圖形化熱網(wǎng)水力工況模擬計(jì)算軟件rh—heatnet

1、圖形化熱網(wǎng)水力工況模擬計(jì)算軟件rhheatnet臌塑媳闌.7jl艨尺葉圖形化熱網(wǎng)水力工況模擬計(jì)算軟件rhheatnet清華太學(xué)人工環(huán)境工程公司,摘要本文介紹一種用于集中供熱系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行,全部的輸入(括阿絡(luò)本身結(jié)熱網(wǎng)水力模擬計(jì)算的應(yīng)用軟件,該軟件以英圖形化的界面為其顯著特點(diǎn),很太程度上簡化1用戶在使用計(jì)算程序進(jìn)行熱網(wǎng)計(jì)算時(shí)的繁瑣過程,文章結(jié)尾附應(yīng)用實(shí)例一則.關(guān)鍵字rhheatnet圖形化,熱網(wǎng),用戶界面一,開發(fā)背景熱阿水力工況分析是區(qū)域供熱熱網(wǎng)設(shè)計(jì),擴(kuò)建及調(diào)試中非常重要的工作,盡管其在理論上是比較成熟的,目前國內(nèi)設(shè)計(jì),研究單位開發(fā)出的多種計(jì)算程序在實(shí)際工程中也切實(shí)可行,但是許多用戶發(fā)現(xiàn)這些程序

2、普遍存在使用不便的問題.造成使用不便的主要原因在于軟件的用戶界面不友好.現(xiàn)有的水力計(jì)算軟件普遍采用數(shù)據(jù)文件的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入和輸出,用戶必須嚴(yán)格按照所規(guī)定的數(shù)據(jù)格式和順序進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入.可以想象,對于一個(gè)集中供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng),要保證其計(jì)算程序所用的龐大的數(shù)據(jù)文件的完全準(zhǔn)確是比較困難的由于采用數(shù)據(jù)文件的輸入方式.因此對數(shù)據(jù)的修改和管理也造成很大的不便,每次對參數(shù)的改變都需要修改數(shù)據(jù)文件,使用起來很不方便,嚴(yán)重限制了這種分析程序在工程實(shí)際中的應(yīng)用.根據(jù)這一情況,我們開發(fā)圖形化熱阿水力工況模擬分析軟件rhheatnet,使水力工況分析軟件真正易于被從事區(qū)域供熱的設(shè)計(jì),運(yùn)行和管理人員使用,更好地解決實(shí)際

3、工程問題.本文介紹該軟件的基本原理和使用情況.二,rhheatnet的主要特點(diǎn)和功能rhheamet是北京清華人環(huán)公司最近開發(fā)的圖形化界面的熱網(wǎng)計(jì)算軟件.該軟件用borlandc+語言設(shè)計(jì),在windows一22一構(gòu))和輸出都在圖形方式下完成在使用rhheamet進(jìn)行熱阿計(jì)算時(shí),用戶所面對的不再是枯燥的數(shù)據(jù)文件,而是代表實(shí)際阿絡(luò)的熱網(wǎng)平面圖,所有的操作都通過該平面圖進(jìn)行rhheatnet的主要功能包括:a.水力工況模擬計(jì)算(已知熱網(wǎng)阻力特性,求熱網(wǎng)的流量分布和壓力分布)b.設(shè)計(jì)工況下熱用戶資用壓力校核(已知用戶設(shè)計(jì)流量,校核用戶資用壓力).c.熱阿初調(diào)節(jié)計(jì)算(求解熱阿初調(diào)節(jié)方案).三,基本原理

4、及軟件結(jié)構(gòu)使用rhheatnet軟件進(jìn)行熱網(wǎng)模擬計(jì)算的步驟主要包括熱阿平面圖的繪制,熱網(wǎng)參數(shù)的輸入,網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算及結(jié)果的顯示.下面按照步驟分別介紹.l熱阿平面圖的輸入.熱阿平面圖的輸入是rhheatnet進(jìn)行熱阿模擬計(jì)算的基礎(chǔ).熱阿平面圖分為兩個(gè)層次,即一次阿和各熱力站內(nèi)部.這部分工作在軟件內(nèi)部提供的作圖工具庫的支持下完成.主要作圖工具包括畫管段,閥,泵,熱用戶,熱力站以及其他一些相應(yīng)的編輯功能軟件識別用戶畫入的熱阿圖,生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件.簡單說,rhheatnet實(shí)際上提供了一種以圖形方式處理數(shù)據(jù)文件的用戶界面.2熱阿參數(shù)的輸入熱阿平面圖輸入完成后,對熱阿參數(shù)的輸入就顯得自然而簡便,用戶只要

5、選取某一支路(或某一設(shè)備),在系統(tǒng)彈出的對話框內(nèi)填充該支路(或設(shè)備)的有關(guān)參數(shù)即可.由于用戶直接面對熱網(wǎng)平面圖進(jìn)行輸入,因此容易保證參數(shù)輸入的準(zhǔn)確性.定義參數(shù)包括支路參數(shù),節(jié)點(diǎn)參數(shù)和設(shè)備參數(shù)三部分.對于已完全定義了參數(shù)的部分(支路或設(shè)備)rhheatnet作出標(biāo)記,以確保用戶對整個(gè)熱網(wǎng)的全部參數(shù)定義完全.圖1rhheamet軟件的主界面a)支路參數(shù)為了便于使用者的選擇,支路的阻力可以按如下兩種方式輸入:i輸入實(shí)際管段的各種結(jié)構(gòu)參數(shù),具體計(jì)算其阻力.一般應(yīng)輸入支路長度,管徑,相對粗糙度,以及支路上的局部阻力.對于局部阻力,還可以選擇三種方式進(jìn)行描述:a)給出該支路局部阻力系數(shù)(無量綱系數(shù)),則其

6、局部阻力ap為:p一?vr/2g,此處v為流速,r為水的容重,g為重力加速度.b)給出該支路局部阻力與沿程阻力之百分比比值k,局部阻力asp為:apkpl,此處pl為該支路沿程阻力.c)列舉出支路上所有局部阻力件,分別對其局部阻力系數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算.這一方法過于繁瑣,而且工程上也很難給出這么具體的參數(shù),因此較少使用.支路上調(diào)節(jié)閥的阻力由于常隨閥門開度變化,因此單獨(dú)給出.用戶應(yīng)提供調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性方程或曲線表,rhheatnet由此計(jì)算出在某一開度下調(diào)節(jié)閥的阻力.為方便某些需要,rhheather支持用戶區(qū)域供熱1996.3期不輸入長度,管徑等參數(shù)而直接給出支路阻力值s,sap/g.,其中p為該支

7、路總壓降,g為該支路流量b)節(jié)點(diǎn)參數(shù)節(jié)點(diǎn)參數(shù)主要指節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高h(yuǎn)和節(jié)點(diǎn)的進(jìn)出水量q(及該節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)水量或漏水量).c)設(shè)備參數(shù)這里的設(shè)備主要是指水泵.rhheatnet內(nèi)建有水泵設(shè)備庫,通常用戶只需選擇所需水泵型號即可得到其相應(yīng)的參數(shù).如果沒有用戶所需泵型,用戶可以自己輸入水泵的參數(shù),包括:i水泵的揚(yáng)程一流量捌臺參數(shù)a,b,c,d,從而得到水泵揚(yáng)程ah=a+bg+cg+dg;用戶可在rhheatnet上直接輸入壓力,流量關(guān)系表自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)擬合.ii此水泵揚(yáng)程一流量關(guān)系所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速.在以后的模擬計(jì)算中,用戶可能通過模擬調(diào)節(jié)水泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)熱網(wǎng)的水力工況.另外,用戶可以根據(jù)需要修改和編輯水泵設(shè)

8、備庫,增加新的水泵型號.3熱網(wǎng)分析計(jì)算完成對熱網(wǎng)參數(shù)的輸入后,就可以進(jìn)行熱網(wǎng)分析計(jì)算了.rhheatnet軟件可用來分析求解熱網(wǎng)水力分析計(jì)算中的兩類問題:a)水力工況模擬計(jì)算(已知熟網(wǎng)阻力特性,求解熱網(wǎng)的流量分布和壓力分布).這類問題是流體網(wǎng)絡(luò)分析的典型問題.相當(dāng)于已知管段具體參數(shù),水泵型號和所有閥門的開度,計(jì)算各支路的流量和各節(jié)點(diǎn)的壓力.計(jì)算模型見參考資料1.基本方程組為:gq(1)b,h一0(2)aj-/=slglg+zdh(3)其中abf分別為管網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣和基本回一23區(qū)域供熱1996.3期路矩陣,g,lxh,s分別為支路流量列向量,支路壓降列向量和支路阻力特性系數(shù)列向量;z,dh分別

9、為支路的起止節(jié)點(diǎn)位能差列向量和支路上水泵揚(yáng)程列向量.gi為對角矩陣.用戶在主菜單中選擇模擬計(jì)算”功能后軟件的核心計(jì)算程序就開始運(yùn)行,計(jì)算完成后將結(jié)果直接輸出于熱網(wǎng)平面圖上.這樣就完成了對熱網(wǎng)的一次模擬計(jì)算.任何時(shí)候用戶如果想改動(dòng)熱網(wǎng)參數(shù)都可以直接在熱網(wǎng)平面圖上進(jìn)行,隨即可進(jìn)行一次新的計(jì)算.除此之外,用戶還可以對設(shè)備(閥門或泵)進(jìn)行模擬調(diào)節(jié)(主要是調(diào)節(jié)閥門的開度和泵的轉(zhuǎn)速),隨即觀察其調(diào)節(jié)效果.甚至可以觀察在主要設(shè)備的某一調(diào)節(jié)過程中熱網(wǎng)中局部參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程.圖2顯示了一個(gè)閥門開度變化時(shí)兩條支路的流量和一個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力變化的情況.田2動(dòng)態(tài)過程曲線示倒為了便于分析,還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出水壓圖.集

10、中供熱熱網(wǎng)的平面圖一般都比較復(fù)雜,要完整地表達(dá)出整個(gè)熱網(wǎng)的水壓圖是有困難的.因此該軟件在作水壓圖時(shí)采取了一種”甩戶自定義水壓圖”顯示范圍的方式,即由用戶來選擇自己所關(guān)心的各個(gè)局部熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn),rhheatnet根據(jù)用戶的定義給出所選擇的各節(jié)點(diǎn)間的水壓變化,繪制成水壓圖.b)設(shè)計(jì)工況分析(已知用戶所要求的流量,確定系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方案)對于已有的管網(wǎng),另一種實(shí)際需要分析一24一的問題是:已知各熱用戶要求的流量,通過調(diào)整各用戶支路上的閥門,可否實(shí)現(xiàn)這一要求的流量分配?如果能夠?qū)崿F(xiàn),應(yīng)該怎樣對各用戶的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)?若不能實(shí)現(xiàn),主要是哪幾條支路的問題?能否通過加粗部分支路管徑或在某支路上加裝加壓泵來實(shí)現(xiàn)?當(dāng)實(shí)現(xiàn)

11、了這一要求的流量分配后,各熱用戶處壓力分布如何?以上問題為設(shè)計(jì)工況分析主要解決的問題.若仍用前問所說的關(guān)聯(lián)矩陣a來描述管網(wǎng)結(jié)構(gòu),則可將a分為兩部分:a=eac,a,(4)其中a對應(yīng)于各熱用戶支路,其要求的設(shè)計(jì)流量已知,a對應(yīng)其他支路(主要是各干管支路),其要求的設(shè)計(jì)流量未直接給出.不考慮補(bǔ)水和漏水的情況,由式(1)可知ag=0,或agl+augv:0()其中g(shù),分別為用戶支路及其他支路的設(shè)計(jì)流量對于枝狀管網(wǎng)a恰為一連枝,a存在,于是gc=一amg(6)對于環(huán)狀管網(wǎng),a不可逆,于是g不唯一.可以發(fā)現(xiàn)只有將a中再割去一部分支路a后,剩余部分a才為一連枝:=ea,ac這表明,對于環(huán)狀網(wǎng),各熱甩戶流量

12、確定后,干管流量并不唯一確定,而其有再確定一部分干管的流量后,所有支路的流量才唯一確定:gl2:a(agv+al1gn)系統(tǒng)流量確定后即可計(jì)算出各用戶支路兩端壓差尸=p(7)其中向量p為各節(jié)點(diǎn)壓力.對于枝狀管網(wǎng)p=allg+p.(8)其中,p.為定壓點(diǎn)壓力,s為各干管支路阻力特性系數(shù).!palsl2gl2g24-p.(9)由式(9)計(jì)算出各用戶支路壓差,即可判斷該支路是否可調(diào).對于支路i,若各閥門全開時(shí)的阻力系數(shù)為si,要求的設(shè)計(jì)流量為g,如果/g(1.)則該支路可調(diào),否則該支路無法達(dá)到要求的設(shè)計(jì)流量.對于枝狀網(wǎng),按照式(6),(7),(8),(1.)即可直接判斷出各用戶支路是否都能滿足要求.

13、對于環(huán)狀網(wǎng),由于流量不唯一確定,因此變成一個(gè)最優(yōu)化問題,即如何確定對應(yīng)于al部分的各干管支路流量才能使全網(wǎng)用戶支路均滿足式(1o),即使j=zu(z,p/一s)取得最小值區(qū)域供熱1996.3期這里函數(shù)u(x)定義為:fo,z0一,<o求解式(11)的最優(yōu)化問題,若找到j(luò)一0的解,則該環(huán)狀網(wǎng)可調(diào),否則該阿不能調(diào)到要求的設(shè)計(jì)分配流量.無論是枝狀網(wǎng)或者環(huán)狀網(wǎng),rhheatnet都可以按照上述過程進(jìn)行分析和優(yōu)化,最后用不同的標(biāo)志標(biāo)示出可調(diào)和不可調(diào)的用戶支路,同時(shí)還可顯示出各用戶支路需要通過調(diào)整閥門所需要增加的阻力及全網(wǎng)的壓力,流量分布.由此即可進(jìn)行系統(tǒng)的分析,并指導(dǎo)調(diào)試.四,工程分析應(yīng)用表1直供

14、方案一次網(wǎng)用戶流量分配表(97年度)站97年流量站97年流量站97年流量號分配(m./h)號分配(m/h)號分配(m/h)r2247.9r8405.9r14l86.8r3492.8r93.6rl5306.lr44l.0rl0353.8r16734.5r5342.】rl】240.6合計(jì)5500r62889r12370.4r7450.0rl3296.3表2直供方案熱力站供,目水壓力及資用壓力分布站供水壓回水壓資用壓站供水壓回水壓資用壓號力(m)力(m)力(m)號力(m)力(m)力(m)r28400280056.00r1050.0032.00l8.00r388.0024.006400rll52.00

15、30.0022.00r70.0042.0028.00rl250.003200l8.00r584.0o28.0056.00rl351.0031.0020.00r650.0032.00l8.00r149.0033.00l6.00r750.0032.00l8.00rl570.0042.0028.00r846.0036.0010.00r1650.0060.0o1000r949.003300l6.0025區(qū)城供熱1996.3期表3混水方案一次聞?dòng)脩袅髁糠峙浔?97年度)序97年流量序97年流量序97年流量號分配(m/h)號分配(m./h)號分配(m/h)rzl98.3r8324.7rl4l49.4r33

16、94.2r9275.7r15244.9r4352.8rl0283.0r16587.6r5273.7rl1192.5合計(jì)4400.0r6231,lr12296.3r7359,7r13237.0表4混水方案熱力站供,回水壓力及資用壓力分布站供水壓回水壓資用壓站供水壓回水壓資用壓號力(m)力(玎1)力(m)號力(m)力(m)力(m)r287.0025.0062.00r1064.0018.00400r390,0022.0068.00r1165.00l7.0048.00r478.0034.0044.00r1264.0018.0046.00r587.0025.0062.00r1364.0o18.oo46.

17、oor663.0019.0044.00rl463.0019.0044.oor762.0o20.oo42.00rl577.0035.0042.00r860.0022.0038,00r1663.0049.0014.00r062.0020.0042.0026一圖3某熱網(wǎng)系統(tǒng)平面圖區(qū)域供熱1996.3期圈4混水式熱力站連接方式示意固固5鉆一站回水,混水方式示意固下面給出一個(gè)利用rhheatnet對實(shí)際熱網(wǎng)進(jìn)行分析的倒子.圖3為東北某熱電聯(lián)產(chǎn)熱網(wǎng).該熱網(wǎng)原為直連供熱,后要在各熱力站加大供熱面積,并增加圖3中15,16號兩個(gè)熱力站表1給出增大面積后各站要求的循環(huán)流量.按照這樣的流量分配計(jì)算,得到此時(shí)全網(wǎng)各

18、熱力站的供,回水壓力和資用壓力分布(表2).可以看出,由于整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)流量的增大,已有許多站的資用壓頭不足,而且有些站的回水壓力超過了0.40mpa,不符合安全運(yùn)行的要求.因此考慮采用混水方式,即不再增大一次網(wǎng)的循環(huán)水量,而通過提高一次網(wǎng)的供,回水溫差來增大一次網(wǎng)的供熱能力.對于二次網(wǎng)來說,由于總的用戶面積增大了,若仍然按原來的直供方案,則每個(gè)用戶得到的進(jìn)戶流量必然減少,而大溫差小流量運(yùn)行易造成垂直失調(diào),因此考慮用熱水站內(nèi)混水的方式增大進(jìn)戶流量,減少二次網(wǎng)的供,回水溫差.混水方式下熱力站內(nèi)的連接方式見圖4.在保證實(shí)際進(jìn)戶流量不變的前提下,按照1:4的混水比運(yùn)行,則各站實(shí)際的進(jìn)站流量分配如表3所示.此時(shí)各站的供,回水壓力分布及各站的資用壓頭見表4.這時(shí)的各站的資用壓頭基本上