PIPENET管網(wǎng)流體分析軟件對(duì)供熱管網(wǎng)模擬計(jì)算的正確性研究

鮮 勇

(成都紡織高等?？茖W(xué)校 機(jī)械工程學(xué)院， 成都 611731)

引 言

國(guó)外集中供熱事業(yè)發(fā)展很快的國(guó)家有美國(guó)、日本、德國(guó)、丹麥、俄羅斯、瑞典，就供熱設(shè)備、供熱管理和供熱設(shè)備而言，都處于世界領(lǐng)先水平[1]。而我國(guó)的集中供熱系統(tǒng)的供熱技術(shù)還非常落后，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2-4]：一是供熱效率較低、用戶水力失調(diào)比較嚴(yán)重，二是缺乏有效的調(diào)節(jié)設(shè)備，造成能源浪費(fèi)，三是對(duì)供熱采暖用戶收費(fèi)困難，四是規(guī)劃設(shè)計(jì)水平很低，制約了節(jié)約能源工作的落實(shí)。目前主要是通過MATLAB建立仿真模型去研究供熱管網(wǎng)的水力失調(diào)及供熱管網(wǎng)的優(yōu)化問題[5-6]，用MATLAB建立仿真模型首先要建立數(shù)學(xué)模型，此方法較為復(fù)雜，而PIPENE軟件直接根據(jù)供熱管網(wǎng)的數(shù)學(xué)參數(shù)建立實(shí)時(shí)仿真模型，此方法簡(jiǎn)單快捷。通過對(duì)PIPENT模擬計(jì)算正確性的研究，給供熱管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)及用戶水力失調(diào)調(diào)節(jié)提供一個(gè)新的研究方法，對(duì)集中供熱事業(yè)的發(fā)展能起到一定的促進(jìn)作用[7]。

1 閥門流量系數(shù)的快速計(jì)算方法

流量系數(shù)的定義是：在標(biāo)準(zhǔn)條件下，當(dāng)閥門二端的壓力降為每平方英寸1磅(1 bf/in2),溫度為15.6 ℃的水每分鐘通過閥門的美制加侖數(shù)(Usgal/min)[8]。

閥門的流量系數(shù)Cv與閥門的開度、結(jié)構(gòu)和尺寸相關(guān)，因此閥門的流量系數(shù)計(jì)算公式用式(1)表示為[9]：

(1)

式中:Q是體積流量(Usgal/min)；ΔP是閥門的壓降(1 bf/in2)；G是水的密度(1 g/cm3)；CV是流量系數(shù)。

閥門的流量系數(shù)Cv與閥門的結(jié)構(gòu)相關(guān)，閥門的流量系數(shù)必須通過做實(shí)驗(yàn)才能得到。流量系數(shù)Cv值是“英制”計(jì)量單位，人們通過Cv值定義了流量系數(shù)Kv，是米制計(jì)量單位。Kv值定義如下：在標(biāo)準(zhǔn)條件下，當(dāng)閥門二端的壓降達(dá)到1巴(bar)時(shí)，溫度為5 ℃～40 ℃的水每小時(shí)流過閥門的體積(m3/h)[8]。Kv值的計(jì)算公式可以用式(2)表示為[10]：

(2)

式中：G是水的密度(kg/m3)。

ΔP是閥門的壓力降(1 bar)；

Q是體積流量(m3/h)；

Kv是流量系數(shù)。

Kv與Cv之間的關(guān)系實(shí)質(zhì)為英制單位與米制單位換算關(guān)系。

1美加侖(Usgal)=3.78541×10-3m3

1磅力每平方英寸(1 bf/in2)=0.068947 bar

將上述換算關(guān)系代入式(1)和式(2)，得到Kv與Cv關(guān)系，如式(3)所示：

Kv=Cv/1.156

(3)

另外流阻系數(shù)K是判斷流體流過閥門時(shí)引起流體壓力損失大小的指標(biāo)。流阻系數(shù)K值(又稱值)與閥門的體腔形狀、通徑、類型等因素相關(guān)。流阻系數(shù)和流量系數(shù)一樣，也要通過對(duì)閥門進(jìn)行試驗(yàn)，才能得到其值。美國(guó)Grane公司標(biāo)準(zhǔn)閥門流阻系數(shù)和各類閥門流阻系數(shù)K值分別見表1和表2[11-12]。

K值的計(jì)算公式

(4)

式中：v是流速(m/s)；

ρ是流體的密度(kg/m3)；

K是流阻系數(shù)。

表1 美國(guó)Grane公司標(biāo)準(zhǔn)閥門流阻系數(shù)

表2 各類閥門流阻系數(shù)K值

通過分析閥門的流量系數(shù)Cv和流阻系數(shù)K定義發(fā)現(xiàn)：流阻系數(shù)和流量系數(shù)是從二個(gè)不同的維度去表述閥門的流通能力。它們都是通過做實(shí)驗(yàn)測(cè)試閥門二端的壓降，然后通過相應(yīng)的計(jì)算公式而得出的。為了更快捷方便的完成流量系數(shù)的計(jì)算，可以用式(5)進(jìn)行計(jì)算[13]：

Cv=(29.9/K0.5)×D2

(5)

式中：K是流阻系數(shù)(查表1或表2)；

Cv是流量系數(shù)(Usgal/min)；

D是閥門通徑(in)。

如果流阻系數(shù)K值已知，就可以通過式(5)計(jì)算出閥門的流量系數(shù)Cv值。再代入式(2)就可以得到Kv值。

2 PIPRNET軟件介紹

PIPENET系列管網(wǎng)流體分析軟件起源于七十年代的英國(guó)劍橋大學(xué)。1979年，旗下?lián)碛蠺RIBON、PDMS等卓越軟件產(chǎn)品的AVEVA公司將其收購(gòu)并命名為PIPENET[14]。1985成立的SUNRISE公司，對(duì)PIPENET軟件的進(jìn)行了研發(fā)和拓展。PIPENET軟件具有強(qiáng)大的模擬仿真、系統(tǒng)優(yōu)化和廣泛的工業(yè)用途等功能。使用PIPENET軟件進(jìn)行工程管網(wǎng)設(shè)計(jì)，能夠使設(shè)計(jì)更加科學(xué)、合理、安全、可靠、設(shè)計(jì)效率高，并能降低工程事故發(fā)生的概率[15]。

軟件模塊主要有以下三個(gè)部分：標(biāo)準(zhǔn)模塊、消防模塊和瞬態(tài)模塊。

PIPENET標(biāo)準(zhǔn)模塊用于工業(yè)管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)模擬仿真和數(shù)值計(jì)算。PIPENET消防模塊用于消防管網(wǎng)的模擬仿真及數(shù)值計(jì)算，從而進(jìn)行消防管網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)。PIPENET瞬態(tài)模塊又分為瞬態(tài)消防子模塊和瞬態(tài)標(biāo)準(zhǔn)子模塊，分別用于工業(yè)管網(wǎng)和消防管網(wǎng)的數(shù)值計(jì)算、模擬仿真和動(dòng)態(tài)分析。

3 軟件模擬計(jì)算正確性驗(yàn)證

3.1 軟件模擬計(jì)算

為了驗(yàn)證軟件模擬計(jì)算的正確性，為后面動(dòng)力分布式供熱管網(wǎng)研究作理論支撐，建立如圖1所示的供熱管網(wǎng)模型，其中A點(diǎn)位供熱管網(wǎng)的入口端，G點(diǎn)為供熱管網(wǎng)的出口端，供熱管網(wǎng)的總流量為40 m3/h，供熱管網(wǎng)的管徑、長(zhǎng)度見表3。

圖1 供熱管網(wǎng)模型

表3 供熱管網(wǎng)管徑和長(zhǎng)度

經(jīng)過計(jì)算，閥門在全開時(shí)的流量系數(shù)為198.296 m3/h,閥門的開度系數(shù)設(shè)置為0.7，已知供熱管網(wǎng)出口端G點(diǎn)的壓強(qiáng)為0.25 MPa,供熱管網(wǎng)入口端A點(diǎn)的流量為40 m3/h。經(jīng)過軟件模擬分析計(jì)算，供熱管網(wǎng)的壓力和流量分布如圖2所示。

供熱管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的壓強(qiáng)和供熱管網(wǎng)各管段的流量分別見表4和表5。

圖2 供熱管網(wǎng)流量和壓力分布

表4 軟件模擬計(jì)算供熱管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的壓強(qiáng)

表5 軟件模擬計(jì)算供熱管網(wǎng)各管段的流量

要驗(yàn)證軟件模擬計(jì)算泵能耗的正確性，就要對(duì)圖2所示的管網(wǎng)進(jìn)行主循環(huán)泵的選擇。由圖2可知，供熱管網(wǎng)入口端的壓強(qiáng)為0.357 MPa，供熱管網(wǎng)出口端的壓強(qiáng)為0.25 MPa，供熱管網(wǎng)系統(tǒng)總流量為40 m3/h，可得安裝在供熱管網(wǎng)上主循環(huán)泵工作點(diǎn)的壓頭為0.107 MPa，工作流量為40 m3/h。假設(shè)泵的工作特性曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)如表6所示，這樣就完成了主循環(huán)泵的選擇，然后把選擇的泵安裝在供熱管網(wǎng)熱源處，這時(shí)供熱管網(wǎng)的流量和壓力分布如圖3所示。

表6 泵的工作特性曲線上數(shù)據(jù)點(diǎn)

圖3 供熱管網(wǎng)流量和壓力分布

從圖3中可以看出，安裝主循環(huán)泵后，A點(diǎn)的壓強(qiáng)為0.3569 MPa，安裝加壓泵前A點(diǎn)的壓強(qiáng)0.3565 MPa，可得安裝加壓泵前后A點(diǎn)的壓強(qiáng)差為0.0004 MPa，可見主循環(huán)泵選擇方法的正確性。主循環(huán)泵的效率設(shè)置為70%，從而軟件模擬計(jì)算主循環(huán)泵的能耗為1.7 kW。

3.2 理論計(jì)算

為了將軟件模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)將對(duì)圖1所示的供熱管網(wǎng)進(jìn)行理論計(jì)算。供熱管網(wǎng)有2個(gè)環(huán)路，計(jì)算模型如圖4所示。分別設(shè)置A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)、E點(diǎn)、F點(diǎn)、G點(diǎn)的壓力為PA、PB、PC、PD、PE、PF、

PG,設(shè)置管段AB、BC、CD、DE、EF、FG的流量為QAB、QBC、QCD、QDE、QEF、QFG，設(shè)置AB、CD、DE、EF、FG的比摩阻為RAB、RCD、RDE、REF、RFG。

根據(jù)供熱管網(wǎng)的管徑和長(zhǎng)度(表3)，已知供熱管網(wǎng)的總流量為40 m3/h,供熱管網(wǎng)出口端G點(diǎn)的壓強(qiáng)為0.25 MPa，可知

QAB=40 m3/h

(6)

PG=0.25 MPa

(7)

圖4 供熱管網(wǎng)計(jì)算模型

根據(jù)基爾霍夫流量定律可得：

QAB=QGF=40 m3/h

(8)

QAB=QBF+QCD

(9)

QCD=QDE=QEF

(10)

根據(jù)基爾霍夫壓降定律可得：

(PB-PC)+RCDlCD+RDElDE+REFlEF=RBFlBF

(11)

RABlAB+RBFlBF+RFGlFG=PA-PG

(12)

根據(jù)閥門在全開時(shí)的流量系數(shù)，由于閥門的流量系數(shù)與閥門的開度系數(shù)為線性關(guān)系，可以計(jì)算出閥門的開度系數(shù)在0.7時(shí)的流量系數(shù)為138.80717 m3/h。

聯(lián)立式(3)及式(6)～ 式(12)，可計(jì)算出供熱管網(wǎng)各個(gè)管段的流量和各節(jié)點(diǎn)的壓強(qiáng)。供熱管網(wǎng)各管段流量、壓力損失及各節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)計(jì)算結(jié)果分別見表7、表8及表9。

表7 理論計(jì)算供熱管網(wǎng)各管段的流量

表8 理論計(jì)算供熱管網(wǎng)各管段的壓力損失

因?yàn)镚的壓強(qiáng)為0.25 MPa，由表8中各管段的沿程損失，根據(jù)式(2)～式(13)可計(jì)算供熱管網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓強(qiáng)，計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓強(qiáng)見表9。

表9 理論計(jì)算供熱管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的壓強(qiáng)

3.3 結(jié)果分析

供熱管網(wǎng)泵的理論計(jì)算能耗公式為[16-17]：

(13)

式中：G為循環(huán)泵的流量(m3/h)；DH為水泵的揚(yáng)程(H2O)；η為循環(huán)泵的效率。

由表9可知，A點(diǎn)和G點(diǎn)壓差為0.101 212 MPa，主循環(huán)泵的效率選擇為70%，將壓差和效率代入式(13)可得主循環(huán)泵的能耗為

可見理論計(jì)算出來主循環(huán)泵的能耗為1.66 kW，而軟件模擬計(jì)算的能耗為1.67 kW，供熱管網(wǎng)主循環(huán)泵能耗、各節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)及各管材流量的相對(duì)誤差分別見表10、表11及表12。

表10 主循環(huán)泵能耗相對(duì)誤差

表11 供熱管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)相對(duì)誤差

表12 供熱管網(wǎng)各管線流量相對(duì)誤差

從表10～表12可以看出，軟件模擬計(jì)算的主循環(huán)泵的能耗相對(duì)誤差、供熱管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)的相對(duì)誤差、供熱管網(wǎng)各管段流量的相對(duì)誤差都很小，表明軟件模擬計(jì)算泵能耗、閥門二端壓降、供熱管段沿程損失、供熱管段流量的正確性，為后面運(yùn)用此軟件對(duì)動(dòng)力分布式供熱管網(wǎng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)研究提供了研究基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

通過研究控制閥流量系數(shù)的速算方法，給出了流量系數(shù)的速算公式，用PIPENET軟件對(duì)供熱管網(wǎng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)和規(guī)劃設(shè)計(jì)，可以提高調(diào)節(jié)效率和設(shè)計(jì)效率。通過建立2個(gè)熱用戶的供熱管網(wǎng)模型，用軟件模擬計(jì)算了供熱管網(wǎng)各管段的流量、各節(jié)點(diǎn)的壓強(qiáng)、閥門二端的壓降及主循環(huán)泵的能耗；采用基爾霍夫流量定律、基爾霍夫壓降定律和管段沿程損失的計(jì)算公式，計(jì)算了供熱管網(wǎng)各管段的流量、各節(jié)點(diǎn)的壓強(qiáng)、閥門二端的壓降、主循環(huán)泵的能耗。對(duì)比軟件模擬計(jì)算結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相對(duì)誤差很小，說明了軟件模擬計(jì)算的正確性，為運(yùn)用此軟件對(duì)動(dòng)力分布式變頻供熱管網(wǎng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)研究提供了研究基礎(chǔ)，具有一定的工程實(shí)際意義。