供热管网水力工况虚拟仿真实验系统设计

徐 峰 张晓巩 郝哲宇 郑 杨

(1.河北建筑工程学院能源工程系，河北 张家口 075000；2.中国人民解放军93110部队，北京 100843)

供热系统水力工况实验是针对建筑环境与能源应用工程、能源与动力工程等专业开设的一个重要实验[1,2].其实验目的是通过热网水压图实验装置进行水力工况变化，让学生直观地了解水压图的变化情况，巩固和验证课堂所学的有关水压图的基本原理，加深课堂理论教学效果，掌握水力工况分析方法，达到指导热水管网水力工况调整的目的.但在实际教学过程中往往存在一些不足，比如：实验设备老旧，实验初调节较难，实验准确性难予保证；受实验台数量、学生人数及时间等客观条件的影响，不能满足所有学生普遍动手参与实验的需求，实验教学效果差强人意.

为了改变实验教学现状，本文利用虚拟仿真实验技术[3-5]，采用CyberSIM/CyberCotrol仿真软件，开发了“供热系统水力工况虚拟仿真实验系统”，通过构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，较好的解决了实验教学过程中存在的不足，取得了良好的效果[6,7].

1 供热管网水力工况实验原理

供热管网是由许多串联管段和并联管段组成的，各热用户之间是并联环路，水力工况相互影响.实际运行过程中，由于各种原因，网路的流量分配不符合热用户的要求，从而产生水力失调，造成供热不达标[8].通过供热管网水力工况实验，学生可以直观地看出各热用户的流量、压差及压力分布情况以及水力工况发生变化时，各热用户流量、压差的变化规律.通过该实验的进行，学生可以掌握水力工况变化规律，正确分析水力失调原因，给出合理的解决办法，达到指导水力工况调整的实验目的[9].

本实验系统原理如图1所示：

图1 供热管网水力工况原理图

供热管网水力工况实验系统由供、回水管，阀门、三通、弯头等连接组成，阀门均为调节阀，各管段的阻力可以通过改变调节阀开度进行调整.系统设循环水泵一台，由开口水箱定压，定压点设在循环水泵入口处.水沿供水管A-E及回水管E′-A′循环.供回水管之间共有5个用户，编号Ⅰ—Ⅴ，每个用户处都设有流量测点，供回水干管分支处及用户进出口均设有压力测点，随着系统调整，各压力、流量值均可显示并读取，生成不同运行工况下的供热管网水压图.

2 供热管网水力工况虚拟实验台设计

本文借助CyberSim/CyberControl仿真软件对供热管网水力工况实验进行可视化仿真.先建立其数学模型，导入仿真软件转换成仿真模型，编制求解算法，编辑图像界面，完成可视化仿真.

2.1 数学模型

实验系统中的供热管网就是由压力节点和阀门组成的流体网络，各用户间的流量、压力关系可以概括为流体网络模型[10].分别建立压力节点和调节阀门的数学模型.

(1)压力节点模型.

该实验系统中只有两类节点，即供水分流节点和回水合流节点.以合流节点为例(图2)，根据质量守恒节点处可列方程：

图2 供热管网合流节点

(1)

(2)

室外供热管网中水的流动状态大多处于阻力平方区[12]，因此流量与压降关系服从二次幂规律，即

(3)

其中S为管段的阻抗.将上述流量公式按泰勒级数展开取一阶线性近似可得：

Gi=±Δi(Pi-P)，其中，流入点取+，流出点取-

(4)

(5)

将式(5)代入式(1)，整理可得压力表达式：

(6)

(2)阀门模型.

本设计采用调节阀门，阀门阻力大小随着开度大小而变化，即：

(7)

其中：P前，P后为阀门前后压力；ζ为阀门阻力系数，ζ=f(ε)，ε为阀门开度；v为流速，根据连续性方程v=G/F.整理可得：

(8)

2.2 仿真模型

根据前边建立的数学模型，利用程序语言在仿真平台上建立仿真模型，定义输入量、输出量及常数量，利用模型组态完成供热管网水力工况实验系统的流体网络仿真模型.模型侧结构如图3所示.

图3 仿真模型侧界面

2.3 仿真系统图像界面

为了形象、生动的显示供热管网布局，增强学生的实验兴趣，直观的显示管网中的流量、压力，设置了仿真系统图像界面.学生打开虚拟实验系统后直接进入图像界面，进行系统的定压点、阀门、用户等的调整，可以通过调整阀门开度来改变系统阻力，观察不同工况下水压图的变化规律.该实验系统可以动态显示管路中各点的压力变化情况，同时给出工况稳定后的水压图.

虚拟实验系统画面如图4所示.

图4 虚拟实验系统图像界面

3 虚拟仿真实验运行

打开仿真软件，导入供热管网水力工况虚拟仿真实验模型，进行模型侧和图像界面联盘，点击进入虚拟实验仿真图像界面.点击仿真运行，开始记录实验时间.仿真运行开始后，界面上会显示所有测点的压力、流量值.学生通过调整阀门开度，可以自己设计不同工况，任意进行多组实验，掌握管网的水力工况变化规律.下面是几组典型工况下的管网运行情况.

3.1 管网初始工况及正常工况

载入模型，打开虚拟实验界面后发现，各热用户流量不一致，即在目前模型的设置条件下，管网存在水力失调.因此，在正式实验之前，需对管网进行初调节.采用比例调节法对管网进行初调，调节过程中只调各用户回水阀门开度.调整前后管网流量数据如表1所示.

表1 虚拟实验管网调整前后的流量及阀门开度

表中数据显示，调整前近端用户实际流量远大于规定流量，调整后由于阀门开度变化，系统总阻力增加，管网总流量有所减少，但用户流量趋于一致.虚拟实验数据及水压图反映的规律与实际管网运行相同.管网调整前后的水压图如图5所示.

图5 初始工况及正常工况下的水压图

3.2 关小供水干管阀门3的实验工况

在正常运行工况下，进行供水干管的阀门3开度调小的实验.图6给出了将干管阀门3开度关至40%的实验操控界面及水压图，表2给出了工况改变后的流量分布情况.显然，关小干管阀门3后，用户Ⅰ、Ⅱ流量增加，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ流量减少，且用户Ⅱ增幅较用户Ⅰ要大，用户Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的流量则同比例减少，系统总流量下降.由水压图可看出，工况改变后供水管水头线和回水管水头线都比正常工况的平缓些，用户Ⅲ处水头突然降低，用户Ⅰ、Ⅱ由于资用水头增加，而用户Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ减少.仿真结果与实际实验结果一致.

表2 关小供水干管阀门3工况下的实验数据

图6 关小干管阀门3的实验操作界面及水压图

3.3 关闭支路Ⅲ的实验工况

同样，以正常运行工况为操作工况，进行关闭支路Ⅲ的实验工况.图7给出了实验操控界面及水压图，表3给出工况改变后的流量分布情况.可以看出，关闭支路Ⅲ后，系统总流量将减少，水压线变平缓.因设定水泵进出口压力不变(即水泵扬程不变)，所有用户的资用水头均增加，流量增加，实验结果显示，改变支路前的用户出现不等比失调，而改变支路后的用户则为等比失调，这与实际实验及理论推导的规律相吻合.

表3 关闭支路Ⅲ工况下的实验数据

图7 关闭支路Ⅲ的实验操作界面及水压图

同理，学生可以自行设计多种工况来进行虚拟实验，观察水压图变化情况，既增加了动手能力，又有助于培养学生主动思考问题、分析解决问题的能力.

4 结 语

本文以实验室现有的管网水力工况实验台为仿真原型，自主设计了供热管网水力工况虚拟仿真实验系统，分别进行了仿真模型的建立和图形界面的搭建，实现了供热管网水力工况的动态仿真.该虚拟实验台，可以使学生自行设计实验工况，直观地了解水压图变化规律，加深了对课堂知识的巩固，增强了学生实验的兴趣，在供热工程及相关课程的实验教学中发挥了重要作用.