供熱管網(wǎng)泄漏故障的仿真研究

徐 峰 郝哲宇 吳興棟 陳 鑫

(1.張家口市可再生能源儲熱裝備與利用重點實驗室，河北 張家口 075000;2.張家口市可再生能源供熱工程技術(shù)研究中心，河北 張家口 075000;3.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000;4.北京建工四建工程建設(shè)有限公司，北京 100123)

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展，我國的集中供暖事業(yè)取得了較大進步.同時，城鎮(zhèn)新建建筑不斷增加，需要將新建建筑接入熱力站及供熱管網(wǎng)系統(tǒng)，致使供熱管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大.運行多年的老舊管網(wǎng)，由于外保溫損壞及管道腐蝕等原因，供熱管網(wǎng)泄漏故障頻發(fā).但引起管網(wǎng)泄漏因素眾多，且泄漏發(fā)生的時間和地點不易被迅速發(fā)現(xiàn)，這給供熱管網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行帶來巨大隱患[1].鑒于此，本文在前期供熱管網(wǎng)仿真研究基礎(chǔ)上，建立供熱管網(wǎng)壓力節(jié)點泄漏模型，對不同節(jié)點及泄漏量進行模擬，并根據(jù)模擬數(shù)據(jù)對供熱管網(wǎng)壓力、流量的變化和特點進行分析，為供熱管網(wǎng)泄漏故障預(yù)判和診斷提供參考依據(jù).

1 泄漏壓力節(jié)點的數(shù)學(xué)模型

供熱管網(wǎng)運行過程是一個連續(xù)的過程，各個設(shè)備、用戶、管段之間的壓力參數(shù)是相互聯(lián)系的，其壓力、流量關(guān)系可以概括為流體網(wǎng)絡(luò)模型，整個供熱管網(wǎng)由壓力節(jié)點相互聯(lián)系形成[2].供熱管網(wǎng)發(fā)生泄漏會引起管段壓力變化，所以管網(wǎng)泄漏處的壓力節(jié)點不同于閉式管網(wǎng)的壓力節(jié)點，其與外界壓力連通，典型泄漏壓力節(jié)點模型如圖1，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量平衡建立泄漏節(jié)點的數(shù)學(xué)模型.

圖1 供熱管網(wǎng)泄漏節(jié)點

根據(jù)節(jié)點質(zhì)量守恒方程：

(1)

其中W為壓力節(jié)點處的流體流量；W1、W2為管路1，2流入壓力節(jié)點的流量；W3為管路3流出壓力節(jié)點的流量；W4為管路泄漏點流出壓力節(jié)點的流量.

由W=ρV得：

(2)

水為不可壓縮流體，忽略體積變化，假設(shè)V為定值，則：

(3)

由于ρ=f(P,H)，則有：

(4)

在供熱系統(tǒng)中，焓值變化較壓力變化速度慢很多，忽略不計焓值的變化，則：

(5)

若各節(jié)點壓力P1、P2、P3為已知量，泄漏點壓力Pa為大氣壓力，且P1>P0、P2>P0、P3

(6)

(7)

(8)

將泄漏壓力節(jié)點的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為Fortran語言輸入Developer Studio中，將輸出的模塊導(dǎo)入CyberSIM仿真軟件中；設(shè)置好常數(shù)量以及節(jié)點連接管路數(shù)，即可進行仿真模型的迭代計算顯示出節(jié)點壓力值.

2 管網(wǎng)泄漏的仿真模型

將泄漏節(jié)點設(shè)置在既有小區(qū)供熱管網(wǎng)仿真模型中，建立該小區(qū)供熱管網(wǎng)的泄漏仿真模型.該小區(qū)采暖方式為暖氣片，用戶均為單體二層住宅樓，棲霞路5個用戶為1棟，朝陽路6個用戶為1棟，共22棟.小區(qū)換熱站位于小區(qū)北側(cè)，總管徑為DN250[3].主管沿棲霞路與朝陽路中敷設(shè)，沿1、6巷分別出分支管為東西巷建筑供熱，每棟建筑單設(shè)分支.小區(qū)庭院管網(wǎng)平面布置圖如圖2所示.供熱管道采用直埋敷設(shè)，供熱管網(wǎng)泄漏故障問題采用實驗方法研究無法實現(xiàn)，因此需要借助仿真軟件進行供熱管網(wǎng)泄漏工況仿真，對小區(qū)泄漏故障進行模擬.

圖2 小區(qū)庭院管網(wǎng)平面布置圖

根據(jù)小區(qū)供熱管網(wǎng)搭建的庭院管網(wǎng)仿真模型如圖3，在循環(huán)水泵入口處進行補水定壓，定壓點壓力為0.22 MPa，正常運行時管網(wǎng)總流量為132 t/h.當(dāng)供熱管網(wǎng)發(fā)生泄漏時，系統(tǒng)壓力降低，補水系統(tǒng)開始補水從而維持定壓點處壓力不變.

圖3 小區(qū)庭院管網(wǎng)仿真模型

3 供熱管網(wǎng)泄漏工況模擬分析

泄漏故障是供熱管網(wǎng)運行中最常見的故障之一，由于施工不當(dāng)、損壞，管道老化、腐蝕等都會導(dǎo)致管道泄漏，尤其是在管道的焊縫處.管道的泄漏會影響整體供熱系統(tǒng)的運行，同時，管網(wǎng)的泄漏量和泄漏位置不同，對其整體系統(tǒng)的運行參數(shù)影響也會有所不同[4-5].

3.1 主干管泄漏工況模擬分析

為了直觀表示，將小區(qū)庭院管網(wǎng)平面布置圖簡化為枝狀管網(wǎng)系統(tǒng)圖，如圖4.本節(jié)模擬主干管枝狀管網(wǎng)圖4中供水處節(jié)點4與節(jié)點6在漏水率4%的情況下，壓力與流量的變化情況.

圖4 小區(qū)庭院管網(wǎng)系統(tǒng)圖

從圖5中可以看到，當(dāng)供水管道發(fā)生泄漏時，管段的整體壓力都會下降；當(dāng)管段發(fā)生泄漏時，泄漏點周圍處壓力變化最為明顯；當(dāng)管道泄漏量相同時，泄漏點4與泄漏點6相比，泄漏點6發(fā)生泄漏，漏點之前的節(jié)點壓力大于泄漏點4泄漏時的各個節(jié)點壓力，因此可以推斷出：泄漏點越靠前，管段節(jié)點壓力變化越明顯；漏點越靠后，靠近末端，系統(tǒng)節(jié)點壓力變化越平緩.

圖5 泄漏工況下供水管節(jié)點壓力變化圖

當(dāng)供水管段節(jié)點4與節(jié)點6在漏水率4%的工況下，回水管段節(jié)點壓力變化如圖6所示.從圖6中可以看出，當(dāng)供熱系統(tǒng)發(fā)生泄漏時，回水管段的整體壓力都會下降；當(dāng)泄漏點4發(fā)生泄漏與泄漏點6發(fā)生泄漏時，回水管段節(jié)點壓力相比，泄漏點4發(fā)生泄漏時回水管段各個節(jié)點壓力要比漏點6發(fā)生泄漏時回水管段各個節(jié)點壓力要大一些，因此可以推斷出：泄漏點越靠前，對回水管段各個節(jié)點壓力影響越小，泄漏點越靠后，對于回水管段各個節(jié)點壓力影響越大.

圖6 泄漏工況下回水管節(jié)點壓力變化圖

泄漏故障時壓力變化，必然會引起系統(tǒng)流量變化，圖7為供水管段節(jié)點4與節(jié)點6發(fā)生泄漏時，供水管管段流量變化圖.

圖7 泄漏工況下供水管段流量變化率圖

從圖7中可以看出，當(dāng)供熱系統(tǒng)發(fā)生泄漏時，補水系統(tǒng)進行補水，泄漏點前的供水管各個管段流量均大于正常工況流量；漏水點后的管段流量均小于正常工況流量.越靠近漏點處，流量變化越明顯，流量變化率越大.當(dāng)節(jié)點4與節(jié)點6泄漏量相同時，節(jié)點4發(fā)生泄漏時，供水管管段1-2、2-3、3-4中的流量均大于節(jié)點6發(fā)生泄漏時的管段流量，因此可以推斷出：泄漏點越靠前，主管供水段上流量增加越多，泄漏點越靠后，主管供水段流量增加越少.從圖中可以看出，節(jié)點6泄漏引起的管段流量變化率明顯要大于節(jié)點4泄漏引起的管段流量變化率.

當(dāng)供水處發(fā)生泄漏故障時，回水管段流量也將發(fā)生變化，如圖8為供水管段節(jié)點4與節(jié)點6發(fā)生泄漏時，回水管管段流量變化圖.從圖中可以看到，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生泄漏故障時，回水管段中回水流量均小于正常工況下的流量，因為存在補水系統(tǒng)補水，所以回水管段中流量變化沒有供水處流量變化大.當(dāng)節(jié)點4與節(jié)點6泄漏量相同，節(jié)點4發(fā)生泄漏時回水管段的流量大于節(jié)點6發(fā)生泄漏時回水管段的流量，從圖7中也可以看出，節(jié)點4泄漏各個管段流量變化率小于節(jié)點6泄漏各個管段的流量變化率，因此可以推斷出：供水管段泄漏點越靠前，對回水管段流量影響越?。恍孤c越靠后，對回水管段流量影響越大.

圖8 泄漏工況下回水管段流量變化率圖

3.2 用戶管段泄漏工況模擬分析

用戶處發(fā)生管段泄漏，同樣會引起系統(tǒng)壓力和流量的變化，以棲霞路西一巷分支為例，進行用戶泄漏模擬分析，該分支共有5個用戶，因各戶面積相同，戶型相同，用熱相同，所以正常運行時各戶流量基本一致.利用仿真平臺模擬U3、U5用戶發(fā)生泄漏時該分支節(jié)點流量和壓力的變化情況.該分支管段節(jié)點示意圖如9所示.

圖9 棲霞路西一巷分支管段支點示意圖

3.2.1 用戶供水側(cè)泄漏

在仿真平臺上運行模型，將用戶U3與用戶U5的供水管段處設(shè)置泄漏點，泄漏率設(shè)為10%，觀察該分支流量變化情況，設(shè)置泄漏后，各管段流量如圖10、11所示.

圖10 用戶供水管段流量變化率圖 圖11 用戶回水管段流量變化率圖

由圖10、11可以看出，用戶發(fā)生泄漏故障時，分支管段供水流量會增加，回水流量會下降，供水流量減去回水流量基本等于泄漏的流量，但回水處流量變化程度沒有供水處流量變化明顯.從圖10中可以看出用戶U3供水處泄漏引起管段2-3處流量變化率增加，流量增加；管段3-4、3-5處流量變化率為負，說明該處流量有所減少；用戶U5供水處泄漏會導(dǎo)致所有供水管段流量增大，4-5處流量變化率增加最明顯.

當(dāng)供水管段發(fā)生泄漏故障時，各個用戶流量變化率如圖12所示.

圖12 熱用戶U1-U5流量變化率圖

從圖12中可以看出，當(dāng)分支中某一用戶發(fā)生泄漏故障時，各個用戶流量都稍有下降，但漏點以及漏點周圍流量變化最明顯.當(dāng)用戶U3與U5在供水段泄漏流量相等時，用戶U5流量變化率明顯大于U3.因此可以推斷出，用戶供水段泄漏，泄漏用戶越靠前，用戶流量變化率越??；泄漏點越靠后，用戶流量變化率越大.

3.2.2 用戶回水側(cè)泄漏

在用戶U3與用戶U5回水處設(shè)置泄漏點，泄漏量均設(shè)為10%，通過模擬得到供水管段流量和回水管段流量變化如圖13、14所示.

由圖13、14可以看出，當(dāng)用戶回水段發(fā)生泄漏故障時，管網(wǎng)流量變化規(guī)律和供水段發(fā)生故障時相同.圖中可以看出，供水流量會增加，回水流量會減少；回水流量變化明顯大于供水流量變化；用戶回水段U5泄漏情況下的流量變化率要大于用戶U3回水段泄漏的流量變化率.

圖13 用戶供水管段流量變化率圖 圖14 用戶回水管段流量變化率圖

由圖15可以看出，當(dāng)用戶回水管段發(fā)生泄漏故障時，由于供水流量的增加，經(jīng)過用戶的流量基本都會增加.用戶U3與用戶U5回水處發(fā)生泄漏，流過U3與U5的流量增加最多.從圖中可以看出，用戶U3回水泄漏與用戶U5回水泄漏對經(jīng)過用戶U1的流量影響最小.

圖15 熱用戶U1-U5流量變化率圖

綜合圖12和圖15發(fā)現(xiàn)，用戶泄漏故障位置不同，用戶側(cè)流量變化有所不同.供水段上發(fā)生泄漏故障會導(dǎo)致用戶流量減少，回水段發(fā)生泄漏故障會導(dǎo)致用戶流量的增加.無論是供水段發(fā)生泄漏故障還是回水段發(fā)生泄漏故障，都會導(dǎo)致管網(wǎng)總的供水流量增加，總的回水流量減小[1]，從而造成循環(huán)泵的流量增加，揚程下降，水泵的耗電量增加，系統(tǒng)運行成本增加.同時泄漏工況發(fā)生后，庭院管網(wǎng)總流量會有所增加，但供熱效果會變差，原因是系統(tǒng)大量補入冷水，造成供水溫度下降.

4 結(jié) 論

本文利用Cybersim仿真軟件搭建供熱管網(wǎng)仿真模型，創(chuàng)建節(jié)點泄漏模塊，在二次管網(wǎng)主管段以及用戶段供回水處設(shè)置泄漏點，進行供熱管網(wǎng)泄漏工況下的模擬仿真，分析泄漏故障時管網(wǎng)流量的變化規(guī)律.仿真結(jié)果表明，無論是主管段還是用戶側(cè)，發(fā)生泄漏故障都會使系統(tǒng)供水流量增加，回水流量減少，且泄漏點越靠近末端，供回水管段的流量變化率就越大.所以，可以根據(jù)系統(tǒng)運行參數(shù)的變化規(guī)律來判斷泄漏故障的位置及嚴(yán)重程度.