蒸汽管网水力热力耦合计算理论及应用研究

摘要

本文针对蒸汽在管网中流动状态参数变化大，伴随相变，压降导致饱和温度降低，凝水管“二次汽化”的现状，结合山东省教育厅科技发展项目“大型蒸汽管网水力、热力计算模型及应用的研究”，基于工程热力学、传热学、流体力学等理论，通过对蒸汽热力性质计算方法、蒸汽管网热损失分析、水力和热力计算理论与实际运行情况进行了系统的研究，建立了蒸汽管网水力热力耦合计算模型，并开发了相应的计算软件。在蒸汽管网水力热力计算方法等方面取得了较大研究进展，主要研究成果总结如下：
　　 1.蒸汽管网热力计算模型及实际运行蒸汽管网热损失分析
　　 根据蒸汽管网的传热特点和热平衡原理，建立了蒸汽管网热力计算模型。该模型由管内蒸汽温降方程、不同敷设方式蒸汽管道的单位长度散热损失方程、总传热系数方程等组成，利用散热损失计算公式对钢套钢蒸汽保温管道不同敷设方式、不同管径的散热损失等总传热系数的影响因素进行了分析，计算结果表明三方程联合求解提高了新建蒸汽管网热力计算的准确度，可用于新建蒸汽管网的热力计算。
　　 本文提出了一种对实际运行蒸汽管网进行热损失综合分析的方法，推导出管网热损失综合计算公式。通过采集济南市三条典型蒸汽管网运行数据并对其进行处理，对这三条蒸汽管网的热损失进行了分析，并对计算结果和监测数据进行了比较，得出本文提出的蒸汽管道热损失计算方法与实际运行结果一致，可以作为蒸汽管道进行水力热力耦合计算的依据，用于工程实际散热计算。
　　 2.水蒸汽热力性质计算方法
　　 由于蒸汽输送过程中状态参数变化较大，目前通常把蒸汽作为理想气体来处理或按饱和蒸汽查取蒸汽性质图表确定输送蒸汽的状态参数，造成计算误差较大，连续性很差，特别是对湿蒸汽状态参数计算误差更大。通过对莫里尔状态方程、乌卡诺维奇状态方程与IAPWS-IF97计算公式三种计算蒸汽状态参数精度较高的状态方程进行分析，对计算结果的精度进行了比较，并分别与状态参数表插值结果进行对比，给出了各种方法的适用区域，为管网进行热力分析时准确选取蒸汽热力性质计算方法提供了依据。
　　 3.水力热力耦合计算数学模型
　　 通过对蒸汽输送过程中流动及换热特性的研究，导出了蒸汽流动运动方程，结合蒸汽状态方程，将蒸汽流动应遵循的连续性方程、运动方程和能量守恒方程联立，组成蒸汽流动的水力热力数学模型。模型综合考虑蒸汽流动过程的可压缩性、状态变化、摩擦和传热等多种因素的作用，在国际上首次提出把蒸汽管网的水力热力计算进行耦合叠代计算，解决了目前蒸汽管网水力热力计算考虑流动过程散热损失对压力变化的影响较粗而造成的的计算结果与实际运行结果不一致的问题，特别是在较小负荷下运行，压降主要是散热损失造成的，而不是由流动损失造成的。
　　 4.蒸汽水力热力耦合计算数学模型求解
　　 由于建立的蒸汽管网水力热力耦合计算数学模型复杂，不能直接求解，本文对该模型进行了简化，采用标准四阶Runge_Kutta方法对微分方程组进行求解，并把计算结果与实际运行结果进行比较，证明该模型计算结果与实际运行结果吻合，可应用于工程实际，解决现有方法计算不准确的问题。
　　 5.蒸汽管网水力热力耦合计算软件开发
　　 采用Visal C++6.0作为编程工具开发了蒸汽管网水力热力耦合计算软件系统。该计算软件系统可以实现蒸汽管网计算机智能绘图、初始资料可视化界面对话框式输入，绘图方便，初始数据输入快捷，计算结果文件化输出，计算速度快，结果精度高，软件稳定性好。
　　 6.实际工程应用
　　 以济南市典型蒸汽供热管网为例，对管网的水力和热力工况进行了模拟计算，其计算结果和手工计算结果分别与实际运行结果比较表明：该系统可用于蒸汽管网的设计计算、运行调节及其数值模拟，使计算精度大幅提高。

目录

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英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2国内外研究现状

1.3存在的问题及发展趋势

1.4本文研究的主要内容

第2章蒸汽管道热力计算模型及运行管网热损失分析

2.1蒸汽管道热损失公式推导

2.2总传热系数及其影响因素分析

2.3蒸汽管道单位长度热损失分析

2.4蒸汽管道沿途温降计算

2.5实际运行蒸汽管网热损失分析

2.6小结

第3章水蒸汽热力性质计算方法

3.1水蒸汽状态方程

3.2 IAPWS-IF97计算公式

3.3水蒸汽热力性质计算方法比较

3.4小结

第4章蒸汽流动数学模型的建立及求解

4.1水力热力耦合计算数学模型推导

4.2蒸汽不稳定流动讨论

4.3蒸汽稳定流动模型及其简化

4.4小结

第5章蒸汽管网水力热力耦合计算模型及其软件系统开发

5.1蒸汽管网水力热力耦合计算模型及其算法

5.2蒸汽管网水力热力数值解法

5.3蒸汽管网水力热力耦合计算软件开发

5.4小结

第6章水力热力耦合计算方法应用实例

6.1工程实例一

6.2工程实例二

6.3小结

第7章结论与展望

7.1主要研究结论

7.2建议与展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

作者简介