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1、图形化热网水力工况模拟计算软件rhheatnet臌塑媳阑.7JL艨尺叶图形化热网水力工况模拟计算软件rhheatnet清华太学人工环境工程公司,摘要本文介绍一种用于集中供热系统环境下运行,全部的输入(括阿络本身结热网水力模拟计算的应用软件,该软件以英图形化的界面为其显着特点,很太程度上简化1用户在使用计算程序进行热网计算时的繁琐过程,文章结尾附应用实例一则.关键字rhheatnet图形化,热网,用户界面一,开发背景热阿水力工况分析是区域供热热网设计,扩建及调试中非常重要的工作,尽管其在理论上是比较成熟的,目前国内设计,研究单位开发出的多种计算程序在实际工程中也切实可行,但是许多用户发现这些程序
2、普遍存在使用不便的问题.造成使用不便的主要原因在于软件的用户界面不友好.现有的水力计算软件普遍采用数据文件的方式进行数据的输入和输出,用户必须严格按照所规定的数据格式和顺序进行数据输入.可以想象,对于一个集中供热系统的热网,要保证其计算程序所用的庞大的数据文件的完全准确是比较困难的由于采用数据文件的输入方式.因此对数据的修改和管理也造成很大的不便,每次对参数的改变都需要修改数据文件,使用起来很不方便,严重限制了这种分析程序在工程实际中的应用.根据这一情况,我们开发图形化热阿水力工况模拟分析软件rhheatnet,使水力工况分析软件真正易于被从事区域供热的设计,运行和管理人员使用,更好地解决实际
3、工程问题.本文介绍该软件的基本原理和使用情况.二,rhheatnet的主要特点和功能rhheamet是北京清华人环公司最近开发的图形化界面的热网计算软件.该软件用BORLANDC+语言设计,在WINDOWS一22一构)和输出都在图形方式下完成在使用rhheamet进行热阿计算时,用户所面对的不再是枯燥的数据文件,而是代表实际阿络的热网平面图,所有的操作都通过该平面图进行rhheatnet的主要功能包括:a.水力工况模拟计算(已知热网阻力特性,求热网的流量分布和压力分布)b.设计工况下热用户资用压力校核(已知用户设计流量,校核用户资用压力).c.热阿初调节计算(求解热阿初调节方案).三,基本原理
4、及软件结构使用rhheatnet软件进行热网模拟计算的步骤主要包括热阿平面图的绘制,热网参数的输入,网络分析计算及结果的显示.下面按照步骤分别介绍.l热阿平面图的输入.热阿平面图的输入是rhheatnet进行热阿模拟计算的基础.热阿平面图分为两个层次,即一次阿和各热力站内部.这部分工作在软件内部提供的作图工具库的支持下完成.主要作图工具包括画管段,阀,泵,热用户,热力站以及其他一些相应的编辑功能软件识别用户画入的热阿图,生成相应的数据文件.简单说,rhheatnet实际上提供了一种以图形方式处理数据文件的用户界面.2热阿参数的输入热阿平面图输入完成后,对热阿参数的输入就显得自然而简便,用户只要
5、选取某一支路(或某一设备),在系统弹出的对话框内填充该支路(或设备)的有关参数即可.由于用户直接面对热网平面图进行输入,因此容易保证参数输入的准确性.定义参数包括支路参数,节点参数和设备参数三部分.对于已完全定义了参数的部分(支路或设备)rhheatnet作出标记,以确保用户对整个热网的全部参数定义完全.图1rhheamet软件的主界面a)支路参数为了便于使用者的选择,支路的阻力可以按如下两种方式输入:i输入实际管段的各种结构参数,具体计算其阻力.一般应输入支路长度,管径,相对粗糙度,以及支路上的局部阻力.对于局部阻力,还可以选择三种方式进行描述:A)给出该支路局部阻力系数(无量纲系数),则其
6、局部阻力Ap为:P一?Vr/2g,此处V为流速,r为水的容重,g为重力加速度.B)给出该支路局部阻力与沿程阻力之百分比比值k,局部阻力AsP为:ApkPL,此处PL为该支路沿程阻力.C)列举出支路上所有局部阻力件,分别对其局部阻力系数进行详细计算.这一方法过于繁琐,而且工程上也很难给出这么具体的参数,因此较少使用.支路上调节阀的阻力由于常随阀门开度变化,因此单独给出.用户应提供调节阀的调节特性方程或曲线表,rhheatnet由此计算出在某一开度下调节阀的阻力.为方便某些需要,rhheather支持用户区域供热1996.3期不输入长度,管径等参数而直接给出支路阻力值s,SAP/G.,其中P为该支
7、路总压降,G为该支路流量b)节点参数节点参数主要指节点的标高H和节点的进出水量Q(及该节点的补水量或漏水量).c)设备参数这里的设备主要是指水泵.rhheatnet内建有水泵设备库,通常用户只需选择所需水泵型号即可得到其相应的参数.如果没有用户所需泵型,用户可以自己输入水泵的参数,包括:i水泵的扬程一流量捌台参数A,B,c,D,从而得到水泵扬程AH=A+BG+CG+DG;用户可在rhheatnet上直接输入压力,流量关系表自动进行参数拟合.ii此水泵扬程一流量关系所对应的标准转速.在以后的模拟计算中,用户可能通过模拟调节水泵的实际转速来调节热网的水力工况.另外,用户可以根据需要修改和编辑水泵设
8、备库,增加新的水泵型号.3热网分析计算完成对热网参数的输入后,就可以进行热网分析计算了.rhheatnet软件可用来分析求解热网水力分析计算中的两类问题:a)水力工况模拟计算(已知熟网阻力特性,求解热网的流量分布和压力分布).这类问题是流体网络分析的典型问题.相当于已知管段具体参数,水泵型号和所有阀门的开度,计算各支路的流量和各节点的压力.计算模型见参考资料1.基本方程组为:GQ(1)B,H一0(2)AJ-/=SlGlG+ZDH(3)其中ABf分别为管网的关联矩阵和基本回一23区域供热1996.3期路矩阵,G,LXH,S分别为支路流量列向量,支路压降列向量和支路阻力特性系数列向量;z,DH分别
9、为支路的起止节点位能差列向量和支路上水泵扬程列向量.Gi为对角矩阵.用户在主菜单中选择模拟计算”功能后软件的核心计算程序就开始运行,计算完成后将结果直接输出于热网平面图上.这样就完成了对热网的一次模拟计算.任何时候用户如果想改动热网参数都可以直接在热网平面图上进行,随即可进行一次新的计算.除此之外,用户还可以对设备(阀门或泵)进行模拟调节(主要是调节阀门的开度和泵的转速),随即观察其调节效果.甚至可以观察在主要设备的某一调节过程中热网中局部参数的动态变化过程.图2显示了一个阀门开度变化时两条支路的流量和一个节点压力变化的情况.田2动态过程曲线示倒为了便于分析,还可以根据计算结果绘制出水压图.集
10、中供热热网的平面图一般都比较复杂,要完整地表达出整个热网的水压图是有困难的.因此该软件在作水压图时采取了一种”甩户自定义水压图”显示范围的方式,即由用户来选择自己所关心的各个局部热网节点,rhheatnet根据用户的定义给出所选择的各节点间的水压变化,绘制成水压图.b)设计工况分析(已知用户所要求的流量,确定系统的调节方案)对于已有的管网,另一种实际需要分析一24一的问题是:已知各热用户要求的流量,通过调整各用户支路上的阀门,可否实现这一要求的流量分配?如果能够实现,应该怎样对各用户的阀门进行调节?若不能实现,主要是哪几条支路的问题?能否通过加粗部分支路管径或在某支路上加装加压泵来实现?当实现
11、了这一要求的流量分配后,各热用户处压力分布如何?以上问题为设计工况分析主要解决的问题.若仍用前问所说的关联矩阵A来描述管网结构,则可将A分为两部分:A=Eac,A,(4)其中A对应于各热用户支路,其要求的设计流量已知,A对应其他支路(主要是各干管支路),其要求的设计流量未直接给出.不考虑补水和漏水的情况,由式(1)可知AG=0,或AGL+AuGv:0()其中G,分别为用户支路及其他支路的设计流量对于枝状管网A恰为一连枝,A存在,于是Gc=一AmG(6)对于环状管网,A不可逆,于是G不唯一.可以发现只有将A中再割去一部分支路A后,剩余部分A才为一连枝:=EA,Ac这表明,对于环状网,各热甩户流量
12、确定后,干管流量并不唯一确定,而其有再确定一部分干管的流量后,所有支路的流量才唯一确定:GL2:A(AGv+AL1Gn)系统流量确定后即可计算出各用户支路两端压差尸=P(7)其中向量P为各节点压力.对于枝状管网P=ALLG+P.(8)其中,P.为定压点压力,S为各干管支路阻力特性系数.!PALSL2GL2G24-P.(9)由式(9)计算出各用户支路压差,即可判断该支路是否可调.对于支路i,若各阀门全开时的阻力系数为SI,要求的设计流量为g,如果/g(1.)则该支路可调,否则该支路无法达到要求的设计流量.对于枝状网,按照式(6),(7),(8),(1.)即可直接判断出各用户支路是否都能满足要求.
13、对于环状网,由于流量不唯一确定,因此变成一个最优化问题,即如何确定对应于AL部分的各干管支路流量才能使全网用户支路均满足式(1O),即使J=Zu(z,P/一S)取得最小值区域供热1996.3期这里函数u(x)定义为:fO,z0一,<o求解式(11)的最优化问题,若找到J一0的解,则该环状网可调,否则该阿不能调到要求的设计分配流量.无论是枝状网或者环状网,rhheatnet都可以按照上述过程进行分析和优化,最后用不同的标志标示出可调和不可调的用户支路,同时还可显示出各用户支路需要通过调整阀门所需要增加的阻力及全网的压力,流量分布.由此即可进行系统的分析,并指导调试.四,工程分析应用表1直供
14、方案一次网用户流量分配表(97年度)站97年流量站97年流量站97年流量号分配(m./h)号分配(m/h)号分配(m/h)R2247.9R8405.9R14l86.8R3492.8R93.6RL5306.LR44L.0RL0353.8R16734.5R5342.】Rl】240.6合计5500R62889R12370.4R7450.0RL3296.3表2直供方案热力站供,目水压力及资用压力分布站供水压回水压资用压站供水压回水压资用压号力(m)力(m)力(m)号力(m)力(m)力(m)R28400280056.00R1050.0032.00l8.00R388.0024.006400Rll52.00
15、30.0022.00R70.0042.0028.00Rl250.003200l8.00R584.0o28.0056.00Rl351.0031.0020.00R650.0032.00l8.00R149.0033.00l6.00R750.0032.00l8.00Rl570.0042.0028.00R846.0036.0010.00R1650.0060.0O1000R949.003300l6.0025区城供热1996.3期表3混水方案一次闻用户流量分配表(97年度)序97年流量序97年流量序97年流量号分配(m/h)号分配(m./h)号分配(m/h)RZl98.3R8324.7Rl4l49.4R33
16、94.2R9275.7R15244.9R4352.8Rl0283.0R16587.6R5273.7Rl1192.5合计4400.0R6231,lR12296.3R7359,7R13237.0表4混水方案热力站供,回水压力及资用压力分布站供水压回水压资用压站供水压回水压资用压号力(m)力(玎1)力(m)号力(m)力(m)力(m)R287.0025.0062.00R1064.0018.00400R390,0022.0068.00R1165.00l7.0048.00R478.0034.0044.00R1264.0018.0046.00R587.0025.0062.00R1364.0O18.OO46.
17、OOR663.0019.0044.00Rl463.0019.0044.OOR762.0O20.OO42.00Rl577.0035.0042.00R860.0022.0038,00R1663.0049.0014.00R062.0020.0042.0026一图3某热网系统平面图区域供热1996.3期圈4混水式热力站连接方式示意固固5钻一站回水,混水方式示意固下面给出一个利用rhheatnet对实际热网进行分析的倒子.图3为东北某热电联产热网.该热网原为直连供热,后要在各热力站加大供热面积,并增加图3中15,16号两个热力站表1给出增大面积后各站要求的循环流量.按照这样的流量分配计算,得到此时全网各
18、热力站的供,回水压力和资用压力分布(表2).可以看出,由于整个系统的循环流量的增大,已有许多站的资用压头不足,而且有些站的回水压力超过了0.40Mpa,不符合安全运行的要求.因此考虑采用混水方式,即不再增大一次网的循环水量,而通过提高一次网的供,回水温差来增大一次网的供热能力.对于二次网来说,由于总的用户面积增大了,若仍然按原来的直供方案,则每个用户得到的进户流量必然减少,而大温差小流量运行易造成垂直失调,因此考虑用热水站内混水的方式增大进户流量,减少二次网的供,回水温差.混水方式下热力站内的连接方式见图4.在保证实际进户流量不变的前提下,按照1:4的混水比运行,则各站实际的进站流量分配如表3
19、所示.此时各站的供,回水压力分布及各站的资用压头见表4.这时的各站的资用压头基本上都足够,也不存在回水超压问题,但发现仍有16号站不满足要求,由此考虑将该站内的水泵改为回水加压泵方式即可解决问题,如图5.系统实际运行后,发现南区部分站的回水压力偏高,有时达到0.40Mpa.分析认为,这是南区各站流量偏大所致.用rh-heamet程序模拟计算将这一部分流量降低58后的水力工况后发现这时南区各站的回水压力能下降到令人满意的程度.实际按此结论对系统进行了调整,得到了同样的效果.上述实例表明,rhheatnet可以有效地解决热网运行分析,扩建,调节中的各种问越,是协助进行热网管理与运行的一个有利工具.参考文献13石兆玉.流体网络分析与综合,清华大学出版社
