满足差异化供热管网承载力探讨

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论文字数:40122 论文编号:sb2021062814415936190 日期:2021-06-28 来源:硕博论文网
本文以石家庄市某小区二次管网系统为研究对象,展开了实际工况分析和仿真模拟研究。首先就供热系统输配管网水力特性的发展研究现状进行了阐述。并结合实际工况中供热系统的运行情况,用实际工况和仿真模拟相结合的方法,在满足差异化供热管网承载力的情况下,给出了最优的供热管网系统模型和在热力入口处设置均压管的优化模型。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
1958 年,北京的一家煤气热力公司建设了第一个集中供热系统,从此集中供热的事业在我国开始发展,随着我国改革开放政策的实施和经济全球化的推进,以及人民对生活水平的要求在不断提高,供热行业也进入了飞速发展的阶段。2000 年,我国北方的寒冷地区和严寒地区已经有许多地方建立了较大规模的集中供热系统[1]。“十一五”期间,我国新建节能建筑累计达到 4.86×109m2,热计量装表累计达到3.4346×108m2。“十二五”期间,我国集中供热行业得到了进一步发展,据统计显示,2015 年我国集中供热面积达 6.54×109m2,截止到 2016 年底,我国城市集中供热面积增长到 6.96×109m2,同比增长 6.4%。且据预测,随着我国经济的不断发展和居民对生活舒适度要求的不断提高,集中供热面积也将进一步增加,对我国集中供热行业的要求也会越来越高。
在我国集中供热行业的飞速发展中也存在一些问题,尤为突出的是能源浪费严重。相关调查表明,2017 年我国建筑总运行能耗为 9.6 亿 tce,占全社会总能耗的 20%;其中,北方供热建筑面积为 140 亿平方米,能源消耗 2 亿 tce[2],即在我国北方建筑能耗中,供热能耗占主要部分,所以要使我国的建筑能耗降低,可从供热系统入手,即减少集中供热系统的能源浪费。
根据我国集中供热系统的现状,可以总结出其能源浪费严重的原因为以下两点:(1)无效热量能耗大;(2)电能消耗多。供热系统的各个组成部分均存在无效热量能耗损失,其中由水力失调造成的无效热量能耗约占供热系统总供热量的20%~30%,供热系统输配管网电耗浪费量约占整个供热系统能量损失总量的 30~60%[3]。由热源、输配管网和热用户共三部分组成的集中供热系统中,输配管网的作用是连接热源和热用户,并且决定供热系统供热质量,所以,供热系统在达到按需供热、精准供热、差异化供热的要求下,要实现节能的目标,必须先实现输配管网的节能。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
一些欧洲国家在集中供热领域的技术水平和供热规模上均处于领先水平,部分国家可以达到室温自动调控的水平,输配管网的输送效率已经达到了整个供热系统的 90%。但各国家之间的建筑种类和人文生活均存在差异,所以各国在供热领域的特色也各不相同[4,5]。其中俄罗斯由于自身所处地理位置和气候的影响,它对集中供热系统的研究早于其他国家,也拥有世界上规模最大的集中供热系统,在供热系统的工艺技术和供热管网规模等领域对其他国家有较大的影响力[6]。随着全球经济的迅速发展,人们生活水平也在不断提高,热用户对供热系统也不断地提出新要求,供热系统需要不断地制定新的调控策略从而满足合适的热调控[7]。国外许多学者从不同的角度,通过不同的方式对供热系统进行了大量的研究。
丹麦技术大学的相关学者建立了一个包含热源、输配管网和热用户的供热系统物理模型,通过分析发现,根据热用户的实时热负荷需求,对供热系统的供水温度进行调整,该调控方法不仅可以减少供热系统输配管的滞后时间,还可以降低供热系统运行成本[8]。
H. V. LARSEN 提出了一种在保证热量误差和回水温度误差不会增大的情况下,可以显著减少管道数量的丹麦聚合法[9]。Mattias Vesterlund 提出了一种新的含有环路的复杂区域供热系统过程集成建模方法[10]。Elisa Guelpa 提出了一种基于适当正交分解与径向基函数相结合的简化模型(POD-RBF 模型)[11]。Tingting Fang 和 RistoLahdelma 提出了一种新的方法来同时优化区域供热网络中不同位置的多个热电厂的产热量,以使生产和分配成本最小化[12]。
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第 2 章 供热系统及均压管的运行调节理论

2.1 均压管简况
2.1.1均压管的结构
均压管由筒体和左右两侧的供水管、回水管组成。在均压管连接一个热用户时,筒体一侧与一级管网(外部管网)的供水管、回水管相连,另一侧与二级管网(用户室内管网)的供水管、回水管相连。
均压管一般竖直放置,均压管顶端设置排气阀,定期排气,防止均压管内部憋气;均压管底端设置除污管,定期排污,防止杂质沉积。
对于均压管结构的具体要求,本文将在第六章进行比较详细的研究。
2..2 均压管的工作原理
当均压管一次侧流量 Gjg1等于均压管二次侧流量 Gjg2时,一次侧供水直接进入二次侧供水管,二次侧回水直接进入一次侧供水管。如图 2-2a 所示。
当均压管一次侧流量 Gjg1大于均压管二次侧流量 Gjg2时,一次侧多余流量的流体在均压管内自上而下,与二次侧回水混合后,顺着一次侧回水管流回一次侧管网,另一部分流体成为二次侧热网供水,如图 2-2b 所示。
当均压管一次侧流量 Gjg1小于均压管二次侧流量的 Gjg2时,二次侧多余的流体在均压管内自下而上,与一次侧供水混合后,顺着二次侧供水管流回二次侧管网,成为热用户供水,另一部分流体顺着一次侧回水管流入一次侧管网。如图 2-2c 所示。
图 2-2 均压管示意图
图 2-2 均压管示意图
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2.2供热系统运行调节现状
2.2.1工程概况
本文所模拟的二次管网位于石家庄市桥西区,由于该小区供热系统的高区、中区、低区三个环路是独立控制的,所以本文以该小区的低区异程式系统为研究对象(本小区低区热用户是每栋楼的 1-10 层,每层高为 3 米)建立模型,2019 年对该小区二次管网进行改造,将传统集中供热系统改造为分布式供热系统,其中换热站信息明细如下:
表 3-1 换热站负荷明细表
表 3-1 换热站负荷明细表
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第 3 章 实际工程项目分析··························13
3.1 供热系统运行调节现状 ···························13
3.1.1 工程概况 ··························13
3.1.2 供热系统改造原因 ·······················14
第 4 章 数值模拟理论及数值模型建立 ·····························23
4.1 仿真软件介绍·····························23
4.1.1 仿真软件功能介绍 ··············23
4.1.2 仿真计算理论 ····························23
第 5 章 系统仿真模拟····························35
5.1 系统初调节及模型验证 ····································35
5.2 稳态运行调节分析···································38

第 6 章 热力入口处均压管性能研究

6.1 均压管物理模型
本文利用 ICEM 软件按照预先设计好的结构尺寸建立均压管三维模型。均压管的三维实体模型如图6-1所示。根据工程的实际应用要求、经验参数及文献[39][42][51]来确定均压管的结构参数,均压管主要结构参数的取值范围如表 6-1 所示。
图 6-1 均压管示意图
图 6-1 均压管示意图

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结论


本文以石家庄市某小区二次管网系统为研究对象,展开了实际工况分析和仿真模拟研究。首先就供热系统输配管网水力特性的发展研究现状进行了阐述。并结合实际工况中供热系统的运行情况,用实际工况和仿真模拟相结合的方法,在满足差异化供热管网承载力的情况下,给出了最优的供热管网系统模型和在热力入口处设置均压管的优化模型,主要结论如下:
(1)对实际工程案例改造后的管网水力特性在均压管一次侧电动调节阀开度减小、均压管二次侧变频循环水泵的频率减小、电源突然断电三种特殊情况的变化进行分析,发现在热力入口处安装“均压管+变频泵”的分布式供热系统可使楼栋内的管网与楼栋外的室外管网耦合作用明显减弱。
(2)通过热力入口设置“均压管+变频泵”的分布式供热系统与传统集中供热系统相比,可以发现各热力入口均设置“均压管+变频泵”的分布式供热系统不仅满足供热系统按需供热、精准供热的要求,而且也更加节能。
(3)热力入口设置均压管可使二级管网与三级管网之间的水力工况相互干扰性明显减弱,提高了供热系统水力稳定性和供热安全性。
(4)热力入口处竖直放置均压管的优化参数:均压管直径 L=D,各出口管纵向间距 LL=2D,各出口管横向间距 C=D。
参考文献(略)