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CN113837565B - 一种基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统及方法 - Google Patents

一种基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统及方法 Download PDF

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CN113837565B CN202111046959.5A CN202111046959A CN113837565B CN 113837565 B CN113837565 B CN 113837565B CN 202111046959 A CN202111046959 A CN 202111046959A CN 113837565 B CN113837565 B CN 113837565B
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Abstract

本发明涉及基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统，包括蒸汽热网主管线、若干热用户支线、焓降法测试段、热源点、若干热用户、过热段温度传感器、源端热力参数监测系统、用户端热力参数监测系统、若干环境温度监测点和监测控制终端；热源点与蒸汽热网主管道相连，热用户通过热用户支线与蒸汽热网主管线相连；蒸汽热网主管线的起始位置设有过热段温度传感器，蒸汽热网主管线上的热源点与过热段温度传感器之间的部分管段为焓降法测试段；热源点上设有源端热力参数监测系统，热用户上分别设有用户端热力参数监测系统。本发明的有益效果是：本发明系统设置了焓降法测试段以及各监测装置，各监测装置接入监测控制终端，实现了水击风险监测。

Description

一种基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统及方法
技术领域
本发明属于热能输运技术领域，具体涉及一种基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统及方法。
背景技术
在蒸汽热网实际运行过程中，由于阀门快速开闭、泵启停、气体混入、流体相变等因素，会造成管内液体流速发生激变，瞬间造成管内压力的急剧波动，对管道、阀门以及设备产生短暂但是巨大的力学冲击，即水击。水击会造成管道破裂或瘪塌、附件损坏、部件疲劳寿命缩短、环境噪音等危害。
水击发生时，管道内部将更替发生局部真空和弥合性水击。当管内蒸汽冷凝时，相变会导致水击的发生，蒸汽含水量的增加也会放大水击的破坏作用。因此，对蒸汽热网管内蒸汽冷凝量的计算，对于预防管道水击具有重要作用。
然而，现有研究主要关注于管道散热损失和管道流量分配，对于管内蒸汽流量损失的研究较少。对于热网管损的研究，目前主要采用直接测量方法，即遵循质量守恒原则，在忽略管内蒸汽含水量的情况下，计算蒸汽热网进出口的流量差。直接测量方法无法表征管内蒸汽的含水量，也无法表征蒸汽热网蒸汽的实际冷凝量。
管内蒸汽冷凝是由管道散热损失导致的，通过管道散热损失可以对管内蒸汽冷凝量进行精确的表征。当前对于管道散热损失的测试方法主要有热平衡法、表面温度法和热流计法，其中热平衡法能够实现对管道散热损失的完整表征，但是热平衡法的测试精度受到管内蒸汽过热度的巨大影响，当管道过热度较小时，热平衡法会出现测量失准的情况。
因此，如何在长距离管道上应用热平衡法，实现对蒸汽热网散热损失和蒸汽冷凝量的精准测量，以及如何表征和预警蒸汽热网的水击风险，成为热能输运研究中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统及方法。
这种基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统，包括蒸汽热网主管线、若干热用户支线、焓降法测试段、热源点、若干热用户、过热段温度传感器、源端热力参数监测系统、用户端热力参数监测系统、若干环境温度监测点和监测控制终端；热源点与蒸汽热网主管道相连，热用户通过热用户支线与蒸汽热网主管线相连；蒸汽热网主管线的起始位置设有过热段温度传感器，蒸汽热网主管线上的热源点与过热段温度传感器之间的部分管段为焓降法测试段；热源点上设有源端热力参数监测系统，热用户上分别设有用户端热力参数监测系统，蒸汽热网主管道上布置有若干环境温度监测点；过热段温度传感器、源端热力参数监测系统、用户端热力参数监测系统以及环境温度监测点的数字信号分别与监测控制终端相连。
作为优选：所述源端热力参数监测系统和用户端热力参数监测系统均包含温度传感器、压力传感器和质量流量计。
作为优选：所述焓降法测试段的管道长度大于等于700m或焓降法测试段始末端的蒸汽温差大于等于3℃。
作为优选：所述过热段温度传感器处的蒸汽过热度大于等于60℃。
作为优选：所述焓降法测试段内包含至少一个蒸汽热网主管线上所具备的各类管道附件。
作为优选：所述蒸汽热网主管线为单热源或多热源的枝状供热管网。
这种基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统的评估方法，包括以下步骤：
S1、测试段蒸汽过热特征判断：监测控制终端以源端热力参数监测系统的压力值为参照，基于流量和管道尺寸特征计算过热段温度传感器处的压力，并比较过热段温度传感器温度及其对应的饱和温度，判断是否满足蒸汽过热度大于等于60℃且过热段温度传感器与源端热力参数监测系统之间的温差是否大于等于3℃的必要条件；
S2、基于热平衡法的热通量测试与计算：当步骤S1中的条件满足时，监测控制终端通过源端热力参数监测系统的蒸汽温度ts、压力ps和流量Gs，过热段温度传感器的蒸汽温度te以及求得的过热段温度传感器处的压力，得到焓降法测试段始末端的焓值及焓差hs-he，进而得到焓降法测试段的散热热通量qh：
式中，Gs为流量值；As为焓降法测试段管道外表面积；
S3、热网平均散热损失修正：首先，监测控制终端通过热段温度传感器的温度te、源端热力参数监测系统温度ts、各用户端热力参数监测系统的温度ti以及环境温度监测点的温度ta，得到由于管线沿程蒸汽温度下降带来的温度修正系数ε：
式中：Ave(ts,te,ti)为过热段温度传感器温度te、源端热力参数监测系统温度ts以及各用户端热力参数监测系统温度ti的平均值，℃；Ave(ts,te)为过热段温度传感器温度te、源端热力参数监测系统温度ts的平均值，℃；
进而，建立焓降法测试段的散热热通量qh与被测蒸汽热网上的平均散热热通量qt之间的关系：
qt＝ε·qh
S4、热网总冷凝量计算：监测控制终端通过源端热力参数监测系统和各用户端热力参数监测系统的蒸汽热力参数，计算源端热力参数监测系统的蒸汽焓值hs和各用户端热力参数监测系统的蒸汽焓值hi；对源端热力参数监测系统和各用户端热力参数监测系统的压力值取平均，求取平均压力下的饱和蒸汽焓值hw，建立散热损失与被测蒸汽热网的蒸汽总冷凝量ΔG的定量关系：
式中：A为被测管线的总表面积，m2；Gi为各用户端热力参数监测系统的流量值；
从而得到热网总冷凝量ΔG；
S5、蒸汽热网的冷凝系数η计算：监测控制终端通过源端热力参数监测系统的流量值Gs和各用户端热力参数监测系统的流量值Gi，计算蒸汽热网的实际管损量ΔG1：
ΔG1＝Gs-∑Gi
进而计算被测蒸汽热网的冷凝系数η：
S6、热网水击风险评估：设定冷凝系数阈值为η1和η2，其中η1<η2；当蒸汽热网的冷凝系数η大于η2时，水击风险提示等级最低，系统运行安全；当蒸汽热网的冷凝系数η大于η1、小于η2时，热网水击风险上升，系统提示风险等级上升；当蒸汽热网的冷凝系数η小于η1时，监测控制终端进行水击风险最高。
本发明的有益效果是：
(1)本发明系统设置了焓降法测试段以及各监测装置，各监测装置接入监测控制终端，实现了水击风险监测。
(2)本发明方法综合考虑了管线的散热损失组成，并定义了温度修正系数以表征温降对管道散热的影响，避免了热平衡法在蒸汽饱和段的测量失准问题，提高了管道散热损失的测量精度。
(3)本发明方法联立管内蒸汽稳流的质量守恒和能量守恒方程，建立了枝状热网热损与管损的定量关系式，实现了管内蒸汽实际冷凝量的计算。
(4)本发明方法定义了管道实际管损量与蒸汽冷凝量的比值为冷凝系数，实现了对蒸汽管网水击风险的定量表征与预警。
附图说明
图1为本发明的基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统示意图；
图2为本发明的热力参数监测系统示意图；
图3为本发明的基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估方法流程图；
图4为本发明实施例三的枝状蒸汽热网示意图。
附图标记说明：蒸汽热网主管线1、热用户支线2、焓降法测试段3、热源点4、热用户5、过热段温度传感器6、源端热力参数监测系统7、用户端热力参数监测系统8、环境温度监测点9、监测控制终端10、温度传感器11、压力传感器12、质量流量计13。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
本申请实施例一提供一种基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统，如图1、2所示，包括蒸汽热网主管线1、若干热用户支线2、焓降法测试段3、热源点4、若干热用户5、过热段温度传感器6、源端热力参数监测系统7、用户端热力参数监测系统8、若干环境温度监测点9、监测控制终端10。热源点4与蒸汽热网主管道1相连，热用户5通过热用户支线2与蒸汽热网主管线1相连。蒸汽热网主管线1的起始位置设有过热段温度传感器6，蒸汽热网主管线1上的热源点4与过热段温度传感器6之间的部分管段为焓降法测试段3。热源点4上设有源端热力参数监测系统7，热用户5上分别设有用户端热力参数监测系统8，蒸汽热网主管道1上布置有若干环境温度监测点9。过热段温度传感器6、源端热力参数监测系统7、用户端热力参数监测系统8以及环境温度监测点9的数字信号分别与监测控制终端10相连。所述源端热力参数监测系统7和用户端热力参数监测系统8均包含温度传感器11、压力传感器12和质量流量计13。
所述的焓降法测试段3的管道长度大于等于700m或焓降法测试段3始末端的蒸汽温差大于等于3℃，过热段温度传感器6处的蒸汽过热度大于等于60℃，并且焓降法测试段3内包含蒸汽热网主管线1上所具备的各类管道附件至少一个(管线散热损失包括管道表面的损失和各种弯头、疏水器等管件的损失，为准确代表整条管线的散热损失，需要过热段尽可能有代表性，即包含各类管道附件如弯头、支架、疏水器等)。
所述的蒸汽热网主管线1为单热源或多热源的枝状供热管网。
实施例二
本申请实施例二提供一种基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤一、测试段蒸汽过热特征判断：监测控制终端10以源端热力参数监测系统7的压力值为参照，基于流量和管道尺寸特征计算过热段温度传感器6处的压力，并比较过热段温度传感器6温度及其对应的饱和温度，判断是否满足蒸汽过热度大于等于60℃且过热段温度传感器6与源端热力参数监测系统7之间的温差是否大于等于3℃的必要条件；
步骤二、基于热平衡法的热通量测试与计算：当上述条件满足时，监测控制终端10通过源端热力参数监测系统7的蒸汽温度ts、压力ps和流量Gs，过热段温度传感器6的蒸汽温度te以及求得的过热段温度传感器6处的压力，得到焓降法测试段3始末端的焓值及焓差hs-he，进而得到焓降法测试段3的散热热通量qh：
式中，Gs为流量值，As为焓降法测试段管道外表面积。
步骤三、热网平均散热损失修正(测试段与热网整体温度关系修正)：首先，监测控制终端10通过热段温度传感器6的温度te、源端热力参数监测系统7温度ts、各用户端热力参数监测系统8的温度ti以及环境温度监测点9的温度ta，得到由于管线沿程蒸汽温度下降带来的温度修正系数ε：
式中：Ave(ts,te,ti)为过热段温度传感器6温度te、源端热力参数监测系统7温度ts以及各用户端热力参数监测系统8温度ti的平均值，℃；Ave(ts,te)为过热段温度传感器6温度te、源端热力参数监测系统7温度ts的平均值，℃。
进而，建立焓降法测试段3的散热热通量qh与被测蒸汽热网上的平均散热热通量qt之间的关联关系：
qt＝ε·qh
步骤四、热网总冷凝量计算：监测控制终端10通过源端热力参数监测系统7和各用户端热力参数监测系统8的蒸汽热力参数，计算对应的蒸汽焓值hs、hi；对源端热力参数监测系统7和各用户端热力参数监测系统8的压力值取平均，求取平均压力下的饱和蒸汽焓值hw，建立散热损失与被测蒸汽热网的蒸汽总冷凝量ΔG的定量关系：
式中：A为被测管线的总表面积，m2；Gi为各用户端热力参数监测系统8的流量值。
从而得到热网总冷凝量ΔG。
步骤五、蒸汽热网的冷凝系数η计算：监测控制终端10通过源端热力参数监测系统7的流量值Gs和各用户端热力参数监测系统8的流量值Gi，计算蒸汽热网的实际管损量ΔG1：
ΔG1＝Gs-∑Gi
进而计算被测蒸汽热网的冷凝系数η：
步骤六、热网水击风险评估：设定冷凝系数阈值为5％和20％，当蒸汽热网的冷凝系数η大于20％时，水击风险提示等级最低，系统运行安全；当蒸汽热网的冷凝系数η大于5％、小于20％时，热网水击风险上升，系统提示风险等级上升；当蒸汽热网的冷凝系数η小于5％时，监测控制终端10进行水击风险最高。
实施例三
如图4所示，为本专利适用的某一典型枝状蒸汽热网示意图，通过监测控制终端测得其热源点、过热段及各热用户的蒸汽参数如表1所示。对s到e的过热段应用热平衡法，得到过热段的散热热通量qh为：
根据监测控制终端测得的蒸汽热网其他节点的温度，得到该蒸汽热网的温度修正系数ε为：
则蒸汽热网的平均散热热通量qt为：
qt＝ε·qh＝103.71W/m2
表1典型枝状热网蒸汽参数特征
站点编号 温度/℃ 压力/MPa 流量/(t/h)
s 267.17 1.34 49.62
e 248.92 1.32 -
Y1 194.39 1.30 0.00
Y2 205.27 1.27 0.00
Y3 198.92 1.22 0.00
Y4 192.54 1.20 0.00
Y5 188.62 1.16 0.00
Y6 187.38 1.19 0.12
Y7 179.77 0.82 23.33
Y8 187.89 1.05 5.24
Y9 187.57 1.12 5.70
Y10 187.86 1.10 5.62
Y11 188.46 1.13 4.38
根据建立的散热损失与管内蒸汽流量损失的定量关系，计算该热网的蒸汽冷凝量ΔG为：
由监测控制终端监测的热源点和热用户蒸汽流量，得到该蒸汽热网的管损量ΔG1为：
因此，该热网的冷凝系数η为：
通过对该枝状蒸汽热网的散热损失进行测试，得到了管内蒸汽的实际冷凝量，并最终得到该热网的冷凝系数为50％，说明该热网的蒸汽在管道后半段出现了饱和，但管道内发生水击的风险较小。
本发明方法通过热平衡法测量过热段的散热热通量，结合温度修正系数计算蒸汽管网的平均散热热通量，进而计算管内蒸汽的总冷凝量及管网的冷凝系数。本发明实现了对管道蒸汽总冷凝量的计算，经过实例计算，所得冷凝系数可用于表征蒸汽管网的水击风险，本发明的实施可有效提高热力系统在实际运行中的可靠性，具有广阔的应用场景。

Claims (6)

1.一种基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统，其特征在于：包括蒸汽热网主管线(1)、若干热用户支线(2)、焓降法测试段(3)、热源点(4)、若干热用户(5)、过热段温度传感器(6)、源端热力参数监测系统(7)、用户端热力参数监测系统(8)、若干环境温度监测点(9)和监测控制终端(10)；热源点(4)与蒸汽热网主管线(1)相连，热用户(5)通过热用户支线(2)与蒸汽热网主管线(1)相连；蒸汽热网主管线(1)的起始位置设有过热段温度传感器(6)，蒸汽热网主管线(1)上的热源点(4)与过热段温度传感器(6)之间的部分管段为焓降法测试段(3)；热源点(4)上设有源端热力参数监测系统(7)，热用户(5)上分别设有用户端热力参数监测系统(8)，蒸汽热网主管线(1)上布置有若干环境温度监测点(9)；过热段温度传感器(6)、源端热力参数监测系统(7)、用户端热力参数监测系统(8)以及环境温度监测点(9)的数字信号分别与监测控制终端(10)相连；
基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统的评估方法，包括以下步骤：
S1、测试段蒸汽过热特征判断：监测控制终端(10)以源端热力参数监测系统(7)的压力值为参照，基于流量和管道尺寸特征计算过热段温度传感器(6)处的压力，并比较过热段温度传感器(6)温度及其对应的饱和温度，判断是否满足蒸汽过热度大于等于60℃且过热段温度传感器(6)与源端热力参数监测系统(7)之间的温差是否大于等于3℃的必要条件；
S2、基于热平衡法的热通量测试与计算：当步骤S1中的条件满足时，监测控制终端(10)通过源端热力参数监测系统(7)的蒸汽温度ts、压力ps和流量Gs，过热段温度传感器(6)的蒸汽温度te以及求得的过热段温度传感器(6)处的压力，得到焓降法测试段(3)始末端的焓值及焓差hs-he，进而得到焓降法测试段(3)的散热热通量qh：
式中，Gs为流量值；As为焓降法测试段管道外表面积；
S3、热网平均散热损失修正：首先，监测控制终端(10)通过热段温度传感器(6)的温度te、源端热力参数监测系统(7)温度ts、各用户端热力参数监测系统(8)的温度ti以及环境温度监测点(9)的温度ta，得到由于管线沿程蒸汽温度下降带来的温度修正系数ε：
式中：Ave(ts,te,ti)为过热段温度传感器(6)温度te、源端热力参数监测系统(7)温度ts以及各用户端热力参数监测系统(8)温度ti的平均值，℃；Ave(ts,te)为过热段温度传感器(6)温度te、源端热力参数监测系统(7)温度ts的平均值，℃；
进而，建立焓降法测试段(3)的散热热通量qh与被测蒸汽热网上的平均散热热通量qt之间的关系：
qt＝ε·qh
S4、热网总冷凝量计算：监测控制终端(10)通过源端热力参数监测系统(7)和各用户端热力参数监测系统(8)的蒸汽热力参数，计算源端热力参数监测系统(7)的蒸汽焓值hs和各用户端热力参数监测系统(8)的蒸汽焓值hi；对源端热力参数监测系统(7)和各用户端热力参数监测系统(8)的压力值取平均，求取平均压力下的饱和蒸汽焓值hw，建立散热损失与被测蒸汽热网的蒸汽总冷凝量ΔG的定量关系：
式中：A为被测管线的总表面积，m2；Gi为各用户端热力参数监测系统(8)的流量值；
从而得到热网总冷凝量ΔG；
S5、蒸汽热网的冷凝系数η计算：监测控制终端(10)通过源端热力参数监测系统(7)的流量值Gs和各用户端热力参数监测系统(8)的流量值Gi，计算蒸汽热网的实际管损量ΔG1：
ΔG1＝Gs-∑Gi
进而计算被测蒸汽热网的冷凝系数η：
S6、热网水击风险评估：设定冷凝系数阈值为η1和η2，其中η1<η2；当蒸汽热网的冷凝系数η大于η2时，水击风险提示等级最低，系统运行安全；当蒸汽热网的冷凝系数η大于η1、小于η2时，热网水击风险上升，系统提示风险等级上升；当蒸汽热网的冷凝系数η小于η1时，监测控制终端(10)进行水击风险最高。
2.根据权利要求1所述的基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统，其特征在于：所述源端热力参数监测系统(7)和用户端热力参数监测系统(8)均包含温度传感器(11)、压力传感器(12)和质量流量计(13)。
3.根据权利要求1所述的基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统，其特征在于：所述焓降法测试段(3)的管道长度大于等于700m或焓降法测试段(3)始末端的蒸汽温差大于等于3℃。
4.根据权利要求1所述的基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统，其特征在于：所述过热段温度传感器(6)处的蒸汽过热度大于等于60℃。
5.根据权利要求1所述的基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统，其特征在于：所述焓降法测试段(3)内包含至少一个蒸汽热网主管线(1)上所具备的各类管道附件。
6.根据权利要求1所述的基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统，其特征在于：所述蒸汽热网主管线(1)为单热源或多热源的枝状供热管网。
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