CN102063566B - 一种水力热力耦合仿真模型的多气源蒸汽管网计算系统 - Google Patents

Abstract

一种水力热力耦合仿真模型的多气源蒸汽管网计算系统，属于能源管网仿真计算技术领域。本发明的系统包括关系数据库、由实时数据库和数据采集子系统构成的数据采集模块、由数据录入子模块和计算结果显示子模块组成的数据结果显示模块以及由耦合仿真计算子模块和计算结果修正子模块组成的管网仿真计算模块；系统使用图论方法描述管网拓扑结构，为多气源计算提供了建模依据；耦合了水力学和热力学计算模型，使用有限元法解出模型，能在管网环境改变时触发结果修正；数据结果显示模块以可视化的方式显示在管网视图控件中。本系统的优点在于：提高状态参数计算精度，解决多气源管网模型的计算问题。

Description

一种水力热力耦合仿真模型的多气源蒸汽管网计算系统

技术领域

本发明属于能源管网仿真计算技术领域，提供了一种较为精确和快速的计算蒸汽管网各节点温度、压力和流量等状态量以及生成冷凝水量的计算系统。该系统使用管网仿真计算模块解决了多气源蒸汽管网的建模问题，使模型更具普适性，并使用计算结果修正子模块提出的一种修正管网模型参数的方法对模型结果进行修正，使模型具有自适应性。

背景技术

蒸汽作为生产过程中的主要携能工质和辅助工艺物流，被广泛用于炼油、化工、钢铁、轻工、热电、区域集中供热等各个领域。随着生产规模的渐进发展，蒸汽管网系统变得庞大复杂，不仅难以管理调度，而且浪费惊人。在管道输送过程中随着过热或饱和蒸汽的流动，由于管壁散热和摩擦等因素，温度和压力不断降低，会造成密度、比热和动力黏度等状态参数的变化，增加了蒸汽管网计算分析的不确定性因素。同时在蒸汽流动时会发生相变，产生冷凝水损失大量的热量，并会使状态参数的变化更加剧烈。蒸汽管网凝水损失大、状态参数变化大决定了蒸汽管网的水力热力计算过程复杂，要比热水管网或其他一些可压缩流体管网的难度大得多。

之前蒸汽管网水力计算主要依靠人工查阅计算手册或计算图表完成的，效率低下且误差较大。目前国内外已有一些蒸汽管网的计算方法，但大多只选择水力工况的计算，而忽略蒸汽水力工况与热力工况之间的相互影响，对于状态参数的计算往往只考虑压力的变化而忽略温度的变化，使得水力计算结果与实际运行数据误差较大，精度难以满足工程需要。目前对水力计算模型有三种解法：一是解环方程法，二是解节点方程法，包括有限元节点法和联立节点法(也叫牛顿-拉普森法)，三是解管段方程法；而且多用图论知识输入管网结构，然后建立水力计算模型并根据实际情况选择一定的解法解出结果。

本发明将综合考虑蒸汽的可压缩性、状态变化、摩擦和传热等多种因素的作用，建立蒸汽流动过程中的水力热力耦合计算模型，并以此为计算依据构建管网仿真计算系统，通过数据结果显示模块准确描述蒸汽输送过程中温度和压力变化关系，从而解决目前水力计算和热力计算分别考虑所产生较大误差的问题。

发明内容

本发明的目的有四点：一是提供一种耦合计算方法，在运算时能综合考虑到温度和压力的变化，以便提高状态参数的计算精度；二是提供一种多气源的计算模型，能够解决在多气源条件下的管网计算情况；三是提供一种管网模型修正自适应的算法，使管网模型能够自动调整参数来适应管网环境的变化；四是提出一种管网耦合仿真的计算系统，使管网计算的数据提取、分析和显示三个模块自治且相互联系。本质上前三点都是为了提高管网模型的计算精确度，模型建立后计算得出的温度、压力和流量数据能有效指导调度人员提高对蒸汽的优化利用和管理水平，对蒸汽系统的技术改造提供数据支持，并可实现软仪表技术以及结合现有测量数据进行数据侦破和数据协调。

本发明的系统在硬件上包括客户端PC、应用服务器、关系数据库服务器、实时数据库服务器等。在应用模块上包括关系数据库、由实时数据库和数据采集子系统构成的数据采集模块、由数据录入子模块和计算结果显示子模块组成的数据结果显示模块以及由耦合仿真计算子模块和计算结果修正子模块组成的管网仿真计算模块。其中数据结果显示模块部署在客户端，管网仿真计算模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库服务器；

数据结果显示模块和管网仿真计算模块均与关系数据库相互连接，数据结果显示模块与管网仿真计算模块相互连接，管网仿真计算模块与数据采集模块相连接；

●关系数据库

关系数据库用于存储用户录入的信息，如管段、节点、管网、材料等信息。

●数据采集模块

数据采集模块由实时数据库和数据采集子系统组成；采集子系统由节点传感器组成，节点传感器将采集数据传入实时数据库中，并由数据采集模块根据查询条件向管网仿真计算模块提供实时数据。

●数据结果显示模块

(1)数据录入子模块：主要包括现有管网各种形式的原始数据、图纸信息的录入、存储、传输和组织，以便合理地利用现有的信息建立蒸汽管网的数字模型信息。录入的信息包括节点信息、管段信息以及环境信息。节点信息包括节点编号、节点的位置信息；管段信息包括管段的起点和终点信息、管径、管长、管段材料和管段的保温材料及其厚度等信息；环境信息包括当前的温度、大气压强和风速。

(2)计算结果显示子模块：实现以图像化的方式对计算结果的显示及数据录入情况的显示，并能提供接口为外部系统如GIS系统调用并显示。

●管网仿真计算模块

(1)耦合仿真计算子模块：它包括多气源管网结构的建立、管网耦合仿真模型的建立、管网耦合仿真模型的解法、管网耦合仿真模型的多气源解法等四部分。

多气源管网结构的建立：把管网中的节点和管道抽象中图论中的点和线，定向后成为一个有向图。其中节点分为两部分：参考节点和独立节点，其中参考节点是指流量已知、温度和压力未知的节点，独立节点是指流量未知、温度和压力已知的节点；对应地将管道根据图论知识分为余树和树枝。当有多个参考点时管网结构体现为一个多气源问题。对节点和管道排序，保证独立点在前参考点在后，树枝在前余树在后，写出有向图的关联矩阵A，并确定好参考点、独立节点、树枝和余树将A分块为四部分，即

A_I＝[A₁₁ A₁₂]，A_X＝[A₂₁ A₂₂]，其中A₁₁是独立节点-树枝关联矩阵，A₁₂是独立节点-余树关联矩阵，A₂₁是参考节点-树枝关联矩阵，A₂₂是参考节点-余树关联矩阵。。

管网耦合仿真模型的建立：根据水力学和热力学计算模型、IF97国际公式以及基尔霍夫定理有ΔP＝A^TP，ΔT＝A^TT，AG＝Q，ΔP＝C_PG²，ΔT＝C_T/G，联立方程组可得到耦合计算模型AC_PA^TP＝Q。式中的P和T分别表示管段的压力和温度向量，ΔP表示管段降的压力差向量，ΔT表示管段的温度差向量，G为各管段的平均流量向量，Q为各节点的流量向量。C_P，C_T分别表示管段的阻尼系数和温降系数，可根据流体力学中的质量守恒和热量守恒得出，即有

其中β表示局部摩擦阻力的当量长度系数，η为管道附件、阀门、补偿器、支座等的散热损失附加系数，它们都与管道的物理特性和周围环境相关，为常数；λ为摩擦系数；l表示管段的长度；c_p为蒸汽定压比热容，使用IF97国际公式可求出；d为管段的公称直径；q₁表示蒸汽管道单位长度散热量，可由

求出，式中T₀为管道或设备外表面温度，取管道内蒸汽温度，T_a为环境温度，D_o为保温层外径，D_i为保温层内径，可取管道外径，

其中v为保温层外表面附近空气的流动速度，ω为保温材料及制品的导热系数；ρ为该管段蒸汽的平均密度，由IF97公式求出始末节点的密度再按比例平均，有：其中ρ₁和ρ₂分别表示管段起始节点和末节点的密度；

管网耦合仿真模型的解法：首先假定一个初始流量，一般而言通过遍历各节点的最小的流量作为初始流量，计算导纳矩阵

分别联立水力学方程和热力学方程得到流量、压力和温度，比较所求流量是否与假设流量之间的相对误差在允许范围内，若满足则退出输出结果，否则则修正所求流量，用所求的温度和压力再次计算导纳矩阵进入下一轮迭代，直至结果满足收敛条件为止。具体步骤如下：

步骤一：设定k的最大值为k_max；

步骤二：确定一个初始流量向量G₀，第一次迭代设定独立节点的压力和温度为参考点的压力P₀和温度T₀，置k＝1；

步骤三：进入第k次计算，由AC_PA^TP＝Q可求出各独立节点的压力P_k；由

其中

求出各节点的流量G_k；再由A^TT＝C_T/G得到各节点的温度T_k；

步骤四：比较G_k和G′_k-1，两者之间的误差相对值满足事前设定的要求则停止迭代转入步骤五；否则设k＝k+1，如果k＞k_max，则转入步骤二，否则修正G_k为G′_k转入到步骤三；

步骤五：保存P_k，G_k，T_k，算法退出；具体如图3。

管网耦合仿真模型的多气源解法：当气源点为多个时，参考节点数目增加，为保证方程有解，把A、G和Q等按照独立节点在前、参考节点在后进行分块，如

由

把方程AG＝Q分块相乘，以便实现已知量和所求量的分离，可以得到

可证明该线性方程的解唯一。使用高斯消去法解得独立节点的压力后，其后的计算步骤采取和单气源点同样的方式。但在计算温度时A^TT＝C_T/G中对关联矩阵A分解为四部分，可有

可以证明A₁₁是非奇异的，保证该线性方程有唯一解。

(2)自适应修正算法子模块：它包括误差识别部分和自适应修正部分。

误差识别部分：包括自动方法和人工确认方法。自动方法是指管网耦合仿真模型计算出结果后程序会自动从实时数据库中获取对应采样点的温度

压力

和流量

计算实际值与计算值的误差，即有

如果ΔT_i、ΔP_i或ΔG_i中的任何一个超过由操作人员提前根据实际需要设定的范围则被标识为待修正采样点，这些数据将会传递到自适应修正部分来完成修正。人工确认方法是在管网耦合仿真模型计算出的结果被展示后，由查看人员确认该数据是否误差较大，并给出经验值以便传回自适应修正部分来进行迭代修正。

自适应修正部分：在水力学模型中压力降与流量的系数

在热力学模型中温度降与流量的系数

其中β和η与管道的物理特性和周围环境相关，l表示管段的长度，c_p为蒸汽定压比热容，d为管段的公称直径，ρ为蒸汽的平均密度。当管道环境改变时，使用最小二乘法对β和η进行修正，即通过

和

来回归得到新的β^*和η^*。

本发明的优点在于：系统的管网仿真计算模块在管网建模时针对管段的已知量和所求量进行分类，为多气源计算提供了建模依据；使用IF97国际计算公式，并耦合了水力学和热力学计算模型，提高了状态参数计算的精度，使计算结果更加精确；把管段中的已知量和未知量分离，很好地解决了多气源管网模型的计算问题。系统的数据结果显示模块则提供了灵活的数据组织形式，把管网数据以C/S架构的方式提取和存储。系统的计算结果修正子模块则是使用最小二乘法对管网计算结果自动识别误差和自适应修正，能在管网环境改变时触发结果修正。

附图说明

图1是本发明的系统与模块关系。

图2是本发明的管网仿真模型执行过程流程图。

图3是本发明的耦合计算迭代过程图。

具体实施方式

图1为本发明的系统与模块关系图。由图可以看出，本系统主要包括关系数据库、由实时数据库和数据采集子系统构成的数据采集模块、由数据录入子模块和计算结果显示子模块组成的数据结果显示模块以及由耦合仿真计算子模块和计算结果修正子模块组成的管网仿真计算模块。其中数据结果显示模块部署在客户端，管网仿真计算模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库服务器。

图2为管网仿真模型的执行过程流程图。若不是第一次执行，则首先从数据源提取基本的管网信息数据，包括管网的节点和管道信息，其中管道的信息包括公称直径、长度、管道材料、敷设方式、保温材料等，若是第一次执行则提供一个数据画面让用户输入这些基础数据。管网的基础信息数据获得后，开始执行耦合计算，迭代完成达到满意精度。当有实时数据或手动确认自动修正时将触发验证计算结果，如果计算结果不正确会进入到模型自适应修正模块执行新的计算，该计算将会修正了模型的一些参数，并开始新一轮的迭代计算，直到结果满意为止。

图3为管网耦合计算迭代过程图。首先从数据库提取管网基本信息，然后对节点和管段按照已知量和未知量进行分类，写出关联矩阵并分块，保证已知量和未知量的分离；然后假定一个初始流量，一般而言通过遍历各节点的最小的流量作为初始流量，计算导纳矩阵，分别联立水力学方程和热力学方程得到流量、压力和温度，比较所求流量是否与假设流量之间的相对误差在允许范围内，若满足则退出输出结果，否则则修正所求流量，用所求的温度和压力再次计算导纳矩阵进入下一轮迭代，直至结果满足收敛条件为止。

Claims (1)

1.一种水力热力耦合仿真模型的多气源蒸汽管网计算系统，其特征在于：系统包括关系数据库、数据采集模块、数据结果显示模块以及管网仿真计算模块；

数据结果显示模块和管网仿真计算模块均与关系数据库相互连接，数据结果显示模块与管网仿真计算模块相互连接，管网仿真计算模块与数据采集模块相连接；

数据采集模块由实时数据库和数据采集子系统组成；采集子系统由节点传感器组成，节点传感器将采集数据传入实时数据库中，并由数据采集模块根据查询条件向管网仿真计算模块提供实时数据；

数据结果显示模块由数据录入子模块和计算结果显示子模块组成；数据录入子模块实现对现有管网节点信息和管段信息的录入和组织，以便合理地利用现有的信息建立蒸汽管网的拓扑结构模型，同时把这些管网信息存储到关系数据库中，并直接把录入数据传入管网仿真计算模块进行计算；计算结果显示子模块实现以图像化的方式对计算结果的显示及数据录入情况的显示；

管网仿真计算模块由耦合仿真计算子模块和计算结果修正子模块组成；耦合仿真计算子模块通过向数据采集模块获取实时的管段温度和压力信息，并根据数据录入子模块设置的环境信息，结合关系数据库中存储的管网信息，通过节点和管段信息的迭代计算，得到各节点的温度、压力以及各管段的平均流量和冷凝水产生量，最后把结果返回到计算结果显示子模块并显示出来；

计算结果修正子模块是根据用户的设置，取耦合仿真计算子模块得出的数据与从数据采集模块查询来的数据进行误差比较，当误差超过用户设定的误差范围时对管网模型的阻尼系数和温降系数进行修正并存储到关系数据库中；

所述的节点信息包括节点编号、节点的位置信息；所述的管段信息包括管段的起点和终点信息、管径、管长、管段材料和管段的保温材料及其厚度信息；

所述的管网仿真计算模块包括多气源管网结构的建立、管网耦合仿真模型的建立、管网耦合仿真模型的解法和管网耦合仿真模型的多气源解法；

所述的多气源管网结构的建立是把管网中的节点和管道抽象为图论中的点和线，定向后成为一个有向图，其中节点分为两部分：参考节点和独立节点，其中参考节点是指流量已知、温度和压力未知的节点，独立节点是指流量未知、温度和压力已知的节点；对应地将管道根据图论知识分为余树和树枝；一次管网耦合仿真计算保证有一个参考节点，当有多个参考节点时管网结构体现为一个多气源问题；对节点和管道排序，保证独立节点在前参考节点在后、树枝在前余树在后，写出有向图的关联矩阵A，并确定好参考节点、独立节点、树枝和余树将A分块为四部分； $A=\left[\begin{array}{c}{A}_I\\ A_X\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right],$ A_I＝[A₁₁ A₁₂]，A_X＝[A₂₁ A₂₂]，其中A₁₁是独立节点-树枝关联矩阵，A₁₂是独立节点-余树关联矩阵，A₂₁是参考节点-树枝关联矩阵，A₂₂是参考节点-余树关联矩阵；

所述的管网耦合仿真模型的建立是根据水力学和热力学计算模型、IF97国际公式以及基尔霍夫定理有ΔP＝A^TP，ΔT＝A^TT，AG＝Q，ΔP＝C_PG²，ΔT＝C_T/G，联立方程组可得到耦合计算模型AC_PA^TP＝Q，式中的P和T分别表示管段的压力和温度向量，ΔP表示管段降的压力差向量，ΔT表示管段的温度差向量，G为各管段的平均流量向量，Q为各节点的流量向量，C_P、C_T分别表示管段的阻尼系数和温降系数，管段的阻尼系数和温降系数根据流体力学中的质量守恒和热量守恒得出，有

其中β表示局部摩擦阻力的当量长度系数，η为管道附件、阀门、补偿器和支座的散热损失附加系数，β和η都与管道的物理特性和周围环境相关，为常数；λ为摩擦系数；l表示管段的长度；c_p为蒸汽定压比热容，使用IF97国际公式求出；d为管段的公称直径；q_l表示蒸汽管道单位长度散热量，可由求出，式中T₀为管道或设备外表面温度，取管道内蒸汽温度，T_a为环境温度，D_o为保温层外径，D_i为保温层内径，可取管道外径，

其中v为保温层外表面附近空气的流动速度，ω为保温材料及制品的导热系数；ρ为该管段蒸汽的平均密度，由IF97公式求出始末节点的密度再按比例平均，有：其中ρ₁和ρ₂分别表示管段起始节点和末节点的密度；

所述的管网耦合仿真模型的解法：

步骤一：设定k的最大值为k_max；

步骤二：确定一个初始流量向量G₀，第一次迭代设定独立节点的压力和温度为参考点的压力P₀和温度T₀，置k＝1；

步骤三：进入第k次计算，由AC_PA^TP＝Q可求出各独立节点的压力P_k；由

其中

求出各节点的流量G_k；再由A^TT＝C_T/G得到各节点的温度T_k；

步骤四：比较G_k和G′_k-1，两者之间的误差相对值满足事前设定的要求则停止迭代转入步骤五；否则设k＝k+1，如果k＞k_max，则转入步骤二，否则修正G_k为G′_k转入到步骤三；

步骤五：保存P_k，G_k，T_k，算法退出；

所述的管网耦合仿真模型的多气源解法为当气源点为多个时，则参考节点数目增加，为保证方程有解，把A、G和Q按照独立节点在前、参考节点在后进行分块， $G={\left[\begin{array}{cc}{G}_I^T& G_X^T\end{array}\right]}^T,$ $Q={\left[\begin{array}{cc}{Q}_I^T& Q_X^T\end{array}\right]}^T,$ $A=\left[\begin{array}{c}{A}_I\\ A_X\end{array}\right],$ 由

把方程AG＝Q分块相乘，得到

该线性方程的解唯一；使用高斯消去法解得独立节点的压力后，其后的计算步骤采取和单气源点同样的方式，但在计算温度时A^TT＝C_T/G中对关联矩阵A分解为四部分，可有A₁₁是非奇异的，保证该线性方程有唯一解；

所述的计算结果修正子模块包括误差识别部分和自适应修正部分；

误差识别部分包括自动方法和人工确认方法；

所述的自动方法是指管网耦合仿真模型计算出结果后程序会自动从实时数据库中获取对应采样点的温度

压力

和流量

计算实际值与计算值的误差，有

如果ΔT_i、ΔP_i或ΔG_i中的任何一个超过由操作人员提前根据实际需要设定的允许范围则被标识为待修正采样点，待修正采样点数据将会传递到自适应修正部分来完成修正；

所述的人工确认方法是在管网耦合仿真模型计算出的结果通过计算结果显示子模块显示后，由查看人员确认该数据是否误差较大，并给出经验值以便传回自适应修正部分来进行迭代修正；

自适应修正部分：在水力学模型中压力降与流量的系数

在热力学模型中温度降与流量的系数

其中β和η与管道的物理特性和周围环境相关；当管道环境改变时，使用最小二乘法对β和η进行修正，通过

和

来回归得到β^*和η^*，保存这两个变量在下次计算时使用。

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