（工程热物理专业论文）集中供热系统动力学研究及网络监控系统开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 集中供热能够节约能源、保护环境，因此，近年来我国集中供热系统发 展迅速。但由于缺乏与之相应的各种管理、监控、调节等技术，使得当前集 中供热系统普遍存在着比较严重的水力失调和网络监控自动化程度低等现 象，增加了供热成本。因此集中供热系统动力学研究和网络监控系统开发意 义重大。 本文采用流体网络分析法，建立了水力工况的数学模型，设计了求解数 学模型的算法；并利用模拟分析法，针对具体实例编制了相应的模拟调节软 件，模拟结果准确度高，调节时间短，可有效解决系统的水力失调问题。 本文采用以太网通讯方式和j a 、，a 编程语言，建立了一套比较完善的网 络监控系统，可以实现在中央控制室进行热力站现场参数的实时监测、实时 存储、处理分析、报表打印等。因此利用该系统，不但可以及时监测系统参 数、调节管网，而且能够健全运行档案，实行量化管理，从而提高系统设备 的运行效率，减小能耗，改善供暖质量。 本文针对集中供热系统的管理人员对通过互联网访问网络监控系统的 需求，建立了可发布于互联网的集中供热网络监控系统，使管理人员随时随 地的对集中供热系统进行监测。 关键词：集中供热系统、数学模型、流量调节、网络监控、互联网 一一 坐变查兰堡_ 上堂竺堡奎 a b s t r a c t b e c a u s ed i s t r i c t h e a t i n g n o t o n l y s a v e s e n e r g y b u ta l s o p r o t e c t s e n v i r o n m e n t ，i t i s d e v e l o p i n gr a p i d l y i no u r c o u n t r yr e c e n t l y b u t t h e c o r r e s p o n d i n gt e c h n i q u e o fm a n a g e m e n ta n d s u p e r v i s o r y a n dc o n t r o la n d r e g u l a t i o nd e v e l o p ss l o w l y t h e r e f o r es e r i o u sh y d r a u l i cm a l a d j u s t e dp h e n o m e n o n a n dl o wa u t o m a t i cl e v e lo fn e t w o r ks u p e r v i s o r ya n dc o n t r o le x i s t s g e n e r a l l y i t r e s u l t si nt h e h i g hc o s t o fh e a t i n gs u p p l y s jd y n a m i cr e s e a r c ha n dn e t w o r k s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n to fd i s t r i c th e a t i n gs y s t e mi sv e r y i m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , t h ef l o w i n gn e t w o r ka n a l y s i sm e t h o di sa d o p t e da n dt h em o d e l o ft h eh y d r a u l i cc o n d i t i o ni sp r e s e n t e d t h ep a p e ra l s od e s i g n st h ea r i t h m e t i co f t h em o d e l t h ep a p e rp r o g r a m st h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nr e g u l a t i o ns o f t w a r e a c c o r d i n gt o a ne x a m p l eo nt h eb a s i so ft h es i m u l a t i o na n a l y s i sm e t h o d t h e s i m u l a t i o nr e s u l ti sv e r ya c c u r a t e t h et i m eo fr e g u l a t i o ng e t ss h o r t e ra n di tc a n s o l v et h ep r o b l e m o f h y d r a u l i cm a l a d j u s t m e n te f f e c t i v e l y i nt h i sp a p e r , ar e l a t i v e l yp e r f e c tn e t w o r k s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e mi s p r e s e n t e d t h ec o m m u n i c a t i o no ft h en e ws y s t e mu s i n ge t h e m e ti s a d o p t e da n d t h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ei sj a v a t h en e ws y s t e mc a nr e a l i z et h e r u n t i m e s u p e r v i s i o n ，s t o r a g e ，a n a l y s i sa n dr e p o r tp r i n to f t h ep a r a m e t e r so fh e a ts t a t i o ni n t h ec e n t e rc o n t r o lr o o m s ou t i l i z i n gt h es y s t e m ，t h em a n a g e ro ft h es y s t e mn o t o n l yc a ns u p e r v i s el o c a lp a r a m e t e r sa n dr e g u l a t eh e a t i n gn e t w o r kb u ta l s oc a n c o m p l e t et h eo p e r a t i o n a r c h i v e st or e a l i z e q u a n t i t ym a n a g e m e n t t h u si tc a n i m p r o v e t h e o p e r a t i n ge f f i c i e n c y o ft h e e q u i p m e n t a n dr e d u c et h e e n e r g y c o n s u m p t i o na n di m p r o v e t h eq u a l i t yo f t h eh e a t i n gs u p p l y i nt h ep a p e r ，an e wn e t w o r ks u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e mo ft h ed i s t r i c t h e a t i n gs y s t e mo nt h ei n t e r a c ti sp r e s e n t e d ，t h i a st h em a n a g e ro ft h es y s t e mc a n s u p e r v i s et h el o c a lp a r a m e t e r sa ta n yt i m ea n da n y w h e r e v i ai n t e m e t k e y w o r d s ：d i s t r i c th e a t i n gs y s t e m ，m a t h e m a t i cm o d e l ，f l u xr e g u l a t i o n ，n e t w o r k s u p e r v i s i o na n dc o n t r o l ， n t e m e t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：益量至 日肌跫型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：登堡垒导师签名： f ，。五一 日期：盟! 尘 山东大学硕士学位论文 a b r h v s 主要符号表 图的关联矩阵 图的基本回路矩阵 网路计算管段的压降，m h 2 0 网路计算管段的水流量，m 3 h 网路计算管段的阻力数，m h 2 0 ( m 3 ，h ) 2 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 集中供热系统的发展与现状 l1 ，1 集中供热系统 人们在日常生活和社会生产中都需要使用大量的热能，生产、输配和应 用中、低品位热能的工程技术称为供热工程。随着经济的发展、人们的生活 水平的不断提高和科学技术的不断进步，在1 9 世纪末期，在集中供暖的基础 上，开始出现以热水或蒸汽为热媒，由热源集中向一个城镇或较大区域供应 热能的方式，即称为集中供热。 集中供热的优越性是节约能源，保护环境，提高供热质量，节省分散供 热时宝贵的城市建设用地和减小重复性投资。目前，集中供热已经成为现代 化城镇的重要基础设施之一，是城镇公共事业的重要组成部分。 集中供热系统有三大部分组成：热源、热力网和热用户。 热源是指供热热媒的来源。目前最广泛的应用是：区域锅炉房和 热电厂。在此热源内，是燃料燃烧产生的热能，将热水或蒸汽加热。 此外也可以利用核能、地热、电能、工业余热作为集中供热系统的 热源。目前，在欧洲国家地热的应用正日趋广泛。 热网由热源向热用户输送和分配供热介质的管线系统，称为热 网。 热用户集中供热系统利用热能的用户，称为热用户。 集中供热系统按照热源的不同又分为区域锅炉房集中供熟系统和热电厂 集中供热系统。区域锅炉房集中供热系统以区域锅炉房( 内装置热水锅炉和 蒸汽锅炉) 为热源，热电厂集中供热系统以热电厂为热源。 1 ，l _ 2集中供热系统的发展与现状 集中供热方式始于1 8 7 7 年，当时在美国纽约，建成了第个区域锅炉 房向附近的1 4 家用户供热。 自二十世纪中期以来，由于集中供热明显的具有节约能源、改善环境和 提高人民生活水平以及保证生产用热要求的主要优点，使得城镇集中供热事 业得到迅速的发展。 山东大学硕士学位论文 集中供热系统的发展，各国因具体情况不同而各具特点。 前苏联、丹麦、芬兰、瑞典、德国等国是集中供热发展很快的国家，从 设备、技术、管理等方面都处于世界领先的水平。 前苏联集中供热占全国总需求热量的7 0 ，其中热电联产占一半多。该 国长时期来是以积极发展热电厂供热作为主要技术发展政策的。 丹麦集中供热占全国总需求热量的5 0 ，其中热电联产占3 0 。在丹麦， 集中供热是作为城市基础设施的组成部分，与电力、电话等系统受到同样的 重视。在芬兰，集中供热占全国总需求热量的4 5 ，其中热电联产占7 0 ： 在瑞典，集中供热占全国总需求热量的3 4 ，集中供热网总长达6 5 0 0 k m ， 1 9 9 9 年供热总量达到了4 3 t w h “。上述北欧诸国从7 0 年代末开始，热用 户均按热量计量收费，发展至今，技术与水平已经相当先进。 在一些工业发达较早的国家( 如英、法、美等) ，目前区域锅炉房供热 仍占较大的比例。但热电联产也在快速发展，在集中供热中所占比例正日趋 扩大”3 。 我国的集中供热事业在解放后，随着国民经济建设的发展和人民生活水 平的不断提高，得到了迅速的发展，兴建了大量的高参数、大容量供热机组 的热电厂和大型区域锅炉房。 截至2 0 0 0 年，我国城镇供热面积达1 1 0 7 7 亿平方米，已占“三北”( 华 北、东北、西北) 、山东、河南等采暖地区是由房屋面积3 4 0 5 7 亿平方米的 2 8 ；城镇供热面积中住宅面积约占6 0 ，用热人口达3 2 0 0 万，全年供热费 用近2 0 0 亿人民币。“1 虽然我国的集中供热系统的建设和技术，取得了显著的成就，但与一些 工业发达国家相比，还存在着很大的差距，主要表现在以下几个方面： 整个供热系统的热能利用效率低，浪费能源，污染环境。 供热产品设备品种单一、质量差，供热成本高。 供热系统的运行管理和自控、调节水平低。这主要表现为缺乏大规 模管网的运行经验，运行调节技术手段少，经验成分多；需要新的 计算手段和调节、管理方案。 因此，在借鉴国外先进技术的基础上，开发研究适合我国国情的集中供 热系统新设备、新产品和新技术势在必行。 山东大学硕士学位论文 1 2 集中供热系统动力学研究的发展与现状 1 2 1 集中供热系统动力学研究的简介 集中供热系统包括热源、热力网和热用户，热力网起着传输媒质、输送 热量的作用，供热质量的好坏与供热网有着直接的关系；集中供热系统动力 学研究即是对于供热网的流量、压力及流动阻力等相互关系的研究，其研究 的主要目的是对供热网进行优化设计，能够将足够的热量输送到热用户，并 且能够按照热用户所需要的进行均匀分配，提高供热的质量和降低供热的成 本。因此，集中供热系统动力学研究即是对供热管网的研究。 国外集中供热发展较早，对供热系统的动力学研究也比较深入。我国的 供热网与国外尤其是北欧的相比，有着很大的不同，主要表现在以下几个方 面： 我国的热网采暖按照面积收费，而北欧国家大都按照热量收费。 北欧国家采暖散热器大都安装有温控阀，而在我国却极为罕见。 在我国热电厂与热网分为两家管理，调峰热源不足；而国外这种现 象却很少。 国内热网以采暖为主，国外则为供暖与供生活热水兼顾。、 正是由于供热网特点的不同，使得国内外对集中供热系统动力学研究的 侧重点也有所不同。 在国外，集中供热系统普遍采用的控制方式是最不利端压差控制，主循 环泵采用变速泵，根据最末端测出的供回水压差控制泵的转速，使该压差能 维持于要求的数值。各热用户可根据要求，自动调节流量，满足各自的用热 要求。即任何一个热力站随时都可以开大阀门而加大流量，增加热量。因此 在国外，供热动力学研究的重点不是管网水力失调和热用户处冷热不均的问 题，而是如何通过建立管网的数学模型设计更为经济的管网，并利用各种控 制方法，对整个的供热网进行优化，主要目标是降低热量的损失和供热成本。 这些技术都通过设计管网的模拟软件包的形式来实现，其中成熟的软件包括 丹麦技术大学开发的软件包p r e s s 、匈牙利的布达佩斯技术大学的 d y n a m i c p r o g r a m m i n g 3 “、瑞士的m i x e d0 - 1 3 、西门予的s i n c a l s i e m e n s 3 63 等。通过利用这些软件，可以设计出经济性相当高的供热管网，降低供热 山东大学硕士学位论文 成本。 而在我国，供热是按建筑可积收费，并且热量的供应难以象国外那么充 足，无法采用最不利端压差控制；因此，我国的集中供热系统动力学的研究 重点就是如何在有限的热量供应下，保证热量能够按照热用户的需要均匀分 布，避免水力失调。 目前，我国城市集中供热网正在向大规模、多热源和复杂化不断发展， 这主要表现在以下几个方面： 单一热网的供热面积越来越大，达到了几百万甚至上千万平方米； 单一热网同时有多个热源，不但有热电厂和调峰区域锅炉房，还有 蓄热罐。 热网形式多样化，如混水、阆连、枝状网及环状网都有应用； 传统的管网设计很大程度上依靠设计者的经验，管网的阻力只做大体平 衡，由于热网的曰渐复杂化，使误差越来越大，结果就使管网的水力稳定性 变差；另外，在施工中对原设计的改动，也会引起网络各段的实际流量与设 计流量有差别。 正是由于上述两点原因，使得目前我国运行的集中供热系统供热网，普 遍存在着比较严重的水力失调现象，造成了热用户处冷热不均、水泵的效率 低下以及系统耗能大等不利情况。 因此，如何对供热网进行调节和控制，使全网的运行状态最优、成本最 低、充分满足热用户对供热质量不断增加的要求，具有重要的意义。 1 22 集中供热系统供热网调节方法 集中供热管网的调节分为初调节和运行调节。 运行调节是指在运行期间，当热负荷随着室外温度的变化而变化时，为 实现按需供热，而对系统流量进行的调节。系统流量的运行调节，主要目的 是消除系统热力工况的垂直失调。 供热初调节一般在运行初期进行，也可以在运行中进行。目的是将各热 用户的运行流量调配至理想流量( 即满足热用户实际热负荷需求的流量：当 供热系统为设计状况时，理想流量即是设计流量) ，主要解决系统水量分配不 均的问题，亦即消除各热用户的水利不均。 本文从集中供热系统的动力学角度来进行研究，因此以供热初调节为研 4 山东大学硕士学位论文 究目标。 目前常用的初调节的方法包括阻力系数法、预定计划法等，但因为计算 工作量大或实地调节工作量大，在实际中应用的很少。随着各种平衡阀以及 智能仪表的开发应用，又陆续出现了许多方法，如比例法、补偿法、计算机 法等，这些方法在供热系统中都得到了不同程度的应用。上述方法都是非基 于模型的，近年来随着计算机技术的发展，基于模型的计算机方法逐渐发展 起来，模拟分析法就是其中的一种。各种初调节方法的优缺点比较如下： 初调节 方法 优点不足 基本原理简单易懂，将各热用户的启系统阻力系数值不能直接测量，要由流量、压降直 阻力系动流量和热用户的局部系统的压力损接测量后间接求出，因此必须反复测量其流量和匪 数法失调整到一定比例，使其阻力系数达降，反复调节有关阀门该方法属于试凑法，现场 到正常工作时的设计值操作繁琐、费时实用性不大 预定计 预先计算出通过阀门的启动流量，在计算工作量大，且调节前必须关闭所有热用户的阀 现场一面检测流量，一面调节热用户门，所以该调节方法只能在供热系统投入运行前进 划法 阀门，使其逐个满足启动流量。行，不能在运彳亍过程中进行。 采用平衡阀和智能仪表直接测量平调节方法繁琐，必须使用两套智能仪表，配备两组 比例法衡阀莉后的压差以及平衡阀中通过的测试人员，通过报话机进行信息联息，平衡阀重复 流量，原理简明，效果良好。测量次数过多，调节过程费时费力。 该方法准确可靠、节省人力，降低了同时需要两台智能仪表、三组操作人员通过报话 补偿法供热系统循环水泵的扬程，节省了运机进行信息联息，当仪表人力有限时，操作有一定 行费用。困难 计算机计算工作量小，现场调节无顺序要求， 把平衡阀二次不同开度下支线总压降视为相等，当 安装平衡阀的用户热力入口与系统干、支分支点相 法操作方法也较简单。 距较远时，这种近似将引起较大误差。 模拟分 准确快速、节省人力物力，用途广泛每个用户调节阀流量需要测量两次 析法 模拟阻调节阀和智能仪表可以进行远程控 需识别管网的阻力特性，对调节人员要求较高 力法制无调节顺序 测量参数单一，只有温度一种类型参 温度调数，不必进行流量、压力的测量，只由于供热系统的热惯性，温度测量常常是过渡数 节法需较少的测试仪表，调节费用相对较值，需要系统稳定后在测试延长了调节时间。 少，调节精度高。 自立式 依靠自立式流量控制器( 自立式平衡初投资较高，当热源供热量不足时，会出现互相抢 阀) ，自动进行流量的调节，小巧美观，水现象，甚至使每个散热器恒温调节阀都开到最 调节法 不靠外部能耗，即能自动调节流量。大，形成失调现象。 简易快 简单易行，快速调节调节精度相对不高 速法 1 2 3 基于供热系统水力工况数学模型的调节方法 它的基本思路是，根据图论得到描述供热网水力工况的数学模型，将供 山东大学硕士学位论文 热网水力工况的调节问题转化为对模型的求解。此方法实现了对热网的机理 分析，调节量小，模拟调节精度高，调节设备少，节省时间和费用。 国外的有些优化调节软件中包括了供热系统水力工况模型的建立和求 解，包括德国的b o f i t ”和z v f w ”。但如前面所述，这些软件并不适合 中国的国情。k r o p ea 等人3 采用拉格朗日乘数法( l a g r a n g em u l t i p l i e r ) 对水力工况的模型进行求解，求解相对较为复杂；清华大学的秦绪忠、江亿 等在此方面作了大量的研究工作，他们通过遗传算法对模型进行求解，并将 其应用于环状管网“。对于枝状管网，遗传算法应用相对较为复杂。国内 有些大学和科研机构采用m a t l a b 对模型进行求解”，虽然可行，但对于非 专业人员，使用不方便。 本文即经过对供热网水力工况的详细分析，以实用化为目标，建立数学 模型，将非线性方程组的求解转化为对线性方程组的求解，简单实用。并编 制实例程序，可实际应用于工程实践中，为供热管网的调节提供了一个新的 方法。 1 3 集中供热系统的网络监控 l3 1 集中供热系统的网络监控的功能 随着我国集中供热事业的飞速发展及计算机技术的日益普及，近几年来 我国已经有几十个大中型供热网使用了计算机监测和控制调节系统，目前仍 不断有新的系统上马或投入运行。通过监控系统对热网进行实时监控，能够 实现热网运行过程中的信息采集和信息集成，科学有效的控制和管理热网， 为热电企业各级领导和管理生产部门提供辅助决策和优化手段。 具体地说，集中供热系统热网的网络监控系统应该能实现以下任务： 测量并记录全网的运行参数，参数在出现异常时能够自动报警，使 得管理和调度人员能够在调度室和自己的办公室看到现场当时和 以往的运行参数，从而直接对全系统进行统一调度和管理，在特殊 的情况下，还可以直接在调度室通过监控系统对各热力站设备进行 操作。 能够对存储的数据进行自定义查询和统计及曲线趋势分析，能够及 山东大学硕上学位论文 时发现系统出现的各种异常现象。 系统能够打印各类报表，以便进行更详细地分析。 目前，这些系统中多数为国产技术，以国内开发的软硬件为主，也有全 套引进北欧等国的软硬件系统。 1 3 2 国内外几个典型的集中供热网络监控系统 下表所示的是国内外几个典型的集中供热网络监控系统。 名称 基本情况热网通讯网测控内容 计算机系统 4 0 公里供热 半径，次 丹麦哥本哈管网管线长一对一式。利用 各热源及热力站供回使用西门予 v e k s 根市，供热面9 9 公里，七调制解调器通 水温度、供热量站内公司系统， 积1 2 0 0 万m 2个中间泵过电话网通讯 热交换器进出口压力、1 9 9 1 年投入 站，4 0 个换 温度 运行 热站 瑞典马里墨 市，供热面积 2 5 公里供热 一对一式，利用关键点的温度、压力，使用a b b 公 m a l r n o1 1 0 0 万m 2 ， 半径，直连 提供生活热 网0 个热 调制解调器通各热力站进出口流量、司系统，1 9 8 8 入口 过电话网通讯耗热量 年投入运行 水 沈阳市第二 l5 公里供热 五个r h 环形通 各热力站一次网供回 使用清华同 热力公司，设半径，间连 讯网，每个网住水温度、压力、流量， 方公司系统， 沈海用两根导线与 二次网供回水温度、压 计供热面积式，1 0 0 个热1 9 9 2 年部分 9 0 0 万m 2力站 2 0 个控制机通力及补水流量，= 次蚓 讯循环泵工作状态 投入运行 辽宁盘锦市1 0 公里供热 两个p , h 环形通 辽河油 i ；| 热半径直连 讯网，每个网使 各熟力站一次网供回使用清华同 辽河油j用两根导线与 水温度、压力、流量，方公司系统， 嗣，供热面积式，1 4 个热 1 0 个控制机通 热电厂热交换器进出1 9 9 0 年部分 1 0 0 万m 2力站口压力、水位 投入运行 讯 内蒙古赤峰 供热半径1 0 一个p h 器，线 使用清华同 赤峰市，供热面积 公里，直连 制通讯网，架电 各热力站一次网供回方公司系统， 式，4 0 多个水水泵压力1 9 8 8 年部分 l3 0 万m 2线电缆 热力站投入运行 1 3 3 集中供热系统网络监控的通讯方式 集中供热系统网络监控的关键是如何实现各热力站间到控制室的通讯， 因为如果通讯质量不好，则会使整个系统的可靠性较差，以错误的数据进行 分析、控制，就有可能出现错误的调节，造成事故。 目前，普遍使用的集中供热系统网络监控的通讯方式主要为电话网、现 山东大学硕士学位论文 场总线、无线通讯网和光纤。 使用电话网进行通讯包括通过调制解调器进行电话拨号或通过模 拟电话专线进行数据的传输两种方式。丹麦的v e k s 系统、瑞典的 m a l m o 系统和清华同方的r t t 系统均采用了此种方式。各热力站的 监测系统通过电话拨号或电话专线与控制室建立连接，将采集的现 场数据传输至控制室。此系统的运行费用较高，且安全性较差。 现场总线是一种先进的控制联结方式。各热力站的监测系统通过现 场总线与控制室建立连接，将采集的现场数据传输至控制室。现场 总线的传输距离一般在几公里之内，因此其应用范围受到限制。 无线通讯网是在各热力站布置无线发射和接收装置，利用无线电波 进行通讯。此系统的运行费用较高，且容易受到现场的电磁信号的 干扰。 利用光纤进行通讯是近几年来在国外流行的方式，光纤通信高速、 安全、不受干扰，但费用较高；在希腊北部的k o z a n i 的供热网就采 用了此种方式1 ，它的计算机系统采用了德国的b s 1 监控系统。 近年来，随着企业局域网i n t r a n e t 和互联网i n t e m e t 的飞速发展及网络安 全性的逐步提高，基于i n t r a n e t 和i n l e m e t 的各种应用技术也逐渐发展起来， 使得集中供热系统网络监控的通讯方式采用互联网也变为可能。 根据目前中国的国情，以降低费用和安全高效为原则，本文以目前最常 用的i n t r a n e t 和i n t e m e t 为供热网网络通讯方式，以当前晟流行的网络开发语 言j a v a 为软件的开发语言，进行了集中供热系统网络监控系统的开发，这不 但大大降低了系统的运行费用，而且使网络监控不再受地域范围的限制。 1 4 本文的主要研究内容 基于供热系统水力工况数学模型的调节方法是一种新的调节方法，理论 性较强，且由于涉及到数学模型的求解和编程，因此在实际中的应用还不多。 本文经过详细的理论分析，建立了供热系统水力工况数学模型，并以目前最 流行的网络开发语言j a v a 为软件开发语言，开发出一套可以用于实际工程的 调节软件；并详细分析了本软件应用于模拟分析法进行实际调节的具体步骤。 山东大学硕士学位论文 另外本文还利用企业的内部i n t r a n e t 或互联网i n t e m e t 作为通讯方式，选 用先进的硬件设备，构建了集中供热系统网络监控系统；并以j a v a 语言为开 发语言，开发出软件监控程序，实现了现场参数的实时监控和存储，参数的 自动报警，历史纪录的查询和曲线趋势分析，报表的打印等功能。另外，还 构建了w e b 服务器，编写了可以发布于互联网的监控程序，使得管理人员 可以通过互联网i n t e m e t ，在任何时间和地点都可以监测现场的数据，以便于 随时掌握供热现场的情况。 9 山东大学硕士学位论文 2 集中供热系统水力工况的数学模型 2 1 图论 图论是数学的一个分支，它研究的图形和几何学不同，它研究的是仅仅 由点和连接点的线组成的图形；可以说，图论是研究事物( 点) 之问相互关 系( 线) 的一门数学分支。 在二十世纪六七十年代，随着计算机技术的迅速发展，图论也得到了飞 速的发展，尤其它在电路网络研究方面的应用非常成功。 集中供热系统供热网一般是由管道、阀门、水泵等部件连接构成的流体 网络，与只包含电阻、直流电源、导线的电网络类似，在电网络中使用的一 些定律，同样也适用于流体网络。因此，图论应用于集中供热系统供热网， 用于建立水力工况的数学模型，是完全可行的。 国外特别是前苏联，在二十世纪六七十年代，在这方面进行了大量的研 究。国内在这方面的研究还刚刚起步。 2 1 1图与树的概念 2 1 1 1 图的概念 图是空间的一些点( 称为节点) 和连接这些点的线( 称为支路) 的集合。 图论中将图定义为一个偶对g = ( v ，e ) ，其中v 表示顶点的集合，e 表示边 的集合。如图21 所示，可表示为：v = v l ，v 2 ，v 3 ，v 4 ，e = e l ，e 2 ，e 3 ，e 4 ，e 5 ，e 6 ) v 2 e 6 订 图2 1 图又分为无向图和有向图。当图的边的两个顶点是无序的，称其为无向 图，当给图的每一条边规定一个方向，则称其为有向图，图2 2 所示的有向 山东大学硕士学位论文 图可表示为： v = v 1 ，”2 ，v 3 ，v 4 ，e 2 ( v l ，v 2 ) ，( v i ，v 3 ) ，( v i ，v 4 ) ，( v 4 ，v 2 ) ，( v 4 ，v 3 ) ，( v 2 ，v 3 ) ， 砣 e 6 v 3 图2 2 如果顶点v 是边e 的一个端点，则称边e 和顶点v 相关联；对于顶点u 和v ，若( u ，v ) e ，则称u 和v 是邻接的。若两条边有共同的顶点，则称这两 条边是邻接的。 对图g = ( v ，e ) 和图g = ( v 1 ，e ) ，若有v v 和e c _ e ，则称图g 是图g 的一个子图。 图g = ( v ，e ) 的一个顶点和边的交替序列! - t = r o e l v l 。v k le k v k ，且边 e 。的端点为v 1 和v 。，则称u 为一条道路。如果道路u 中v 0 = v k ，则称u 为回 路。 对图g = ( v ，e ) 来说，若g 的两顶点u ，v 之间存在的一条道路，则称 u 和v 是连通的，若图g 的任意两顶点连通，则称图是连通的。 21 1 2 树的概念 树是图论中的重要概念，是图论中结构最简单，用途最广泛的一种连通 图。 如果一个连通图g 的一个子图满足下面的条件就称为g 的一个树： 连通的 没有回路 包含g 的全部节点 按照这个定义的树称为g 的生成树，因为它包含了g 的全部节点。 对于图g 的一个树t ，凡属于此树的支路称为树枝，凡不属于此树的支 路则称为连枝。可以证明，一个具有个n 节点和b 条支路的连通图的连枝数 为l = b n + 1 。 山东大学硕士学位论文 2 1 2 图的关联矩阵与基本回路矩阵 2 1 2 1图的关联矩阵 图的节点和支路的关联性质可以用个矩阵a 来表示。对于一个连通图 g ，它的节点数n ，支路数为b ，各支路均有方向，矩阵a 是一个n x b 矩阵， 它的行对应节点，列对应支路，元素a 。定义如下： r 砘尸1 ，当支路j 和节点i 关联，支路j 的方向背离节点i ； j a i j = 一1 ，当支路j 和节点i 关联，支路j 的方向指向节点i ； la i i = o ，当支路j 和节点i 无关联； 矩阵a 称为节点一支路关联矩阵，简称关联矩阵。 图2 2 所示的图g 的关联矩阵a 为： 11 10 00 01 1000 0一l01 一lo一11 0110 2 1 2 2 图的基本回路矩阵 连通图g 的回路与支路的关联性质可以用一个回路矩阵b 来描述。设g 的节点数n ，支路数为b ，回路的总数为s ，则矩阵b 是一个s x b 矩阵。回 路的方向是以回路所含节点的顺序来确定。这样，b 的元素b ，定义如下： b j i ：1 ，当支路j 在回路i 中，且支路方向与回路方向一致； b i j = 一1 ，当支路j 在回路i 中，且支路方向与回路方向相反； b 。= o ，当支路j 不在回路i 中； 由于矩阵b 的秩l = b n + 1 ，因此它是线性相关的，没有必要把它的所有 行都写出，只要选择1 个独立回路并写出相应的矩阵b t 即可，矩阵b 。称为回 路基矩阵。 在连通图g 中任选一个树t ，每加一条连枝，它就和某些树枝构成唯一 的回路，由此可以确定一组基本回路，回路数等于1 ，即连枝数，它是一组独 立的回路。按先连枝后树枝的适当标号，基本回路矩阵b f 可写为： b r = b 【1 1 1 式中i 是1 阶的单位阵，b 。是g 的回路基矩阵。 212 3 关联矩阵与基本回路矩阵的关系 山东大学硕士学位论文 对于图g ，设其关联矩阵为a ，基本回路矩阵为b f ，按连枝和树枝排列， 得到： a = a t la l 】 又由：b f = b t l l l 可以证明：a b l y = 0 故有： a l + a t b t t = 0 b t t = 一a 。t a l 所以，若已知a ，则：b 尸 。a _ t a l ii j ( 式2 - 1 ) 式2 1 即表示了关联矩阵与基本回路矩阵的关系 2 1 3 基尔霍夫定律 2 1 3 1 基尔霍夫电流定律 基尔霍夫电流定律可以描述为：在任何时刻，所有流出( 或流入) 集中 参数电路中任一节点的电流代数和为零。 设某一电路网络的图g 有n 个顶点b 条边，它的关联矩阵为：a = ( a i j ) n b 令i _ 【i i ，i 2 ，i b 1 ，为各边的电流。 则由基尔霍夫电流定律，可得： = 0 j ；1 ，2 ，n = t 即：a 十i = o 2 1 3 2 基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电压定律的描述为：在任何时刻，沿着集中参数电路任一闭合 路径上所有相邻节点间电压代数和为零。 设某一电路网络的图g 有n 个顶点b 条边，它的基本回路矩阵分别为： b f = ( b i j ) ( b n + 1 ) x b 令v = v l ，v 2 v b 】t ，为各边的电压。 则由基尔霍夫电压定律，可得： b v i = 0 j 2 1 2 b n + l t = l 即：b + v = o 2 2 集中供热系统的供热网 山东大学硕士学位论文 22 1 集中供热系统供热网的布置形式 目前，随着城市集中供热网的大规模、多热源和复杂化的发展，其布置 形式也向多样化发展，其中常用的主要有四种：枝状布置、环状布置、放射 状布置和网格状布置。 2 2 1 1 枝状布置 如图2 3 所示，枝状管网布置简单，供热管道的直径，随着距热源越远 而逐渐减小；金属耗量小，基建投资小，运行管理方便。但枝状管网不具后 备供热的性能。当供热管网某处发生故障时，在故障点以后的热用户都将停 止供热。但由于建筑物具有一定的蓄热能力，通常可采用迅速消除热网故障 的办法，以使建筑物室温不致大幅度的降低。因此，枝状管网是热水管网中 最普遍采用的方式。 一热潭2 主千绒3 一支千城t 一用户童缝 热用户的用户引凡口 图2 3 枝状管网 2 2 1 2 环状布置 环状布置如图2 - 4 所示。对供热范围较大的供热系统，通常采用由几个 热电厂和一些区域锅炉房多热源联合供热，而管网采用环状管网，其最大的 优点是具有很高的供热后备能力。当供热干线某处出现事故时，可以切除故 障断后，通过环状管网由另一方向保证供热。环状管网的投资较大，运行管 理较为复杂，与之相应的控制、调节和管理都比较复杂，因此在国内的应用 还较少。 山东大学硕士学位论文 1 一热潭2 - 主干媸 环状f 闻d 直千拽 5 _ 用户直鳢6 一热用户的用户 l 入口 图2 4 环状管网 2 2 1 3 放射状布置 如图2 5 所示。放射状管网与枝状管网接近，当主热源在供热区域中心 地带时，可采用这种方式，从主热源往各方向敷设好几条主干线，以辐射状 形式供给各用户。这种方式虽然减小了主干线管径，但又增加了主干线的长 度。总体而言，投资增加不多，但对运行管理带来较大方便。 图2 5 放射状布置 2 2 1 4 网格状布置 如图2 - 6 所示。这种方式由很多小型环状管网组成，并将各小环状网之 间相互连接在一起。这种方式投资大，但运行管理方便、灵活、安全、可靠。 山东大学硕士学位论文 图2 - 6 网格状布置 由于枝状管网是热水管网中最普遍采用的方式，因此本文所讨论的供热 管网均指枝状管网。 2 2 2 集中供热系统的热力站 连接于热电厂换热首站( 将热电厂提供的高温过热蒸汽经汽水换热器形 成高温热水的热力站) 和热用户之间的供热系统是整个集中供热系统的重要 组成部分，这其中包括一次网、热力站和二次网。一次网是指连接于换热首 站与热力站之间的管网，二次网是指连接于热力站与热用户之间的管网。热 力站是指连接于一次网和二次网并装有用户连接的有关设备、仪表和控制设 备的机房，是热量交换、热量分配以及系统监控和调节的枢纽，它用于调整 和保持热媒参数( 压力、温度和流量) ，使供热、用热达到安全经济运行。 图2 7 为供暖系统与热水网路采用间接连接方式的热力站示意图。 热力站内的设备主要包括水一水热交换器、循环水泵、补水定压装置等。 一级网的高温水通过热交换器加热二级热网的低温水，然后供给热用户；二 级热网设有独立的循环水泵维持二级网的循环：并设补水定压装置，在回水 压力低于设定压力时，开动补水泵向热网补水。补水源可用经过简单软化处 理的生活水，也可从一级网回水管上接管作为二级热网的补水备用水。 随着我国供热技术的发展，在热力站基本都有必要的检测、自控和计量 装置，利用计算机调控热力站的方式正在逐步得到普及。 山东大学硕士学位论文 热变换嚣2 - - - 级热孵循环水泵墒污器4 _ 水处瑾装置5 _ 朴水定压装置 图2 7 水一水式热交换器间接连接的热力站 本文中所研究的集中供热网网络监控系统即是对集中供热系统各热力站 的现场参数在中央控制室进行集中监控。 2 2 _ 3 集中供热系统供热网与热力站的连接方式 集中供热系统供热网与热力站的连接方式取决于一级热水网路热媒的压 力、温度，以及二级热水网路和热用户对热媒压力、温度的要求。目前，主 要的连接方式有直接连接和间接连接。 2 2 3 1 直接连接方式 直接连接是热用户系统直接连接与供热网上。供热网的水力工况( 压力 和流量状况) 和供热状况和热用户有密切的关系。但采用直接连接，由于热 用户系统漏损水量较大，造成热源水处理量增大，影响了供热系统的供热能 力和经济性，因此适用于热源供水温度不高的中小型供热系统。 2 23 2 间接连接方式 一级热网的高温热水，通过热力站的水一水换热器加热二级热网的低温 水，形成供暖水送至用户，一级热水网与二级热水网相互隔绝，此种连接方 式即为间接连接。此连接方式由于增加了热交换器和水泵等设备，使得造价 大大提高，维护和运行成本增加。但是一级热网的水不进入热用户，失水量 很小，因此热源的补水率大大减少；另外，二级网的供水温度低，对补水水 质的要求低，不必除氧处理。同时，一、二级热网相互隔绝，还使热网的压 山东大学硕士学位论文 力工况和流量工况不受用户的影响，方便了热网的运行管理。 目前，以热电厂为热源的大中型供热系统中热网和热力站的连接方式普 遍采用间接连接式。 2 3 集中供热系统供热网水力工况的数学模型 2 3 1集中供热系统供热网的水力工况 集中供热系统中流量、压力的分布状况成为系统的水力工况。在集中供 热系统中的运行过程中，由于各种原因，使各热用户的实际流量与要求的流 量之间不一致，这称为该热用户的水力失调。它的水力失调度可用实际流量 与规定流量的比值来衡量，即：x = v 。v 。 其中：x 一水力失调度 u 一热用户的实际流量 v 。一热用户的规定流量 在研究改善系统水力失调状况之前，首先必须分析系统的水力工况。 2 3 1 1 伯努利方程 流体在管道中流动，将引起能量损耗即表现为流体的压力损失。 a 总水头线 。 00 山东大学硕士学位论文 图2 8 设流体流过某一管段，如图2 - 8 所示，根据伯努利能量方程，可以列出 断面1 和断面2 之间的流量方程式为： p 1 + z ，。g + 等2 _ p 2 + z 2 p g + 等2 + p 1 z 伯努利能量方程也可用水头高度的形式表示，即： 去+ z - + 丢= 去场+ 丢+ 卧z 上两式中： p i 、p 2 一断面1 、2 的压力，p a ； z 1 、z 2 一断面1 、2 的管中心线离某一基准面o o 的位置高度，n l ”l 、7 2 一断面1 、2 的水流平均速度，m s ； p 一水的密度，k g m 3 ； g 一自由落体的重力加速度，为9 8 1 州s 2 ： a p i 一2 一水流经过管段1 - 2 的压力损失，p a ； h 1 _ 2 一水流经过管段1 2 的压头损失，m h 2 0 ； 在图4 1 中，线a b 称为总水头线，管段断面1 处的总水头值为h a h a = 生+ z l + 至 p gz g 其中：z ，称为位置水头，表示流体在该位置所处的位置高度； ! l 称为压力能水头，表示流体在位置1 的断面高度z 。时对管壁的静 p g 压力( 以m h 2 0 a 为单位) 5 2 l 称为动能水头，表示流体在v 1 流速下由流动引起的动能( 以 2 9 m h 2 0 a 为单位) ； 同理管段断面1 处的总水头值为：h b - p p 2 9 + z 2 + 丢 因此，断面1 - 2 的压力损失：ah