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结构机理与试验辨识结合建模的城市供热二级网仿真
朱铁军
(中国石化集团胜利石油管理局热电联供中心山东东营 257002)
摘要针对我国城市供热管网二级网水力平衡调节问题，提出采用结构机理结合试验辨识方法建立城市供热二级网管 网仿真计算模型，通过现场试验方法辨识建筑物的阻力特性，结合图论算法对供热二级网流动状态进行仿真，指导全网水力 平衡调节，为管网改造提供决策依据。选取胜利油田某热力站作为研究示范，根据建模仿真结果对该小区管网进行了改造，改 造后全网水力平衡明显改善。
关键词供热管网建筑物建模阻力特性水力平衡仿真建模中图分类号：TU995.3
文献标识码：A
文章编号：1672-9064(2017)03-019-04
引言
当前，随着我M经济的发展，能源短缺和环境污染问题 日益突出w统计表明，我画建筑能耗占社会总能源消耗量的 20〜30%，未来可能进一步达到40%，呈逐年增长趋势，其中 供暖能耗的份额最大，约占到建筑总能耗的2/3['因此，降 低供暖能耗，对降低化石燃料消费和控制空气污染具有童要
意义。
1供热二级网网侧建模仿真
供热二级网系统的仿真计算分为两个步骤完成；①基于
供热管网结构，结合图论算法，建立二级网的结构机理模型； ②在建筑物楼口的供回水管道上增设差压变送器，通过现场 试验来辨识各个建筑物的阻力特性。进而利用热工水力仿真 软件VIPNET，完成供热二级网模型的仿真计算，获取全网流 量、压力及温度分布Q 1.1图论基础
供热管网属于一种热流体网络。结合图论算法，可将供 热系统抽象成点与边的表现琅式，基于现实供热系统的管网 结构，生成2者之间的结构关联矩阵和压降回路矩阵，作为 供热系统建立数学模型的基础a
图1为供热二级网系统网络简图，包含一个热力站热源 和四个热用户。用图论的方法可以把此供热系统抽象成|个 带有若千节点和管段的有向图，如图2所示。1.2管网理论数学模 型
给定一个供热网 络图，必有一个特定 的网络拓扑结构与之 相对应#拓扑结构可
图1供热二级网系统网络简图
供热管网在传统的运行模式下，由于要满足最远端环路 的阻力要求，靠近热源端用户往往会过热，造成“近热远冷”，并不得已采用“大流量、小温差”运行方式，这不仅增加了运 行能耗，在设备选型的余量上也需要相应加大，带来建设成 本和运行成本增加。因此，如何在满足用热鑛求前提下，从源 头上控制水力失调问题是供热管网运行的关键问题^
针对供热二级网前苏联提出用回路法和节点法计算热 网水力工况的方法，可采用计算机来模拟热网水力工况，并 编制了相座的热网水力计算软件[2气欧洲的较发达国家已 妤可以根据本国实际情况编制热网运行仿真软件，并用于优 化设计、系统分析[\\ Larsen等人提出了简化实际热网拓扑 结构的集总参数模型，并将其应用于一个具有1000多个管 段的实际热网，最终可将其简化S少于10个管段的等价热 网，减少了热网仿真模拟的计算时间画内研究方面，朴东 为、刘兆军就集中供热管网的水力失调现象，提出针对小 型供热|级网系统利用调节阀门来达到整个管网需要的水 力平衡工况。张伟、马志刚等人提出大部分采用定“量”调 “质”的方法，即网侧流量不变，调节供水温度吧但该方法往 往导致二级网近端用户热量剩，而全网水力失调仍然存 在。如果能基于现有供热管网结构，在计算机内建立供热系 统仿真模型，通过改变运行参数，来模拟真实供热系统运行 状态同时预知运行调节效果，将有助于指导水力失调工况的 量化调节及二级网结构改造。
为实现以上目标，本文提出建立基于圈论的供热二级网 结构机理模型，结合现场试验辨识二级网内各建筑物的阻力 特性，建立整体二级仿真网数学模型。将通过自主研发的热 I水力仿真软件VIPNET实现二级网系统的仿真计算，根据 仿真结果指导二级网水力平衡调节与管网改造。
根据管网的拓扑性质，应用质量、能量守恒原理，建立管网水 力工况计算的数学模型符如下列矩阵方程〖^
(1)节点方程。节点方程就是节点流量连续性方程，即连 接于任何节点的所有管段濂量的代数和为零。可用以下矩阵
作者简介：朱铁军（1977〜），男，山东东营人,2000年毕业于山东大学工业工程专业，高级工程师e
2017.NO.3. ^
|衫
I 1 ISSN1672-9064
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■名热境研
MI—f
究与探讨
表东:
AG=Q
(1)
帘内散热器实验测量
用户1\\' ia
Jtl 户 2用户3
」TTTn —
式中4，结构关联矩阵；(？，节点流出列向量，(?=(心，心，心，如 …如)V本文中取？
管段流量列向量，(汾，染，汾，给…
mmmgmy〇(2)
回路方程。回路方程就是能量方程或环方程，即每个
环的水头损失闭合差为零，写成矩阵形式即为：
BfAH=0
式中:5/•，压降回路矩阵;管段压降列向童，^2
(2)，
热
源
Ah4-Ahmf：&(3)
阻力方程。当管段中有水泵时，水泵作为I个负阻力
损失，可写为下式：
Gi ei G3 e3 G5 C5
n
4
G6e6
图3供热系统试验辨识示意图
AP=S\\G\\G+Z-DH
式中管段阻力特性系数对角矩阵，*S=(心，管段流量对角矩阵，IGI=Aag(I&I，1&丨，向蠹,(Di/;，
(3)，•〇;!
整体供热量，从而导致全网其他热用户出现超供的情况，造 成能源的大量浪费。，
为解决上述问题，本文结合试验辨识楼内的阻力特性， 通过自主研发的软件VIPNET，实现了对二级网结构机理模 塵的系统仿真，VIPNET主要功能有:①软件提供图形化建模 工具，实现不同管网形态的管网结构机理建模；②不同的工 况条件下，可对全网水力工况、热力工况进行快速模拟;©对 水力失调的小区#基于仿真软件的模拟，可指导阀门进行调 节;④校拟管网的运行状态，可找出负荷需求与热量运输不 匹配的管网结构，针对性进行改造。
丨…feJ)，其对角
元素为向量G中各元素取绝对值;Di/，管段中的水泵扬程列
…Di/J7’，当管段不含水泵时，
该管段为0;Z，各管段支路中两节点的位能差列向量，Z=(z,，
A、By的表达可参考文献[7] [8]。方程（1)、(2)、(3)求解 方法包括节点分析法和回路分析法等，为获得较好的收敛性 和求解速度，本文采用回路分析法求解19，1(>。
2建筑物阻力特性试验辨识
由于目前我国二级网自动化水平较低，楼内用户侧的数
4实例仿真
为验证本文方法及仿真系统的可靠性，选取山东胜利油
据较少，其阻力特性亦比较复杂，因此，本文不单独名虑楼内 各个热用户之间的差异，将整幢建筑物处理为“黑箱”模型， 等价于一个局部阻力较大的“散热器”，其阻力特性隐藏于楼 口供回水压力与流量的关系中。本文中提及的楼内阻力特性 均指包含整栋楼内所有热用户的建筑物整体阻力特性a
楼内阻力特性系数辨识的理论公式为：
田热电联供中心的集输南换热站进行了实际应用研究。该热 站总供热面积17.8万m2,管网结构由50栋居民公寓和一个 集输幼儿园和小学(约5500m2)构成。图4为试点集输南换 热站供热区域示意图。
7T2d4AP
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、)
⑷
本文采用现场试验方法，测量不同工况条件下的流量、 供回压差，通过对测试数据的理论分析，间接掌握楼内的阻 力特性，达到二级网仿真的目的。实施步骤如下:①以二级网 运行工况为标准，调节阀门到不同工况下对应的开度氺丨© 使用移动式流量计测量该楼口供回水管的二级网流量③ 使用差压式变送器测量该楼供回水管的热用户供回水压力； ④计算不同流量条件下楼内的阻力系数，拟合楼内阻力系数 曲线。
图3为供热系统试验辨识示意图。基于理论模型与现场 试验相结合的方法，可以对二级网结构进行热工水力计算， 实现基于二级网结构机理模型的系统仿真。
基于该二级网结构，利用VIPNET软件中的图形控 件一热力站、热用户（楼建筑物）、阀门、管段、三通等，绘制 成供热二级网仿真系统的拓朴结构模型如图5W
在完成管网结构的拓朴建模后，根据实际系统运行数据 与试验数据，将热力站、管段、阀门、楼建筑物的参数输人计 算机仿真软件VIPNET。阻力特性系数根据2节方法通过现 场试验获得，表1给出3#楼阻力辨识数据。
对以上数据进行统计处理，利用软件对集输南换热站的 供热二级网仿真模型进行仿真计算。以表1的工况为例，实 际测量结果与仿真结果如表2。
3基于系统仿真的水力平衡调节
供热系统二级网远端用户的水力失调情况可采用重新
调节二级网阀门的方式控制，但由于供热系统的调节滞后 性，人工调节阀门的方式存在响应速度慢、调节准确度低的 问题，不合理的二级网阀门调节方案反而会迫使热力站加大
研究与探讨认$^
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实地分析环翠小区流量误差大的原因时，发现有些管道经过 多次改造，新安装的管径与图纸管径不符，管路上部分阀门、 三通节点存在腐蚀与漏水现象。以上因素对仿真计算的准 确性产生了一定的影响。
为了验证楼宇供水流量仿真计算模型，选取了 1-5号楼 作为试验对象，各个楼的设计工况参数见表3,热网供水温 度为65°C，回水温度50°C，室外温度-2°C，设计热负荷45W/ m2,各个楼前有流量调节阀门&
通过仿真结果与实际运行对比，发现5号楼的水力失衡
图5
供热二级网仿真系统拓扑结构图
度最大，室内温度测量值明显偏低。为了改善供热质量，重新 调整1-5号楼前的供水管上阀门开度，重新根据公式(4)设 置筑物阻力特性。30h后，再次选取1-5号楼作为试验对象， 测量各个楼前流量和出口温度(：表4
通过仿真结果与实际运行对比，支线的计算流量与实际 流量的最大偏差位于环翠小区支线，其他的计算值与实测值 误差都在8%以内，数据的准确性在:n程上是可以接受的。在
表1
流量
建筑物3#楼
5050505050
/(m3/h)2.722.823.23.323.45
3#建筑物阻力特性
臟
/kPa6.27.18.210.311.9
阻力特性
系数
83.789.18093.399.8
管径丨〕、
/mm5050505050
流茕
/(m3/h)3.473.944.14.164.34
臟
/kPa1016.114.818.518.1
阻力特性
系数
82.310387.9106.795.9
表2
名称综介大队环翠小K棠兴厂区输油公司石袖公爾兴源厂K
管径
/mm250250250250250250
实际测量结果与仿真结果比较计算流量值
/(m3/h)2381802131677854
供水温度
/°C585858585858
实际流1值
/ ( m3/h)2581571991809040
水温度
./°C4246454040.543
实际回水温度
/°C45.942.241.742.542.540.7
流黾差
/(m3/h)
-202314-13-1214
表3
楼编号
12345
建筑物实际测量结果与仿真结果比较
室内温度
循环水流量
/(m3/h)
3.63.23.22.92.1
汁算流W值
/(m3/h)
3.82.93.53.02.5
水力失调度
1.21.061.060.960.66
/Gc
2219
供热负荷/MW
0.0540.0520.0520.0490.036
热力失调度
1.051.021.020.960.71
出口温度
/°C52515150.542
19.5
18.516.8
表4
楼编号
12345
调整后楼口供水管流量
/(m3/h)
3.52.93.02.92.9
统运行，对分析、评估和监控供热二级网系统运行状况、发现 和改善水力失调状况、提高供热可靠性有很大的作用。
循环水流货
/(m3/h)
3.33.13.12.82.7
调整前水力 调幣jrivjc力
失调度失调度
1.21.061.060.960.66
l.i1.031.030.960.96
5结语
本文提出结合供热管网结构建模与试验辨识楼阻力特
性的方法，建立完善的供热二级网系统数据模型。使用自主 研发的热水力仿真软件VIPNET对整体管网结构进行仿 真计算，能快速在不同|况下获得全网的流量、压力与温度 分布。胜利油田集输南换热站实际应用表明，通过本文的方 法获得的仿真计算数据可以反映实际运行规律。软件的仿寘 结果，可帮助发现实际系统中的运行问题，且对指导管网的
(下转第23页）
从表4可以看出，5#楼的水力失调度与调整之前有了明 显改观，1#楼过热情况也得到改善。仿真调整后的水力失调 度与原始水力失调度的比较，可见通过软件仿真模拟供热系
2017.NO.3.⑩
研究与探讨认
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明产品推广工作。H是大力实施节能技术示范项目。
表1遵义市规模以上工业企业工业指标情况d
规模以上 工业企业 增加值 /亿元313.5421.8549.4677.7818.9
2取得的效果
统计结果显示，如表1所示，遵义市工业经济发展质量
年份
明显提高，综合■济实力显著増强，能源结构得到优化，生产 方式基本实现向低碳型转变，生态环境明显改善，截止2014 年，万元工业增加值能耗为0.9t标煤，规模以上单位工业增 加值能源消耗强度比2010年下降了 21.3%，万元工业增加 值二氧化碳排放量比2010年下降21%以上，超额完成国家 下达的任务。详见表1。
20102011201220132014
规模以上规模以上规模以h 万元工业
中-位:丨:、丨k 咻位:丨:业工业企业 增加值 增加值能增加值增速能耗增速能耗 耗/t fe 煤 /% /%(t/万元）50130685615402592061372621678246950
1.1881.2251.1761.1351.124
0.961.121.051.091.138
1.601.431.110.930.90
3结论
遵义市通过构建以低碳排放为特征的工业体系，加快设
2 邵伟.低碳经济：中国经济发展面临的新课题.金融与经济，2009
(02)
3 叶依常，黄明凤.低碳经济发展指标体系的构建与实证评价.统计与
决策，2011(08)
4 沈满洪，吴文博，魏楚.近二十年低碳经济研究进展及未来趋势.浙
江大学学报（人文社会科学版），2011 (03)
5 林伯强，蒋竺均.中国二氧化碳的环境库兹理茨曲线预测及影响因
素分析.管理世界，2009(04)6
遵义市统计年鉴2009-2015
备更新和技术改造，推广余热余座:利用等低碳化技术、淘汰 落后产能，加强低碳技术研发推广等手段，全面推进工业领 域低碳试点工作，.实现了遵义市工业领域低碳发展目标。参考文献
1
曾珠，周一.主要发达国家发展低碳经济的经验.商业研究，2010
(12)
(上接第21页）
结构改造有■重要的意义。参考文献
1
杨秀.基于能耗数据的中国建筑节能问题研究.北京：清华大学， 20092
G, MERTSCH, R.Betriebsoptimierung mit BoFiT am Beispiel eines Fernw rmeverbundnetzes.Euroheat & Power, 1997,26
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model of district heating networks.Energy conversion and management ,2002,43(8)
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2007
10 宋杨等.蒸汽供热管网的动态仿真建模.清华大学学报（自然科学
版），2001,41(10)
我国碳交易市场加速建立
随着全球平均气温的逐渐升高，气候变化已经成为人类 未来生存和发展必须要面对的问题。我国政府一直为应对气 候变化做着积极的努力，在巴黎气候大会上中国庄严宣布将 在2017年全面启动碳排放交易市场。我国制造业低碳发展
存在着巨大的发展空间，我国被看作是全球最具潜力的碳交 易市场。据预测，未来我国碳市场的交易量将在30〜40亿t/a, 现货交易额最高有望达到80亿元/年，实现碳期货交易后， 全国碳市场交易规模将高达4000亿元
我国为构建国际航空减排框架作出重要贡献
国际民航组织第39届大会气候变化谈判取得积极成 果。根据蒙特利尔大会通过的《国际民航组织关于环境保护 的持续政策和做法》的综合声明，将从2021年至2035年分 三个阶段实施通过碳抵消机制控制国际航空温室气体排放 增长。中国民航局有关负责人表示，中国愿意承担与本国发 展阶段和能力相符的责任，积极控制和减少自我航空能耗与
排放，积极参与国际合作。2011-2015年，中国民航在全行业 推动实现了 1200多个节能减排项目，总投资约135亿元（不 含新飞机购置），2015年中国民航吨公里油耗0.294公斤，较 2005年下降13.5%。中国正式向国际民航组织秘书处提交了 新版国家行动计划，向国际社会宣示中国在绿色民航发展方 向的决心和努力。
英国修建全球最大海上风电场
英国政府批准一项在距约克郡海岸89km处的海域，面 积相当于大伦敦区域三分之一，安装300台大型海上风力发
电机组，发电能力达到1800MWa
2017.NO.3. ^
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