CN109840305A - 一种蒸汽管网水力-热力计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸汽管网水力‑热力耦合计算的方法和系统，属于蒸汽管网技术领域。该方法步骤为：通过管网参数表或数据库读取蒸汽管网参数，经计算得到关联矩阵；根据管网参数计算每段管道的温降系数和压降系数；读取汽源和用户蒸汽工况，作为边界计算条件；用汽源处压力和温度作为蒸汽密度和比热初始条件；利用节点方程法计算得到节点压力和管段流量；利用流动分层法计算得到所有节点温度和管段温降；根据计算出来的管段平均温度和压力重新计算蒸汽密度和比热；重复上述计算过程，直到精度满足要求，则计算结束。本发明充分考虑蒸汽混合的情况，使计算结果和过程更符合蒸汽实际流动的热力过程，让计算结果更加准确。

Description

一种蒸汽管网水力-热力计算方法及系统

技术领域

本发明属于蒸汽管网技术领域，涉及一种蒸汽管网水力-热力计算方法及系统。

背景技术

现有技术使用管网节点方程法分别对节点压力、温度进行计算，将压力、温度计算结果进行耦合，不断迭代直到满足精度要求：

式(1)和式(2)分别为用节点方程法计算压力和温度的方程，其中：A为管网关联矩阵，为管段压降系数形成的对角矩阵，A^T为矩阵A的倒置矩阵，P为节点压力，T为节点温度，G₀为节点流量。利用这两个公式可以求解出管网内所有节点的温度和压力，然后进行耦合，完成水力-热力耦合计算。

现有技术的缺点：

水力和热力计算主要通过蒸汽密度和定压比热的变化相互影响,若在计算过程中始终考虑管网中蒸汽的密度、比热等参数是恒定值，则会产生较大误差。因而在水力和热力耦合计算时,其关键问题就是水力-热力计算的耦合，从而保证密度和比热的准确计算。水力和热力耦合计算是通过对管段密度、比热进行反复迭代，直到管段平均密度、平均比热达到精度要求，则计算完成。

在利用节点方程计算压力和温度的过程中，其本质就是根据每段管道的压降系数和温降系数对管段流量进行分配，从而使其满足节点方程。在压力计算过程中，根据管段压降系数对管段流量进行分配的过程符合管网中蒸汽流动的实际物理意义，计算结果比较准确。但是在温度计算过程中，节点方程法无法考虑管段在节点处汇合的情况，计算出的管段平均温度和根据管段平均温度计算出的管段散热损失误差较大，因此利用节点方程法计算温度存在缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种蒸汽管网水力-热力计算方法及系统，在进行蒸汽管网热力计算时，利用流动分层法来计算各节点温度和管段平均温度，在管段交汇的地方，充分考虑蒸汽混合的情况，使计算结果和过程更符合蒸汽实际流动的热力过程，让计算结果更加准确。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种蒸汽管网水力-热力计算方法，该方法包括以下步骤：

S1：读取蒸汽管网物理参数，并根据物理参数计算各管段摩擦系数与传热系数；

S2：读取蒸汽管网中汽源和用户处的蒸汽参数；

S3：用任意汽源或用户的压力和温度对应下的蒸汽密度和比热作为初始值，进行蒸汽管网的水力计算，求得每个管段内蒸汽的流动方向、流量与压降；

S4：根据蒸汽管网结构和水力计算结果，对管网内部所有节点进行流动分层，根据分层结果，进行热力计算，依次计算每个管段散热量、温降和内部蒸汽平均温度；

S5：根据管段内蒸汽在节点处汇流混合的物理过程，计算节点温度；

S6：根据热力计算结果，进行水力-热力耦合，重新计算各个管段内蒸汽的平均密度、比热与蒸汽流量；

S7：不断循环上述过程，直到第i次与i+1次计算结果之差满足精度要求，则计算结束；

S8：输出并储存计算结果。

进一步，所述蒸汽管网物理参数包括管段连接关系、管段长度、管道直径、保温材料类型和厚度。

进一步，所述蒸汽参数包括流量、温度和压力。

进一步，所述步骤S4具体为：

根据蒸汽管网连接特性，生成关联矩阵，通过矩阵计算遍历蒸汽管网内所有节点，利用流动分层计算方法对所有节点进行分层；

将蒸汽汽源点分为第一层节点，通过汽源点热力参数和相连管段物理参数能直接计算出来的节点分为第二层节点，并在关联矩阵中对该节点进行标记；

通过第二层节点热力参数和相连管段物理参数能计算出来的节点分为第三层节点，并在关联矩阵中对该节点进行标记；

依次类推，对剩余节点依次分为第四层节点，第五层节点……直到所有节点均被标记完，则分层结束；

以节点层数为顺序，依次对每个节点进行热力计算，直到算完所有节点。

根据所述方法的蒸汽管网水力-热力计算系统，包括以下机构：

数据处理机构与数据存储机构1分别与计算执行机构电连接；计算执行机构、输出显示机构、输出显示机构、数据分析结构和数据存储机构2依次电连接；

所述数据存储机构1，用于存储管网的参数；

所述数据处理机构，用于将汽源点和用户点仪表测得的数据收集整理后，输入到计算机构中；

所述计算执行机构，将管网参数和仪表数据作为输入条件进行计算；

所述输出显示机构，将计算所得的结果显示出来，让使用者能够直观看到结果；

所述数据分析机构，用于分析计算结果；

所述数据存储机构2，用于存储计算和分析后的结果，便于以后调用。

进一步，所述存储管网的参数包括长度、管径和保温层厚度。

本发明的有益效果在于：本发明在进行蒸汽管网热力计算的时候，利用流动分层法来计算各节点温度和管段平均温度，在管段交汇的地方，充分考虑蒸汽混合的情况，使计算结果和过程更符合蒸汽实际流动的热力过程，让计算结果更加准确。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为蒸汽管网图例；

图2为流动分层计算步骤图；

图3为流动分层计算示例说明图；

图4为蒸汽管网水力-热力耦合计算流程图；

图5为蒸汽管网水力-热力计算系统图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为更好的叙述本方案的具体计算过程，先用一个简单的蒸汽管网为例子加以说明。

如图1所示为一双环蒸汽管网，其中箭头表示蒸汽流动方向，圆形节点表示汽源点，正方形节点表示用户点。圆圈内数字代表对节点的标号：共13个节点；一般数字代表对管段标号：共14根管道。

在蒸汽管网给定以后，节点及管段的连接方式也即确定，先通过水力计算可以得到每根管道内的蒸汽流动方向。完成水力计算后可以开始热力计算，本方案的特点在于用流动分层法代替原有节点法进行热力计算。

流动分层的具体步骤如下：由于汽源点状态可通过仪表计量直接得到，则将蒸汽源点分作第一层节点；通过第一层节点热力参数和相连管段物理参数能直接计算出来的节点分为第二层节点，并在关联矩阵中对该节点进行标记。通过第二层节点热力参数和相连管段物理参数能计算出来的节点分为第三层节点，并在关联矩阵中对该节点进行标记。依次类推，对剩余节点依次分为第四层节点，第五层节点……直到所有节点均被标记完，则流动分层结束。流动分层计算的流程图如图2所示。

根据此计算步骤，并结合图1中的蒸汽管网例图对流动分层做进一步说明，如图3所示。

在进行节点分层时，例如节点1和2，都是汽源点，其参数可通过仪表直接测的，所以分为第一层；节点4的蒸汽仅从汽源点1流入，所以可直接通过汽源点1计算得到，则分为第二层；节点5的蒸汽同时从节点2和节点4流入，所以需要同时知道节点2和节点4的蒸汽参数后才可计算得到，则分为第三层。以此类推，对所有节点进行分层，分层结果受管网复杂程度影响，管网越复杂，则分层数越多。直到所有节点都被分层，则分层计算完成。流动分层结束后，表示所有节点均已分层，依据节点流动分层顺序开始热力计算和管段温降计算。

用流动分层法代替节点法进行热力计算的好处在于：可以充分考虑多根管段在同一节点汇合时的蒸汽温度的计算，更好地计算出每根管段平均温度和管段散热损失，使计算结果更接近真实情况。以节点5为例加以说明，节点法进行热力计算时只能直接算出节点5的温度，管段平均温度则为两个节点温度的算术平均。但在实际情况中，若管段4中流量较小，流速较低时，蒸汽流过管段4会造成较大温降，在节点5处跟管段2内蒸汽混合后，由于管段4内蒸汽流量远小于管段2内蒸汽流量，所以混合后蒸汽温度十分接近管段2内蒸汽温度。若用此温度作为节点5的实际温度来计算管段4的平均温度，则会产生较大误差，这对管段4的散热损失、冷凝水量计算都会造成较大影响。而流动分层算法，通过对所有节点依次分层、先计算管段温降、再计算节点温度，可以较好解决多根管段在同一节点汇合时的蒸汽温度的计算问题，使计算结果更准确。

蒸汽的水力-热力耦合计算，就是通过对管段内蒸汽密度、定压比热和管段流量进行反复迭代修正实现的。通过每次水力-热力计算后不断迭代计算温度和压力变化后对蒸汽密度、粘度和定压比热等参数的影响，例如进行第1次热力-水力计算后,利用计算所得节点压力和温度,重新求节点的密度、定压比热和管段流量,从而得到新管段平均密度、管段平均定压比热和管段流量,再次重新计算,如此反复循环,直到管段平均密度、管段平均定压比热和管段流量满足精度要求,则完成计算。

根据图4所示的计算流程可以完成蒸汽管网的水力-热力耦合计算，此方法对原有蒸汽管网节点方程法求解热力模型的计算方法进行改进，根据蒸汽在管网内流动特性，采用新的流动分层计算方法。此方法可以更准确计算出每条管段内蒸汽的平均温度与散热损失，使蒸汽管网的热力计算过程更符合实际热力过程，计算更准确。

实现上述蒸汽管网水力-热力计算方法的系统主要由以下机构共同配合完成：数据存储机构1，用于存储管网的各种参数数据，例如长度、管径、保温层厚度等；数据处理机构，用于将汽源点和用户点仪表测得的数据收集整理后，输入到计算机构中；计算执行机构，将管网参数和仪表数据作为输入条件进行计算；输出显示机构，将计算所得的结果显示出来，让使用者能够直观看到结果；数据分析机构，用于分析计算结果；数据存储机构2，用于存储计算和分析后的结果，便于以后调用；系统如图5所示。

实施例

下面详细描述本发明的实施例，主要用于蒸汽管网的水力-热力耦合计算。在蒸汽管网的计算中，以图1为例：

先将获得蒸汽管网的所有物理参数，例如管段长度、管径、管壁厚度、粗糙度、保温层材料、保温层厚度等物理参数，将这些物理参数储存在数据存储机构1中，具体机构可以是物理参数表格或物理参数数据库，方便之后计算时调用。

将蒸汽汽源点和蒸汽用户点处的仪表数据：如流量、温度和压力等测量数据传输至数据处理机构，用于将这些数据进行整理分类并转化为可用于计算的信号，作为计算所需的边界条件。

将管段物理参数数据和边界点仪表测得数据送至计算执行机构进行计算，具体计算步骤如下：

根据汽源点的温度和压力，初始化所有管段的密度和比热，作为初始蒸汽参数。

根据管段物理参数和初始化后的蒸汽参数计算每根管道的压降系数，并生成压降系数对角矩阵。

利用公式(1)进行水力计算，可求出节点压力、蒸汽流动方向与管段流量，将水力计算结果储存。

根据上一步的水力计算结果，开始管网进行流动分层计算，遍历所有节点进行分层与标记，当所有节点均被标记完，则流动分层计算完成，流动分层计算步骤见图2，本例中用图1所示的蒸汽管网为例，进行了流动分层计算的详细说明，流动分层情况见图3。

根据节点流动分层的结果，按分层顺序进行热力计算，计算出管段温降、管段平均温度和节点温度。

根据管段的平均压力和平均温度，计算蒸汽的平均密度和比热。

利用新得到的蒸汽密度与比热重新计算每个管段的压降系数，并根据计算结果对压降系数对角矩阵进行更新。

重复迭代上述的水力计算与热力计算过程，直到第i次与第i+1次计算的蒸汽密度与比热结果差别满足精度要求，则计算结束，完整的计算流程图见图5。

计算执行机构计算得到的结果传输给输出显示机构，让计算得到的数据可以通过图或表的形式更加直观的展示给使用者。

输出显示机构的数据传输给数据分析机构，用于分析蒸汽水力-热力耦合计算结果进行分析，为实际生产过程中的蒸汽的输送和调度提供参考。

计算和分析结果最终进入数据存储机构2中，将数据长时间保存下来，作为历史数据，方便以后参考。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种蒸汽管网水力-热力计算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：读取蒸汽管网物理参数，并根据物理参数计算各管段摩擦系数与传热系数；

S2：读取蒸汽管网中汽源和用户处的蒸汽参数；

S3：用任意汽源或用户的压力和温度对应下的蒸汽密度和比热作为初始值，进行蒸汽管网的水力计算，求得每个管段内蒸汽的流动方向、流量与压降；

S4：根据蒸汽管网结构和水力计算结果，对管网内部所有节点进行流动分层，根据分层结果，进行热力计算，依次计算每个管段散热量、温降和内部蒸汽平均温度；

S5：根据管段内蒸汽在节点处汇流混合的物理过程，计算节点温度；

S6：根据热力计算结果，进行水力-热力耦合，重新计算各个管段内蒸汽的平均密度、比热与蒸汽流量；

S7：不断循环上述过程，直到第i次与i+1次计算结果之差满足精度要求，则计算结束；

S8：输出并储存计算结果。

2.根据权利要求1所述的一种蒸汽管网水力-热力计算方法，其特征在于：所述蒸汽管网物理参数包括管段连接关系、管段长度、管道直径、保温材料类型和厚度。

3.根据权利要求1所述的一种蒸汽管网水力-热力计算方法，其特征在于：所述蒸汽参数包括流量、温度和压力。

4.根据权利要求1所述的一种蒸汽管网水力-热力计算方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：

根据蒸汽管网连接特性，生成关联矩阵，通过矩阵计算遍历蒸汽管网内所有节点，利用流动分层计算方法对所有节点进行分层；

将蒸汽汽源点分为第一层节点，通过汽源点热力参数和相连管段物理参数能直接计算出来的节点分为第二层节点，并在关联矩阵中对该节点进行标记；

通过第二层节点热力参数和相连管段物理参数能计算出来的节点分为第三层节点，并在关联矩阵中对该节点进行标记；

依次类推，对剩余节点依次分为第四层节点，第五层节点……直到所有节点均被标记完，则分层结束；

以节点层数为顺序，依次对每个节点进行热力计算，直到算完所有节点。

5.根据权利要求1～4中任一项所述方法的蒸汽管网水力-热力计算系统，其特征在于：包括以下机构：

数据处理机构与数据存储机构1分别与计算执行机构电连接；计算执行机构、输出显示机构、输出显示机构、数据分析结构和数据存储机构2依次电连接；

所述数据存储机构1，用于存储管网的参数；

所述数据处理机构，用于将汽源点和用户点仪表测得的数据收集整理后，输入到计算机构中；

所述计算执行机构，将管网参数和仪表数据作为输入条件进行计算；

所述输出显示机构，将计算所得的结果显示出来，让使用者能够直观看到结果；

所述数据分析机构，用于分析计算结果；

所述数据存储机构2，用于存储计算和分析后的结果，便于以后调用。

6.根据权利要求5所述的一种蒸汽管网水力-热力计算系统，其特征在于：所述存储管网的参数包括长度、管径和保温层厚度。