蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法与流程

本发明涉及集中供热技术领域，特别涉及一种蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法。

背景技术：

集中供热是指以热水或蒸汽作为热媒，从一个或多个集中热源通过热力网向城市和工业园区等多个热用户统一供热的方式。目前，集中供热已成为现代化城市和工业园区的重要基础设施之一，是城市和工业园区公共事业的重要组成部分。集中供热由热源、热力网和热用户构成，涉及的部门、单位、专业领域、工作阶段与环节等多元而复杂。

随着经济的经济迅速发展，作为城市基础设施的集中供热获得了长足发展，全国建设有集中供热设施的城市已达到42.8％，尤其是“三北”地区的13个省、市、自治区。伴随着近些年来，以天然气分布式能源为契机，全国的化工、医药、食品、纺织印染等行业存在大量蒸汽需求的工业园区，正在大力发展与完善集中供热基础设施，以适应企业日益增长的热力需求，解决供热结构不合理、供需矛盾突出、供热能效低、污染排放重等问题。

蒸汽管网作为集中供热工程中连接热源和热用户的纽带，承担着不可或缺的重要功能。由于蒸汽在通过热力管网从热源向热用户输送的过程中，会因管道阻力、散热而产生压降、温降和汽水损失(以下简称“管损”)，使得到达热用户的蒸汽压力、温度和负荷存在不满足使用要求的安全风险。若蒸汽输送过程中的压降、温降和管损过大，造成不能满足末端热用户的最低蒸汽压力、温度和负荷要求，一方面，会造成热用户发生生产中断等重大安全事故，带来不可挽回的经济损失；另一方面，蒸汽管网中长期存在大量蒸汽冷凝而来的饱和水，容易使蒸汽管道内发生水锤(击)现象，从而增加蒸汽管网的安全隐患，缩短蒸汽管网的使用寿命；同时，会造成严重的能源浪费，增加供热成本。

根据能量守恒定律，工程实践中，蒸汽管网在蒸汽输送过程中不可避免地会产生压降、温降和管损，但是可以通过管网优化设计将其控制在合理或最小的水平。因此，在集中供热规划设计与优化改造中，如何采取高效简易的方法尽可能准确地计算蒸汽管网的压降、温降和管损，对蒸汽管网的优化设计具有重要的现实意义。

目前，在集中供热工程的规划与设计实践中，对于蒸汽管网的压降和温降，不同阶段往往采用不同深度的计算方法。在前期论证阶段，一般参考相关标准规范或设计手册中推荐的经济比摩阻或单位长度温降等经验数值进行简单估算。在中期设计阶段，一种方式是按照相关标准规范，先假定一组管段末端允许压力和温度，查表确定出各种弯头、三通、大小头、阀门、补偿器、管道出入口等管件的局部阻力系数，计算出一组管段末端压力和温度以及假定值与计算值的相对误差，再用计算值替换假定值进行反复迭代试算，直到假定值与计算值的误差控制在3％以内即可视为满足要求而终止计算；另一种方式是参考相关设计手册，利用蒸汽管道水力计算表，查取蒸汽流速和比摩阻，再乘以管道展开长度得到管道压降，进行复杂的查表计算。而对于蒸汽管网的管损，目前还未形成一种相对准确且系统化的计算方法，一般均参考相关设计手册中管损率的经验数值，即按蒸汽负荷的5～15％进行简单的估算。

采用相关经验数值粗略估算蒸汽管网压降、温降和管损的方法(以下简称“经验数值法”)，准确性往往不高；采用迭代、查表计算蒸汽管网压降、温降的方法(以下简称“迭代查表法”)，往往又过于复杂而不方便使用，难以简易灵活的兼顾工程不同阶段的使用要求。

总的来说，目前计算集中供热蒸汽管网压降、温降、管损的技术中，经验数值法因受从业者个人工作经验及处事风格影响，经验数据取值存在一定的随意性，计算结果的准确性往往不高；迭代查表法因需要反复迭代试算修正和查表代数，往往过于复杂而不方便随时随地操作，不满足边界条件改变等造成的快速修改与重新计算要求，不能简易灵活的兼顾工程不同阶段的使用要求。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法，该方法有效解决了经验数值法的取值随意、准确性不高与迭代查表法的计算复杂、使用不方便的问题，很好的兼顾了计算的准确性、灵活性和便捷性要求，能够简易灵活的兼顾工程不同阶段的使用要求，可以满足边界条件改变等造成的快速修改与重新计算要求，能够尽可能有理有据地量化计算而保证蒸汽管网参数具有相对较高的准确性。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法，包括以下步骤：S1：获取各热用户的基础数据，并对所述基础数据进行蒸汽热负荷分析，得到蒸汽管网热负荷分布数据；S2：根据所述蒸汽管网热负荷分布数据，绘制以热源点为起点、以各热用户为终点的蒸汽管网路由图；S3：在所述蒸汽管网路由图上，以热源点作为起始节点，沿着朝向热用户的方向依次标定计算节点，遇到管线分支处设置为一个中间节点，将各热用户处设置为终止节点；S4：根据所述计算节点对蒸汽管网进行分段，并计算每段蒸汽管道的展开长度和所承担的最大蒸汽负荷、最小蒸汽负荷，形成蒸汽管网分段及热负荷表，并将热源点的蒸汽参数作为每段蒸汽管道的始端参数，结合蒸汽流速计算每段蒸汽管道的管径；S5：根据得到的蒸汽管网的管径，计算不同管径管道的单位长度热损失；S6：根据所述蒸汽管网的管径、不同管径管道的单位长度热损失计算蒸汽管网的压降、温降和管损；S7：根据所述蒸汽管网的压降、温降和管损得到蒸汽管网在不同负荷下的全年运行管损率；S8：通过最小蒸汽负荷对所述蒸汽管网的压降、温降和管损及蒸汽管网在不同负荷下的全年运行管损率进行校核。

另外，根据本发明上述实施例的蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述S1，进一步包括：绘制各热用户的典型日逐时蒸汽负荷曲线，得到各热用户的基础数据，并分析形成蒸汽管网热负荷表；叠加各热用户的典型日逐时蒸汽负荷，得到蒸汽管网的典型日逐时蒸汽负荷曲线，并结合各热用户的蒸汽负荷特性选取同时使用系数，分析得到蒸汽管网的设计蒸汽负荷；根据蒸汽负荷特性，分析得到蒸汽管网热负荷分布数据。

在一些示例中，在所述S4中，所述蒸汽管道的管径通过如下方式计算：

或

其中，Di为蒸汽管道的内径，G为蒸汽质量流量，v为蒸汽比容，ω为蒸汽流速，Q为蒸汽容积流量。

在一些示例中，在所述S5中，所述单位长度热损失通过如下方式计算：

其中，Qt为单位长度管道的热损失，Tv为系统要求的维持温度，Ta为当地的最低环境温度，D1为保温层内径，D0为保温层外径，D0＝D1+0.002δ，δ为保温层厚度，α为保温层外表面向大气的散热系数，ω为当地最大风速，

在一些示例中，所述S6，进一步包括：按照所述S4中得到的蒸汽管网分段，采用预设算法依次计算每段蒸汽管道的压降、温降和管损，同时将上一段蒸汽管道的末端节点压力、温度作为下一段蒸汽管道的始端节点压力、温度，以编制出整个蒸汽管网的压降、温降和管损联动计算表；将所述S4和S5中得到的每段蒸汽管道的展开长度和所承担的最大蒸汽负荷、最小蒸汽负荷、每段蒸汽管道的管径代入编制好的所述整个蒸汽管网的压降、温降和管损联动计算表中，初步计算出下一段管道的末端节点压力、温度，以及每段蒸汽管道的连续运行管损和间歇运行管损；根据热用户的用汽参数，对每段蒸汽管道的管径进行调整，使蒸汽流速和热用户端的终止节点处的压力、温度都控制到要求范围内，以对每段蒸汽管道的始末端压力和温度进行优化修正；采用修正后每段蒸汽管道的管径，按照所述S4重新计算对应的单位长度热损失，完成对每段蒸汽管道的连续运行管损和间歇运行管损的修正。

在一些示例中，所述预设算法至少包括蒸汽管道的压降计算公式，具体为：

Δp＝hy+hj

p′＝p-Δp

其中，Δp为蒸汽管道压降，hy——蒸汽管道沿程阻力损失，hj为蒸汽管道局部阻力损失，ξy为蒸汽管道沿程阻力系数，w为蒸汽流速，v为蒸汽比容，v＝f(p，t)，G为蒸汽质量流量，Di为蒸汽管道内径，为局部阻力损失与沿程阻力损失的比值，λ为管道摩擦系数，L为蒸汽管道展开长度，ε为管道等值粗糙度，p为蒸汽管道始端压力，p′为蒸汽管道末端压力，ΔP为每公里蒸汽管道压降。

在一些示例中，所述预设算法还包括蒸汽管道的温降计算公式，具体为：

Qd＝QtL

hm＝hs-qd

Δt＝t-t′

其中，Qd为蒸汽管道热损失，Qt为单位长度蒸汽管道热损失，qd为单位质量蒸汽热损失，hs为蒸汽管道始端比焓，hs＝f(p，t)，hm为蒸汽管道末端比焓，t为蒸汽管道始端温度，t′为蒸汽管道末端温度，Δt为蒸汽管道温降，ΔT为每公里蒸汽管道温降。

在一些示例中，所述预设算法还包括蒸汽管道的管损计算公式，具体为：

其中，Gn为蒸汽管道连续运行汽水损失，hb为饱和水比焓，m为蒸汽管道间歇运行汽水损失，ρ为蒸汽密度。

在一些示例中，所述S7，进一步包括：对所述S6中修正后的所有蒸汽管道分段的连续运行管损和间歇运行管损分别求和，得到整个蒸汽管网的连续运行管损和间歇运行管损，结合所述S1中的蒸汽管网热负荷分布数据计算得到蒸汽管网在不同负荷下的全年运行管损率。

在一些示例中，所述蒸汽管网在不同负荷下的全年运行管损率的计算公式为：

其中，H为年供热小时数，n为蒸汽管网全年再运行次数，∑Gn为整个蒸汽管网的连续运行汽水损失，∑m为整个蒸汽管网的间歇运行汽水损失，∑G为整个蒸汽管网的年供蒸汽量，为蒸汽管网的全年运行管损率。

根据本发明实施例的蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法，基于节点法对蒸汽管网进行标定节点与分段，实现了集中供热蒸汽管网压降、温降和管损三者的简易联动计算，有效解决了经验数值法的取值随意、准确性不高与迭代查表法的计算复杂、使用不方便的问题，很好的兼顾了计算的准确性、灵活性和便捷性要求，能够简易灵活的兼顾工程不同阶段的使用要求，可以满足边界条件改变等造成的快速修改与重新计算要求，能够尽可能有理有据地量化计算而保证蒸汽管网参数具有相对较高的准确性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法的流程图；

图2是根据本发明一个具体实施例的蒸汽管网路由图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法。

图1是根据本发明一个实施例的蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法的流程图。如图1所示，该蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取各热用户的基础数据，并对基础数据进行蒸汽热负荷分析，得到蒸汽管网热负荷分布数据。也即，对蒸汽热负荷进行分析。

具体的，步骤S1进一步包括：根据踏勘调研获取的资料，绘制各热用户的典型日逐时蒸汽负荷曲线，得到各热用户的基础数据，如各热用户的用汽参数、蒸汽负荷(最大、平均、最小)、用热时长等，并分析形成蒸汽管网热负荷表，蒸汽管网热负荷表的格式如表1所示；叠加各热用户的典型日逐时蒸汽负荷，得到蒸汽管网的典型日逐时蒸汽负荷曲线，并结合各热用户的蒸汽负荷特性选取合适的同时使用系数，分析得到蒸汽管网的设计蒸汽负荷(最大、平均、最小)；根据蒸汽负荷特性，分析得到蒸汽管网热负荷分布数据，如蒸汽管网的年供热小时数、全年再运行次数和年供热量等关键指标数据。

表1

步骤S2：根据蒸汽管网热负荷分布数据，绘制以热源点为起点、以各热用户为终点的蒸汽管网路由图。也即，绘制蒸汽管网路由图。作为具体的实施例，蒸汽管网路由图例如图2所示。

步骤S3：在蒸汽管网路由图(如图2所示)上，以热源点作为起始节点，如用大写字母O表示；沿着朝向热用户的方向依次标定计算节点，遇到管线分支处(蒸汽负荷减少)设置为一个中间节点，用大写字母A/B/C...表示；将各热用户处设置为终止节点，用Sn(n＝1，2，3，...)表示。也即，标定蒸汽管网计算节点。

步骤S4：根据计算节点对蒸汽管网进行分段，并计算每段蒸汽管道的展开长度和所承担的最大蒸汽负荷、最小蒸汽负荷，形成蒸汽管网分段及热负荷表，并将热源点的蒸汽参数作为每段蒸汽管道的始端参数，结合蒸汽流速计算每段蒸汽管道的管径。也即，初算蒸汽管网管径。

具体的说，即按照蒸汽管网路由图(如图2所示)，从起始节点O(热源点)开始，以相邻的两两节点OA/AS1/AB/BC...将蒸汽管网分段，并计算出每段蒸汽管道的展开长度和所承担的最大蒸汽负荷、最小蒸汽负荷，形成格式如下表2所示的蒸汽管网分段及热负荷表。然后，将热源点的蒸汽参数作为每段蒸汽管道的始端参数，选择合理的蒸汽流速按照蒸汽管道的管径的计算公式编制计算表，初算每段蒸汽管道的管径。

表2

具体的，在步骤S4中，蒸汽管道的管径通过如下方式计算：

或

其中，Di为蒸汽管道的内径(mm)，G为蒸汽质量流量(t/h)，v为蒸汽比容(m³/kg)，ω为蒸汽流速(m/s)，Q为蒸汽容积流量(m³/h)。

步骤S5：根据得到的蒸汽管网的管径，计算不同管径管道的单位长度热损失。也即，计算蒸汽管网热损失。

具体的，根据步骤S4中初算得到的蒸汽管网管径，按照单位长度热损失的计算公式编制Excel计算表，计算不同管径管道的单位长度热损失。

具体的，在步骤S5中，单位长度热损失通过如下方式计算：

其中，Qt为单位长度管道的热损失(W/m)，Tv为系统要求的维持温度(℃)，Ta为当地的最低环境温度(℃)，D1为保温层内径(m)，D0为保温层外径(m)，D0＝D1+0.002δ，δ为保温层厚度(mm)，α为保温层外表面向大气的散热系数(W/(m²·℃))，其与当地最大风速ω有关，ω为当地最大风速(m/s)，

步骤S6：根据蒸汽管网的管径、不同管径管道的单位长度热损失计算蒸汽管网的压降、温降和管损。也即，计算蒸汽管网压降、温降和管损。

具体的，步骤S6进一步包括：按照步骤S4中从起始节点O(热源点)开始划分得到的蒸汽管网分段，采用预设算法依次计算每段蒸汽管道的压降、温降和管损，同时将上一段蒸汽管道的末端节点压力、温度作为下一段蒸汽管道的始端节点压力、温度，以编制出整个蒸汽管网的压降、温降和管损联动计算表；将步骤S4和步骤S5中得到的每段蒸汽管道的设计蒸汽负荷(最大流量)、展开长度和所承担的最大蒸汽负荷、最小蒸汽负荷、、单位长度热损失、每段蒸汽管道的管径代入编制好的整个蒸汽管网的压降、温降和管损联动计算表中，初步计算出下一段管道的末端节点压力、温度，以及每段蒸汽管道的连续运行管损和间歇运行管损；根据热用户的用汽参数，对每段蒸汽管道的管径进行调整，使蒸汽流速和热用户端的终止节点处的压力、温度都控制到要求范围内，以对每段蒸汽管道的始末端压力和温度进行优化修正；采用修正后每段蒸汽管道的管径，按照步骤S4重新计算对应的单位长度热损失，完成对每段蒸汽管道的连续运行管损和间歇运行管损的修正。

其中，预设算法至少包括蒸汽管道的压降计算公式，具体为：

Δp＝hy+hj

p′＝p-Δp

其中，Δp为蒸汽管道压降(MPa)，hy——蒸汽管道沿程阻力损失(MPa)，hj为蒸汽管道局部阻力损失(MPa)，ξy为蒸汽管道沿程阻力系数，w为蒸汽流速(m/s)，v为蒸汽比容(m³/kg)，v＝f(p，t)，G为蒸汽质量流量(t/h)，Di为蒸汽管道内径(mm)，为局部阻力损失与沿程阻力损失的比值，λ为管道摩擦系数，L为蒸汽管道展开长度(m)，ε为管道等值粗糙度(mm)，p为蒸汽管道始端压力(MPa)，p′为蒸汽管道末端压力(MPa)，ΔP为每公里蒸汽管道压降(MPa/km)。

进一步地，预设算法还包括蒸汽管道的温降计算公式，具体为：

Qd＝QtL

hm＝hs-qd

Δt＝t-t′

其中，Qd为蒸汽管道热损失(W)，Qt为单位长度蒸汽管道热损失(W/m)，qd为单位质量蒸汽热损失(kJ/kg)，hs为蒸汽管道始端比焓(kJ/kg)，hs＝f(p，t)，hm为蒸汽管道末端比焓(kJ/kg)，t为蒸汽管道始端温度(℃)，t′为蒸汽管道末端温度(℃)，t′＝f(p′，hm)，Δt为蒸汽管道温降(℃)，ΔT为每公里蒸汽管道温降(℃/km)。

进一步地，预设算法还包括蒸汽管道的管损计算公式，具体为：

其中，Gn为蒸汽管道连续运行汽水损失(t/h)，hb为饱和水比焓(kJ/kg)，m为蒸汽管道间歇运行汽水损失(t/次)，ρ为蒸汽密度(kg/m³)。

步骤S7：根据蒸汽管网的压降、温降和管损得到蒸汽管网在不同负荷下的全年运行管损率。也即，计算蒸汽管网管损率。

具体的，步骤S7进一步包括：对步骤S6中修正后的所有蒸汽管道分段的连续运行管损和间歇运行管损分别求和，得到整个蒸汽管网的连续运行管损和间歇运行管损，结合步骤S1中分析得到的的蒸汽管网热负荷分布数据(如蒸汽管网年供热小时数、年再运行次数及最大、平均、最小小时负荷下的年供热量数据)计算得到蒸汽管网在不同负荷下的全年运行管损率。

具体的，蒸汽管网在不同负荷下的全年运行管损率的计算公式为：

其中，H为年供热小时数(h)，n为蒸汽管网全年再运行次数，∑Gn为整个蒸汽管网的连续运行汽水损失(t/h)，∑m为整个蒸汽管网的间歇运行汽水损失(t/次)，∑G为整个蒸汽管网的年供蒸汽量(t)，为蒸汽管网的全年运行管损率。

步骤S8：通过最小蒸汽负荷对蒸汽管网的压降、温降和管损及蒸汽管网在不同负荷下的全年运行管损率进行校核。也即，采用最小蒸汽负荷校核。

具体的说，在项目的前期论证阶段，一般按照设计蒸汽负荷(最大流量)，通过前述步骤S1至步骤S7计算过程完成蒸汽管网的压降、温降和管损计算，即可满足项目判断与评估需求。

若在项目的中期设计阶段，按照设计蒸汽负荷(最大流量)通过前述步骤S1至步骤S7计算过程完成蒸汽管网的压降、温降和管损计算后，还需要按照最小蒸汽负荷重复步骤S6至步骤S7进行校核计算，以进一步优化蒸汽管网在两种极限负荷下的管径，使蒸汽管网在满足输送能力和各热用户末端蒸汽参数的情况，降低建设投资，提高项目经济性。

综上，本发明实施例的蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法，基于节点法对蒸汽管网进行标定节点与分段，实现了集中供热蒸汽管网压降、温降和管损三者的简易联动计算；实现了集中供热蒸汽管网管损的简易量化计算，解决了经验数值法估算准确性不高的问题；弥补了迭代查表法计算集中供热蒸汽管网的压降和温降复杂不易操作的不足，简化了计算难度；可以满足边界条件改变造成的快速修改与重新计算要求，及简易灵活的兼顾工程不同阶段的使用要求。

根据本发明实施例的蒸汽管网参数的简易联动量化计算方法，基于节点法对蒸汽管网进行标定节点与分段，实现了集中供热蒸汽管网压降、温降和管损三者的简易联动计算，有效解决了经验数值法的取值随意、准确性不高与迭代查表法的计算复杂、使用不方便的问题，很好的兼顾了计算的准确性、灵活性和便捷性要求，能够简易灵活的兼顾工程不同阶段的使用要求，可以满足边界条件改变等造成的快速修改与重新计算要求，能够尽可能有理有据地量化计算而保证蒸汽管网参数具有相对较高的准确性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。