m p u t i n g t a s ko f u n i t ，b u ta l s om a k et h eo p t i m i z a t i o na i mm o r ec l e a r k e y w o r d s ：h e a d e rt y p e f e e d - w a t e rs y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e ls i m u l a t i o n o p e r a t i n go p t i m i z a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学化论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的仃何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公j , - ( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要 等部分内容。论文的公, - ( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一虢辄翩签名皋鸣慨碑啦 第+ 一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 本课题选自中国石化集团扬子石油化工有限责任公司“火电厂集中母管制给水系统优化运行” 项目。 提高能源利用率和降低环境污染已成为全球重视的重要课题。随着国民经济的高速发展，对能 源需求不断增长，对环境质量要求的不断提高，节能、环保、可持续发展已成为我国的基本国策。 党的十六届三中全会提出坚持以人为本，树立全面、协调、可持续的发展观，促进经济社会和人的 全面发展。第十一个五年规划提出全面贯彻落实科学发展观，建设资源节约型、环境友好型社会， 大力发展循环经济，加大自然生态和环境保护投入力度，强化资源管理等政策。国家建立了节能降 耗、污染减排的统计监测和考核体系和制度。据有关资料显示，国内机组的平均煤耗指标要比欧美 等发达国家高5 0 克度以上，甚至高于印度等发展中国家。这一事实表明我国的节能潜力巨大，要 求我们不断地研发、引进先进的机组设计和制造技术，同时应对现有的机组运行方式进行科学地优 化，力争在最大程度上降低能耗。 给水系统是火电厂热力系统的重要组成部分，其主要作用是将除氧水箱中的给水经给水泵组升 压、高压加热器组升温后提供给锅炉，系统中的给水泵素有火电厂热力循环的“心脏”之称，是火 电厂耗功最大的辅机，高压加热器( 简称高加) 是影响热力系统回热经济性最主要的热力设备，因 此给水系统的运行状况是影响全厂机组安全、经济运行的最重要因素之一。 对于多机组母管制给水系统，其结构复杂、规模庞大、机组和锅炉运行组合方式很多、总给水 量变化范围大、系统监测参数少且准确性不够高等，完全利用现场试验来实现给水系统的经济运行 是非常困难的。随着计算机技术的发展，给水管网的计算得到了较大的发展，通过管网建模对给水 系统进行仿真使得给水系统的静态工况计算有效而准确。本文在对给水管网的阻力特性作了充分认 识的基础上，利用a p r o s 仿真软件建立管网的水力模型和热力模型，可以准确反映给水管网的运 行特性。 供热机组的生产任务是保证供热负荷和发电负荷需求，电厂必须根据用户需求调整负荷，负荷 变化时，给水系统也应做相应调节，不同的调节方式直接影响给水泵的功耗和各台高加流量的分配， 最终影响整个机组的经济性。对给水系统而言，在保证给水负荷的前提下，存在大量的给水泵开启 组合方式及变速泵的转速组合方式，确定何种组合方案为全厂供电煤耗最小就是本文研究的任务。 1 2 现有母管制给水系统运行的优化方法及其存在的问题 母管制给水系统优化运行的最终目的是：保证给水负荷的前提下保证机组最小的能耗。母管制 给水系统作为热电厂一种常见的运行方式，如何选择较为合理的给水泵开启、转速组合方式是电厂 运行管理中经常遇到的问题。母管制机组中，给泵的组合方式直接影响到系统内管道压力分布，从 而影响分配到每台高加的水流量，而高加得到的给水流量直接影响汽轮机的抽汽及汽轮机的效率。 因此要综合考虑给水系统对泵的功耗和汽轮机组效率的影响。 现有的母管制给水系统的优化方案有： 对于单元制运行的系统，给水管网系统较为简单，给水系统的优化主要集中在给水泵效率的分析上。 国内在这方面有一定的研究，北京电力科学研究所和北京第一热电厂合作，于1 9 8 7 年开始研制监测调度 系统，目的是通过此系统对各台运行泵的参数进行实时监测、数据处理，算出运行经济指标和经济调度优 东南大学硕士学位论文 化方案，同时为合理的经济运行提供科学的定量数据，以达到节能之目的，为母管制给水泵组的节能探索 了途径。系统以常规测试方法为基础，测试各给水管段流量计算总供水量，同时用温差法测定泵的效率， 直观地反映泵的运行经济状况。西安交通大学的李慧君博士等提出了基于等效焓降理论，得出了包含机组 完善程度的系数纯热量品位系数，通过该系数建立火电厂机组母管制给水系统分配数学模型，并提出了 机组给水系统分配判据参数，利用该参数合理地优化各机组间的给水分配方案。 综合国内外的研究现状，已有研究成果主要存在以下问题： 由于实际的母管制给水管网系统很复杂，以纯数学模型为基础的给水管网系统往往会忽略很多 因素，尤其没有考虑到对汽轮机组效率的影响。这样会导致数学模型与实际情况相差很大，得出的 最终优化结果实际上并不是最优结果； 通过监测系统、调度系统对各台运行泵的参数进行实时监测、数据处理以达到优化目的的方法， 由于监测的数据有限，仅从泵的效率着手，没考虑到管道的阻力特性等因素的影响，所以不能实现 全局优化。 1 3 本文的主要工作内容及目标 本文的研究对象是母管制给水系统的给水负荷优化分配，结合的实例是扬子石化热电厂的给水 系统。本文不仅针对泵的功耗进行优化分析，并且结合汽机侧的做功效率，进行给水管网的全面综 合优化。详细探讨了仿真模型、优化算法、约束条件等问题，着重分析了如何寻找最佳的给泵的开 启与转速组合方式。 本文第二章着重讨论了管网的流体计算理论基础，提出了管网中关键模型的计算方法。 第三章重点讨论如何在a p r o s 系统中建立给水管网模型，主要包括管网的基本单元直管道、 弯管和三通模型的建立，以及如何调整这些模型的参数。 第四章完成了给水管网控制和监视界面的建立，分析了仿真模型的调整及验证。此外，本章还 研究了变速泵转速变化对给水系统运行特性的影响，主要包括对其它给泵功耗的影响和对加热器流 量分配的影响；最后分析了给水泵组合方式变化对给泵的总功耗和加热器流量分配的影响，指出了 它们之间的变化规律。 第五章着重分析整个母管机组负荷不变的情况下，人为改变给泵组合方式下的引起的热力系统 局部变化。重点讨论了母管制供热机组与纯凝机组和单元制机组的不同，以及它们经济性分析的计 算方法。 第六章分析了如何实现对母管制给水管网的优化运行。本章研究了如何利用b p 神经网络来训练 仿真数据，建立了精确的给水泵及高加的流量软测量模型。完成了优化程序和软件的调试，做到了 加热器和给泵流量的在线预测，并能实时提出给水管网的优化方案。 1 3 1 基于建立复杂管网水力模型的分析 研究给水管网的水力特性是研究给水系统工作特性的基本前提。建立给水管网水力模型面临的 主要问题是管网的分支过于繁杂，很难建立精确的模型。本文把复杂的管网可以看成是由许多直管 道、弯管和三通连接的模型，由此把复杂的管网简化处理；先研究直管道、弯管和三通这些基本单 元的水力特性，再整体分析复杂管网的特性。 m a t l a b 求解c o l e b r o o k 方程，得到了精确沿程阻力系数查询函数，把此函数封装成其他计算 机语言包括e x c e l 可调用的动态链接库；这样就避免每次计算中的查表环节，极大地减小了工作量。 对于局部阻力系数，本文将阻力手册上的相关查询表格和公式也封装成通用函数，当计算需要时可 以实时查询。 本文对管网出现的直管道、弯管和三通连接分别建立其水力模型。对于直管道采取先假设流量 的方法，再根据其沿程阻力特性逐步逼近，并根据雷诺数不断调整管道的局部阻力损失系数，迭代 2 第一章绪论 五次左右的计算相对误差可控制在1 0 巧之内。对于弯管，采用类似的计算程序，但计算时会根据雷 诺数不断调整弯管的局部阻力系数，也可得到跟直管计算样的速度和精度。三通计算模型是建立 在直管模型的基础之上，先假定每个分支的流量方向，再调用直管流量计算程序来计算每个分支的 流量，根据流量平衡来迭代计算。 对于给水泵，通过试验的方法得到了扬程与流量、电耗与流量的关系曲线，利用这些曲线可以 方便查出给水泵的工作状态。 1 3 2 在a p r o s 仿真系统中建立给水管网模型 a p r o s 仿真支撑系统是一个非常优秀的过程仿真系统，它可以用于电站从设计到运行的各个阶 段，能够真实模拟电站热力系统、控制系统以及电气系统的全范围全过程的动静态特性。 a p r o s 系统提供的基本组件模块具有精确的动态物理模型，而且模块划分合理，用户使用这些 基本模块进行组态，能够正确的模拟物理设备( 凝汽器、加热器、水冷壁等) 动静态特性。所有模 块都隐藏了相应的算法。用户只需要从模型库中取出相应的部件，将其初始化，把它们连接起来， 即完成了相应模型的建立。 本文首次利用a p r o s 仿真系统建立母管制给水系统模型，在充分掌握管网系统建模的理论基 础上，分步搭建仿真模型，并结合试验数据调整参数。该仿真模型具有计算精确、通用性和可移植 性较强的特点；不仅能准确反映管网系统的静态特性，而且可以模拟一些过程的动态特性。 1 3 3 管网模型调整 初次搭建的仿真模型跟实际系统存在模型的初始化问题，将管网模型的边界条件按电厂的实际 运行参数来设置管网计算，并首先进行局部仿真，以确定仿真模型初始值，仿真模型在新的工作状 态点下可以轻松收敛。利用一个阀门和p i d 调节器来模拟现场的控制调节阀，把阀门的额定流量设 置为与现场实际流量相近，p 参数根据流量大小及控制精度要求的来确定。 1 3 4 热力系统的局部不平衡及变工况对母管制机组的影响 改变给泵组合方式下会引起热力系统局部不平衡，重点讨论了母管制供热机组与纯凝机组和单 元制机组的不同，以及它们经济性分析的计算方法。将有流量变化的高压加热器和低压加热器分开 计算，经母管重新分配的高压加热器段的抽汽系数按新的给水流量进行修正计算；按照弗留格尔公 式的应用条件，供热机组系统变工况计算将以抽汽口划界( 调节级单独计算) ，将汽机分为两个区段 ( 单抽机组) 或三个区段( 双抽机组) ，抽汽参数作为已知量，分段进行变工况计算。用等效焓降法 分析了母管制机组的回热抽汽对汽轮机做功的影响，为对管网系统经济性分析提供了基础。 1 3 5 母管制给水管网系统优化运行的实现 利用b p 神经网络来训练仿真数据，充分利用神经网的显著特点：具有非线性映射能力，不需 要精确的数学模型，擅长从输入输出数据中学习有用知识，容易实现并行计算；通过不断调整初次 建立的b p 网络的神经元个数和因此节点数，建立了精确的给水泵及高加的流量软测量模型。 给水优化的经济指标为给水泵总功耗和热力系统回热引起的少作功之和，优化的约束条件为母 管压力；完成了优化程序和软件的调试，做到了加热器和给泵流量的在线预测，并能实时提出给水 管网的优化方案。 3 东南大学硕士学位论文 第二章给水管网水力特性数学模型 给水系统是电厂水系统的重要组成部分，它的主要任务是在任何工况下都不间断地向锅炉供水； 它的工质流量大、压力高，主要耗电量约占机组发电量的2 3 ，对发电厂的安全、经济、灵活运 行至关重要。 管网的水力特性是研究给水系统优化运行的基础，复杂的给水管网可以看成是由许多直管段、 弯管、三通和设备( 包括给水泵) 等连接的流体网络。本章首先分析了管段、弯管和三通这些基本 单元的水力特性，编制相关计算函数；然后介绍了如何通过现场试验获得给水调门后至汽包管路特 性、各台给水泵的运行特性；最后介绍了整个管网水力特性数学模型及其求解策略。 2 1 研究对象简介 扬子石化热电厂母管制给水管网系统是由西南电力设计院设计，经过了四期的改造与扩建工程， 首期的系统为6 炉4 机6 泵，二期工程中添加了撑7 锅炉、牟5 汽轮机和 7 给水泵，三期工程中添加 - j # 8 锅炉，并在原有的 7 给水泵( 现在的撑8 给水泵) 之前增加了一台泵( 现在的撑7 给水泵) ，最后 的 9 锅炉工程中添加了撑6 汽轮机和 ! j 9 、# 1 0 给水泵。 系统中的# l # 8 锅炉额定容量为2 2 0 t h 、# 9 锅炉额定容量为4 1 0 t h ，额定主蒸汽压力均为 9 8 m p a ，锅炉总额定蒸发量为2 1 6 0 t h 。全厂配置了6 台6 0 m w 抽凝式汽轮机，其中# l 为单抽机组、 # 2 # 6 为双抽机组，总装机容量为3 6 0 m w ，总额定对外供热容量为：中压蒸汽( 4 1 2 m p a ) 3 7 5 f f h 、 低压蒸汽( 1 4 7 m p a ) 7 6 0 t h ；每台汽轮机配有2 台高加，机组扩容改造后，高加设计给水流量为： # 1 机组3 5 0 t h 、# 2 # 6 机组4 1 0 t h ，2 台高加设计总温升为6 l ，高加设计出水温度为2 2 1 。 全厂给水系统配置了1 0 台给水泵，撑1 、f 8 、# 1 0 给水泵配有液力偶合器装置，可变速运行，其余为 定速泵，# 1 # 6 给水泵额定流量为3 2 0 f f h 、# 7 # 1 0 额定流量为4 4 0t h ，给水泵额定流量总和 为3 6 8 0 t h ，总配用电机容量为1 9 5 0 0 k w 。 扬子石化热电厂给水管网简化图如附图一所示。给水流程主要如下： 正常运行时各机组除氧水箱中的出水经低压冷给水母管相互连通，各台给水泵从该母管中取水； 各台给水泵的出水经高压冷给水母管相互连通，各汽轮机组的高加从该母管中取水；各汽轮机组高 加的出水经高压热给水母管相互连通，各台锅炉从该母管中取水。即扬子石化热电厂集中母管制给 水系统通过三条给水母管将相关热力设备联系为一个有机的整体，系统非常复杂。 在进行给水系统设计时，由于没有对系统的监测与优化运行引起足够重视，以致给水系统的测 点很少且监视的位置非常分散，只有各除氧器压力、温度、水位在线测点( # 1 # 5 机组给水控制 室) ；各机组高加进出水温度在线测点( 各汽轮机控制室) ；# 1 、# 2 高压冷母管压力在线测点( # l # 5 机组给水控制室) ；各给水泵出v i 压力与电流在线测点( # l # 5 机组给水控制室) ；各给水 泵进口压力现场测点；各锅炉给水调门前、后压力在线测点( 各锅炉控制室) ；各锅炉给水调门前流 量在线测点( 各锅炉控制室) ，该给水流量包括锅炉减温水流量；各锅炉汽包压力与水位在线测点( 各 锅炉控制室) 。 注：最新扩建的# 6 机组除氧器压力、温度；# 9 、# 1 0 给水出口压力与电流；# 3 高压冷母管 压力均在# 6 机组控制室进行监视。 系统中连比较基本的各高加进出水压力都没有，也没有机组高加给水流量，难以掌握分析各机 组高加和主要母管管段的流量分配状况、各给水泵的流量状况等。给水系统运行时只是简单地依据 三只高压冷给水母管压力；锅炉给水门前、后压力：锅炉侧给水流量之和，来分析调度给水泵投用 4 第二章给水管网水力特性数学模型 台数与变速泵的转速，运行中难以掌握给水泵、高加、母管等的实际运行状况，如给水泵、高加的 给水流量分配特性，给水泵性能( 扬程、效率、功率与流量的关系特性) ，高加给水加热能力及其加 热抽汽量对机组经济性影响状况等等。 给水系统设计单耗为5 0 0k w h 吨汽，年平均给水单耗一直在5 5 k w h 吨汽左右，比设计值高出 1 0 左右，同比同等类型或同等规模的电厂，给水单耗指标也较差。 2 2 水力计算的理论基础 本文管网水力计算的任务主要有：根据给定的管道布置、结构、管段流量及其流体物性参数 来计算管网节点压力；根据给定的管道布置、结构、管网节点压力及其流体物性参数来计算管段 流量。管网水力计算的基础均为节点流量平衡、管段能量方程( 伯努利方程) 、流动损失计算。现主 要介绍如下。 2 2 1 伯努利方程 伯努利方程由瑞士科学家伯努利( d b e r n o u l l i ，1 7 0 0 1 7 8 2 ) 于1 7 3 8 年首先导出。它实际上是流 体运动中的能量转换关系式，对于理想不可压缩流体在管内作缓变流动时，遵循伯努利能量方程式： z + 卫+ 兰：常数 ( 2 1 ) j o g2 9 对于实际粘性流体在管内作缓变流动，且忽略密度变化时： z 1 + 旦+ 兰= z 2 + 旦+ 兰+ h w ( 2 2 ) p g 2 9 p g 2 9 k = h f + h j ( 2 3 ) 式中 z 位置头，单位重量流体从某一基准面算起的势能； l 压力头，单位重量流体的压力势能； p g 上一- 速度头，单位重量流体的动能； 、 2g 九单位重量流体的总流动损失； h ，单位重量流体的沿程阻力损失； h ；单位重量流体的局部阻力损失； 下标l 表示管段流动起点、下标2 表示管段流动终点。 在本文研究的给水管网中，将两个节点之间等直径的管道作为一个管段，则管段各截面的质量 流量是相等的，又因给水系统管段内的密度变化很小，可以近似认为管段内各截面体积流量、速度 头相等，此时( 2 2 ) 式可简化为： z l + 旦= z 2 + 旦+ h w ( 2 2 a ) pg,og 2 2 2 流动损失 管路中流体的流动损失，分为沿程阻力损失和局部阻力损失。 沿程阻力损失是发生在缓变流中流体机械能的损失，主要由流体粘性力造成。圆管内单位重量 流体的沿程阻力损失可由达西( d a r c y ) 公式表示： 5 查堕奎兰堡主堂篁丝茎 -_i-_-_i_i-_-_-_-_i_-_-_-_-_i_-_-。i_-。-。_。_。i_-。_-_。_。_。i_。一一 h ，：a 上生( 2 - 4 ) d2g 式中 月沿程阻力损失系数； ，管道长度； d 管道内径。 局部阻力损失是发生在流动状态急剧变化的急变流中流体机械能的损失。其特点为能耗较大、 较集中，主要是由弯头、阀门、三通等管件中流体微团的碰撞、漩涡、流束变向等造成。单位重量 流体的局部阻力损失表示为： 咿磅 q 5 ) 式中f 为局部阻力损失系数。 2 2 3 流动阻力系数 如图2 - 1 所示。图中按流动特性分为层流区、临界区、湍流光滑区、过度区和湍流粗糙管区五个区【3 1 。 ) 层流区( r e 2 0 0 0 ) h s = 2 吉。丢洲 五与e 既关，而仅是i k 的函数，力= s ( r e ) ，对于圆管：兄= 羔。 2 )层流转变为紊流的过渡区( 2 0 0 0 r e 4 0 0 0 ) 力与p 既关，只是i 沁的函数，旯= ( r e ) = 0 瓦3 1 _ 6 4 ，e d f f i , 愈d 、，光滑区范围愈大。 4 )紊流过渡粗糙区( 2 2 2 ( e d ) 7 r e ( e a t ) 8 ) 6 第二章给水管网水力特性数学模型 0 0 1 0 0 0 9 0 8 以表格或曲线形式表述沿程阻力系数是一般阻力计算手册中惯用的方法，随着计算机日益广泛 地用于设计及水力计算，采用经验公式直接算出沿程阻力系数值是一种简便而程序化的设计途径。 但是对于较为复杂的曲线，拟合的公式往往会有一定的误差，为克服这一缺点，本文通过使m m a t l a b 求解c o l e b r o o k 方程将穆迪图做成函数m o o d y 俾p ，删【15 1 ，避免了查图时的主观误差，同时实现程序中 自动调用穆迪函数，并编译成e x c e l ( 见图2 2 ) 和v c 可调用的函数。用m a t l a b 绘制的穆迪图见图2 - 3 。 c o l e b r o o k 方程： j 1i + 而2 5 1 亿7 ) 迭代的初始厶黼础m w h ；黜= 1 8 lo s ，。6 9 - + ( 甜1 1 - 2 黼验证表明 c o l e b r o o k 方程求解的沿程阻力系数精度比式( 2 6 ) 高。 相对粗糙度雷诺数沿程阻力系数 e d愚 0 0 0 0 24 0 0 000 4 0 1 0 0 0 0 28 0 0 00 0 3 3 1 00 0 0 21 2 0 0 000 2 9 8 0 0 0 0 21 6 0 0 00 0 2 7 7 00 0 0 2 2 0 0 0 0 00 2 6 3 0 0 0 0 2 2 4 0 0 000 2 5 2 00 0 0 2 - - i d o o d y f ( c 2 4 ，d 2 4 ) 图2 - 2e x c e l 查询函数 7 5 4 3 2 1 2 。幛 驼 吡 瞒 毫| 叭 舢 洲 竹 北 川 叭吲嘣 吣 呱 嘧 ：兮 舛 ； 吆 m 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 壤 应攫i 一躺 敏 址i 当； 一一 岩全删磐掩一日虻 。_ r 斗h ： j 干二二抖斟啡；惭 再 _ h 爵婆 i r 。 1 兰 髓 。 爿 廿卜= 皇 ， 耩 士_= ，。 越； 熏 瓣蒸圣释 蠢糕 t 。 = n 羞进 ! 正 f。喜黧 斟翼1什i拜# h t一1一：下 港寒鲻登*三 毒 ：1 辛i 群 三麓 魁婆 鞴羞刍壹 + 川。 = f = = 蓬基嚣 l牛 。 ：_ 帮 心矗：二t 4 挂工 蠢h l 、 一1 j 一 庠 二二 = + 一 h 襁 ” 嚣落i i l = ，l l | _ | - = - 一 i 。：_i鞋 圳r雌 - 祭 _ 【州扛 斗圳 小卜粼罨羽艇 目2 - 3 甩m m l a b 绘制的穆珀囤 2 2 42 局部阻力损失系数 进行复杂管路系统水力计算时，特别是对于舍有= ：量弯头、三通等局部阻力件时，局部阻力损 失往往是漉动损失的主要部分，因此，局部流动损失的计算是其中的重要内容。对于本文所研究的 母管制给水系统，局部咀力件主要是弯头和三通，下面重点对其阻力系数进行讨论、分析。 a 弯管的局部阻力损失系数 国内外一些学者通过实验的方法所确定弯管的阻力系数跟直管的沿程阻力系数基本类似，此时， 流体流动有四种可能的流体状态【lj ，局部阻力系数与影响因素间的关系曲线如图2 4 所示。 1 9 00 0 0 r i d 1o 、l 一1 5 s 弋= = 、 弋 、-2 2 、 2r：j：= h “t u 。t d f = o3 1 “r j 2 ) “一二；、 6 足叼 图川光顾的 弯瞥的n 力幕救冉无目扶参数见砺之问的自数关系 “m|9mmmm m m ；i 2 第二章给水管网水力特性数学模型 第一种状态：r e 6 5 0 0 ，是层流，它的特点是对于不同的r d 及相对粗糙度纠，各阻力直线相 - 0 平9 ，并且与横坐标1 9 r e 2 之间的成锐角。 第二种状态：在6 5 0 0 r e 4 0 0 0 0 的范围内，是过渡状态，f 实际上与雷诺数关系不大。 第三种状态4 0 0 0 0 r e ，5 1 0 6 ，内壁沿程摩擦阻力系数t = 0 0 1 1 0 0 1 4 。本文 研究的给水管网中流动状态有些要超出这个范围，所以利用图2 4 的曲线采用拟合、变换坐标、插 值的方法，得出管网中弯管的局部阻力系数与流量( 雷诺数) 和相对粗糙度的关系f = ，( q ，r e ) ，下 文所述厂均表示局部阻力系数函数。 b 三通的局部阻力损失系数 本论文所用到的三通主要有三种类型如图2 5 所示，均为直角对称三通( f l 巩) ，其中汇流三 通、反汇流三通局部阻力系数采用文献【1 】中的关系式，如式2 8 2 1l ；分流三通根据文献 1 】中关系 曲线( 如图2 6 所示) 拟合得出计算公式，如式2 1 2 - - 2 1 3 所示。 + q lf lq 2f 2 ( a ) 汇流三通 一q l f l ( b ) 反汇流三通 一q f l ( c ) 分流三通 9 q 3 f 3 f q 3 f3ll 东南大学硕士学位论文 汇流三通的侧管： 和训譬十噔小陆 1 7 4 能 2 ， 汇流三通的直管： 弘酬譬乩5 5 西0 3 一 ( 2 - 9 ) 反汇流三通的直管1 侧： 缸训譬小酬斟“4 6 2 3 莹l 。， 反汇流三通的直管2 侧： 缸锄，譬小铂2 岬( q 2 2 1 4 6 2 3 q q 2 陋 分流三通直管： 和锄，譬乩州9 4 删6 ，时儿m 阿 4 6 2 3 鲁+ 0 7 7 4 1 陋2 ， 和锄，譬观黔阱 + 2 3 6 17q 3 + 0 5 7 3 7 ( 2 - 1 3 ) q 1 l ? n 凹 与1 3 7 ，一 7 一 ，1 2 ， ? 77 0 2 7 t ， 。 7， l ， ， 罗7 一k 姒。 7。彳 n 6 乒多 _ ， 一 ，一l 。0 幺 _ ， ，_ 一 _ - _ 一 _ 一一 一 ， j ，一- _ _ 一一_ _ ， ，j 一 - e 乞=_ q 3q 2 q l q l 图2 - 6 分流三通的直、侧管阻力系系数曲线【1 1 为了方便计算，将三通各支管的局部阻力系数分别设为加册l = j q ( q l ，q 2 ，9 ) ，力删2 = a ( q l ，q ，q 3 ) ，户册3 = 正( q l ，q 2 ，q 3 ) ，将式( 2 - 8 ) ( 2 - 1 4 ) 汇总，编成函数 、办五。分别返回任意 1 0 第二章给水管网水力特性数学模型 流动类型的三通的分支1 、2 、3 侧的局部阻力系数。 2 3 根据边界条件计算管段和三通支管的流量 本文中的管网水力计算主要是为准确反映管网的流量分布状况，而给水系统现有的测点主要是 压力测点，仅有的流量测点只是锅炉给水流量，加之水力计算采用的方法也是由节点压力等来计算 管段流量( 后续a p r o s 仿真系统在定义管段属性时也只是要求输入两端节点的压力、温度、高度、 管段长度、管壁粗糙度、局部阻力系数) ，这要求能够根据管道的结构、节点压力等参数来确定每条 管段的流量，下文将介绍实现这一任务的计算方法。 2 3 1 根据边界条件计算管段的流量 本文所定义的管段是指水力管网中两个节点之间等直径的管道，各截面的质量流量是相等的， 由于给水系统管段内的密度变化很小，可以近似认为管段的截面的体积流量相等。 本文研究的给水管网中，绝大部分管段均含有三通，为了计算处理方便，下面所述的管段水力 计算中暂不考虑三通的影响，有关三通的影响将在后续章节中论述。 相关公式推导如下： 把v = 4 q 翮1 2 和式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 代入式( 2 2 ) 得 z1+el,+竖=z2+旦+堕+五三竖+f瓦v2jog2 9 p g2 9 d 2 9 ( 2 - 1 5 ) 1 - 。2 9 。 z l 囔+ 纛= z 2 + 旦p g + 罴“专器哪( r e 枷) 蔫弘峋 由于管道的相对粗糙度e d 、布置方式和入口参数为固定值，所以r e = 二马。 蔫一磊一砂喂，硼专丽8 0 2 毋啬枷，箍 7 、 + z z 1 + 二l 一兰= 0 p gp g 求解方法如下： ( a ) 由m a t l a b 工具求解 m o o d y f 1 f 函数均已知，所以m a t l a b 的工具箱函数f z e r o 可解方程( 2 1 7 ) ，可得出流量q 。 ( b ) 迭代编程求解 由式( 2 1 6 ) 可推出： q = 产等帮 ( 2 1 8 ) 先假设初始流量q o ，则初始雷诺数为尺e 。：! 堡，由胁。方和函数可求得沿程阻力系数和局部 ；r o d 阻力系数的初值，用( 2 1 8 ) 式求出流量；再用该流量重复上述计算，直至两次流量的相对误差符 合要求为止。程序框图见图2 7 ，并将上述计算过程编制管段流量计算函数，命名为p i p e ( p l ，以功。 东南大学硕士学位论文 3 + x 1c f 3 2 9 5 2 9 【 2 8 5 - m 3 8 2 8 2 7 5 一 图2 7 单条管段内流量求解框图 2 7 2 6 5 - 2 6 一一一 012 3 456789 迭代步数 图2 - 8 假设不同初始流量的计算比较 该p i p e 函数迭代收敛很快( 见图2 8 ) ，图中假设的初始流量相差几个数量级，但是在2 次迭代 1 2 翌三兰竺查笪堕查垄堑堡垫堂堡型 计算之后，结果相差就已经非常小了。 2 3 2 根据边界条件计算三通支管流量 三通支管流量计算的边界条件为三个入口出口的压力及管道的特性参数，现将三通分解为三个 管段，每个管段的几何参数( 长度、管径、截面积) 为、吨、e ，流量为q i ，- - 1 ，2 ，3 ，假设三通 的节点中心压力为p 。，见图2 7 。 奶q 2f 2 = =c = 二二二 一i 一 9 圳 a f 根据式( 2 1 7 ) 可求单条管内的流量，可得方程组： 磊一悉方c 盖捌去磊川等磊 + z l z c + 旦一旦：0 p gp g 磊一蔫一方c 薏卅，乏惫川盖慧像 + 9 2 一g