（热能工程专业论文）多热源联合供热的工况分析及最佳方案确定.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 多热源联网技术是国外供热先进国家为节约能源、降低系统运行成本、 提高经济效益，在综合运用水泵调速技术和控制技术的基础上发展起来的一 项先进的热水管网运行技术，我国的集中供热由于起步较晚，与国外相比有 一定的差距。本论文就以哈尔滨市机场开发区热网为研究对象，具体分析该 热网摘网运行和联网运行时的状况。分析联网时如何实行运行优化，以确定 最佳运行方案并进行对比分析。 在本文中通过用网络图论的理论来解决多热源联网时环状管网的水力平 衡计算问题，改进了计算精度。在联网运行中主要讨论了多个热源如何分配 采暖负荷，热源启动的时间和运行天数，以及环网中的水力交汇点问题，以 上问题即构成了联网运行时的最佳方案。同时对热网的近期和远期两个阶段 的摘网和联网两种运行工况进行了水力校核计算并进行了费用分析比较。 本文通过水力计算分析了哈尔滨市机场开发区热网中存在的不足，对该 热网今后的联网运行具有一定的意义。 关键词：多热源；联网运行；集中供热；水力计算；费用 哈尔滨上程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fj o i n to p e r a t i o no fh e a t - s u p p l yn e t w o r k so fm a n yh e a t s o u r c e si sd e v e l o p e di nt h ef o u n d a t i o no fs y n t h e s i z et h ea p p l i c a t i o no fa d j u s t i n g s o o nt e c h n i q u ea n dc o n t r o l i n gt e c h n i q u eo fp u m pa st oe c o n o m i z et h ee n e r g y ， l o w e rt h es y s t e mm o v e m e n tc o s ta n di n c r e a s e se c o n o m i cp e r f o r m a n c ei nt h e a b r o a dc o u n t r i e st h a th a v ea d v a n c e dh e a t - s u p p l y t oc o m p a r ew i t ha b r o a d ，o u r c o u n t r y sc e n t r a l i z e dh e a t - s u p p l yh a s ac e r t a i nm a r g i nb e c a u s eo fs t a r t i n gt h a n n i g h t i nt h ep a p e r ，w er e g a r dt h eh e a t - s u p p l yn e t w o r k s o fh r b i na i r p o r t d e v e l o p m e n ta r e a a st h er e s e a r c ho b j e c t ，c o n c r e t e l ya n a l y s i st h eh e a t s u p p l y n e t w o r k sc o n d i t i o n so ft a k i n go f fo p e r a t i o na l lj o i n to p e r a t i o no fh e a t - s u p p l y n e t w o r k s h o wt om a k et h ec i r c u l a t i o ne x c e l l e n tt u m i n gi nt h ec o n d i t i o no f j o i n t o p e r a t i o n ，t oc o n f i r mt h ep r o j e c to ft h eb e s tm o v e m e n ta n dc o n t r a s t l ya n a l y s i s b e t w e e nt h e m i nt h ep a p e r i tr e s o l v eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o ne q u i l i b r i u mc a l c u l a t i o np r o b l e m o fr i n g 。s h a p e dh e a t s u p p l yn e t w o r km a k i n gu s eo fn e t w o r kd i a g r a mt h e o r y ，a n d i m p r o v e dt h ec o m p u t ea c c u r a c y d i s c u s s e dh o wa s s i g nt h es p a c e - h e a t i n gl o a d a m o n gt h em a n yh e a ts o u r c e s ，h o wt i m et h a th e a ts o u r c es t a r tw i t ha n dh o wm a n y d a y st h e yo p e r a t e ，a n dt h ep r o b l e ma b o u th y d r a u l i cr e m i tt oo r d e ri nt h eh o o ln e t t h ea b o v ep r o b l e mc o n s t i t u t e dt h eb e s tp r o j e c to fj o i n to p e r a t i o no fh e a t - s u p p l y n e t w o r k s a tt h es a m et i m e ，i tc h e c kh y d r a u l i cc a l c u l a t i o no fc o n d i t i o n so ft a k i n g o f fo p e r a t i o na nj o i n to p e r a t i o no fh e a t s u p p l yn e t w o r k so ft h es t a g e so ff o r w a r d a n dn e a rp e r i o di nt h eh e a t s u p p l yn e t w o r k sa n dc o m b i n ep r o c e e d i n ge x p e n s e s a n a l y s i sc o m p a r i s o n i nt h ep a p e r ，i ta n a l y z e dt h es h o r t a g ee x s i t e di nt h eh e a t - s u p p l yn e t w o r k so f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h r b i na i r p o r td e v e l o p m e n ta r e ab yh y d r a u l i cc a l c u l a t i o n t h a th a v eac e r t a i n m e a n i n gt ot h eo p e r a t i o no f t h i sh e a t s u p p l yn e t w o r k s k e yw o r d s ：m a n yh e a ts o u r c e s ；j o i n to p e r a t i o n o fh e a t - s u p p l y n e t w o r k s ；c e n t r a l i z e dh e a t s u p p l y ；h y d r a u l i cc a l c u l a t i o n ； e x p e n s e s 略尔装曰大学硕士中乜沁文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数槲和文献等的 引用已在文中指出井与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论义不包含任何算他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做山重要壶献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的沾律 结果由本人承担。 作者( 整宰) ：盔噬羔 日期：0 口。埤，月蝤旧 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 1 。1 课题背景 第1 章绪论 我国改革丌放以来，随着人民生活水平的提高，节能技术的进步，近年 城镇供热事业得到了迅速发展。我国现在的采暖方式主要以集中供热为主。 集中供热在我国普遍采用的形式主要有：热电联产集中供热和区域锅炉房集 中供热。前者的供热面积约占全国总供热面积的6 2 ，后者的供热面积约占 全国总供热面积的3 7 ，另有约1 采用其他供热形式。集中供热尤其是 热电联产供热形式，对于节约一次能源，降低环境污染，提高人民的生活水 平有着十分重要的意义。随着全球环境污染问题的日趋严重，尤其是控制城 市大气污染已经到了刻不容缓的地步，同时传统能源如煤、石油等日益枯竭， 所以集中供热得至越来越多国家的重视，得到大力发展。在我国，1 9 9 9 年全国 6 8 8 个城市中，具有集中供热的城市已经达到2 8 6 个，也就是说全国约4 1 的城市拥有集中供热系统，而在我国的三北地区的1 7 0 个城市中，有1 0 1 个 城市拥有集中供热设施。据统计，我国的供热普及率达到了1 2 2 4 ，用热人 口超过3 0 0 0 万1 2 1 。近几年随着经济的快速发展，我国集中供热的发展速度 是非常快的。例如，在1 9 9 0 年我国的供热面积为2 1 亿平方米”1 ，而到了 1 9 9 9 年供热面积就已经达到了l o ，7 亿平方米，2 0 0 3 年我国的供热面积达到 了1 4 7 亿平方米。黑龙江省，从1 9 7 8 年到1 9 9 8 年集中供热面积增加了1 5 6 4 倍m 鲥。 随着供热面积的不断增加，热网供热规模的不断扩大，多热源并网运行 也就自然而然的成为了集中供热系统发展的方向。多热源联网技术是国外供 热先进国家为节约能源、降低系统运行成本、提高经济效益，在合理调配热 源运行综合运用水泵调速技术和控制技术的基础上发展起来的一项先进的热 水管网运行技术。它与单热源质调节供热系统运行有着很大的差异。多热源 联网技术的核心内容是在保证用户供热质量的前提下，实现各热源的供热量 能按需要进行自由调度陆1 。具有多热源的供热系统，各热源热生产费用、能 哈尔浜工程大学硕士学位论文 源消耗存在较大差异时，实施联网运行可比各热源解列单独运行明显地减少 能源消耗、降低供热成本，同时还可提高供热的安全可靠性。具体来看，多 热源联网运行的优越性体现在以下几个方面订。咖 9 1 。 1 可以减少能源消耗 供热系统的热源有热电厂、锅炉房、热泵装置等多种类型。由于各种热 源热生产装置的效率不同，所以它们生产单位热能所消耗的能源存在很大的 差异。如热电联产一般采用高效率的电站锅炉，其热效率可达9 0 以上，在 热能利用上通过汽轮机实现高品位热能先发电，汽轮机抽、排汽的低品位热 能用于供热，实现了能源的综合利用，降低了发电能源消耗，也减少了供热 能源消耗。大型燃煤锅炉房的锅炉效率一般为7 5 - 8 5 ，而小型锅炉房的 锅炉效率只能达5 5 7 0 。假如一个供热系统具有上述3 种类型热源，采用 摘网方式运行( 管网用阀门按热源的供热范围切断成彼此独立的系统) ，从单 位热能生产耗能比较看，显而易见热电厂最低，小型燃煤锅炉房最高，大型 区域锅炉房居中。摘网运行时热源的生产能力只有在严寒期气温达到室外采 暖计算温度时才能满负荷运行，在采暖期始、末时只能达最高负荷的4 0 或 更低，平均负荷一般低于7 0 ，也就是在采暖期绝大部分时间各热源的生产 设备都在不满负荷状态下工作，造成能耗低的热源不能多供热，而能耗高的 热源又不得不启动运行的不合理局面1 0 1 。如果在保证供热质量条件下实现联 网运行，让低能耗的热源尽量满负荷运行，减少高能耗热源的供热量，就能 达到减少能源消耗的目的。 2 可以降低运行成本实现经济运行1 作为一个供热企业在满足用户热需求和保证供热质量的前提下，应以追 求利润最大化为管理目标。企业利润是在供热销售收入的基础上扣除运行成 本、税金等项费用后实现的。要增加利润就必须尽力降低成本。运行成本由 固定成本和变动成本两部分组成。固定成本是指企业维持行政运行的开支与 企业当年的供热量无直接关系，一旦企业的规模、人员数量确定后这些费用 是不变的。变动成本包括：热量生产费用( 企业内部实行统一核算，自有热 源生产热量所消耗的燃料、水电等与生产量有直接关系的费用) ；热量购入费 ( 企业从外部热源或内部独立核算的自有热源购入热量的费用) ；输配系统水 泵的电耗等与供热量有直接关系的各项费用。在全部供热运行成本中热量生 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 产和热量购入费用一般可占7 0 以上，因此减少该项费用对降低运行成本有 着重大的意义。各种类型热源由于热效率和生产方式不同，使单位热能生产 的能耗存在差异，必然会使购入热价不同。同时热源生产热量使用的燃料还 有煤、油、气之分，由于各种燃料价格与其发热量之间不成比例，造成使用 不同燃料热源厂的热价发生极大的差异。如：太原热力公司从热电厂购入的 最低热价为1 0 7 5 元g j ，热力公司自有区域锅炉房燃煤时生产成本大于3 0 元g j ，现改为烧煤气生产成本提高到4 0 8 5 元g j 。从这里可看到不同热源 的热价差达3 8 倍。若能实现联网运行，使低热价的热源，如热电厂在整 个采暖期尽量做到满负荷运行，从而压缩高热价热源的供热量，则热力公司 就可大幅度地减少热量购入费用，而获得可观的经济效益。 3 可以提高供热系统运行的安全可靠性 一个多热源的供热系统，若能做到当其中某一热源的单台最大容量机组 发生事故，停止或减少对外供热时，其他热源能增加供热量并能将这部分热 量均衡地分配给用户，则多热源供热系统的安全可靠性将比单一热源的供热 系统有明显提高。实施多热源联网技术就可以实现上述目的。而摘网运行的 多热源系统即使管网连在一起也是难于做到的。这是因为：一是摘网运行的 供热系统是按单热源系统设计的，循环水泵提供的扬程和流量一般只满足热 源自身供热范围内热力站( 热用户) 的资用压头和流量需要。当某一热源发 生事故时，在另一热源尚未满载的条件下可通过提高水温而不增加流量或增 加流量而不提高水温的办法增加供热量支援事故热源，但因循环水泵能力的 制约一般很难实现，即便不增加流量，要将部分流量送到较远的另一供热区 的用户，水泵的扬程也是不够的。二是由于摘网运行系统是按单热源系统设 计的，没有考虑各系统间水力工况的协调，当事故情况下打开单热源供热系 统间的阀门时，很可能发生其他热源无法向事故系统供热、部分用户超过允 许压力和各热源问补水量失控等问题，其他热源很难起到备用热源的作用。 三是由于摘网运行系统是按单热源设计的，事故状态下管网可能出现“瓶 颈”，“瓶颈”部分管道的通过能力很差。四是由于目前国内大多数供热系统 都是单热源中央质调节，运行时管网循环水量基本保持不变，热力站控制设 备比较简单。比较好的在热力站入口装有流量限制器。仅少量城市的热力站 装有能随室温度变化对用户供水温度进行实时控制的自动调节装置。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 4 有利于供热系统远近期发展的结合 2 0 世纪六七十年代，我国集中供热事业的发展曾经走过一段弯路。主要 是热负荷估算过多，导致热电厂容量选择过大，结果由于实际热负荷长期达 不到设计值，严重影响了热电厂汽轮机组的正常生产和经济效益。总结以往 的经验教训，现在形成了切实可行的作法，近期热负荷小的时候，建设区域 锅炉房；供热发展到一定规模时，再兴建主热源一热电厂，并与已建的区域 锅炉房供热系统联网，区域锅炉房成为联网后大型供热系统的峰荷热源。这 种顺应热负荷的发展过程，自然形成多热源共网的供热系统，能够使各热源 在最佳效益下工作，以充分发挥集中供热的优势。 多热源联网技术就是要解决多热源条件下，各热源供热量能按需自由调 度，同时又保证对用户供热质量的技术问题。多热源联网技术不仅可以实现 供热系统经济运行，又可使各热源有效地互为备用，提高供热系统的可靠性。 因此，中国城镇集中供热近几年的技术进步发展规划中指出：在多种供热方 式存在的城市要大力推广多热源运行方式，应大力完善推广多热源联合运行 技术。在我国，像北京、沈阳、哈尔滨、牡丹江等集中供热系统较成熟的城 市已经在实现了多热源并网运行。 虽然多热源并网运行具有上述众多优点，但是这样的系统是由多热源、 多个泵站以及众多的热用户组成的复杂供热系统。在这样的复杂供热系统中 需要解决下列问题：多热源的热负荷如何分配问题；各热源是同时启动，还 是根据环境气温递序启动问题；是并网运行还是摘网运行；多个泵站如何协 调启停问题；选择什么样的调节方案问题；这些问题也就是多热源并网运行 的优化问题。 本论文就以哈尔滨市机场开发区热网为研究对象，具体分析该热网摘网 运行和联网运行时的状况，并具体分析联网时如何实行运行优化。 1 2 国内外研究现状 这些年来，国内外学者对多热源并网运行系统的优化设计及规划、优化 运行和优化算法都作大量研究工作。 国外尤其是北欧和原苏联等集中供热系统发展较早的国家和地区，在多 热源联合供热方面已经有一套较成熟的理论和方法。从北欧各国看，7 0 年代 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以后，就出现了以垃圾焚烧厂和热电厂承担基本负荷，燃油锅炉为尖峰负荷， 使热电厂、焚烧厂和锅炉房在同一供热网上协同供热的系统。如丹麦的哥本 哈根市的区域c t r 供热系统，一共就有5 个热源点( 其中两个焚烧厂、两个 热电厂、一个尖峰锅炉房) ，其热媒分为热水和蒸汽两种，热网为了可靠供热 而采用环状热力网型式。再如芬兰的t a m p e r e 市，全市7 0 一8 0 供热建 筑面积都由一个集中供热系统承担。该系统由9 个热电厂联网，它们在计算 机监控系统的监控下，按照优化运行方案，随着热负荷的变化，依次投入或 退出运行，达到了预期的供热要求。6 0 年代，原苏联就开始用计算机研究多 环管网的水力计算，如全苏热工研究所的h m 3m hr ap 等人和西伯利亚 能源研究所的b 只xamj 1eb 等人发表了不少计算热网水力工况的论 文。在北欧等集中供热发达的国家，大型的供热系统的设计已经计算机化， 其软件能灵活地应用于优化设计、系统分析和投资计算，形成了较完备的软 件系统。如瑞典的e n o k 计算机系统，芬兰的e k o n d 能源规划系统等。在集中 供热最为发达的原苏联，开发了c o c h a 计算程序系统，这个软件系统能够完 成包含几百个管段、多个热源和中间加压泵站的热网水力计算和设计，并能 对实际运行进行分析。 我国的集中供热由于起步较晚，与国外相比有一定的差距。目前，在国 内的许多城市中，一个城区往往同时存在多个供热系统，甚至同时存在多个 热电联产的集中供热系统，这些系统大多是单独承担一个区域的集中供热， 单独运行，互不连接。有的城市虽然也把管网联在一起，但在供热时又都用 阀门断开，分别运行。这样，使各热源失去了互补性，同时在供热初期和末 期又都不能满负荷工作，使其无法发挥全部的供热能力。不但造成了能源和 设备的浪费，而且多热源同时在低负荷下运行，也加重了城市的污染。近几 年多热源环网联合供热系统经过实际运行已取得了非常明显的效果，并充分 显露出其诸多优点。北京、沈阳等集中供热比较发达的城市已经在实践多热 源并网运行。牡丹江市引入芬兰技术建造的多环管网运行效果良好，运行人 员也积累了一定的经验。哈尔滨建筑大学的贺平教授和孙刚教授提出了多热 源联合供热系统管网设计原则1 1 2 清华大学的石兆玉教授提出了环形管网水 力计算方法，并利用图论中多中位原理和遗传算法研究编制了供热系统多热 源的选址问题。工程院院士江亿及其学生秦绪忠对多热源并网供热的水力优 哈尔滨工程大学硕士学位论文 化调度问题利用可及性概念n 3 。4 1 进行了研究，并取得了可喜成绩。 1 3 本论文所要研究和解决的问题 本文以哈尔滨市马家沟机场开发区热网为研究对象，具体分析该热网的 近期和远期的摘网和并网运行情况，将主要研究和解决以下问题： 1 对2 0 0 4 年的热网实际运行( 摘网) 进行分析。主要进行水力校核计 算，确定哈尔滨化工热电厂和拉林锅炉房的投入顺序和时间；绘制水压图。 2 对2 0 0 4 年热网多热源联合运行情况进行分析。确定哈尔滨化工热电 厂、哈尔滨热电厂和拉林锅炉房三个热源的投入顺序和投入时间，确定各自 的年供热量；进行水力计算，分析运行工况。绘制三热源联网运行的水压图。 确定多热源联合供热的最佳运行方案。 3 对未来满负荷时，摘网运行的情况进行分析。进行水力校核，看部分 管段的管径是否满足要求。 4 对未来满负荷时的多热源联合运行情况进行分析。确定在满负荷时三 个主热源的运行情况。确定各自的年供热量；进行水力计算。 5 对摘网运行和联网运行进行对比分析，研究联网运行的经济性和优越 性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章运行优化条件的确定 2 1 优化函数的确定 多热源联网供热的集中供热系统运行优化的目的就是要解决多个多热源 的热负荷如何分配问题? 各热源是同时启动，还是根据环境气温递序启动? 是并网运行还是摘网运行? 多个泵站如何协调启停? 选择什么样的调节方案 问题等问题，以确定最优方案。判断一个方案是否最优，最常用的也是最直 接的方法就是以系统的运行费用作为优化函数。通常来讲，一个供热系统一 般包括四部分：热源、管网、热用户和水泵。所以系统的运行费用也就是上 述四部分的费用之和。由于要比较的是不同方案满足供热系统同样结构条件 下系统的运行费用，因此，在各种方案下，管网及热用户的运行费用差别不 大，所以优化函数可以不予考虑这两部分，主要考虑热源和水泵的运行费用 就可以。故系统运行费用优化函数形式如下 1 5 1 m m i n y = a 。c 0 + b ，c 如 ( 2 1 ) f ；1 j = l 式中： n 、m 一表示水泵数目、热源设备数目； a i 、b i - 一表示热源设备、水泵是否启动，启动时为1 ，否则为0 ； c i 。一一第1 个热源设备运行时的费用( 万元，天) ，其中包括：热源运 行时所耗燃料费、材料费、水费、折旧费、大修费、运行人员 工资及福利待遇、管理人员的工资及福利待遇； c j p u m p 一第j 个水泵运行所耗费用( 万元天) ，其中包括：水泵运行所 耗电费、水泵折旧费、大修费、水泵运行人员工资及福利待遇、 管理人员的工资及福利待遇； 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 水力工况数学模型 对于多热源环状管网供热系统来说，管网的水力平衡计算是供热系统规 划设计、经济评价和运行管理的基础，同时也是水力计算的难点。水力平衡 计算的目的就是在确定管径的情况下求出满足连续方程和能量方程的各节点 压力水头和各管段流量。目前常用的水力平衡计算方法有哈代一克罗斯法 ( h a r d y c r o s s ) ，牛顿一莱福逊法( n e wt o n r a p h s o n ) ，线性理论法 ( l i n e a r t h e o r y ) ，有限元法( f i n i t ee l e m e n t ) 等等。所有这些方法各有 所长，适用范围各不相同，有的还需人工假设管段流量，使输入数据工作量 增大，且未考虑管网附件的影响。借助于网络图论原理能够很好的解决上述 问题。图论法将复杂的管网处理为相应的“网络图”，并建立相应的数学模 型，用峰阵输入原始数据来描述管网结构，输入的数据量最少，不易出错， 易于计算大型的复杂管网。其计算过程可同时考虑管网附件，如控制阀、加 压泵、逆止阀、减压阀等，使计算结果更符合实际。 i 图论原理 网络图论“是研究物件之间的相互关系。而这些物件之间是以某种特定 的方式相互联系着或相互关联着。如果把这些物件抽象地用一组点来表示， 把各物件之间的联系用这些点之间的连线来表示，即构成为图。如在图中的 每条连线上附有一个或几个数字，这样的图就是网络。 网络图论是数学中有着广泛实际应用的一个分支。在电工学，运输规划 和管理学等不同领域都有着广泛应用。随着计算机的发展，网络图论的研究 与应用更取得了突飞猛进的发展。在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，国外特别 是前苏联，对将网络图论应用于供热系统做了大量研究。在国内，应用网络 图论研究供热问题还属刚刚起步。 将供水管网中的管段概化成一条线段( 即图中的边) ，将有附件的管段看 成图中的特殊管段，边与边由节点相连。这样，一个供热系统的管网图就转 化为图论中的网络图。而且管道中的水流是有方向的，所以管网图是有向图。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 、i ， _ + 1 ” 、 图2 1 管网示意图 图2 - 1 有一热源a ，三个给水点b 、c 、d 。q 。表示热源节点供水量，q ：，q 。，0 。 分别表示b 、c 、d 节点的流量。管段视为网络图中的对应边，管段的直径、 管长、管道流量、摩损系数等作为管段对应边的权。至此，与管网同构的网 络图生成了。图中箭头表示各条边的方向，即管段中水流方向。 网络图中节点与边的关联函数可以用完全关联矩阵i 。表示如式( 2 2 ) 所示。 编号 t 缸j 2 b d 12 11 10 00 01 345 000 101 01 1 110 ( 2 2 ) 1 ，表示j 管段与i 节点相连，且管内水流流离该节点； 式中：i , j =0 ，表示此管段不与该节点关联： 一1 ，表示j 管段与i 节点相连，且管内水流流入该节点。 完全关联矩阵与管段流量列向量q 以及节点流量列向量q 可组成管网节 点方程( 即连续方程) i 。j q + q = o ，q = ( q 。，q ：，q 。，q 。，q 。) 1 ，q = ( q i ，q 2 ，q ，q 4 ) 7 。 网络图的生成树( 全涉及树) 可以有很多种，在计算时可以任选一种。在 本例中，选1 、2 、4 这3 条边为图的生成树，则补树( 余树) 的各边( 弦) 为3 、 5 各弦将与枝构成基本回路，一个基本回路中有且仅有1 条弦。用基本回路 矩阵b f 表示则如式( 2 - 3 ) 所示。 枝12 4 弦3 5 盼 一：二二： ， 式中每一行表示一个基本回路( 环) 。环的方向以该环对应弦的方向为准。 “_ i ”表示管段中的流向与环中弦的方向相反，“1 ”表示相同，0 表示 该管段不在此环内。b f 可用矩阵b 和单位阵u 表示为式( 2 - 4 ) 。 广一】01 b f = bu ，其中b = l i ( 2 - 4 ) 环阵与管段摩损列向量h f 构成环方程如式( 2 5 ) 所示。摩损向量的元素顺序 与b f 中每行元素所对应的管段顺序相同。 b ，h ，= o 。其中h f = ( h ，h 。，h ；，h 。，h 。) 1( 2 - 5 ) 图论理论中，连续方程用割方程代替。每个割方程只含一根枝，并和相关的 弦构成割集，将图2 1 分割成互不连通的脱离体。这样，图中就有3 个割集。 割集和割集阵a f 如式( 2 - 6 ) 所示： 枝i2 4 弦3 5 “兰。黼=。lkeee s )：二1 e ， 2 = ( 2 ，3 ， l olollj k 3 = ( e 4 ，e 5 ) oo 1ol 割阵a ，中，每一行表示一个割集。图中有3 根枝，所以就有3 个割集。 割阵中，“表示该管段在此割集内，且管段流向与此割集内的枝中的流 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 向相同，“一1 ”表示流向相反， “0 ”表示该管段不在此割集内。式( 2 6 ) 的 割阵a f 和割集k 一对应。割阵a f 可用一个矩阵a 和一个单位阵u 表示为： a f _ uia ，其中a pl 1 l l l o1 割阵与流量列向量可构成割方程。 根据图论理论，割阵的行向量与环阵的行向量正交，这种关系可用式( 2 7 ) 表示。 b l u u a 1 = o 或者 u l a b i u 7 = o( 2 7 ) 所以有b = a t 或者a = 一b 7 。这样，环阵可以由割阵求出，反之亦然。 关联矩阵通过选主元初等行变换即可得到割阵：先选关联阵第一行中一 非零枝元素为主元，并使其为+ 1 ，消去其它各行中此主元；再选第二行、第 三行、的主元，最后即得割阵a f 。因此，可以由关联矩阵导出割阵和环阵。 2 图论法模型 任何管道的水力计算都可以用管段水流量q ，水头损失h ，管径d ，管长l 和管壁条件c 等5 个因素来描述。一般d 、l 和c 为已知条件，只有q 和h 未知。因此，求解个管网的水力平衡问题，可从两方面考虑：一是利用q 和h 的关系，消去h ，以q 为未知量计算，求出q 后，反求h ；二是首先消去 q ，以h 为未知量计算；解出h 之后，再反求。图论法也可从这两方面入手， 即求弦流量式和求枝摩损式。前者只适用于环状网，而后者则适用于所有类 型的管网，所以本文着重介绍后者。 设一管网有j 个节点，p 条管段，l 个环，则三者满足l = p - j + i 的关系。 管网的每一管段都有q 和h 两个未知量，因而未知量的个数为2 p 。但管网环 方程有l 个，线性无关的连续性方程有j - 1 个，总数为l + j - i = p 个，不能求 解2 p 个未知量“”。因此，必须借助p 个管段摩损方程式。管段摩损方程式 线性化后的通式如( 2 8 ) 和( 2 9 ) 所示。系数r 称为阻尼系数，y 称为传导系 数。r 和y 的具体形式与所选用的摩损公式有关，是d 、c 、l 的函数。摩损 公式线性化后，r 还是q 的函数，y 还是h 的函数。不过，在求解过程中，总 是把r 和y 当作已知量来对待。 哈尔浜工程大学硕士学位论文 阻尼式：h = r x q ( 2 - 8 ) 传导式： q = y h( 2 - 9 ) 式中r 和y 是阻尼系数和传导系数矩阵。 如果摩损公式采用h a z e n w i l l i 锄公式，则有： h = r 。q = 1 0 6 8 q 18 5 2 l ( c 1 , 8 5 2 d 48 7 ) = 1 0 6 8 l i q l o8 5 2 ( c 18 5 2 d 48 7 ) q( 2 1 0 ) r - l o ，6 8 l q o8 5 2 ( c 1 8 5 2 d 4 8 7 ( 2 一1 1 ) y = 1 r _ c 18 5 2 d 48 7 0 0 6 8 l q o8 5 2 ) = c 1 8 5 2 d 48 7 0 0 6 8 l ) l q t 。0 8 5 2 ( 2 1 2 ) 用h 向量表示管段摩损：h 表示枝摩损，h 表示弦摩损； 用q 向量表示管段流量：q 枝管段流量，q7 表示弦管段流量。 割方程的右端项q 为脱离体所含节点流量之和。 环方程： b f x h = 0 ，即【bu 】“ lh j 2 0(2-13)n 广1 割方程： a f q = q ，即【u a ：， = q ( 2 1 4 ) 传导式： ：， = j ：， ：， ( 2 一，s ， 求枝摩损式( 以管段摩损为未知量) ： 首先将传导式( 2 - 1 5 ) 代入割方程( 2 1 4 ) 得： 叭， 冀 h = q p 由环方程( 2 1 3 ) 可得b h + h = o ，即h ，- - b h ，代入式( 2 1 6 ) 得： c ua ， ：， 一：h = qc 2 一- 7 ， 即hyay 7 b = q( 2 一1 8 ) 根据正交定理得：h y + a y a t = q( 2 一1 9 ) 这就是图论法的求枝摩损式计算公式。h 即为枝管段的摩损向量。解得 枝摩损值h 后，其余变量可由相应的公式求出。由环方程可得h 乜b h ，即 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可求出弦摩损向量h ，q 、q 向量可以由式( 2 1 5 ) 求得。 式( 2 1 2 ) e f tc i 8 5 2 d 48 7 1 0 6 8 x l 对某一管段来说是个常数，可用w 表示。则 传导系数y 可以表示为： y = w x ql 一0 。8 5 2 f 2 2 0 ) 在迭代计算时，第一次可以直接用w 代替y 进行计算，求出h ，q 后计 算y ，再求新的q 值，如此反复计算，直至前后两次的q 值符合给定的误差 标准为止。 为了避免可能出现的数值摆动现象，在第三次迭代时，用前两次迭代结 果的流量平均值作为初始流量值t l s i 即： q 2 q + q 2( 2 - 2 1 1 求得q p ) ，这样收敛速度加快。 3 管网附件 实际管网中，有许多控制、安全、量测设施，如加压泵、控制阀、逆止 阀、减压阀等附件，对管网运行产生重要影响。传统计算方法都未涉及到管 网附件问题，不仅使计算准确性受损，而且其计算程序无法用于同常管理工 作。 图论法处理管网附件时，将附件所在管段视为特殊管段，这些管段的摩 损式要根据其附件的水力学特征计算摩损值，再加入到管网中进行水力平衡 计算。本文给出几种较常见管网附件的处理方法。 4 普通阀门 闸阀是用得最多的一种阀门，在般的水力计算过程中，闸阀的水头损 失计算一般引用公式h f = v 2 2 9 ， 值见文献钉。 其中，a 表示管段中过水断面的高度，d 表示管段直径，a d 表示阀门开 关。当开度为0 时，阀门完全关闭，没有流量通过：当开度为1 时，阀门完 全打开，对水流不产生影响。 将阀门水头损失公式用流量表示为：h f v 2 2 纩 2 q w g d 2 则阻尼系数r 为：r = 2 q 矛g d 2 ；传导系数为：y - q r z g d 2 2 x q 。1 计算时只需将闸阀的r 或y 值加入，即可计算。 蝶阀的计算方法与闸阀类似 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 热力工况数学模型 通过水力工况的计算，可以求得系统各支路的流量及压降，各节点的压 力等叁数。但是，仅有系统中的流量、压降及节点压力，还是不够的，还需 要进行系统的热力工况计算。文献1 2 0 1 、1 2 1 】提供了一个进行系统热力工 况计算的通用公式，设节点数为n ，支路数为m ，模型建立如下： r w r = h z 。+ w 2 - 2 2 式中 = “ i = 臼。【g 】彳：一爿。【g 】h 爿j ) _ 1 一。 g 】矛 亏、i 向量，其元素为支路的入、出口温度 亏= 阢”，死”，瑶邮y 亍。= = 。t 。o 。1 ) ，t 。( 。2 ，) ，t 。( 。m ，) y ， 2 2 3 2 2 4 一。、a 。向量，节点的流入、流出矩阵； 4 。= 扛，l 。a 。= 溉l f 1 管段，与节点i 关联，且流入节点i 2 1 0 其它 f 1 管段，与节点i 关联，且流入节点i 岛2 1 0 其蔷 h ，w 一向量矩阵： 哈尔滨工程大学硬士学位论文 矛= 眠，吸) 7 【g 】- _ 一流量矩阵： h = g - - g l c p p g 2 c 。p h m l 。 g c p p 在式2 2 2 、2 - 2 3 、2 2 4 中，由于流量 g 】可由热负荷求出，因而上式计算 的关键是求h 、w 的值。由文献1 2 0 1 知道：h 和w 是传热系数k 的函数， 但k 不是一个常数，而是温度的函数。所以求h 和w 时，要进行k 的迭代 计算，一般要编程求解。 2 4 热网最大水输送系数 对于热网来说，循环流量平衡是首要条件。在满足循环流量平衡的前提 下，各热源所属泵站可能有多种运行方式。应在各种泵站可能的运行方式中， 对供热系统进行相应的水力工况分析。由于一个固定的供热系统，在管网各 段管径和长度已定的情况下，受到最大输送能力的限制，不是所有的泵站运 行方案都能满足循环流量平衡的要求。选出可行的运行方案，进行全网的水 输送系数计算，其中数值最大值为最佳运行方案。水输送系数公式如下： 苎_ m = q l ( 2 2 5 ) i = l 式中：m 一供热系统的水输送系数； q 一供热系统小时总供热量； n 一第1 个泵站的水泵电功率； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 需特殊说明的是，在整个供热系统运行期间，由于供热调节方式的不同， 系统的循环流量是不断变化的，因此泵站的最佳运行方案将有几个，随室外 温度的变化而不同。 2 5 本章小结 在本章中主要研究了多热源联合运行优化条件。定义了考虑热源和水泵 运行费用的系统运行费用优化函数。提出利用网络图论原理来解决多热源环 状管网水力计算中的水力平衡计算这一难题，提高了计算精度。同时提出热 网应满足的热力工况模。利用管网最大水输运系数来研究管网循环流量平衡 问题，同时这也是系统供热调节的前提。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章2 0 0 4 年秋季至2 0 0 5 年春季热网运行分析 3 1 马家沟机场开发区情况介绍 3 1 1 热源 机场开发区集中供热系统共有三处热源，分别是哈尔滨化工热电厂( 简 称化热) 、哈尔滨热电厂( 简称哈热) 和拉林锅炉房。a 化热位于哈尔滨市化 工区中心，有1 3 0 t h 的中温中压煤粉炉三台。1 2 m w 汽轮机三台，装机总容 量为3 6 m w ，其中两台型号为c c l 2 3 4 万o 9 8 0 1 1 8 型的双抽机组，一台型 号为b 1 2 3 4 万o 9 8 型背压式机组：两台抽凝式机组的最大抽汽量各为 5 0 t h 。背压式机组的最大排汽量为1 8 0 t h 。采暖供汽总量为2 8 0 t h 。采暖 循环泵共有三台，型号为2 0 s h 6 a ，其中一台为变频泵，供水出口压力为 0 9 - 0 7 m p a ，回水压力为0 3 - 0 2m p a ，扬程为8 5 米，循环流量为1 8 7 0 t h 。 设有两个加热器，为串联关系。换热面积为4 6 2m 2 。2 0 0 4 年计划再安装三台 l o o t h 热水锅炉，与热电厂为并联关系。供回水参数为1 3 0 7 0 。b 哈热共 有六台汽轮机，总装机为3 0 0 m i j 1 # 、2 # 机组原是额定功率为1 0 0 m w 的凝汽式 机组，后改为抽汽式机组，抽汽压力为0 2 5 m p a ，向香坊区和机场开发区供 热，其供热蒸汽量为2 8 9 6 t h 。循环泵共有四台，总循环流量为2 0 0 0 t h ， 出口压力为1 6 m p a 。c 拉林锅炉房共有四台2 9 m w 热水锅炉。循环水泵型号 为1 6 s a 一9 ，共有两台，扬程为9 4 米，流量为1 2 6 0 t h 。 3 1 2 热网 机场开发区集中供热系统采用间接连接形式，设计供暖叁数为1 3 0 7 0 ，最大供暖半径约达9 公里，共有热力站1 0 5 座；最大管径达d n l 0 0 0 。热 网走向及分布图1 ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 3 热负荷 图3 1机场开发区热网平面图 机场开发区热网的热负荷主要有两种，一为采暖热负荷，二为生活热水 负荷。住宅和公企的热负荷计算采用面积热指标法，根据城市热力网设计 规范选取住宅热指标为5 8 w m 2 ；公企的热指标7 0 w r e 生活热水负荷计算 采用热网规范中的估算公式1 2 2 1 热水供应热指标综合选取为1 0 w m 2 。 各种热负荷的计算公式如下： 其中 住宅、公企：晓= q ，f x l o 3 k w 生活热水供应： 9 ：。= q 。f 1 0 。k w 或建筑物的供暖设计热负荷， k w f 建筑物的建筑面积，盯； q s 建筑物供暖面积热指标，w m 4 ； 1 8 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 包。居住区供暖期的热水供应平均热负荷， k w ； f 居住区的建筑面积，m 2 ： q ，居住区热水供应热指标，w m 2 ； 根据以上热负荷计算公式，计算出整个开发区热网的热负荷情况如下表： 由计算可知： 1 2 0 0 4 年整个热网的供热面积将达到6 5 4 万平方米，采暖热负荷将达到 4 2 5 1 m w ；生活热水热负荷为4 4 7 8m 1 】。 2 未来整个热网的供热面积将达到7 9 5 万平方米，采暖热负荷将达到 5 1 6 7 5m w ：生活热水热负荷为5 8 8 8m w 。 在上面的生活热水热负荷统计时，待定名称的换热站均按有生活热水供 应考虑。 表3 1 热负荷统计表 供热面积供热能力热负荷热负荷热水负 序 站名( 万平方( 万平方 ( k w ) ( k w )荷( k w ) 热水负 号荷( k w ) 米)米) 1 政协站 3 9 1 2 4 1 41 5 2 5 4 3 19 7 5 0 2齐鲁站3 3 6 6 4 51 5 62 1 8 8 2l o l 4 0 3昆仑站1 8 5 6 1 9 2 42 l1 2 0 6 41 3 6 5 01 8 5 6 22 l o o 4 威朗站1 1 1 11 07 2 2 1 5 6 5 0 0 5