管網慢變流水力計算及水擊波動過程優(yōu)化控制.pdf

1、近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，供熱、燃氣和給水等流體輸配管網的規(guī)模不斷增加，其拓撲結構越來越復雜，同時準確掌握穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況以實現(xiàn)對管網的精確調度、水擊等事故工況的模擬與控制、利用實時測量數(shù)據進行管道摩阻的識別等等，都是管網運行管理過程中迫切需要解決的問題，這就需要對與之相關的一部分水力計算基礎問題進行理論研究。為此本文著重于非恒定流問題，從應用基礎的角度對管網慢變流水力計算和水擊波動過程的優(yōu)化控制問題進行研究，以期為推動流體網

2、絡理論和水擊控制方法在供熱、供燃氣、通風及空調工程專業(yè)和其它相關專業(yè)中的應用提供理論支持。
　　圖論作為網絡分析的主要工具，非常適合解決復雜管網的水力計算問題。圖論求解的最重要特征是將網絡圖形的本構特征用兩個特征矩陣來量化表示，即基本關聯(lián)矩陣和基本回路矩陣?；趫D論的管網水力分析則是將各管段的伯努利方程（即能量方程）與管段間質量守恒的連續(xù)性方程通過這兩個圖論中的特征矩陣以最簡捷的方式完成對管網水力計算的全局描述，構造出矩陣形式的定

3、解方程組，并在此基礎上利用矩陣論求解。本文詳細介紹了利用圖論進行單定壓節(jié)點恒定流管網水力計算的步驟，并通過引入虛節(jié)點、添加虛管段并形成虛環(huán)，建立了基于圖論的多定壓節(jié)點恒定流管網水力計算模型，通過將相關矩陣向量進行分塊表示，利用矩陣論導出了采用鏈支流量矩陣進行管網水力計算的解析表達式及迭代求解步驟，并對帶有水泵的算例管網進行了模擬計算。
　　實際管網正常運行時單純的負荷變動以及無時不在的管網狀態(tài)調節(jié)都可以抽象成非恒定流中的慢變流進行

4、研究，這是大量管網運行中的現(xiàn)實現(xiàn)象，通過對實際管網進行多種慢變工況的模擬，可以捕捉到豐富的管網信息。本文基于非恒定流的伯努利方程，在圖論的基礎上建立了環(huán)狀管網慢變流水力計算模型，推導出了以鏈支流量作為求解向量的慢變流水力計算的解析表達式和遞推關系式，同時還給出了基于節(jié)點水頭法的管網慢變流水力計算模型和求解方法。管網慢變流水力計算對于把握管網調節(jié)過程中的實時狀態(tài)、摩阻辨識、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、并最終實現(xiàn)管網的運行調度和有效控制等實際問題具有很

5、大的應用前景。
　　管網系統(tǒng)內的快變流問題是一個極其復雜的問題，本文僅以簡單有壓管路中的水擊波動過程進行研究，這是研究管網系統(tǒng)水擊問題的理論基礎。在詳細分析水擊基本微分方程組及初邊值條件的基礎上，本文將波動方程在有限區(qū)間內的行波解應用于快變流的線性水擊波動問題中。通過給定閥門處速度變化規(guī)律得到水擊波動過程中速度沿全管及全時程的精確解析解，然后利用表示速度、壓強波動過程的兩個偏微分方程為共軛方程，其邊界條件耦聯(lián)的特點，引入曲線積分與

6、路徑無關條件，根據速度的精確解析解最終構造出了閥門關閉過程中管道內水擊壓強的精確解析解。
　　本文對水擊波動問題的研究是從水擊防護的優(yōu)化控制角度來進行的。根據文中得到的水擊壓強的精確解析解，在定義了特征波高、最優(yōu)特征波高和觀察時刻等概念的基礎上，給出了水擊壓強的控制目標、最優(yōu)特征波高的判斷準則及其對應的最優(yōu)控制參數(shù)。最優(yōu)特征波高是閥門關閉過程中可能形成的無數(shù)水擊波波高的最大值中的最小值，它是利用閥門進行主動控制以減小水擊波動的極限