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作
者：
周守军，刘臣，张雅玲，张弛，刘祥瑞
第一作者单位：
山东建筑大学热能工程学院
摘自《煤气与热力》2023年7月刊
周守军，刘臣，张雅玲，
等
.
复杂热网水力工况仿真模型与可信度检验
［J］.
煤气与热力，
2023，43（7）
：A06-A13.
1
概述
随着我国供热行业快速发展，热网规模不断扩大，管网型式日趋复杂，表现为由单热源枝状管网过渡到多热源环状管网，水力工况也愈加复杂，表现为某管段发生水力工况波动易引发其余管段出现水力工况失调，因此近年来对热网运行参数的调节与管理要求不断提高
［
1-2
］
。目前，我国热网运行管理无法实现主动预测水力工况参数并提前规避由于不合理运行而导致的问题，导致热网未能在最佳参数下运行。因此，预测热网运行状态，对于优化运行参数、规避水力工况失调十分必要。
目前，我国集中供热研究领域中有关区域供热智能化管理的相关技术不断涌现
［
3-4
］
，此类技术结合了互联网与人工智能等新兴技术，能够将特定供热区域的环境条件与供热需求等要素纳入智能管理体系，有利于区域供热的动态管理与科学决策。此外，部分学者利用机器学习
［
5
］
、模糊数学
［
6
］
等算法构建相关计算模型，从而实现热网的安全运行及调节。
为快速预测管网压力、流量以提高管网管理水平，相关学者采用构建数学模型的方法对管网进行
水力计算
，此类方法首先分析管网拓扑结构并依据图论理论与水力工况建模理论
［
7
］
对管网的水力工况进行分析计算
［
8
］
，其次构建有效的管网水力工况仿真模型，可用于预测管网运行参数的分布趋势及其在水力工况发生改变时的变化
［
9-10
］
，还可对实际热网的动态水力工况进行分析
［
11
］
。但目前的热网水力计算方法仍具有一定局限性，例如传统的水力计算方法大多通过初始流量分配法配合解环能量方程法（环指由供水干管、用户、回水干管组成的环）得到管网的流量及流向分布
［
12
］
，不但计算量较大，而且初始流量分配法主要适用于管网设计方面。
对于已建成的管网，若能在水力工况仿真前正确判断水力交汇用户的位置进而判断管网的流向分布，对于提高水力计算效率、减小计算量，快速完成管网水力工况的仿真具有重要意义。
本文建立管网水力工况仿真模型，用于管网压力、流量分布仿真。结合实验管网，在正常工况、泄漏工况下，对
3
种管网（双热源枝状管网、单热源单环状管网、双热源双环状管网，未特殊说明时
3
种管网的顺序保持不变）压力、流量的仿真结果、实验结果进行比较，以验证管网水力工况仿真模型的有效性。
2
管网型式
管网型式的确定以及管网水力工况仿真模型中涉及的电动调节阀阻力特性系数计算模型的建立均以实验管网为依据。建立电动调节阀阻力特性系数计算模型的具体方法为：先通过实验收集电动调节阀（包括用户电动调节阀、干管电动调节阀）在全开度范围内的压差及流量，计算其阻力特性系数。然后拟合阻力特性系数与相对开度之间的关系式。将电动调节阀阻力特性系数代入管网水力工况仿真模型中，以计算对应管段的阻力特性系数。
实验管网现场布置及拓扑结构分别见图
1
、
2
。图
2
中，圆圈中的编号代表用户编号。
s
××表示管段编号，括号中的编号为回水管段编号。
n
××表示节点编号，括号中的编号为回水管节点编号。
DN
××表示管段内直径，单位为
mm
。
1
个
SCV
××表示供回水干管上的
1
对干管电动调节阀，
1
个
SSV
××表示供回水干管上的
1
对电磁阀（仅有开闭两种状态）。
图
1
实验管网现场布置
图
2
实验管网拓扑结构（软件截图）
实验管网包含
18
个用户（上供下回）、
3
个热源（含循环泵）、
3
个环路，每个环路包含
6
个用户，环路之间由电磁阀相连。管网定压点设置在热源回水入口，定压压力为
30 kPa
。每个热源供水干管安装干管电动调节阀、流量计、压力表，回水干管安装干管电动调节阀、压力表。用户供水立管安装用户手动调节阀（常开状态）、用户电动调节阀、流量计、温度计、压力表，回水立管安装压力表。
实验过程中，热源
3
始终处于关闭状态。实验管网安装了模拟管网泄漏的泄漏阀门，安装位置为节点
n2
、
n17
、
n55
，管段
s2
、
s35
、
s17
、
s50
、
s22
、
s55
、
s28
、
s61
。通过调节干管电动调节阀、电磁阀可实现
3
种管网型式：双热源枝状管网、单热源单环状管网、双热源双环状管网。
3
种管网干管电动调节阀、电磁阀状态见表
1
。
3
种管网拓扑结构分别见图
3~5
。
根据图论理论并结合表征管路特性的基尔霍夫定律，可得到管段数为
m
、节点数为
n+1
的热网水力工况基本计算模型
［
13-15
］
：
环状管网平差计算是指对于管网任何一个闭合环路，需要通过不断迭代计算来修正管段流量以满足环能量平衡方程。对于本文构建的管网水力工况仿真模型，由于采用将复杂管网拆分成多个单热源枝状管网分别建模的方法
［
16
］
，因此建模时，枝状管网内部的环路以及环状管网的干管环路均需满足环状管网平差条件。
对于双热源枝状管网，为减少计算次数，可根据经验和循环泵实际扬程预先估计水力交汇用户的大致位置。水力交汇用户判断的简化处理方法见文献［
16
］。
对于单热源单环状管网，由于仅有
1
个热源且各管段的阻力特性系数差异比较小，因此可假设中间用户（用户
10
）为水力交汇用户。
对于双热源双环状管网，由于存在
2
个水力交汇用户，在判断水力交汇用户位置时，需将管网公共管段（管段
s30
和
s63
）断开处理，两端分别视为双热源枝状管网，分别判断水力交汇用户位置。水力交汇用户分别设定为用户
15
、用户
3
。
管网水力工况仿真模型仿真流程见图
6
。在判断水力交汇用户后，将水力交汇用户作为公共用户，将管网虚拟分割为
2
个单热源枝状管网。针对每
1
个单热源枝状管网构建关联矩阵、基本回路矩阵并将循环泵扬程等参数代入管网水力工况仿真模型，迭代计算使得Δ
Q
k+1
<10
-6
m
3
/h
。
对于双热源枝状管网，分别建立水力交汇用户两侧单热源枝状管网的管网水力工况仿真模型，并计算两侧单热源枝状管网水力交汇用户流量，若两个单热源枝状管网的水力交汇用户流量的相对误差绝对值大于
0.01
，则以
0.01 m
3
/h
为步长减小大流量水力交汇用户流量并增大另一侧小流量水力交汇用户的流量，直至二者流量相对误差绝对值小于等于
0.01
，输出管网压力、流量的仿真结果。
对于单热源单环状管网、双热源双环状管网，除了满足上述要求外，还应满足干管环路闭合差（指
2
个单热源枝状管网各管段上压力降矢量的代数和）小于
10
-6
kPa
的要求。若干管环路闭合差大于等于
10
-6
kPa
，则需调整干管流量，直至干管环路闭合差满足要求，输出管网压力、流量的仿真结果。
在单热源单环状管网条件下，设定用户
1~17
的用户电动调节阀相对开度为
0
，仅改变用户
18
用户电动调节阀相对开度。初始相对开度为
0
，以
5%
为步长，直至
100%
，收集用户
18
用户电动调节阀全开度范围内的压差及流量。
实验中发现，用户电动调节阀在相对开度处于不同范围时阻力特性系数的变化特性不同，为提高模型精度，用户电动调节阀阻力特性系数计算模型采用分段函数法。根据阻力特性系数的分布特点，将相对开度分成
3
个区间：
1%~30%
、
31%~60%
、
61%~100%
。根据实验结果，采用
MATLAB
曲线拟合工具箱得到
3
个相对开度区间的用户电动调节阀阻力特性系数与相对开度的拟合式。
仍采用用户电动调节阀阻力特性系数计算模型的建立方法。实验中发现，干管电动调节阀的阻力特性系数在全相对开度范围内的变化并未表现出阶段性，因此其计算模型未采用分段函数法。采用
MATLAB
曲线拟合工具箱，分别得到干管电动调节阀阻力特性系数与相对开度的拟合式。
管网正常工况包括工况
C0
、
C1
、
C2
、
C3
、
C4
。工况
C0
为保持干管调节阀相对开度为
100%
而调节用户电动调节阀相对开度使各用户流量均为
1
m
3
/h
。工况
C1
、
C2
、
C3
分别在工况
C0
的基础上，调节用户电动调节阀使某个用户的流量为
0.5 m
3
/h
。工况
C4
在工况
C0
基础上，将某个干管电动调节阀相对开度设定为
60%
。
3
种管网各工况的设定参数见表
2
。
为获得分布稳定且充足的运行数据，每
500 ms
采集
1
次运行数据，每个工况运行稳定后采集数据
15 min
，取平均值进行分析。工况
C0
下
3
种管网实验压力、仿真压力分布分别见图
7~9
。工况
C0
下单热源单环状管网、双热源双环状管网用户实验流量、仿真流量分别见图
10
、
11
。
图
7
工况
C0
下双热源枝状管网实验压力、仿真压力分布
图
8
工况
C0
下单热源单环状管网实验压力、仿真压力分布
图
9
工况
C0
下双热源双环状管网实验压力、仿真压力分布
图
10
工况
C0
下单热源单环状管网用户实验流量、仿真流量
图
11
工况
C0
下双热源双环状管网用户实验流量、仿真流量
由图
7~9
可知，工况
C0
下
3
种管网的仿真压力与实验压力分布一致。对于工况
C0
，
3
种管网仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值分别为
3.96%
、
3.94%
、
3.23%
。由仿真、实验结果可知，对于工况
C1
，
3
种管网仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值分别为
4.87%
、
4.68%
、
3.33%
。对于工况
C2
，
3
种管网仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值分别为
3.95%
、
4.86%
、
4.88%
。对于工况
C3
，
3
种管网仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值分别为
4.16%
、
3.94%
、
4.93%
。对于工况
C4
，
3
种管网仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值分别为
3.92%
、
3.81%
、
4.73%
。由以上分析结果可知，正常工况下，各工况
3
种管网仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值均小于
5%
。这说明，正常工况下，仿真模型的仿真结果可信度比较高。
由图
10
、
11
可知，对于单热源单环状管网、双热源双环状管网，工况
C0
下各用户仿真流量与实验流量差别不大，总体在
1 m
3
/h
上下波动。由仿真、实验结果可知，对于工况
C0
，
3
种管网仿真流量与实验流量的最大相对误差绝对值分别为
4.86%
、
3.50%
、
3.95%
。对于
C1
工况，
3
种管网仿真流量与实验流量的最大相对误差绝对值分别为
4.39%
、
3.50%
、
2.78%
。对于
C2
工况，
3
种管网仿真流量与实验流量的最大相对误差绝对值分别为
3.99%
、
4.50%
、
3.55%
。对于
C3
工况，
3
种管网仿真流量与实验流量的最大相对误差绝对值分别为
4.78%
、
4.59%
、
4.12%
。对于
C4
工况，
3
种管网仿真流量与实验流量的最大相对误差绝对值分别为
3.72%
、
3.24%
、
3.71%
。由以上分析结果可知，正常工况下，各工况
3
种管网仿真流量与实验流量的最大相对误差绝对值均小于
5%
。这说明，正常工况下，仿真模型的仿真结果可信度比较高。
管网泄漏工况涉及节点位置泄漏、管段位置泄漏，但泄漏均为单点泄漏，泄漏工况实验在工况
C0
基础上进行。对于节点位置泄漏，由于泄漏发生在已有节点上，无需改变管网结构，只需将泄漏流量添加到泄漏节点上。对于管段位置泄漏，需要在仿真模型中增设虚拟泄漏用户，并改变管网拓扑结构，泄漏量设定为虚拟泄漏用户流量。
定义泄漏率为泄漏流量占管网总流量的比例。为了使得泄漏工况能够最大程度反映实际管网真实的泄漏情况，本文选取
4
种泄漏率：微量泄漏，泄漏率
1.0%
；大量泄漏，泄漏率
6.6%
；一般情况泄漏，泄漏率
2.5%
、
4.0%
。
3
种管网泄漏位置以及
4
种泄漏率下仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值分别见表
3~5
。由表
3~5
可知，对于
3
种管网，
4
种泄漏率下仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值的最大值为
5.32%
，出现在双热源双环状管网的管段位置泄漏，泄漏管段为
s55
。这说明，泄漏工况下，仿真模型的仿真结果可信度比较高。
表
3
双热源枝状管网泄漏位置以及
4
种泄漏率下仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值
表
4
单热源单环状管网泄漏位置以及
4
种泄漏率下仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值
表
5
双热源双环状管网泄漏位置以及
4
种泄漏率下仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值
泄漏率为
6.6%
，节点
n2
、管段
s2
分别泄漏时双热源双环状管网各用户实验流量、仿真流量见图
12
。由图
12
可知，
2
种泄漏工况的用户仿真流量与实验流量基本吻合，最大相对误差绝对值为
9.27%
。这说明，泄漏工况下，仿真模型的仿真结果可信度比较高。
图
12
泄漏率为
6.6%
，节点
n2
、管段
s2
分别泄漏时双热源双环状管网各用户实验流量、仿真流量
①正常工况：
3
种管网的仿真压力与实验压力分布一致，仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值均小于
5%
，仿真流量与实验流量的最大相对误差绝对值均小于
5%
。
②泄漏工况：对于
3
种管网，仿真压力与实验压力的最大相对误差绝对值的最大值为
5.32%
。用户仿真流量与实验流量基本吻合，最大相对误差绝对值为
9.27%
。
③正常、泄漏工况下，管网水力工况仿真模型的仿真结果可信度均比较高。
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