CN104500979A - 供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除系统及方法，本系统包括：检测单元，用于实时监测供热管网中各热源、热用户处的蒸汽参数，即蒸汽流量、压力及温度参数；蒸汽滞留段判断单元，用于根据蒸汽参数计算出整个热网中所有管段内的蒸汽流量、流速，判断其中是否出现蒸汽滞留段，并得出为消除蒸汽滞留段，安装在供热管网中的调节阀所需调节的开度计算值；控制单元，用于根据所述开度计算值控制调节阀的开度以消除该蒸汽滞留段；本发明适于当热网中出现蒸汽滞留段时由水力计算确定合理的调节阀开度，通过调节阀门开度改变热网中的蒸汽流量分配，从而消除蒸汽滞留段，防止水击事故，提高热网运行的安全性。

Description

供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除系统及工作方法

技术领域

本发明属于工业供热管网领域，尤其涉及一种多热源复杂环状工业供热管网内蒸汽流动滞留段的在线诊断与消除系统。

背景技术

工业集中供热系统的热用户对热网提供蒸汽的流量、温度、压力、含湿量等品质参数都有远高于居民生活用热的苛刻要求。对于供热企业而言，若不能保证工业供热蒸汽的流量和品质，将有可能造成热用户的安全生产事故，并触发供热企业的违约赔偿。因此，准确掌握热网中蒸汽的流动状况，并严格控制供热蒸汽的品质对于工业供热企业而言至关重要。

为提高供热的灵活性、可靠性和经济性，现代大型工业园区的供热管网通常为多热源环状管网。由于工业热用户的用热负荷波动较大且随机性强，而蒸汽在环状供热管网内的流量分配情况又是由各热源的供热量、各热用户的用热量、以及热网结构的水力特性所决定，所以存在着千变万化的组合逻辑。在特定运行工况条件下，环状热网中可能出现蒸汽流速很低的蒸汽滞留段。此时，会导致该管段的蒸汽含湿量大幅增加，严重时可能产生疏水器无法及时排出积水。之后，当环状热网运行状态继续发生改变时，先前滞留段中的含湿蒸汽就可能造成附近热用户供热品质的下降，大量积水还有可能造成热网的振动冲击等严重的水击事故。由于整个环状热网在结构上被各热源、热用户、疏水器分割为诸多管段，通常不可能在热网的每个管段上都安装流量监测装置以监测其运行状态，而针对热网中可能会发生的滞留现象，目前还未发明可在线调节热网运行状态并消除滞留段的调节系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除系统，以解决供热管网中诊断蒸汽滞留段，以及消除该蒸汽滞留段的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除系统，包括：检测单元，用于实时监测供热管网中各热源、用户处的蒸汽各参数，即蒸汽流量、压力及温度参数；蒸汽滞留段判断单元，用于根据蒸汽各参数计算出供热管网中若干环路的各管段内的蒸汽流量、流速，判断供热管网中是否出现蒸汽滞留段，并得出供热管网中的调节阀的开度计算值；控制单元，用于根据所述开度计算值控制调节阀的开度以消除该蒸汽滞留段。

又一方面，本发明还提供了一种供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法，以解决供热管网中诊断蒸汽滞留段，以及消除该蒸汽滞留段的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法，包括如下步骤：

步骤S100，检测出供热管网中蒸汽滞留段；以及步骤S200，根据计算出的调节阀的开度计算值控制蒸汽滞留段处的调节阀的开度，以消除蒸汽滞留段。

进一步，为了在后续的水力计算中结合考虑蒸汽管道内外温度的影响，所述步骤S100中检测出供热管网中蒸汽滞留段的步骤如下：

步骤S110，建立疏水器理论疏水量的计算模型；以及步骤S120，依据实时监测数据及所述计算模型，耦合计算整个供热管网的水力状态和各疏水器的理论疏水量，得出各个管段的蒸汽流量，以判断管段内是否出现蒸汽滞留。

进一步，所述计算模型为

式中，Φ是单位长度管段的热损失，即其中，t₂是蒸汽管道内部蒸汽温度，t₁是蒸汽管道外部环境温度，R为管内蒸汽与管外空气之间的单位长度传热热阻；以及q是疏水器理论输水量，l是每个疏水器作用范围内管道的长度，H₁是工作压力下过热蒸汽或饱和蒸汽的比焓，H₂是工作压力下饱和水的比焓。

进一步，为了实现判断蒸汽滞留段的目的，步骤S120中依据实时监测数据及所述计算模型，耦合计算整个热网的水力状态和各疏水器的理论疏水量，得出各个管段的蒸汽流量，以判断管段内是否出现蒸汽滞留的步骤如下：步骤S121，将给定结构热网构建有向流程图分析模型；步骤S122，根据水力计算及疏水器疏水量理论计算模型，即将所述有向流程图分析模型结合环路平差流量调节算法经多次迭代计算，获得各区段中的蒸汽流量；步骤S123，通过蒸汽流量、管道内径和蒸汽密度获得各管段内蒸汽流速；以及步骤S124，通过设定的蒸汽流速下限值判断管段内是否出现蒸汽滞留。

进一步，所述步骤S124中通过设定的蒸汽流速下限值判断管段内是否出现蒸汽滞留的判别公式为w_m<w_min，其中w_m为管内蒸汽流速，计算公式为 $w_m=\frac{4Q_m}{\mathrm{\&pi;}{D}_m^2{\mathrm{\&rho;}}_m};$

上述式中，w_min为热网内不出现蒸汽滞留现象所有区段内所需达到的最小流速，Q_m为相应管段内的蒸汽流量，D_m为管段内径，ρ_m为管段内蒸汽的密度。

进一步，所述步骤S200中根据计算出的调节阀的开度计算值控制蒸汽滞留段处的调节阀开度的公式，即x＝f(ζ_b.val)，式中，ζ_b.val为通过所述水力计算得出的为消除蒸汽滞留段调节阀所需的附加阻力，x是阀门开度。

进一步，通过所述水力计算得出的为消除蒸汽滞留段调节阀所需的附加阻力的步骤包括：步骤S210，预设调节阀的当前阀门阻力；步骤S220，通过所述水力计算得出当前阀门阻力所对应的各管段内蒸汽流速；步骤S230，通过所述下限值判断管段内是否出现蒸汽滞留；再次判断管段内是否出现蒸汽滞留后，再重复步骤S210至S230；直至蒸汽滞留消除。

第三方面，为了获得流量分配关系，以起到调节成环热网的水力平衡的效果，本发明还提供了一种用于蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法的水力计算的迭代算法，包括：

各基本环路上的闭合差：

$\mathrm{\&Delta;}{H}_s^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}=\mathrm{\&Sigma;}{b}_{\mathrm{sm}}\mathrm{\&Delta;}{P}_m^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$

则环路平差流量ΔQ^(λ)调节计算公式如下：

$\mathrm{\&Delta;}{Q}^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}=-\frac{\mathrm{\&Delta;}{H}_{\max }^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right|b_{\mathrm{sm}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;}{P}_m^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}}{\&PartialD;Q_m^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}}\left|\right)}$

$Q_m^{(\mathrm{\&lambda;}+1)}=Q_m^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}+b_{\mathrm{sm}}\mathrm{\&Delta;}{Q}^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$

式中，λ为循环迭代次数；为执行第(λ-1)次计算后闭合差绝对值最大的环路闭合差；表示第(λ-1)次计算时对应的区段E_m阻力压降ΔP_m与其蒸汽流量Q_m间的偏导数；以及

元素b_sm为由环路管网构建成的有向流程图分析模型中基环与各阻力区段之间的关系所对应的基环矩阵B中相应行、列的元素，其中行号S为基环号，列号m为阻力区段号。

进一步，设一校正流量的修正系数δ_s；

若计算得到的ΔQ^(λ)使流量校正计算后，环路管网中绝对值最大的基本回路闭合差小于当前绝对值最大闭合差，则不对ΔQ^(λ)进行修正计算，δ_s取1；否则，需要通过δ_s对ΔQ^(λ)进行修正计算使得修正后的校正流量δ_sΔQ^(λ)符合绝对值最大闭合差ΔH_s.max缩小的要求；通过计算闭合差绝对值最大环路的校正流量以修正各区段的蒸汽流量，从而逐步缩小环路的最大闭合差进行迭代计算，直至环路闭合差均小于设定计算精度，即可准确确定各管路中的蒸汽流量Q_m。

本发明的有益效果是，本发明实时监测热网中各热源及各热用户的蒸汽流量、压力及温度等参数，应用基于流量平差调节的水力计算方法，耦合计算疏水器的理论疏水量和热网中各管段内的理论蒸汽流量，从而诊断出管网中是否存在流量过低的蒸汽滞留段。通过在环状热网中相应位置加装自动控制的调节阀，当诊断出现蒸汽滞留段时，通过在线水力计算确定合理的调节阀开度，并由自动控制系统执行阀门调节动作，从而改变环状热网中的蒸汽流量分配和流动状态，从而消除蒸汽滞留段，保证热网运行安全。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除系统的原理框图；

图2示出了本发明的蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法的实施流程图；

图3示出了管网基本概念示意图；

图4示出了一简单的日字型热网示意图；

图5示出了图4中热网对应的有向图模型；

图6为热网水力计算流量调节迭代流程。

图中：热源1，可调阀门2，热用户3，疏水器4。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

图1示出了供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除系统的原理框图。

如图1所示，本发明的一种供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除系统，包括：

检测单元，用于实时监测供热管网中各热源、用户处的蒸汽各参数，所述蒸汽各参数包括但不限于蒸汽流量、压力及温度参数，具体的例如：蒸汽管道内部蒸汽温度t₂，蒸汽管道外部环境温度t₁等。

蒸汽滞留段判断单元，用于根据蒸汽各参数计算出供热管网中若干环路的各管段内的蒸汽流量、流速，判断供热管网中是否出现蒸汽滞留段，并得出该滞留段处的调节阀的开度计算值。

控制单元，用于根据所述开度计算值控制调节阀的开度以消除该蒸汽滞留段。

供热管网可以简称为热网。

实施例2

在实施例1基础上，本发明还提供了供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法。

实施例1中蒸汽滞留段判断单元关于开度计算值的获得的方法在本实施例中将详细阐述。

预先建立多热源环状工业供热管网内汽水阻力特性计算的详细结构模型，具体包括各管段的管道长度、管径、管壁厚度、疏水器安装位置、型号等。在算法上，参考《DL/T 5054-1996火力发电厂汽水管道设计技术规定》，引入天气情况和疏水对蒸汽流动的影响，采用环路平差调节算法对管内蒸汽流动情况进行精细化计算。为准确计算各管段内的蒸汽流量，管内的阻力特性模型细化到弯头、三通、阀门、异径管、保温层等的具体尺寸和位置等。

图2示出了本发明的蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法的实施流程图。

所述供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法，包括如下步骤：

步骤S100，检测出供热管网中蒸汽滞留段；以及步骤S200，根据计算出的调节阀的开度计算值控制蒸汽滞留段处的调节阀的开度，以消除蒸汽滞留段。

如图2所示，具体的，步骤S100中依据图2中步骤S1，实时监测数据；步骤S2，与计算模型耦合计算整个热网的水力状态和各疏水器的理论疏水量，得出各个管段的蒸汽流量；步骤S3，判断管段内是否出现蒸汽滞留。

以及后续实现步骤S200的步骤如下：

即若是，则执行步骤S4；步骤S4，假设阀门应附加阻力，重复上述步骤，直至步骤S3判断不存在蒸汽滞留段时；步骤S5，调节阀门开度；，停止。

所述步骤S100中关于检测出供热管网中蒸汽滞留段的具体实施步骤如下：

步骤S110，建立疏水器理论疏水量的计算模型；其中，所述计算模型为

式中，Φ是单位长度管段的热损失，即其中，t₂是蒸汽管道内部蒸汽温度，t₁是蒸汽管道外部环境温度，R为管内蒸汽与管外空气之间的单位长度传热热阻；以及q是疏水器理论输水量，l是每个疏水器作用范围内管道的长度，H₁是工作压力下过热蒸汽或饱和蒸汽的比焓，H₂是工作压力下饱和水的比焓。

步骤S120，依据实时监测数据及所述计算模型，耦合计算整个供热管网的水力状态和各疏水器的理论疏水量，得出各个管段的蒸汽流量，进而判断管段内是否出现蒸汽滞留。

步骤S120的展开的实施步骤如下：

步骤S121，将给定结构热网构建有向流程图分析模型。

步骤S122，根据水力计算，即将所述有向流程图分析模型结合环路平差流量调节算法经多次迭代计算，获得各区段中的蒸汽流量。

步骤S123，通过蒸汽流量、管道内径和蒸汽密度获得各管段内蒸汽流速。

步骤S124，通过设定的蒸汽流速下限值判断管段内是否出现蒸汽滞留。

获得蒸汽流量具体实施步骤包括：

依据实时监测数据及上述疏水器理论输水量的计算模型，耦合计算整个热网的水力状态和各疏水器的理论疏水量，得出各个热用户处的温度、压力以及各个管段的蒸汽流量等数据。

管网中流动的工质具有方向性，因此任意一个管网都可以抽象成为一个“有向图”，该有向图可以看成一个由“节点”和“区段”组成的有向流程图分析模型。“节点”是指热源、热用户、疏水器等存在流量进出的点，用集合V表示，V＝{V₁，…，V_n，…，V_N}(n为节点编号，N为节点个数，1≤n≤N)；“区段”是指节点间的连接管段用集合E表示，E＝{E₁，…，E_m，…，E_M}(m为区段编号，M为区段个数，1≤m≤M)，有向图可以表示成G＝<V,E>。

对于E中的任意管段E_m，在V中都有一对节点对与之对应，即管段E_m可以用它的两个端点来表示。若E_m表示由节点V_i到节点V_j的有向连接管段，则可记为V_iV_j。如图3所示为管网基本概念示意图，其中的管段E_3-1亦可记为V_3-2V_3-1。

对于一个管网的有向图模型，若图中任何一对节点间均是相互可达的，则称该有向图是“连通的”。连通图中任意几个节点连接成一个环路，这该环路称为该连通图的一个基本回路，所有基本回路的集合用C表示，C＝{C₁，…，C_s，…，C_S}(s为基本回路的编号，1≤s≤S)。其中，S为该连通图中基本回路的个数，且：

S＝M-N+1

图4为一简单的日字型热网示意图；其中，1为热源，2为可调阀门，3为热用户，4为疏水器(图中图形相同的其表示含义相同，这里不再重复标注)，可将其表示为图5所示的有向图模型，在求解各区段E_m(1≤m≤M)中的蒸汽流量的过程中，本发明采取环路平差和迭代求解算法得到最终环网中的流量分配关系，以起到调节成环热网的水力平衡的效果。

在图5中，任意节点V_n阻力区段E_m之间的衔接关系可用关联矩阵A表示，矩阵的“行号”为节点号，“列号”为阻力区段号：

$A=\left[\begin{array}{ccccc}{a}_{11}& K& a_{1m}& K& a_{1M}\\ M& M& M& M& M\\ a_{n1}& K& a_{\mathrm{nm}}& K& a_{\mathrm{nM}}\\ M& M& M& M& M\\ a_{N1}& K& a_{\mathrm{Nm}}& K& a_{\mathrm{NM}}\end{array}\right]$

其中，元素a_nm定义如下：

基环与各阻力区段之间的关系可通过以下基环矩阵B表示,“行号”为基环号，“列号”为阻力区段号：

$B=\left[\begin{array}{c}{B}_1\\ M\\ B_s\\ M\\ B_S\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}{b}_{11}& K& b_{1m}& K& b_{1M}\\ M& M& M& M& M\\ b_{s1}& K& b_{\mathrm{sm}}& K& b_{\mathrm{sM}}\\ M& M& M& M& M\\ b_{S1}& K& b_{\mathrm{Sm}}& K& b_{\mathrm{SM}}\end{array}\right]$

其中，元素b_sm可定义如下：

在图5中，节点净蒸汽流量可用列向量q表示：

q＝[q₁ L q_m L q_M]^T

其中：

各阻力区段上的蒸汽流量可表示为：

Q＝[Q₁ L Q_m L Q_M]

在水力计算过程中，应用基尔霍夫定律对管网进行分析。基尔霍夫第一定律即节点流量守恒定律：在任意一个时间段内，流入热网中任一节点的工质蒸汽流量之和等于流出该节点的工质蒸汽流量之和。公式如下：

即：AQ^T+q＝0

基尔霍夫第二定律即环路能量守恒定律：任意时刻，热网中任一闭合回路内，从一个节点到另一个节点间沿不同管路计算得到的阻力损失相等。公式如下：

即BP^T＝0

其中，E_m∈E，且E_m在基环C_s上；ΔP_m为E_m的阻力压降，Pa；P为各阻力区段的总阻力损失行向量：

P＝[ΔP₁ L ΔP_m L ΔP_M]

由《DL/T 5054-1996火力发电厂汽水管道设计技术规定》可知：图5中任意区段E_m的总阻力压降ΔP_m包括流动阻力ΔP_m.ld、重位压降ΔP_m.zw和加速压降ΔP_m.js。流动阻力ΔP_m.ld又包括沿程摩擦阻力ΔP_m.mc、弯头局部阻力ΔP_m.wt、入口局部阻力ΔP_m.r、三通局部阻力ΔP_m.st、异径管道阻力ΔP_m.yj等。计算公式如下：

ΔP_m＝ΔP_m.ld+ΔP_m.zw+ΔP_m.js

ΔP_m.ld＝ΔP_m.r+ΔP_m.mc+ΔP_m.wt+ΔP_m.yj+ΔP_m.st

其中，依据《DL/T 5054-1996火力发电厂汽水管道设计技术规定》，各种三通的局部阻力系数的计算方法各不相同，其中侧向汇流三通的局部阻力系数：

${\mathrm{\&xi;}}_{m.b}=f[1+{\left(\frac{u}{a}\right)}^2+2{(1-u)}^2]$

ξ_m.n＝e(1.55-e)

其中，ξ_m.b为侧向支流的阻力系数，ξ_m.n为直通部分的阻力系数，f为计算系数，u为分流流量Q_b与主流流量Q_c之比a为侧向通流内径D_bi与主流通流内径D_ci平方比

逐渐变径的异径管道局部阻力系数：

当管道为逐渐缩小时：ξ_m.yj＝0.5(1-a′)

当管道为逐渐扩大时：ξ_m.yj＝(1-a′)²

其中，ξ_m.yj为异径管道的局部阻力系数，a′为异径管小端内径d_i和大端内径D_i的平方比 $a^{\&prime;}={\left(\frac{d_i}{D_i}\right)}^2.$

需要注意的是，计算过程中管道与外界的散热将使部分蒸汽冷凝并由疏水器排出管外，因而会影响热网的整体水力平衡，因此水力计算需要与散热损失以及疏水器疏水量的计算进行耦合迭代求解。

本专利采用环路平差流量调节算法，计算图5所示模型中各区段中的蒸汽流量Q_m，具体迭代计算流程如图6所示。在第λ次迭代计算中，各基本环路上的闭合差：

$\mathrm{\&Delta;}{H}_s^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}=\mathrm{\&Sigma;}{b}_{\mathrm{sm}}\mathrm{\&Delta;}{P}_m^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$

则第λ次计算时，环路平差流量调节计算通式如下：

$\mathrm{\&Delta;}{Q}^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}=-\frac{\mathrm{\&Delta;}{H}_{\max }^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right|b_{\mathrm{sm}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;}{P}_m^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}}{\&PartialD;Q_m^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}}\left|\right)}$

$Q_m^{(\mathrm{\&lambda;}+1)}=Q_m^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}+b_{\mathrm{sm}}\mathrm{\&Delta;}{Q}^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$

其中，λ为循环迭代次数；为执行第(λ-1)次计算后闭合差绝对值最大的环路闭合差；表示第(λ-1)次计算时对应的区段E_m阻力压降ΔP_m与其蒸汽流量Q_m间的偏导数；元素b_sm为由环路管网构建的有向流程图分析模型中基环与各阻力区段之间的关系所对应的基环矩阵B中相应行、列的元素，其中行号S为基环号，列号m为阻力区段号。

图6中δ_s为校正流量的修正系数。若计算得到的ΔQ^(λ)使流量校正计算后热网中绝对值最大的基本回路闭合差小于当前绝对值最大闭合差，则不对ΔQ^(λ)进行修正计算，δ_s取1；否则需要通过δ_s对ΔQ^(λ)进行修正计算使得修正后的校正流量δ_sΔQ^(λ)符合绝对值最大闭合差ΔH_s.max缩小的要求。

环路平差流量调节算法通过计算闭合差绝对值最大环路的校正流量以修正该回路上各区段的流量，从而逐步缩小环路的最大闭合差依此迭代计算，直至环路闭合差均小于设定计算精度，即可准确确定各管路中的蒸汽流量Q_m。

获得蒸汽供热管网中各管段的流量之后，结合已知的管道内径等结构数据，可获得热网中每根管内蒸汽流速，当某根管段中蒸汽流速低于设定的下限值时，该管段可被判定为蒸汽滞留段，判别公式为w_m<w_min，其中，关于蒸汽流速的计算公式为 $w_m=\frac{4Q_m}{\mathrm{\&pi;}{D}_m^2{\mathrm{\&rho;}}_m};$

式中，w_min为热网内不出现蒸汽滞留现象所有区段内所需达到的最小流速此数值与各个热网的具体结构，管道能够承受的应力大小有关，Q_m是管段E_m内蒸汽流量，kg/s；D_m是管段E_m的内径，m；ρ_m是管段E_m内蒸汽的密度，kg/m³。可选的，可以通过本系统发出警报信息。

大型复杂环状工业供热管网中，热用户热负荷随时间变化幅度较大且随机性强，在运行中，热用户所需热负荷由与热用户相连接的多条管道共同提供，但是目前对每条管道分别提供的具体流量值没有较为准确的测量方法，对全网中各管道内蒸汽流量也没有进行相应的测量或计算的手段，对热网中可能发生的蒸汽滞留现象缺乏重视。通过本发明中的在线水力计算可以得出每个管道中的蒸汽流速，从而可以判断是否会出现蒸汽滞留。如图4所示的日字型热网为例，该热网被抽象为图5所示的节点区段图，热用户A处所需要的蒸汽流量是由热用户B后的管道E₁₀以及热用户C后的管道E₁₁共同提供，在以往的供热系统，由于没有任何流量调节装置，流量的分配完全是由热网中热用户流量所决定，容易产生某个特定的工况组合下热网内出现蒸汽滞留段的现象，威胁生产安全。本发明提出在热网中合适位置加设流量调节阀(该安装位置详见实施例中关于安装调节阀的最佳位置确定原则的相关描述)，结合对热网进行的在线水力计算分析，通过改变调节阀开度控制热网中的流量分配，可以有效预防蒸汽滞留段的出现。若热用户A处的流量大部分从管段E₁₀流入，从而导致管段E₁₁内流量的太小而有发生蒸汽滞留的危险，适当关小阀门D的开度，将管段E₁₀侧的阻力加大，从而改变热网的流量分配，使管段E₁₁内的流量加大，同时不改变热用户B处的流量值，避免蒸汽滞留段的产生。

如图4和图5所示，在进行在线水力计算时，热网中两个可调阀门分别安装在区段E₈、E₁₇中，可分别调节环cdef与环abcd上阻力大小，当计算热网中出现蒸汽滞留段时，假设E₈或E₁₇上调节阀的阻力大小，改变环路上的闭合差大小，从而使在线计算系统重新进行水力计算，多次假设及迭代之后，得到能使蒸汽滞留段消失的调节阀阻力，将此阻力值对应的调节阀的开度反馈到控制系统，对调节阀进行控制，达到消除蒸汽滞留段的目的。

为避免热网中出现蒸汽滞留现象，应保证热网中每个环路上的流量都能够调节，则热网中所需安装的最小阀门数量应与热网基本环路数相等，从时间连续性角度分析，为保证在发现蒸汽滞留段之后能够有效预防，阀门在运行中并不是全开状态，使得通过开大阀门可以减小阀门所在一侧管段的阻力值，关小阀门可以增大阀门所在一侧管段的阻力值，达到预防蒸汽滞留的目的。

作为一个具体的实施案例，参考图4所示的热网，该热网中的阀门数量为最小阀门数量，即与基本环路数相等，共有2个阀门。若在某一特定工况下热用户A所需蒸汽流量大部分由E₁₁提供，则管段E₉、E₁₀将会因为蒸汽流量过小而产生滞留，威胁生产安全。

为消除该蒸汽滞留段，由系统预设阀门阻力并进行迭代计算，最终获得可以消除蒸汽滞留段阀门所需附加阻力，进而获得相应的阀门开度的步骤如下：

步骤S210，预设调节阀的当前阀门阻力。

步骤S220，通过所述水力计算得出当前阀门阻力所对应的各管段内蒸汽流速。

步骤S230，通过所述下限值判断管段内是否出现蒸汽滞留。

再次判断管段内是否出现蒸汽滞留后，再重复步骤S210至S230；直至蒸汽滞留消除。

具体实施过程可参考以下步骤：

步骤(1)，计算机搜索该蒸汽滞留段所属的所有环路，在本例中，蒸汽滞留段处在环路abcd以及环路cdef中。

步骤(2)，以环路abcd为例说明本发明消除蒸汽滞留所需步骤，环路abcd中共含有18个阻力区段，18个节点，当环abcd中某根管段发生蒸汽滞留时，各管段上流量分配Q、总阻力损失P以及各节点净蒸汽流量q分别为：

Q＝[Q₁ L Q_m L Q₁₈]

P＝[ΔP₁ L ΔP_m L ΔP₁₈]

q＝[q₁ L q_n L q₁₈]^T

步骤(3)，系统设置为消除蒸汽滞留阀门D所需附加阻力ζ_b.val，此时管段E₈流动阻力ΔP_8.ld发生改变，而由于阀门所在管段阻力的改变，必然会导致整个环路流量分配的改变，进而整个热网的平衡被打破，包括环abcd及cdef在内的整个热网的流量需要进行重新分配；

步骤(4)，在上述为管段E₈附加阀门阻力ζ_b.val的基础上，再次进行水力计算，最终得到环abcd上各个管段上的流量分配Q′及总阻力损失P′，结合管道结构参数以及外部散热条件所计算出的理论输水量以及上述各阻力区段上的蒸汽流量，得出系统调节动作前后节点净蒸汽流量q′：

Q′＝[Q₁′ L Q′_m L Q′₁₈]

P′＝[ΔP₁′ L ΔP_m′ L ΔP′₁₈]

q′＝[q₁′ L q′_n L q′₁₈]^T

步骤(5)，记录此时阀门D附加阻力ζ_b.val；

步骤(6)，上述步骤完成后，再次进行蒸汽滞留段的判断，如此时热网中仍有管段内蒸汽流速低于设定下限，重新设置阀门阻力，重复步骤1～5，直到热网中所有管段内蒸汽流速超过设定下限值，达到消除蒸汽滞留段的目的。

步骤(7)，得到阀门应当附加的阻力ζ_b.val之后，利用下面公式得到阀门动作：

x＝f(ζ_b.val)

其中，ζ_b.val为由理论计算得出的为消除蒸汽滞留段调节阀所需附加的阻力，x是阀门开度，阀门开度与附加阻力之间的函数关系视各个阀门型号而有所不同，需要查看阀门说明书或通过实验得到。

步骤(8)，若蒸汽滞留段所处环路不止一条，如本例中的环cdef，重复2到7的步骤，分别计算出以其他环路为计算起点时阀门的动作，与现实情况进行比较综合，在排除不合理方案(如已经全开的阀门再开大，主要针对热网中阀门数量不是最小阀门数量的情况)的基础上，选择使整个系统产生的附加阻力最小的方案消除蒸汽滞留段。

进一步，用于消除热网中滞留段的阀门安装数量和安装位置并不唯一，供热公司可以参照实际情况适当多安装热网中的可调阀门，本专利所提出的最小阀门数量仅从数学角度提出对整个热网进行调节最小阀门数量，若要提高调节灵敏度及可靠性，可以增加可调阀门数量。若在一个环路上安装两个或以上的可调阀门，不仅可以提高调节灵敏度及可靠性，还可以使一些阀门在没有调节任务的情况下处于全开状态，有利于减小热网中的附加阻力，相比于只有一个调解阀门的情况具有更好的经济性。调节阀例如但不限于使用C810电动蝶阀，该阀门可沿任意角度安装，并且能够适应大多数管道，在高温蒸汽中有较好的使用特性，而且可以通过控制系统控制其开度大小。

调节阀的安装原则为保证热源到每个热用户处之间管道的阻力特性都有较高的可调性，而对于调节阀的具体型号和安装位置、安装数量，供热厂商可以根据热网的实际情况(运行经济型、安全性等)进行选择。本发明给出阀门最佳安装位置和最小安装数量的原则性注释。

安装调节阀的最佳位置确定原则为：对于只有一个环路的热网，调节阀安装在靠近热源处的位置；对于复杂环路热网，需要保证拓扑结构上每个环路中至少有一个调节阀，即每个热用户处或其他蒸汽出口处的蒸汽参数都可调，为提高调节阀的控制灵敏度，调节阀应靠近热源蒸汽出口。

最小阀门数量的确定原则为：对于一个有N个节点和M个区段的热网，其基本环路数为S＝M-N+1。为避免热网中出现蒸汽滞留现象，需要在热网中安装的最小阀门数量与热网基本环路数相同，即：S＝M-N+1。

本发明中，调节发明简称为调节阀或阀门。

实施例3

如图6所示，在实施例2基础上，本发明还提供了一种用于蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法的水力计算的迭代算法，包括：

各基本环路上的闭合差：

$\mathrm{\&Delta;}{H}_s^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}=\mathrm{\&Sigma;}{b}_{\mathrm{sm}}\mathrm{\&Delta;}{P}_m^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$

则环路平差流量ΔQ^(λ)调节计算公式如下：

$\mathrm{\&Delta;}{Q}^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}=-\frac{\mathrm{\&Delta;}{H}_{\max }^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right|b_m\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;}{P}_m^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}}{\&PartialD;Q_m^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}}\left|\right)}$

$Q_m^{(\mathrm{\&lambda;}+1)}=Q_m^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}+b_{\mathrm{sm}}\mathrm{\&Delta;}{Q}^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$

式中，λ为循环迭代次数；为执行第(λ-1)次计算后闭合差绝对值最大的环路闭合差；表示第(λ-1)次计算时对应的区段E_m阻力压降ΔP_m与其蒸汽流量Q_m间的偏导数；元素b_sm为由环路管网构建的有向流程图分析模型中基环与各阻力区段之间的关系所对应的基环矩阵B中相应行、列的元素，其中行号S为基环号，列号m为阻力区段号。

作为一种可选的实施方式，所述蒸汽流量Q_m可以由q阵列通过矩阵转置获得。

关于q的计算模型为

式中，Φ是单位长度管段的热损失，即其中，t₂是蒸汽管道内部蒸汽温度，t₁是蒸汽管道外部环境温度，R为管内蒸汽与管外空气之间的单位长度传热热阻；以及q是疏水器理论输水量，l是每个疏水器作用范围内管道的长度，H₁是工作压力下过热蒸汽或饱和蒸汽的比焓，H₂是工作压力下饱和水的比焓。

作为本实施例3的一种可选的实施方式，设一校正流量的修正系数δ_s；若计算得到的ΔQ^(λ)使流量校正计算后，环路管网中绝对值最大的基本回路闭合差小于当前绝对值最大闭合差，则不对ΔQ^(λ)进行修正计算，δ_s取1；否则，需要通过δ_s对ΔQ^(λ)进行修正计算使得修正后的校正流量δ_sΔQ^(λ)符合绝对值最大闭合差ΔH_s.max缩小的要求；通过计算闭合差绝对值最大环路的校正流量以修正各区段的蒸汽流量，从而逐步缩小环路的最大闭合差进行迭代计算，直至环路闭合差均小于设定计算精度，即可准确确定各管路中的蒸汽流量Q_m。

具体参见实施例2中关于获得蒸汽流量具体实施步骤。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除系统，其特征在于，包括：

检测单元，用于实时监测供热管网中各热源、热用户处的蒸汽各参数，即蒸汽流量、压力及温度参数；

蒸汽滞留段判断单元，用于根据蒸汽各参数计算出供热管网中若干环路的各管段内的蒸汽流量、流速，判断供热管网中是否出现蒸汽滞留段，并得出供热管网中的调节阀的开度计算值；

控制单元，用于根据所述开度计算值控制调节阀的开度以消除该蒸汽滞留段。

2.一种供热管网内蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法，包括如下步骤：

步骤S100，检测出供热管网中蒸汽滞留段；以及

步骤S200，根据计算出的调节阀的开度计算值控制供热管网中的调节阀的开度，以消除蒸汽滞留段。

3.根据权利要求2所述的蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法，其特征在于，

所述步骤S100中检测出供热管网中蒸汽滞留段的步骤如下：

步骤S110，建立疏水器理论疏水量的计算模型；以及

步骤S120，依据实时监测数据及所述计算模型，耦合计算整个供热管网的水力状态和各疏水器的理论疏水量，得出各个管段的蒸汽流量，以判断管段内是否出现蒸汽滞留。

4.根据权利要求3所述的蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法，其特征在于，

所述疏水器理论疏水量的计算模型为

式中，Φ是单位长度管段的热损失，即其中，t₂是蒸汽管道内部蒸汽温度，t₁是蒸汽管道外部环境温度，R为管内蒸汽与管外空气之间的单位长度传热热阻；以及

q是疏水器理论输水量，l是每个疏水器作用范围内管道的长度，H₁是工作压力下过热蒸汽或饱和蒸汽的比焓，H₂是工作压力下饱和水的比焓。

5.根据权利要求4所述的蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法，其特征在于，步骤S120中依据实时监测数据及所述计算模型，耦合计算整个热网的水力状态和各疏水器的理论疏水量，得出各个管段的蒸汽流量，以判断管段内是否出现蒸汽滞留的步骤如下：

步骤S121，将给定结构热网构建有向流程图分析模型；

步骤S122，根据水力计算及疏水器疏水量理论计算模型，将所述有向流程图分析模型结合环路平差流量调节算法经多次迭代计算，获得各区段中的蒸汽流量；

步骤S123，通过蒸汽流量、管道内径和蒸汽密度获得各管段内蒸汽流速；以及

步骤S124，通过设定的蒸汽流速下限值判断管段内是否出现蒸汽滞留。

6.根据权利要求5所述的蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法，其特征在于，所述步骤S124中通过设定的蒸汽流速下限值判断管段内是否出现蒸汽滞留的判别公式为w_m<w_min，其中，w_m为管内蒸汽流速，计算公式为

上述式中，w_min为热网内不出现蒸汽滞留现象所有区段内所需达到的最小流速，Q_m为相应管段内的蒸汽流量，D_m为管段内径，ρ_m为管段内蒸汽的密度。

7.根据权利要求6所述的蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法，其特征在于，所述步骤S200中根据计算出的调节阀的开度计算值控制蒸汽滞留段处的调节阀开度的公式，即

x＝f(ζ_b.val)，

式中，ζ_b.val为通过所述水力计算得出的为消除蒸汽滞留段调节阀所需的附加阻力，x是阀门开度。

8.根据权利要求7所述的蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法，其特征在于，通过所述水力计算得出的为消除蒸汽滞留段调节阀所需的附加阻力的步骤包括：

步骤S210，预设调节阀的当前阀门阻力；

步骤S220，通过所述水力计算得出当前阀门阻力所对应的各管段内蒸汽流速；

步骤S230，通过所述下限值判断管段内是否出现蒸汽滞留；

再次判断管段内是否出现蒸汽滞留后，再重复步骤S210至S230；直至蒸汽滞留段消除。

9.一种用于蒸汽流动滞留段在线诊断消除方法的水力计算的迭代算法，包括：

各基本环路上的闭合差：

${\mathrm{\&Delta;H}}_s^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}=\mathrm{\&Sigma;}{b}_{\mathrm{sm}}{\mathrm{\&Delta;P}}_m^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$

则环路平差流量ΔQ^(λ)调节计算公式如下：

${\mathrm{\&Delta;Q}}^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}=-\frac{{\mathrm{\&Delta;H}}_{\max }^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right|b_{\mathrm{sm}}\frac{{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;P}}_m^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}}{{\&PartialD;Q}_m^{(\mathrm{\&lambda;}-1)}})}$

$Q_m^{(\mathrm{\&lambda;}+1)}=Q_m^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}+b_m{\mathrm{\&Delta;Q}}^{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$

式中，λ为循环迭代次数；为执行第(λ-1)次计算后闭合差绝对值最大的环路闭合差；表示第(λ-1)次计算时对应的区段E_m阻力压降ΔP_m与其蒸汽流量Q_m间的偏导数；以及

元素b_sm为根据环路管网构建成的有向流程图分析模型中基环与各阻力区段之间的关系所对应的基环矩阵B中相应行、列的元素，其中行号s为基环号，列号m为阻力区段号。

10.根据权利要求9所述的迭代算法，其特征在于，

设一校正流量的修正系数δ_s；

若计算得到的ΔQ^(λ)使流量校正计算后，环路管网中绝对值最大的基本回路闭合差小于当前绝对值最大闭合差，则不对ΔQ^(λ)进行修正计算，δ_s取1；

否则，需要通过δ_s对ΔQ^(λ)进行修正计算使得修正后的校正流量δ_sΔQ^(λ)符合绝对值最大闭合差ΔH_s.max缩小的要求；

通过计算闭合差绝对值最大环路的校正流量以修正各区段的蒸汽流量，从而逐步缩小环路的最大闭合差进行迭代计算，直至环路闭合差均小于设定计算精度，即可准确确定各管路中的蒸汽流量Q_m。