（工程热物理专业论文）蒸汽管网水力热力耦合计算方法的研究及软件开发.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 蒸汽管网水力热力计算方法考虑蒸汽热力损失和动力损失之间的相互影响，将蒸汽 流动的水力工况和热力工况耦合在一起，解决目前水力计算中忽略二者相互影响导致计 算误差大的问题。本文基于蒸汽输送过程中流动和传热特性，建立蒸汽管网水力热力耦 合计算数学模型，提出采用标准四阶r u n g e公式对微分方程进行求解，并以 c+6为开发工具，编制出蒸汽管网水力热k力u耦tta合计算分析软件，通过大量实例管v网isu对a10 其验证，蒸汽管网耦合计算理论及方法可以应用于蒸汽供热工程的计算和分析。 本文以蒸汽管网水力热力耦合计算方法的建立为主线，开展了以下工作的研究： 一、通过对蒸汽输送过程中流动及换热特性的研究，综合考虑蒸汽的可压缩性、状 态变化、摩擦和传热等多种因素的作用，导出蒸汽流动动量方程，结合蒸汽状态方程， 将蒸汽流动应遵循的连续性方程、动量方程和能量守恒方程，组成蒸汽稳定流动的水力 热力耦合计算数学模型，并给出数学模型的边界条件，解决目前蒸汽管网水力计算中忽 略散热损失对压力变化的影响所导致的计算结果与实际运行数据误差大的问题。 二、根据蒸汽管网水力热力耦合计算微分方程组，得到高压蒸汽管网动量方程和能 量方程的积分形式，考虑蒸汽输送过程中常伴有相态变化，本课题采用水蒸汽 “i a p w s i f l 9 9 7 工业公式 中2 区多参数状态方程，求解蒸汽流动过程中的密度、动 力黏滞系数和压缩因子，为动量方程和能量方程的求解提供依据。 三、对蒸汽管网耦合计算数学模型简化后，提出采用标准四阶r u n g e公式求kutta 解微分方程组，从而得到数学模型的数值解。r u n g ek u t t a 公式利用目标函数在某些点 处函数值的线性组合构造差分方程，避免了高阶导数的计算，计算结果精度高。 四、管道保温结构及厚度是影响蒸汽传热特性的重要因素，本文针对蒸汽管道不同 敷设方式，分别利用给定散热损失值法、介质表面温度法，确定架空、直埋管道保温层 厚度和单位管长散热量，分析得出影响管道散热损失的主要因素，并在相同条件下，对 架空、直埋管道单位长度热损失大小进行对比分析。 五、采用v i s u a lc + + 6 0 为开发工具，编制蒸汽管网水力热力耦合计算分析软件。软 件主要分为管网线图绘制、管网参数输入、管网线图编辑、水力热力耦合计算、计算结 本研究为国家“十一五”科技支撑计划课题城市能源基础设施系统优化与模拟技术( 2 0 0 6 b a j 0 3 8 0 1 ) 的部分研究 内容 i 山东建筑大学硕士学位论文 果输出及保存五个大的功能模块，软件内嵌了“蒸汽管道保温层厚度及散热量计算 、“水 蒸汽热物性计算 和“蒸汽管道水力热力耦合计算 三个软件模块，实用价值高。 最后，以济南市多条蒸汽管网为例，对蒸汽管网水力热力耦合计算理论及方法进行 验证，耦合计算结果能够准确描述管网实际运行中蒸汽压力和温度的变化关系，各管段 计算结果与实际运行数据的最大误差为6 ；而仅进行水力计算所得计算结果与实际运 行数据的平均误差为2 1 ，最大误差超过5 0 。耦合计算结果与运行数据吻合较好，精 度高，可以应用于蒸汽管网改造工程、蒸汽管网联网运行方案的设计计算和分析。 关键词：蒸汽管网，耦合计算，数学模型，可压缩性，黏性，软件开发 山东建筑大学硕士学位论文 s t u d y 0 i im o t h o do fh y d r a u l i c & t h e r m a lc o u p l i n gc a l c u l a t i o nf o r s t e a mh e a t i n gp i p en e t w o r k sa n ds o f t w a r ee x p l o i t a t i o n g a ol u f e n g ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yt i a ng u a n s a n a b s t r a c t t h em e t h o do fs t e a mn e t w o r kh y d r a u l i ca n dt h e r m a lc o u p l i n gc a l c u l a t i o n ，c o n s i d e r i n g t h ei n f l u e n c eb e t w e e nt h e r m o d y n a m i cl o s sa n dp o w e rl o s s ，c a ns o l v ep r o b l e mo fb i ge r r o r s c a u s e db yi g n o r i n gt h ei n t e r a c t i o no ft h et w oc o n d i t i o n si n t h ec u r r e n th y d r a u l i cc a l c u l a t i o n i n t h i sd i s s e r t a t i o n , t h em o d e lo fs t e a mn e t w o r kh y d r a u l i ca n dt h e r m a lc o u p l i n gc a l c u l a t i o nw a s c o n s t r u c t e dd i r e c t l yo np r o p e r t i e so fs t e a mf l o wa n dh e a tt r a n s f e r , a n dt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n w a ss o l v e db yt y p i c a lf o u rs t a g e sr u n g e _ k u t t af o r m u l a s t e a mn e t w o r kc a l c u l a t i n ga n d a n a l y z i n gs o f t w a r ew a se x p l o i t e dw i t hv c + + 6 0 ，w h i c hc a l lb ea p p l i e di n t h ed e s i g n c a l c u l a t i o na n da n a l y s i si ns t e a mh e a t i n ge n 百n e e r i n g s i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ef o l l o w i n gs u b j e c t sw e r ei n v e s t i g a t e d ( 1 ) t h ea c t i o n so fm u l t i f o r mf a c t e r s ，s u c ha sc o e r c i b i l i t y , s t a t ec h a n g e ，f r i c t i o na n dh e a r t r a n s f e r , w e r ec o n s i d e r e di nt h er e s e a r c ho np r o p e r t i e s o fs t e a mf l o wa n dh e a tt r a n s f e r c o n t i n u i t ye q u a t i o n ,m o m e n t u me q u a t i o n ,e n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o na n db o u n d a r y c o n d i t i o n sw e r ed e r i v e d ，c o m b i n i n gs t e a ms t a t ee q u a t i o n st oc o n s t i t u t et h em o d e l ，i ts o l v e dt h e p r o b l e mo fb i ge r r o r sb e t w e e no p e r a t i o n a lp a r a m e t e ra n dh y d r a u l i cc a l c u l a t i o ni g n o r i n gt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e r m o d y n a m i cl o s sa n dp o w e rl o s s ( 2 ) t h ei n t e g r a lf o r mo fm o m e n t u me q u a t i o na n de n e r g ye q u a t i o ni nh i g h - p r e s s u r es t e a m p i p en e t w o r kw a sd e r i v e d ，b a s e do nt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o no fs t e a mh y a r a u l i ca n dt h e r m a l c o u p l i n gc a l c u l a t i o n b e c a u s eo ft h ep h a s ec h a n g e si nt h ec o n v e y i n gs t e a mf l o w , “i a p w s i n d u s t r i a lf o r m u l a t i o n19 9 7f o r t h et h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fw a t e ra n ds t e a m w a su s e d t og e td e n s i t y , d y n a m i cv i s c o s i t ya n dc o n s t r i c t i o nf a c t o ro fs t e a m ，p r o v i d i n gt h ep r o o ff o rt h e s o l u t i o no fm o m e n t u me q u a t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n i i i 山东建筑大学硕士学位论文 ( 3 ) w i t ht h es i m p l i f i c a t i o no ft h em o d e l ，t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o nw a ss o l v e db yt y p i c a l f o u rs t a g e sr u n g e k u t t af o r m u l at oo b t a i nh i g h - p r e c i s i o nn u m e r i c a ls o l u t i o n r u n g e _ k u t t a f o r m u l ar i s e st h el i n e a rc o m b i n a t i o no fv a l u ei ns o m ep o i n to fo b j e c t i v ef u n c t i o nt os t r u c t u r e d i f f e r e n c ee q u a t i o n , a v o i d i n gt h ec a l c u l a t i o no fh i g h e r - o r d e rd e r i v a t i v e ( 4 ) s t r u c t u r ea n dt h i c k n e s so fp i p ei n s u l a t i o nw e r ei m p o r t a n tf a c t o r s ，w h i c ha f f e c t e dh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fs t e a m i nt h i sp a p e r , i no r d e rt of i n dm a j o rf a c t o r st h a ti m p a c t i n g h e a tl o s so fp i p e ，t h em e t h o do fg i v e nh e a tl o s sa n dg i v e ns u r f a c et e m p e r a t u r eo fm e d i aw a s a p p l i e dt oc a l c u l a t et h i c k n e s so fp i p ei n s u l a t i o na n dh e a tl o s so fp e ru n i tl e n g t h a tt h es a m e t i o m e ，h e a tl o s so f o v e r h e a dp i p ea n db u r i e ds t e a mp i p ew a sc o m p a r e da n da n a l y s e du n d e rt h e s a m ec o n d i t i o n s ( 5 ) s t e a mn e t w o r kc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gs o f t w a r ew a se x p l o i t e dw i t l lv c h 6 0 ， w h i c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：p i p en e t w o r kd r a w i n g , p a r a m e t e ri n p u t ，p i p en e t w o r k e d i t i n go p e r a t i o n , h y d r a u l i ca n dt h e r m a lc o u p l i n gc a l c u l a t i o na n dt h er e s u l t so u t p u t s t e a m n e t w o r kc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gs o f t w a r ee m b e d e dt h r e es o f t w a r em o d u l e sw i t hh i g h p r a c t i c a lv a l u e ：t h i c k n e s sa n dt h e r m a ll o s sc a l c u l a t i o no fs t e a mp i p e l i n e ，t h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e sc a l c u l a t i o no fs t e a m ，h y d r a u l i ca n dt h e r m a lc o u p l i n gc a l c u l a t i o no fs t e a mp i p e l i n e f i n a l l y , t a k i n gs e v e r a ls t e a mp i p en e t w o r k so fj i n a nf o re x a m p l e ，t h et h e o r yo fs t e a m n e t w o r kh y d r a u l i ca n dt h e r m a lc o u p l i n gc a l c u l a t i o nw a sv a l i d a t e d t h ec o u p l i n gc a l c u l a t i o n c a l la c c u r a t e l yd e s c r i b et h er e l a t i o nb e t w e e ns t e a mp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei no p e r a t i o n p e r i o d ，a n dt h em a x i m u me r r o rb e t w e e nc a l c u l a t i o na n do p e r a t i n gd a t aw a s6 a sf o r h y d r a u l i cc a l c u l a t i o n ，t h ea v e r a g ee r r o rb e t w e e nh y d r a u l i cc a l c u l a t i o na n do p e r a t i n gd a t aw a s 21 ，a n dt h em a x i m u mg l t o rs u r p a s s e d5 0 h y d r a u l i ca n dt h e r m a lc o u p l i n gc a l c u l a t i o n sa r e i ng o o da g r e e m e n tw i t ho p e r a t i n gd a t a ，w h i c hc a nb ea p p l i e di nc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so f s t e a mp i p en e t w o r kr e n o v a t i o np r o j e c ta n dn e t w o r k i n go p e r a t i o np r o g r a m m e k e yw o r d s ：s t e a mp i p en e t w o r k , h y d r a u l i ca n dt h e r m a lc o u p l i n gc a l c u l a t i o n , m a t h e m a t i cm o d e l ，c o e r c i b i l i t y , v i s c o s i t y , s o f t w a r ee x p l o i t a t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法 律责任。 学位论文作者签名：e l 期型：兰 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即：山东 建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印，缩印或其它手段保存、汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签名： 日期埘叠竺 日期釜竺! 仝：垒：堡 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 热电联产具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电力供应等综合效益，热 电联产已被公认为是节能与环保的有效措施【l 】【2 1 ，目前已被国家有关主管部门作为优先 发展的产业确定下来，并已公布节约能源法等一批相应的文件，优先发展热电联产。 目前，我国已有5 0 以上的城市实现了集中供热，并且热电联产已成为集中供热的主要 方式，根据( 2 0 1 0 年热电联产发展规划及2 0 2 0 年远景发展目标，到2 0 1 0 年时，全国 熟电联产机组总容量将达1 2 亿千瓦，其中城市建筑物采暖集中供热热电厂约5 6 0 0 万千 瓦，工业生产用热热电厂约6 4 0 0 万千瓦。预计到2 0 1 0 年全国发电装机容量将达8 亿千 瓦左右，届时热电联产将占全国发电总装机容量的1 5 t 3 1 。目前大部分热电联产项目中， 热源通过供热管网将蒸汽输送到各个工业或居民用户满足工业生产和居民需要，蒸汽作 为供热系统的热媒，其适用范围广，因而在工业生产中得到极广泛的应用，随着我国工 业和热电事业的高速发展，工业及民用蒸汽量将不断增加。 蒸汽供热系统主要向生产工艺热用户供热，如发电、化工、纺织、消毒等工业用户， 由于生产需要必须使用蒸汽，同时也向热水供应、采暖、制冷和洗浴热用户供热，蒸汽 作为供热系统的热媒，具有如下特点 4 】： ( 1 ) 适应面广，蒸汽供热能够满足多种热用户的要求，特别是生产工艺用户，因生 产工艺所用媒质的参数一般要求较高( 一般高于2 0 0 r o a ) ，因而大多要求采用蒸汽供热。 ( 2 ) 外加动力消耗少，与热水管网输送网路循环水所耗的电能相比，蒸汽输送不需 额外增压设备( 如热水需要循环泵) ，靠热源厂供热汽轮机的高压抽汽或背压排汽压力就 能达到输送要求。 ( 3 ) 蒸汽潜热大，单耗少，对同样的热负荷，蒸汽供热时所需的蒸汽质量流量要比 热水流量少得多。 ( 4 ) 蒸汽供热系统热惰性小，供汽时热得快，停汽时冷得也快，很适宜于间歇供热 的生产工艺用户。 但是，蒸汽供热管网也存在以下突出问题： ( 1 ) 蒸汽管网凝水损失、热损失大 1 山东建筑大学硕士学位论文 在采暖系统中，特别是采暖和工业混用蒸汽管网中，过热或饱和蒸汽在系统管路内 流动时，由于管壁散热及动力损失，温度和压力都要降低，沿途不断产生凝结水。而目 前实际运行中对于凝结水的处理，除少量作为补水进入二次网，近8 0 的凝水直接被排 掉，凝水不回收增大了管网蒸汽输送量，也损失了大量的蒸汽热能。 ( 2 ) 蒸汽状态参数变化大 过热或饱和蒸汽在管内流动时，由于散热和摩擦等因素，蒸汽温度和压力不断降低， 造成包括密度、比热和动力黏度等状态参数变化比较大，增加了蒸汽管网计算分析的不 确定性因素。 ( 3 ) 蒸汽管网计算较复杂 蒸汽在输送过程中一旦发生了相变，管内流动状态将成为汽水两相流的湿蒸汽，湿 饱和蒸汽沿管路流动经过阻力较大的阀门时，蒸汽被绝热节流，虽焓值不变，但压力下 降，体积膨胀，湿饱和蒸汽就可能成为节流后压力下的饱和蒸汽或过热蒸汽，即形成所 谓“二次蒸汽”，蒸汽状态参数的变化会更加剧烈。 蒸汽管网凝水损失大、状态参数变化大决定了蒸汽管网的水力热力计算过程复杂， 要比热水管网难度大得多。 目前蒸汽管网水力计算主要靠人工查阅设计手册或水力计算图表来完成，效率较低， 计算结果误差比较大，且容易出错。计算分析手段的落后制约了蒸汽供热管网的工程设 计和建设发展。为此，研究蒸汽管网水力热力耦合计算数学模型与计算方法，并开发蒸 汽管网水力热力通用计算软件成为发展蒸汽管网建设和运行管理的一个重要课题。 国内外在蒸汽管网水力计算方法及软件的研究开发方面作了大量工作，总体来说管 网计算效率有较大提高，但大多只进行水力工况的计算，而忽略蒸汽水力工况与热力工 况之间的相互影响，使得水力计算结果与实际运行数据误差较大，精度难以满足工程需 要。因此，在蒸汽管网水力热力计算、蒸汽状态参数的确定及水力热力计算软件方面， 仍需要科学工作者进行广泛深入的研究。 为此，本课题通过对蒸汽输送过程中流动及传热特性的研究，综合考虑蒸汽的可压 缩性、状态变化、摩擦和传热等多种因素的作用，建立蒸汽流动过程中的水力热力耦合 计算模型，将蒸汽水力工况与热力工况同时求解，以准确描述蒸汽输送过程中温度和压 力变化关系，从而解决目前水力计算和热力计算分别考虑所产生较大误差的问题，依此 山东建筑大学硕士学位论文 来提高计算精度。利用可视化编程语言开发通用蒸汽管网水力热力耦合计算软件操作平 台，解决目前一般管网水力计算程序中存在的初始数据准备工作量大、繁琐、容易出错、 一般技术人员不易掌握的问题。 随着我国工业及热电事业的不断发展，蒸汽的产量也将不断增加，蒸汽管网建设、 改建和扩建的工程量越来越大，本行业对蒸汽管网水力热力耦合计算理论及高质量的智 能化计算软件需求量非常大，本课题的完成可以极大的提高蒸汽管网的计算精度与速度， 有助于优化蒸汽管网设计与运行，并有广阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 蒸汽热物性参数计算方面 文献检索发现，国外由于大型热电联产集中供热相对较少，对大型蒸汽管网水力计 算的研究相对较少，对蒸汽热力参数计算的研究相对较多。水和水蒸汽热力性质的研究 大多基于i a p w s i f 9 7 公式【5 - l5 1 ，最具代表性的有： 文献【5 】提出了一个新的替代i f c _ _ 6 7 公式的水和水蒸汽计算模型，并在1 9 9 7 年德 国e r l a n e n 举行的水和水蒸汽性质国际联合会( i a w p s ) 会议上获得通过，即i a p w s i f 9 7 公式。i a p w s i f 9 7 水蒸汽热力性质计算公式是通过实验公式拟合得出的，该计算模型 分为五个区域。计算模型适用于2 7 3 1 5 5 t 1 0 7 3 1 5 、尸s 1 0 0 m p a 和1 0 7 3 1 5 t g e t l t e m ( 字段名) ) v a l u e 方法获 得当前记录的v a r i a n t 类型的值，然后将其转换成所需要的值：另一种是间接地通过映射 将查询所返回的值同变量进行捆绑，以方便值的类型转换。本软件采用第一种方法将数 据结构文件保存至数据库中，其具体装换方法见参考文献i ”i 。图52 9 为管网线图保存在 数据库中的数据。 图52 9 管段敷据a c c e s s 数据库设计 567 蒸汽管网水力热力耦合计算软件使用流程 蒸汽管网水力热力耦合计算软件界巾 友好，操作方便，使用流程见图53 0 图53 0 软件系统使用流程蝈 57 本章小结 本课题采用v i s u a lc h 60 可视化编程工具，编写肝发了燕汽管网水力热力耦合计算 山东建筑大学硕士学位论文 分析软件2 0 ，改进课题组开发的1 0 版本中管网线图编辑功能。软件主要分为管网线图 绘制、管网参数输入、管网线图编辑、水力热力耦合计算、计算结果输出及保存五个大 的功能模块。本软件操作方便、计算快捷，适合范围广，通用性强。 ( 1 ) 利用世界坐标和屏幕坐标之间的相互转化技术，将屏幕坐标系的原点变换到客户 区的中心，以此点为基准点进行管网图的缩放，改进以往以屏幕左上角为基准点管网缩 放方式，使管网线图的缩放效果明显改善。 ( 2 ) 软件新增了管网查询和计算结果标注功能，管网查询有助于用户方便、迅速的寻 找其位置并输入相关的数据，结果标注功能可以方便直观地从管网线图上直接读取节点 压力、温度和流量，以及管段压降、温降和管段流量等参数。 ( 3 ) 利用e x c e l2 0 0 3 的a c t i v e x a u t o m a t e 功能，本软件实现了蒸汽管网水力热力计算 结果的导出e x c e l 功能，便于对计算结果进一步格式化处理或进行计算处理。 ( 4 ) 考虑蒸汽流动过程中摩擦、压缩性、黏性和散热等因素，本课题分别开发了蒸汽 管道保温层厚度及散热量计算、水蒸汽热物性计算和蒸汽管道水力热力耦合计算软件模 块，可被“蒸汽管网水力热力耦合计算软件系统主程序调用，计算精度高，适用范围 广。 山东建筑大学硕士学位论文 第6 章蒸汽管网水力热力耦合计算软件的应用 6 1 引言 目前对蒸汽管网进行分析计算时，一般只进行水力计算，忽略蒸汽的黏性、可压缩 性、状态变化和散热损失对压力变化的影响，造成管段压降计算误差大，特别是管网在 低负荷时误差可超过5 0 。目前较多认为引起末端用户蒸汽压力低的原因是管网动力损 失太大，却忽略了管道热损失对蒸汽压力的影响，实际运行中蒸汽压力和温度是相互影 响的，特别是在较小负荷下运行，蒸汽管道压降主要是散热损失造成的，而不是流动损 失造成的。 本章依据前几章对蒸汽管网水力热力耦合计算理论的分析，利用本课题开发的蒸汽 管网计算模块及管网水力热力耦合计算主程序，分别对单根蒸汽管道、蒸汽管网进行水 力热力计算和分析，以验证蒸汽管网耦合计算理论及方法能够解决目前蒸汽管网水力计 算中忽略散热损失对压降产生影响所导致误差大的问题，耦合计算结果精度高，从而证 明蒸汽水力热力耦合计算理论和方法可以应用于实际蒸汽管网的设计计算和优化分析。 6 2 蒸汽管道水力热力计算实例验证 首先对单根蒸汽管道进行水力热力耦合计算和分析。某蒸汽管道，进口蒸汽压力为 0 7 m p a ，温度为2 8 0 。c ，蒸汽流量为6 0 t h ，管道敷设方式为架空，采用玻璃棉作为保温 材料，现利用本课题开发的“蒸汽管道水力热力计算软件”模块，分别计算得到考虑散 热损失对压力影响时( 即耦合计算) 采暖季、非采暖季两种工况下压力和温度随管道管径、 长度的变化情况，并与忽略散热损失对压力影响时( 即水力计算) 的计算结果对比。其中， 两种工况运行参数如下： ( 1 ) 工况一：采暖季，流量比例系数为1 ，蒸汽流量为6 0 t h ，环境温度为5 。c ： ( 2 ) 工况二：非采暖季，流量比例系数为o 5 ，蒸汽流量为3 0 t h ，环境温度为3 0 c 。 6 2 1 工况一下水力热力计算及对比分析 将蒸汽管道起点和管段已知参数依次输入软件对应项中，见图6 1 。其中，起点流量 为负，局部阻力系数取0 2 5 ，局部热损失系数取o 2 。 山东建毓大学硕士举位论立 通过改变管道长度和管径大小，| 丁算得到考虑散热损失刘h ：影响时管段米端参数 随管径和k 度的变化情况，见表6 1 。 袁6l 考虑散热损失对压力影响对i 况一计算结果 衙忽略散热损失刈压力影响时的计霄：结果见表62 表6 , 2 忽略散热损失对压力髟响时i ，n 一计算结果 山东建筑大学硕士学位论文 为表明蒸汽流动过程中压力和温度之间的相互影响，由表6 1 、6 2 结果得到管道末 端压力、温度等参数随管径和管长的变化曲线，见图6 。2 图6 。5 。 言 复 毒 出 蜒 槭 p 墨 返 稍 旷 礁 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 管道长度( m ) 图6 2 工况一两种方法所得蒸汽压力对比 ， 、 p 、_ 一 型 赠 槭 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 管道长瓤由 图6 3 工况一两种方法所得蒸汽温度对比 7 0 6 0 5 0 鼍4 0 饕3 0 2 0 糕1 0 o o2 0 04 0 0 6 0 08 0 0 1 0 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 0 1 0 0 0 管道长度 管道长度( m ) 图6 4 工况一两种方法所得蒸汽密度对比图6 5 工况一两种方法所得蒸汽流速对比 图中虚线表示忽略蒸汽温度对压力的影响时压力、温度、密度和流速的变化曲线， 而实线则表示考虑温度与压力相互影响时压力、温度等参数的变化曲线。 从表6 1 、6 2 及图6 2 图6 5 可以看出，由于采暖季管道内蒸汽流量较大，蒸汽流 加钌卯耶加弱如 o o o o o o o o o o 0 8 6 4 2 o 8 6 4 2 3 2 2 2 2 2 l l 1 l 山东建筑大学硕士学位论文 速较快，沿途温降较小，若忽略散热损失对压力变化的影响，则压力降主要是由动力损 失引起的。但考虑散热损失对压力影响后，蒸汽压力和密度明显相对降低，由于温度降 使得同一管径的蒸汽压力要比只考虑水力工况低( 同一管径平均要低0 0 9 5 m p a ) ，而且管 道越长，压力降、密度降趋势更大，而蒸汽流速则相对较高，主要原因是压力受散热损 失影响，蒸汽密度沿管长迅速降低( 如图6 4 中d n 4 0 0 蒸汽管道，入口蒸汽密度 2 7 9 8 k g m 3 ，而出1 2 密度则降低为1 3 1 8 k g m 3 ) ，蒸汽体积流量逐渐增大。 6 2 2 工况二下水力热力计算及对比分析 对于蒸汽采暖用户和工业用户混用蒸汽管道，由于季节性负荷的不均衡性，管道内 蒸汽流量变化较大，非采暖季蒸汽流量有时不到采暖季的一半，相同管径的管道热损失 率会明显高于采暖季。此处，实例蒸汽管道工况二下运行时，蒸汽流量系数为o 5 ，仅为 采暖季负荷率的一半，利用本课题开发的蒸汽管道水力热力耦合计算软件，同样可以得 到考虑散热损失对压力变化影响时蒸汽压力、温度、密度和流速的变化情况，并与忽略 散热损失对压力影响时的计算结果对比，见表6 3 、6 4 。 表6 3 考虑散热损失对压力影响时工况二计算结果 山东建筑大学硕士学位论文 5 0 00 6 9 4 2 6 1 0 0 0 6 1 91 5 8 0 0 0 6 92 5 00 0 13 01 4 9 1 0 0 00 6 8 8 2 4 40 0 1 23 61 4 8 3 0 0 0 6 9 92 6 70 0 0 11 3 1 0 4 5 0 00 6 9 82 5 90 0 0 2 2 11 0 4 6 0 08 0 8 0 00 。6 9 6 2 4 80 。0 0 43 21 0 2 1 0 0 0 0 6 9 52 4 10 0 0 53 91 0 2 _ _ _ _ _ _ _ l _ - - - _ - - i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l - _ i 一l - _ l _ _ l _ _ - i - 一- l _ _ _ - l _ _ - _ _ _ _ 一- - _ _ _ - - _ _ _ - - _ l - - - i _ - - _ _ l _ _ _ 。_ _ _ l - - _ - _ - - - _ l l _ - 由计算结果得到蒸汽压力、温度随不同管径和管长的变化曲线，见图6 6 - 图6 9 。 兮 山 芝 、， r 出 蜒 糕 二、 墨 逶 翱 扩 糕 02 0 04 0 06 0 0 8 0 0 1 0 0 0 管i 苣长扇 图6 6 工况二两种方法所得蒸汽压力对比 ，一、 p 、_ ， 趔 赠 蛟 糕 - - o - d n s 0 0 o2 0 04 0 06 0 08 0 0 1 0 0 0 管撇 图6 7 工况二两种方法所得蒸汽温度对比 02 0 04 0 06 0 0 8 0 01 0 0 0 02 0 04 0 0h ”8 0 0 1 0 0 0 管道长度( m ) 管道长度 6 8 工况一两种方法所得蒸汽密度对比6 9 工况二两种方法所得蒸汽流速对比 同前，图中虚线表示忽略蒸汽温度对压力影响时压力、温度、密度和流速的变化曲 线，而实线则表示考虑二者相互影响时压力、温度等参数的变化曲线。 非采暖季管道蒸汽流量较小，管内流速较小，沿途热损失率相对较大，特别对大管 径蒸汽管道，热损失更为严重。从图6 6 、6 7 可以看出，考虑散热损失对压力影响时， 弱让勰m拖屹8 4 o sj言v蜊蹭槭 山东建筑大学硕士学位论文 相同管径内同一点蒸汽压力比忽略散热损失对压力影响时低0 0 4 m p a - - 0 1 9 m p a ，温度相 对低1 8 ，而且，由于压力和温度之间的相互影响，耦合计算所得压力降比只考虑 水力工况平均高出o 1 6 5 m p a j k m ，温度降平均高出4 c k m ，而且管径越大，差值越大。 图6 8 显示，忽略蒸汽温度对压力变化的影响时，计算所得蒸汽密度略有上升趋势， 主要原因是忽略温度降和压力降之间的相互影响，计算得到的蒸汽压力降较小，温度降 相对较大，如表6 4 ，管径为d n 4 0 0 的蒸汽管道l k m 内压力降为0 0 4 m p a ，d n 6 0 0 的蒸 汽管道l k m 内压力降也仅为o 0 0 5 m p a ，而三种管径的管道温度降平均为3 6 l a n 。由实 际气体状态方程可知，蒸汽密度随压力升高而增大，随温度升高而减小，但由于忽略了 蒸汽温度对压力的影响，致使蒸汽沿途压力降低较小，因此，温度降是引起蒸汽密度升 高的主要原因。当考虑蒸汽温度和压力相互影响后，蒸汽压力、温度和密度都明显降低， 更能接近实际运行状况。 对比两种工况下考虑温度和压力相互影响时计算所得压力和温度，得到蒸汽压降和 温降变化对比曲线，见图6 1 0 、6 1 1 。 舍 厶 羔 逝 鹾 嘏 o2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 管道蹴 p 逝 赠 德 02 c 1 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 管道长度( m ) 图6 1 0 两种工况下压降变化对比曲线图6 1 1 两种工况下温降变化对比曲线 图中，虚线表示工况一( 即采暖季) 下蒸汽压降和温降随管长和管径的变化曲线，而 实线则表示工况二( 即非采暖季) 压力降和温度降的变化曲线。由图6 1 0 、6 1 1 可知，同 采暖季相比，虽然非采暖季蒸汽流量减少了一半，但同一管径蒸汽管道温度降要比采暖 季平均高出1 7 k m ，蒸汽压力降相应高出0 0 4 2 m p a k m ，因此，由于蒸汽热力工况和 水力工况的相互作用，非采暖季管道散热损失是蒸汽管道压力降低的主要原因。 通过对蒸汽管道两种工况的水力热力计算，并将耦合计算结果与只考虑水力工况计 算进行对比，表明蒸汽在流动过程中的状态参数变化是水力、热力工况共同作用的结果， 贷筘钙笛粥药u m 5 0 山东建筑大学硕士学位论文 管道散热损失引起的燕汽温度降同样会产生压力降，特别是非采暖季m 十管网负衍相 对较小，热损失率相对较大，蒸汽管道压降土要是散热损火造成的，m l i 足流动损先造 成的。吲此，存刘燕汽管网进行分析订算t ，综合考虑水力与热力之叫的相q 影响因素 将其h 时计算更能准确描述实际运行中压力和温度变化关系。 63 蒸汽管网水力热力耦台计算实例验证 蒸汽管叫水力热力耦含训算软件系统综合考虑丁燕汽流动过槲的u j 压缩性、状态变 化、摩擦和传热等多种因素的作用，将蒸汽管网的水力、热山工况进行耦合迭代计算。 目前蒸汽管网水力计算不考虑流动过程敞热损失对n 、力变化的影响，耦合计算方法解决 r 现有方法的训掉结果与实际运行结果误差大的问题。本嚣通过对济南市某热电厂蒸汽 管n , i ；n 二况的水力热力耦台汁算，井与 进行水力计算结果比较，验证蒸汽管嘲水力 热力耦合汁算分析理论和软件能够应川r 实际t 程，- i x , t 蒸汽管阿的新建、改建和扩建 工程的设计提供依据。 选取对象为济南市北郊热电厂南线蒸汽管刚，该管网承 日采暖面积2 4 0 万平方米， 包括采暖和上业用热两种负荷，在不同季节管线负荷变化较人，采暖手蒸汽流量为 1 6 6 t h ，非采崾季l 业川汽量为5 5 t h ，实例管网布胃酗见圈61 2 。 r 。一 | f ， ，1 一 。 i _ = 一 一- 一j ， 十 ， l j 一 f 扣。 o 一 1 。魏 ， 囤6 1 2 实制蒸汽管网布置圉 通过对管网包括管道敷设方式、保温材料、保温厚度等数据的收集及测母，分采暖 季、非采暖圣两种上况对实例蒸汽管网进行计算。其中，丁况一参数：此时处于采暖季 山东建筑大学硕士学位论文 室外温度为5 ，热源供汽压力为o7 5 m p a 、温度为2 9 0 。c ，热源点供汽流：i f 为1 6 6 t f h ： 工况一参数：此时为非采暖季室外温度为2 8 c ，蒸汽压力为07 0 m p a 、温度为2 8 0 c 热源点供汽流量为5 5 t h 。管道敷设方式为架空和直埋。 该蒸汽管网简化后青确1 3 条供热管线、7 个用户节点，其供热简图见图61 3 。 图6 i3 宴啻4 蒸汽管网简化图 631 水力热力耦合计算软件的应用 进行蒸汽管网水力热j 祸合计算时，首先运行蒸汽管网水力热力耦合计算软件绘 制管网线图并加入热源，两种工况下管刚线图分别见图61 4 、6l5 。 图6 1 4 实例管网工况一线图 山东建筑大学硕士学位论文 图6 1 5 窭俐莒回工况二线图 其次点击软件工具栏“输入管网参数”按钮依次输入备节点、管段参数，定义管网 特性参数，管网参数输入方法见图61 6 网6 16 实例舌网参数输八 山东建筑大学硕士学位论文 6 1 9 最后进行管网水力热力耦合计算并显示结果，结果显示及结果标注见图6l7 、618 、 囝6 1 7 计算结果显示及输出 圈618 实例管网工况一计算结果标注 山东建筑大学硕士学位论文 t 一f 一 d 冒日i 园- ，le0 一_ _ 一k ，一qqq + 甜 ；丽蒜赫矗 ! 盘! ! ，一“，稿_ 驻 - 1 ； *。】。00 一1 0 0 7 丽嚅霭。i i 蕊；6 5 啄瑟。4 百丽而 一”“3 “”。”。l ； ”7 ”32 哥i ，。”“” 囤61 9 宾例管网i 况二计算结果标注 632 水力计算及分析 首先进行管网水力计算，水力计算只考虑蒸汽动力损失，而忽略温度变化对压力变 化的影响，经训算行出该管阔在两种t 况f 的各节点压力，并与运行数据对比，计算结 果蜘i 表6 5 、66 。 表6 5 工况一水力计算结果与运行