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)合工程實例，驗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)合工程實例，驗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
    我國蒸汽管網(wǎng)的規(guī)模不斷擴大，蒸汽供熱系統(tǒng)的運行優(yōu)化成為現(xiàn)實問題。然而，蒸汽管網(wǎng)的特點決定了不可能在現(xiàn)場安裝大量測點進行多種工業(yè)實驗研究，因此根據(jù)研究對象的特點建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進行模擬以獲取運行參數(shù)就成為指導(dǎo)蒸汽管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、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軟件對墨西哥一個地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)蒸汽管網(wǎng)進行模擬，前者能計算兩相流，后者能計算單相流，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的是低壓蒸汽管網(wǎng)，沒有考慮溫度的影響。本文對蒸汽管網(wǎng)進行數(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)點和計算管段兩部分構(gòu)成。節(jié)點是管網(wǎng)中一個或多個管段流入或流出的地方，分為熱源、中間節(jié)點、末端用戶3類。計算管段代表實際管段，一個計算管段的蒸汽質(zhì)量流量、管徑和敷設(shè)方式均相同。
1.2 模型簡化
    考慮到蒸汽管網(wǎng)實際運行情況復(fù)雜，在建模過程中對管網(wǎng)進行簡化：采用長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 動量平衡方程
蒸汽流動過程中的動量平衡方程為：
 
式(1)中第1項為對流項，第3項為重力項。由于蒸汽流速一般為10～70m/s[7]，因此對流項可忽略。考慮到蒸汽管網(wǎng)高差對壓力影響不大，因此可忽略重力項。式(1)可簡化為：
 
   ② 蒸汽質(zhì)量平衡方程
運行過程中，計算管段蒸汽參數(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。無局部阻力的直管段取1.00，運行較好的管段取0.95，運行一般的管段取0.92，運行不好的管段取0.85。計算管段出口蒸汽質(zhì)量流量qm,o的計算式為：
 
式中pin、po——計算管段進、出口的絕對壓力，Pa
    L——計算管段長度，m
   ③ 能量平衡方程
   對于圖1所示計算管段，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。過熱蒸汽段無凝結(jié)水排出(qm,c=0)，熱損失僅為散熱損失。
計算管段散熱損失Φ的計算式為：
Φ=K△tmL     (6)
式中K——計算管段單位長度的傳熱系數(shù)，kW/(m·K)
    △tm——蒸汽與計算管段外界環(huán)境的對數(shù)平均溫差，℃
計算管段傳熱系數(shù)K的計算式為：
 
式中h1——計算管段內(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——計算管段外壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
    Do——計算管段外直徑，m
對于直埋蒸汽管道，h2的計算式為[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，計算式為：
    Φ=qm,in(hin-ho)    (9)
    對于飽和蒸汽段，散熱損失Φ等于蒸汽凝結(jié)釋放的汽化潛熱，計算式為：
    Φ=qm,c(hin-hc)    (10)
   ④ 節(jié)點質(zhì)量流量平衡方程
   節(jié)點質(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；室外溫度為實測值。所求變量為熱源質(zhì)量流量、用戶壓力。
2 模型求解與驗證
2.1 模型求解方法及驗證數(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)點質(zhì)量流量平衡方程，利用Newton-Raphson迭代法解方程組。
    模型驗證數(shù)據(jù)來自天津空港加工區(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，流量計為渦街式流量計，通過溫壓補償法計算蒸汽質(zhì)量流量，測量相對誤差為±1%。
    共42家用戶，末端用戶蒸汽設(shè)計資用壓力為0.6MPa。主熱源為4臺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)劃負荷為384t/h，輸送半徑為12.77km，管網(wǎng)總長為36.48km。從主熱源開始位置計算的3km內(nèi)為過熱蒸汽段。熱網(wǎng)布置形式見圖2。
 

2.2 用戶壓力驗證
    經(jīng)計算對比，用戶壓力的計算值與實測值相對誤差為±5%以內(nèi)的占83%，最大相對誤差不超過±10%，模型的計算精度能夠滿足工程要求。大部分計算值都高于實測值，原因為：一些用戶的壓力表分度值選擇不當(dāng)，測量誤差較大。模型未考慮蒸汽帶水，實際上兩相流的阻力大于單相流。
2.3 熱源質(zhì)量流量驗證
    熱源質(zhì)量流量的實測值與計算值隨時間的變化見圖3。由圖3可知，除9：00和17：00偏差較大外，其余時刻相對誤差均在±10%以內(nèi)，全天質(zhì)量流量的計算值與實測值的平均相對誤差為-4.1%。由于9：00與17：00為上、下班時間，管網(wǎng)流量波動較大，系統(tǒng)處于非穩(wěn)態(tài)，因此計算值與實測值偏差較大。
 

3 管網(wǎng)運行狀況模擬分析
    由圖3可知，目前管網(wǎng)最大質(zhì)量流量約77t/h，沒有達到規(guī)劃負荷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，長度為5.6km。選取10：00用戶質(zhì)量流量實測值與熱源壓力實測值，計算減小主管管徑對蒸汽質(zhì)量損失率的影響。主管管徑變化對蒸汽質(zhì)量損失率的影響見圖4。由圖4可知，在目前的負荷下，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，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)量流量實測值與熱源壓力實測值計算調(diào)峰熱源出口壓力降低對管網(wǎng)運行狀況的影響。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，部分管段兩端壓差低，導(dǎo)致管內(nèi)蒸汽流動過緩，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，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，實現(xiàn)實時監(jiān)測、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)計為環(huán)狀，在目前供汽量較小的情況下，會產(chǎn)生蒸汽在環(huán)網(wǎng)中流動距離過長、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)峰熱源不運行，10：00調(diào)峰熱源運行。
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，手動切換管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在某管段故障時采用環(huán)狀管網(wǎng)保證供汽的連續(xù)性，在管網(wǎng)運行良好時采用枝狀管網(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設(shè)計院 天津 300070)