空间管网水力计算模型及其在热网中的应用

摘要：详细阐述了空间管网的构造和数学模型，空间管网与平面管网的区别，指出了空间管网的广泛适用性，最后讨论了空间管网在热网运行工况、漏水工况、事故工况和管段阻力特性辨识等方面的应用。
关键词：集中供热，空间管网，热网可靠性，水力工况
1 引言
集中供热系统由热网、热源和热用户构成，其中热网又由供水管网和回水管网组成。一般情况下，在设计热网时认为供水管网与回水管网对称，热源和热用户的流量为设计流量（或其他限定流量），在此条件下仅对供水管网或回水管网进行水力计算。称该方法是基于平面管网的研究方法[1]。它的研究范围限于设计工况及其他已知热源和热用户流量的工况。该方法原理简单、计算量小。对于枝状热网可以采用串并联管网的水力计算原理，无需计算机辅助即可完成计算，但应用范围有局限性。
我国供热事业初期，供热系统的规模较小，多数为枝状管网，供热系统的运行管理水平不高，绝大部分系统的运行简单，调节手段多为质调节和分阶段改变流量的质调节，因此基于平面管网的研究方法能够适应当时大部分系统从设计到运行各阶段的要求。
随着集中供热事业的发展，城市热网的规模不断扩大，热网结构逐渐从单一的枝状热网向着多热源、环状热网等复杂形式发展，系统自控设施不断完善带动了热网自控水平的提高。通过水泵的变速调节和各种自控设备的配合，热网已经实现了有别于传统的变流量调节的运行方式。多热源联网供热的系统根据各热源的经济性等条件制定运行调度策略，通过软、硬件配合实现系统的经济运行已成为发展趋势。针对现阶段这些复杂的、工况多变的热网，要求管理人员应该全面掌握系统各种运行工况的计算参数，以供与实际参数进行比对、调整。此外，由于供热系统的运行年限增长、热网规模的不断扩大，热网故障率也不断提高。面对不可避免的元件故障和热网事故，必须事先统计各种可能的元件故障，分析相应的事故工况，才能有据可依的制定事故的应对措施。基于平面管网的研究方法已经不能很好地解决上述所列的实际问题，现阶段热网设计、运行管理和事故预警及灾后分析的种种需求对热网的研究和水力计算方法提出了更高的要求，基于空间管网的热网研究方法具有更广阔的应用前景和优越性[2]。
2 空间管网的概念
实际的供热网络往往抽象为图的模型。按照对热网的描述视角和复杂程度，可以分为平面管网和空间管网。平面管网是一种简化的模型，仅表示热网中的供水管网或回水管网。空间管网中包含了供水管网和回水管网，同时通过热源和热用户在热网中的连接描述了供、回水管网的关系。
以图1所示的单热源双环热网为例说明平面管网与空间管网的概念与区别。平面管网的模型中，图中的边根据供水管段或者回水管段的结构绘制，热网中的热源、热用户构成图的节点。图2(a)所示的平面管网是实际热网的简化图，它仅表示了实际热网中的供水管网或回水管网。其中节点S表示热源，指向它的箭头表示节点S有入流流量；节点1~8表示各热用户，离开各节点的箭头表示各节点的出流流量。
空间管网真实反映了实际热网的结构。图中的边由供水管网和回水管网中的各管段以及热源和热用户支路共同构成；节点包含热网中的所有连接点和分支点。根据研究目的，热网中的某些元件（如水泵、阀门等）也可抽象成节点在图中表示。图1中环状热网的空间管网模型如图2(b)所示。图中S表示热源出口与供水干线的连接点，1~8表示各热用户入口与供水干线的连接点；有上标“'”的节点表示相应的与回水干线的连接点。此外，除了点S和1~8所在的供水管网以及对应的S'和1'~8'所在的回水管网外，热源内部复杂的管路结构被抽象为连接节点S和S'的边，即表示热源支路，并在该支路上设有热源循环水泵；同样，连接1和1'的边表示热用户1的支路，其它热用户与之相同。一般情况下，假设集中供热系统无泄露，因此空间管网的各节点没有出流量和入流量；特殊的漏水工况在第4.4节中讨论。
[18] 城市热力网设计规范（CJJ34-2002）. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002
邹平华，女，1944年，教授/博导，哈尔滨市南岗区海河路202号哈尔滨工业大学2612#信箱，邮编：150090，电话：0451-86282272，传真：0451-86283342，网址： http://www.nqpchina.com