Useful Pressure Loss calculation in Complex District Heating Networks

Abstract

Large district heating networks often have a complex structure that requires iterative calculations to determine the flow distribution throughout the network. This Master’s thesis describes a piece of software implementing methods and data structures to determine and present the flow distribution and pressure state in such district heating networks.
The purpose of the thesis work was to create a tool to not only calculate flow distribution and pressure loss in pipe networks, but also deliver the result in a format that is easy to under¬stand. This is applicable both for the engineer doing the actual calculations and using the program as an analyzing tool as well as for the business owner who needs an intuitive understanding of the capacity of their distribution network.
The thesis presents a model of the geometric distribution network with consumers and producers. Self-developed methods for automatic processing of the geometric model are explained. The hydraulic equations for pipe networks connecting pressure, flow, temperature, pipe size, altitude, consumer needs and other relevant data are presented. The hydraulic equations are used in calculation algorithms where thousands of pipes and consumers are processed to find the flow distribution that meets all criteria. At last the calculated result is shown in color-coded graphs for a clear view of bottlenecks, risk areas, distribution paths etc.

The result of this thesis work is a piece of software used for flow and pressure calculations in more than thirty locations in Sweden, Norway and Great Britain.

Popular Abstract (Swedish)

Bra tryck för fjärrvärme
Nio av tio flerbostadshus i Sverige värms med fjärrvärme, där värmen produceras i stora anläggningar och leds ut till kunderna via rörledningar i marken. När ledningsnät förstärks uppstår ofta komplexa system där det är svårt att veta vilka vägar vattnet tar. Detta examens-arbete har resulterat i ett datorprogram som räknar ut vilken väg vattnet tar i nätet och hur detta påverkar möjligheten att leverera värme i olika delar av nätet.
Fjärrvärme bygger på att varmt vatten leds genom rörledningar ut till kunderna för att avge värme. Därefter leds det avkylda vattnet tillbaka genom ett annat rör för att värmas upp igen. De största orterna i Sverige har hundratals mil av fjärrvärmerör liggande i marken. Även många små orter i Sverige kan ha ledningsnät som tillsammans är flera mil långa.
För att transportera vattnet ut till kunden och tillbaka till produktions¬anläggningen används pumpar. Ytterst små skrovligheter på rörens insida gör dock att vattnet bromsas upp och en del av det tryck som pumparna skapar går förlorat i ledningarna på vägen till och från kunderna. Lågt flöde ger låg förlust och högt flöde ger hög förlust. Om värmebehovet är stort hos kunderna behövs ett högt flöde, men om pumpen inte klarar att övervinna förlusterna som uppstår vid de höga flödena kommer leveranskapaciteten att bli begränsad. Kunderna riskerar då att inte få den värme som behövs för att hålla husen varma. Det är därför viktigt att ha kunskap om vilka tryckförluster som uppstår i nätet.
I små nät med enkla strukturer är det lätt att räkna ut hur vattnet flödar och vilka tryckförluster som uppstår. Efter hand som det totala värmebehovet i nätet växer byggs förstärknings¬ledningar för att öka kapaciteten och minska risken för avbrott, eller åtminstone minska konsekvensen av ett avbrott. Genom att sådana förstärkningar ofta går på kors och tvärs i den tidigare enkla strukturen uppstår en komplicerad struktur där det är svårt att veta hur vattnet flödar i ledningarna och vilka tryckförluster som uppstår. Det är därför också svårt att veta hur systemet kommer att uppträda vid hög belastning eller en oförutsedd händelse.
Detta examensarbete har till största delen gått ut på att utveckla och implementera metoder för att beräkna tryckförluster i komplicerade ledningsnät och presentera resultatet på ett peda-gogiskt sätt. Beräkningsresultatet ska kunna tolkas av både ingenjören som gör analyser och verksam¬hets¬ägaren som vill få en förståelse för vilka begränsningar som finns i nätet. Resul-tatet av arbetet är ett datorprogram som på underlag som normalt finns hos fjärrvärmebolagen kan göra beräkningar i ledningsnät med tusentals ledningar och kunder. Beräkningsresultatet presenteras med ledningskartor där bland annat flaskhalsar, problemområden och utbyggnadsmöjligheter kan visas med färgskalor för god överblick. Programmet har använts för beräkningar av ett trettio¬tal nät i Sverige, Norge och Storbritannien. Beräkningarna ger möjlighet till effektiv drift med minskad risk för störningar och bättre underlag för framtida förändringar.

• author: Roslund, Jonas
• supervisor: Gustaf Söderlind
• organization: Mathematics (Faculty of Engineering)
• course: FMN820 20151
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• publication/series: Master's Theses in Mathematical Sciences
• report number: LUTFNA-3035-2015
• ISSN: 1404-6342
• other publication id: 2015:E34
• language: Swedish
• id: 7366194
• date added to LUP: 2015-06-18 11:58:01
• date last changed: 2015-12-14 13:32:12