蒸汽管網(wǎng)數(shù)值模擬研究

摘 要

摘要：建立了蒸汽管網(wǎng)模型，結(jié)合工程實(shí)例，驗(yàn)證了模型可滿足工程精度要求。分析了蒸汽管網(wǎng)主管管徑、調(diào)峰熱源壓力、熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)蒸汽質(zhì)量損失率(凝結(jié)水沿程排放質(zhì)量占供汽總質(zhì)量的
摘要：建立了蒸汽管網(wǎng)模型，結(jié)合工程實(shí)例，驗(yàn)證了模型可滿足工程精度要求。分析了蒸汽管網(wǎng)主管管徑、調(diào)峰熱源壓力、熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)蒸汽質(zhì)量損失率(凝結(jié)水沿程排放質(zhì)量占供汽總質(zhì)量的比例)的影響。
關(guān)鍵詞：蒸汽管網(wǎng)；數(shù)值模擬；凝結(jié)水；調(diào)峰熱源；熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)
Study on Numerical Simulation of Steam Pipe Network
LI Congcong，ZHANG Huan，ZHANG Hongyu
Abstract：The model for steam pipe network is established.Combined with an engineering example，it is proved that the model can meet the engineering accuracy requirements.The influence of main diameter of steam pipe network，peak shaving heat source pressure and heat-supply network strueture on steam mass loss rate that is the mass percentage of condensate emission along the way in total steam supply is analyzed.
Key words：steam pipe network；numerical simulation；condensate；peak shaving heat source；heat-supply network structure
    我國(guó)蒸汽管網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，蒸汽供熱系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化成為現(xiàn)實(shí)問題。然而，蒸汽管網(wǎng)的特點(diǎn)決定了不可能在現(xiàn)場(chǎng)安裝大量測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多種工業(yè)實(shí)驗(yàn)研究，因此根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬以獲取運(yùn)行參數(shù)就成為指導(dǎo)蒸汽管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化調(diào)度、合理排凝的一種重要而有效的手段[1～4]。A.Garcia-Gutierrez等人[5]應(yīng)用PIPEPHASE、SIMSNET軟件對(duì)墨西哥一個(gè)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行模擬，前者能計(jì)算兩相流，后者能計(jì)算單相流，并分析了兩種軟件模擬結(jié)果的差異。殷戈等人[6]通過一些合理的假設(shè)，建立了單熱源的枝狀蒸汽管網(wǎng)二叉樹模型，管段壓力的求解針對(duì)的是低壓蒸汽管網(wǎng)，沒有考慮溫度的影響。本文對(duì)蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。
1 蒸汽管網(wǎng)模型
1.1 模型幾何結(jié)構(gòu)
    蒸汽管網(wǎng)模型由節(jié)點(diǎn)和計(jì)算管段兩部分構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)是管網(wǎng)中一個(gè)或多個(gè)管段流入或流出的地方，分為熱源、中間節(jié)點(diǎn)、末端用戶3類。計(jì)算管段代表實(shí)際管段，一個(gè)計(jì)算管段的蒸汽質(zhì)量流量、管徑和敷設(shè)方式均相同。
1.2 模型簡(jiǎn)化
    考慮到蒸汽管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況復(fù)雜，在建模過程中對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化：采用長(zhǎng)度相同的直管段代替彎曲管段；飽和蒸汽產(chǎn)生的凝結(jié)水被立刻排出；管道內(nèi)蒸汽參數(shù)只隨管道長(zhǎng)度變化，截面上蒸汽參數(shù)均勻分布。
1.3 模型控制方程
   ① 動(dòng)量平衡方程
蒸汽流動(dòng)過程中的動(dòng)量平衡方程為：
 
式(1)中第1項(xiàng)為對(duì)流項(xiàng)，第3項(xiàng)為重力項(xiàng)。由于蒸汽流速一般為10～70m/s[7]，因此對(duì)流項(xiàng)可忽略。考慮到蒸汽管網(wǎng)高差對(duì)壓力影響不大，因此可忽略重力項(xiàng)。式(1)可簡(jiǎn)化為：
 
   ② 蒸汽質(zhì)量平衡方程
運(yùn)行過程中，計(jì)算管段蒸汽參數(shù)的變化見圖1。
 

   蒸汽質(zhì)量平衡方程為：
    qm,in=qm,o+qm,c    (3)
引入流量效率因數(shù)e，反映局部阻力的影響。無(wú)局部阻力的直管段取1.00，運(yùn)行較好的管段取0.95，運(yùn)行一般的管段取0.92，運(yùn)行不好的管段取0.85。計(jì)算管段出口蒸汽質(zhì)量流量qm,o的計(jì)算式為：
 
式中pin、po——計(jì)算管段進(jìn)、出口的絕對(duì)壓力，Pa
    L——計(jì)算管段長(zhǎng)度，m
   ③ 能量平衡方程
   對(duì)于圖1所示計(jì)算管段，能量平衡方程為：
    qm,inhin=qm,oho+qm,chc+Φ    (5)
    飽和蒸汽段沿途有凝結(jié)水排出，熱量損失包括散熱損失和凝結(jié)水的熱量。過熱蒸汽段無(wú)凝結(jié)水排出(qm,c=0)，熱損失僅為散熱損失。
計(jì)算管段散熱損失Φ的計(jì)算式為：
Φ=K△tmL     (6)
式中K——計(jì)算管段單位長(zhǎng)度的傳熱系數(shù)，kW/(m·K)
    △tm——蒸汽與計(jì)算管段外界環(huán)境的對(duì)數(shù)平均溫差，℃
計(jì)算管段傳熱系數(shù)K的計(jì)算式為：
 
式中h1——計(jì)算管段內(nèi)壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m·K)
    n——蒸汽管道保溫層層數(shù)
    λi——第i層保溫材料的熱導(dǎo)率，W/(m·K)
    Di+1——第i+1層保溫層的內(nèi)直徑，m
    Di——第i層保溫層的內(nèi)直徑，m
    h2——計(jì)算管段外壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
    Do——計(jì)算管段外直徑，m
對(duì)于直埋蒸汽管道，h2的計(jì)算式為[7～10]：
 
式中λg——土壤的熱導(dǎo)率，W/(m·K)
    h——管中心埋深，m
    hg——土壤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)，取11.3～17.5W/(m2·K)
    對(duì)于過熱蒸汽段，散熱損失Φ等于管道內(nèi)蒸汽的顯熱損失，計(jì)算式為：
    Φ=qm,in(hin-ho)    (9)
    對(duì)于飽和蒸汽段，散熱損失Φ等于蒸汽凝結(jié)釋放的汽化潛熱，計(jì)算式為：
    Φ=qm,c(hin-hc)    (10)
   ④ 節(jié)點(diǎn)質(zhì)量流量平衡方程
   節(jié)點(diǎn)質(zhì)量流量平衡方程由基爾霍夫第一定律得到，即任意節(jié)點(diǎn)質(zhì)量流量的代數(shù)和為0。
1.4 邊界條件
    邊界條件為：熱源壓力已知，且恒定；用戶蒸汽質(zhì)量流量恒定；室外溫度為實(shí)測(cè)值。所求變量為熱源質(zhì)量流量、用戶壓力。
2 模型求解與驗(yàn)證
2.1 模型求解方法及驗(yàn)證數(shù)據(jù)
    模型采用SynerGEE Gas軟件(作為一種通用型管網(wǎng)仿真工具，適用于天然氣、蒸汽、氧氣等管網(wǎng)的仿真和分析)求解，模型采用式(3)～(10)聯(lián)立并結(jié)合節(jié)點(diǎn)質(zhì)量流量平衡方程，利用Newton-Raphson迭代法解方程組。
    模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)來(lái)自天津空港加工區(qū)蒸汽管網(wǎng)，數(shù)據(jù)采自2009年9月27日(全天24h)熱源、用戶的流量和壓力，流量計(jì)為渦街式流量計(jì)，通過溫壓補(bǔ)償法計(jì)算蒸汽質(zhì)量流量，測(cè)量相對(duì)誤差為±1%。
    共42家用戶，末端用戶蒸汽設(shè)計(jì)資用壓力為0.6MPa。主熱源為4臺(tái)75t/h中溫中壓蒸汽鍋爐，最高供汽(過熱蒸汽)壓力為1.6MPa。調(diào)峰熱源采用4臺(tái)35t/h的飽和蒸汽鍋爐，供汽壓力為0.9MPa。供熱系統(tǒng)規(guī)劃負(fù)荷為384t/h，輸送半徑為12.77km，管網(wǎng)總長(zhǎng)為36.48km。從主熱源開始位置計(jì)算的3km內(nèi)為過熱蒸汽段。熱網(wǎng)布置形式見圖2。
 

2.2 用戶壓力驗(yàn)證
    經(jīng)計(jì)算對(duì)比，用戶壓力的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差為±5%以內(nèi)的占83%，最大相對(duì)誤差不超過±10%，模型的計(jì)算精度能夠滿足工程要求。大部分計(jì)算值都高于實(shí)測(cè)值，原因?yàn)椋阂恍┯脩舻膲毫Ρ矸侄戎颠x擇不當(dāng)，測(cè)量誤差較大。模型未考慮蒸汽帶水，實(shí)際上兩相流的阻力大于單相流。
2.3 熱源質(zhì)量流量驗(yàn)證
    熱源質(zhì)量流量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值隨時(shí)間的變化見圖3。由圖3可知，除9：00和17：00偏差較大外，其余時(shí)刻相對(duì)誤差均在±10%以內(nèi)，全天質(zhì)量流量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差為-4.1%。由于9：00與17：00為上、下班時(shí)間，管網(wǎng)流量波動(dòng)較大，系統(tǒng)處于非穩(wěn)態(tài)，因此計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差較大。
 

3 管網(wǎng)運(yùn)行狀況模擬分析
    由圖3可知，目前管網(wǎng)最大質(zhì)量流量約77t/h，沒有達(dá)到規(guī)劃負(fù)荷384t/h。下面模擬不同供汽主管管徑、調(diào)峰熱源壓力和管網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式對(duì)蒸汽質(zhì)量損失率的影響。將凝結(jié)水沿程排放質(zhì)量占供汽總質(zhì)量的比例定義為蒸汽質(zhì)量損失率，蒸汽質(zhì)量損失率越小說明管網(wǎng)運(yùn)行效率越高。
    ① 供汽主管管徑的影響
    主熱源到調(diào)峰熱源的一段管道為供汽主管，規(guī)格為DN 800mm，長(zhǎng)度為5.6km。選取10：00用戶質(zhì)量流量實(shí)測(cè)值與熱源壓力實(shí)測(cè)值，計(jì)算減小主管管徑對(duì)蒸汽質(zhì)量損失率的影響。主管管徑變化對(duì)蒸汽質(zhì)量損失率的影響見圖4。由圖4可知，在目前的負(fù)荷下，隨著供汽主管管徑減小，蒸汽質(zhì)量損失率相應(yīng)降低。計(jì)算過程未出現(xiàn)由于管徑減小而導(dǎo)致末端用戶壓力不滿足要求的情況。原因在于，管網(wǎng)末端用戶距熱源較遠(yuǎn)，管道阻力主要集中在主管以后，因此即使主管規(guī)格降至DN 400mm，仍能滿足末端用戶的壓力要求。

    ② 調(diào)峰熱源壓力的影響
    調(diào)峰熱源的主要作用是調(diào)峰，必須合理調(diào)節(jié)調(diào)峰熱源壓力以保證供汽壓力。采用10：00用戶質(zhì)量流量實(shí)測(cè)值與熱源壓力實(shí)測(cè)值計(jì)算調(diào)峰熱源出口壓力降低對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀況的影響。主熱源出口壓力保持928kPa，調(diào)峰熱源壓力由實(shí)際的925kPa降低至能夠滿足末端用戶壓力的905kPa，用戶流量不變。蒸汽質(zhì)量損失率隨調(diào)峰熱源壓力的變化見圖5。
 

    由圖5可知，較低的調(diào)峰熱源出口壓力可以降低蒸汽質(zhì)量損失率。原因在于：當(dāng)調(diào)峰熱源壓力過高時(shí)，部分管段兩端壓差低，導(dǎo)致管內(nèi)蒸汽流動(dòng)過緩，甚至停滯，大部分蒸汽凝結(jié)成水排出管道。調(diào)峰熱源壓力降低后，存在流動(dòng)過緩現(xiàn)象的管道數(shù)量減少，蒸汽質(zhì)量損失率減小。因此，在投入調(diào)峰熱源時(shí)，壓力若能夠保證用戶需求，不應(yīng)再提高?？稍谡{(diào)峰熱源出口加裝壓力表和壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)整。
   ③ 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響
   為保證管網(wǎng)連續(xù)供汽，此管網(wǎng)設(shè)計(jì)為環(huán)狀，在目前供汽量較小的情況下，會(huì)產(chǎn)生蒸汽在環(huán)網(wǎng)中流動(dòng)距離過長(zhǎng)、散熱損失增大問題。切斷用戶15與16間的管道，將環(huán)網(wǎng)管網(wǎng)改為枝狀管網(wǎng)。3：00、10：00環(huán)狀管網(wǎng)、枝狀管網(wǎng)的蒸汽質(zhì)量損失率見表1，3：00調(diào)峰熱源不運(yùn)行，10：00調(diào)峰熱源運(yùn)行。
表1 3：00、10：00環(huán)狀管網(wǎng)、枝狀管網(wǎng)的蒸汽質(zhì)量損失率    %
時(shí)間
3：00
10：O0
環(huán)網(wǎng)管網(wǎng)
32.78
19.46
枝狀管網(wǎng)
30.72
18.28
由表1可知，在目前管網(wǎng)供汽量較少的情況下，枝狀管網(wǎng)可以降低1%～2%的蒸汽質(zhì)量損失率。綜合考慮供汽的連續(xù)性，可以在設(shè)定切斷的管道上安裝閥門，手動(dòng)切換管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在某管段故障時(shí)采用環(huán)狀管網(wǎng)保證供汽的連續(xù)性，在管網(wǎng)運(yùn)行良好時(shí)采用枝狀管網(wǎng)降低蒸汽質(zhì)量損失率。
4 結(jié)論
    ① 減小供汽主管管徑，有利于控制蒸汽質(zhì)量損失率。
    ② 調(diào)峰熱源出口壓力不宜太高，保證用戶壓力即可。
    ③ 環(huán)狀管網(wǎng)能夠保證供汽的連續(xù)性，枝狀網(wǎng)能降低蒸汽質(zhì)量損失，可在適當(dāng)位置安裝閥門，手動(dòng)調(diào)節(jié)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
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(本文作者：李聰聰1 張歡1 張紅玉2 1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300072；2.天津市房屋鑒定勘測(cè)設(shè)計(jì)院 天津 300070)