5.2 界面设计 ................................................................... 20 5.3 程序实现 ................................................................... 22 5.3.1 单管计算 ................................................................ 22 5.3.2 管网设计计算 ............................................................ 24 6 计算实例及结果分析.......................................................... 25 7 结束语 ....................................................................... 30 参考文献 ....................................................................... 31 附录 源程序 .................................................................... 32 学位论文数据集 ................................................................ 36
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1 前言
1.1 应用背景
蒸汽是各类工业部门生产过程的主要能源和辅助工艺物流，具有易于传输、热容大、无毒、无污染、安全、价廉等优点。蒸汽被广泛应用于炼油、化工、区域集中供热等各个领域。蒸汽作为集中供热系统的热媒,可以同时解决采暖、工业、医院、洗浴等不同用户的用热问题，应用极为普遍。但蒸汽在供热管道流动过程中由于压降、散热发生相态变化，会引起蒸汽供热管道的沿途凝结水损失和热量损失，甚至造成到达末端用户的蒸汽压力、温度、流量等参数不能满足要求。供热管网的能量损失会降低蒸汽热能的利用效率，不能达到企业节能的目的，因此有效分析蒸汽在供热管道流动过程中的能量损失极为重要[1]。供热管网的热损失计算是一个复杂的问题,受到包括环境温度、管网材料老化等多种因素的影响，因此单用理论分析推导很难得到准确的模型，由此很难在实际生产过程中实时地对能量分配方案、供汽量予以调整，同时也无法通过以传热量为标准对管网上出现的泄漏等故障予以判断。目前国内已有不少学者对蒸汽管网的建模进行建模仿真，有学者通过大多数已经建立热电厂计算机远程抄表系统来获得蒸汽管网的实测数据，以此建立蒸汽管网的智能监测系统，对管网的实时运行工况进行模拟、分析，以此进行合理的能量调配和故障分析等[2]。
1.2 研究现状及问题
蒸汽管网设计是否合理，直接影响管路网络的投资和效率。目前国内的研究主要集中于蒸汽管道的直埋技术，对管网优化方面的研究比较少。有根据规范和设计参数进行蒸汽管网管径和保温厚度的程序化设计，并建立目标函数和约束对其进行优化,按经济性的优劣，依序列出多组设计方案可供设计选择,同时对优化计算的可行性和有效性进行了讨论。又有在火用经济分析的基础上，得出了蒸汽管线优化设计的目标函数。分析了管线长度对管网中蒸汽最优流速的影响，得出了管线短的,蒸汽流速要适当加大，管径减小；管线长的，蒸汽流速要适当减小，管径加大;随着不同管线长度差距加大，对蒸汽管网系统进行优化设计得到的经济效益更加显著的结论[3]。蒸汽在输送过程中状态参数变化大，并伴随相变发生，存在热力学、传热学和流体力学等方面的问题 。目前的计算方法对热力计算考虑较少，计算结果存在较大误差。由于蒸汽管网水力定压比热等状态参数相互影响，构建出和热力工况受密度、水力热力耦合计算模型是国内外当前蒸汽管网研究的难点，其中求解算法是解决蒸汽管网设计计算和运行工况分析的重点[4]。
目前，对铺设的输送蒸汽的管网进行设计和运行调节计算时，往往只进行水力计算，对热力计算考虑较少，给蒸汽管网的计算带来了较大误差。蒸汽管网的水力和热
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力工况是通过密度、定压比热容等状态参数相互影响的，因而建立蒸汽管网水力热力联合计算数学模型，并对其进行有效求解是解决蒸汽管网设计和运行调节计算的关键。同时，管网的水力热力计算又涉及到管网的数学模型，对于管网水力计算来说，管网的数学模型及解法都较为成熟。求解管网水力计算数学模型主要有解环方程法、解节点方程法和解管段方程法3方法，其中较常采用的为解节点方程法，而对于管网热力计算的数学模型及其求解还不完善[5] 。
1.3 研究意义
蒸汽管网是缔结供用热双方的纽带。随着热用户的增加,热网供热半径也随之延 伸。然而，供汽管网增大必然要提高热电厂出口的供汽参数，增加沿途的散热损失和流动损失,还要降低热网长期运行的可靠性和安全性[6]。研究蒸汽管网的运行工况，建立相对准确的数学模型，编制软件实现相应的算法对于时下的节能环保领域有巨大的用途。
我国工业企业蒸汽管网的能源利用状况差别很大，不同行业、不同企业之间由于管理水平等方面的原因，其蒸汽管网系统热效率差异非常大。国内绝大部分蒸汽管网的输送热效率在70%～95%之间,其中30%的管网输送热效率低于92%,全部蒸汽管网热损失折合标准煤1400万吨年，由于疏水阀泄漏造成的蒸汽浪费高达2000万吨年。由于蒸汽系统中70%的凝结水被直接排放，占蒸汽热焓20%～30%的热能被同时排放，根据测算，我国每年因为凝结水直接排放而造成的水资源浪费大约15亿吨[7]。
由此可见对蒸汽管网系统运行工况模拟计算用途广大，能对蒸汽管网系统设计质量与性能进行评价和分析，判断能否满足设计供热目的，是否达到水力平衡，管网系统的水力稳定性如何。确定所设计的蒸汽管网系统中各管段的流量、流向和压力损失,系统中各节点及各用户的流量、压力和温度参数,确定蒸汽管网系统中压力损失较大的管段。对现有蒸汽管网系统，确定各管段的流量、流向和压力损失，管网系统中各点及各用户的流量、压力与温度的参数分布状况,调整或制定合理的输配方案。对已有的蒸汽管网系统，能确定系统布局和组成结构不合理的部位及管段，能对改进蒸汽管网系统的诸方案做出动用户热负荷从而需要变动蒸汽管网系统结构时，可对相应的各种变动方案做出可行性评价。可兼容蒸汽管网系统中的实时测量信息，在设有通信接口的条件下，形成对蒸汽管网系统运行的实时测控和评价分析系统[8]。
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2 蒸汽管网能耗的概况
2.1 供热管网的热损失
蒸汽管网损失有两类：一类是蒸汽质量损失，主要由蒸汽的冷凝和泄漏造成；另一类是蒸汽热量损失，主要原因是管线的散热和冷凝水排放带走了热量。蒸汽质量损失必然会带来热量损失，反之，热量损失不一定带来质量损失[9]。管网的热损失主要有三种：( 1) 沿程阻力损失，即蒸汽和水在管道中流动时由于摩擦阻力产生压力损失,或者导致焓值下降，或者增加泵的能耗,产生能量损失。影响因素包括管径大小及管材、弯头、阀门等节流件的布置等。( 2) 蒸汽泄漏损失，即由于管道联结处法兰接口密封不严，或者阀门等附件密封不好造成蒸汽泄漏，将造成大量的热损失，这部分损失同时包括质量损失和热损失。主要是由于施工和运行管理不当造成，通过加强管理维护、及时检修就可以得到避免。(3) 管道散热损失，即由于管内流体 ( 水或蒸汽) 温度高于环境温度，必然向外界散发热量，这可以通过采取有效的管道保温措施来改善
[7]
。
2.2 能耗损失的表现形式
蒸汽通过一段管线，温度等参数会发生变化，同时有热量损失；温度降到饱和温度时，还会产生冷凝水。一段有保温层的蒸汽圆管的散热过程，包括管内蒸汽到管内侧壁面、管内侧壁面到管外侧壁面、管外侧壁面到保温层内侧壁面、保温层内侧壁面到保温层外侧壁面、保温层外侧壁面到环境大气等五个传热环节。其中，稳态下通过每个环节的热量是相等的。热损的表现形式为：外表面有热量流，主要表现在外表面温度高于环境温度；蒸汽焓值下降，主要表现在温度下降；蒸汽冷凝，产生凝结水[5]。
2.3 基于管网模拟技术的热损分析方法
用模拟软件建立蒸汽管网严格的数学模型，输入管网实际的操作参数，进行模拟计算和研究分析，配以少许必要的实地查勘工作，即可全面、定量评价管网热损情况。
管网模拟技术通过管网结构参数（管网流程图、管径、管长、保温层材料、保温层厚度、管件类型和数量）和操作参数（汽源的流量、温度、压力，用户的流量），计算出每段管线的在完好保温下的散热损失、保温效率、外表面温度、冷凝水量、蒸汽管线末端温度，继而得到完好保温情况下总的热损。然后将各条管线末端温度模拟计算值与实际测量值进行比较，（通常模拟计算值高于实际测量值）并调节管段模拟因子，使计算值等于或接近测量值，得出管网的实际保温效率。分析此时得到的完好保温和实际保温下各种参数，可以对热损的原因做出量化的全面、正确判断，克服了通用方法之不足。模拟造成热损的条件，可以明确节能的方向[10]。
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3 研究思路
3.1 直管段数学模型的建立
要研究管网的情况，首先是要建立单管段的模型，也就是不考虑弯头、阀等阻力件的影响，研究的对象也只针对恒定粗细的管段。对于这样的一根管段，蒸汽的初始温度、压力、流速、长度是已知的，计算管段的压力损失可以通过计算沿程阻力得到，在得到管段的出口压力后就可以通过求平均压力来近似确定整个管段的压力。至于出口温度，那是要先设定一个，然后用平均温度来求物性参数。计算中，由于管道金属的导热系数很大，热阻可以忽略不计，使用IF97计算公式来计算蒸汽的物性参数可以提高计算的精确度，还有保温层材料的选取和保温层的厚度会直接影响到保温层的换热系数，这对于模型的计算也是至关重要的。环境温度也是影响计算的另一因素，换热的过程最后还有保温层外层和外界环境之间的换热，不同的外部温度对于管内蒸汽温度也有不同的影响。最后还要考虑大气的换热系数，管段所处的地理位置实际也会对管内蒸汽状况造成影响，因为风力、湿度的不同，管段周围大气的换热系数也会有明显的不同。整个换热过程包括蒸汽到保温层内壁面，保温层内壁面到保温层外壁面、保温层外壁面到大气这三个部分。
在所要考虑的计算参数确定之后就可以进行计算了，先假定一个出口温度，然后根据选取的流动经验公式和相关的公式计算出口温度，将与设定的温度进行比较，如果相差较大就继续设定温度重新开始计算，如此循环计算就可以得到准确的出口温度，也可以确定管内的蒸汽的流动状态、管内壁、管外壁的温度以及管段的热量损失、计算的循环次数。在计算中应该要注意流动经验公式的选取，因为不同的经验公式针对不同的蒸汽流动状态，所考虑的因素也会不同。
3.2 管网模型的建立
在建立直管段的数学模型后，接下来便可以对直管段进行递推，进而得到整个管
网的数学模型。所要考虑的散热环节还是一样的，要考虑的计算参数也相同，需要引起注意的是，后一管段的进口温度便是前一管段的出口温度，后一段的进口压力是前一段管段的出口压力减去节点局部阻力件造成的压力损失。所以当我们需要得到整个管网的各个用户节点的情况就必须一段一段的进行迭代计算，且必须保证计算的正确，否则前一段的数据结果会对后一管段的计算产生很大的影响，也不太可能得到正确的计算结果。在一个管网中，每个用户是一个节点，此次研究也只是针对管网中有固定用户数量的，这主要是为了编程能稍微简便些。所有节点遵循能量守恒，即对于一个节点来说，流进的蒸汽和流出的蒸汽总和是相等的，能量在节点上不存在损失。若无外功输入，在管网的每一个封闭的回路上压头损失的代数和等于零。管网的计算就是解节点上的质量守恒方程和回路上的机械能衡算方程等组成的方程组。当然蒸汽
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