CN106647329A - 一种供热管网等效建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种供热管网等效建模方法，该法包括：按流体网络建模技术建立集中供热一次管网系统数学模型、建立的数学模型的等效聚合，得到模型参数和校验模型参数与实测数据是否存在偏差。本发明提供的根据传热学、流体力学原理和动力系统建模方法，基于流体网络建模技术建立的符合实际供热管网物理特性；通过拓扑结构简化、关键参数辨识和现场实测数据，实现了大型复杂供热系统模型的简化与校核，提高了热电联合优化模型计算速度和精确度。

Description

一种供热管网等效建模方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体讲涉及一种供热管网等效建模方法。

背景技术

随着化石燃料的逐步枯竭以及能源结构综合优化调整问题的逐渐突出，世界各国发展新能源的意识都在不断加强。作为最具开发规模的可再生能源发电代表的风电，近年来受重视的程度越来越高，开发利用发展迅速，但是由于风电出力随风而定，时间上不稳定，空间上不均衡，具有随机性和波动性以及反调峰等特性，使得风力发电的消纳问题比较突出，弃风现象普遍并且严重。

一些高纬度地区的供热以大型热电联产集中供热为主，城市供热管网容积巨大，保温性能好，具有较高的热惯性，业已构成巨大的储热系统。在保证供热前提下，可以通过供热管网的储热特性和热惯性平移供热机组的热负荷，适当降低供热机组的热出力，提升供热机组的调峰能力，为新能源发电提供空间。因此，需要研究表征集中供热管网系统储热能力和热惯性的特征参数，建立城市供热系统的热特性模型，为热-电联合优化运行控制提供理论基础。

但供热管网具有复杂拓扑结构，面对这样一个复杂系统的建模，需要巨大的计算量，现有技术无法满足计算的快速性要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种供热管网等效建模方法，简化城市供热管网的数学模型，大幅缩减了变量规模，有效提升该问题的求解速度。

一种供热管网等效建模方法，所述方法包括：

I、按流体网络建模技术建立集中供热一次管网系统数学模型；

II、所述管网系统数学模型的等效聚合，得到模型参数；

III、校验模型参数与实测数据是否存在偏差。

进一步的，所述步骤I的集中供热一次管网系统数学模型包括一次管网稳态水力模型和供热管网稳态热力模型；

所述一次管网稳态水力模型如下式所示：

其中，A为流体网络的基本关联矩阵，A＝(a_ij)_n×b；G为管网的流量对角阵，G＝(g_j)_b×b；Q为管网节点流量矩阵，Q＝(q_i)_n×b；B为流体网络的基本回路矩阵，B＝(b_cj)_c×b；S为管网阻力系数对角阵，S＝(s_j)_b×b；Z为管网节点的高度差矩阵，Z＝(z_j)_b×b；M为水泵扬程列向量，M＝(m_j)_b×1；

所述供热管网稳态热力仿真模型如下式所示：

其中，c为水的比热容；G为管道流量对角阵，G＝(g_j)_b×b；T_in为管道入口流体温度列向量，T_in＝(t_j,in)_b×1；T_out为管道末端流体温度列向量，T_out＝(t_j,out)_b×1；H为热源节点输入能量列向量，H＝(h_i)_b×1；U为热用户节点消耗能量列向量，U＝(u_i)_b×1；D为管道单位时间散热量列向量，D＝(d_j)_b×1；T_Node为流入到管道中的流体温度，T_Node＝(t_Node,i)_n×1；K表示管道的集总散热系数，K＝(k_ij)_n×b。

进一步的，所述一次管网稳态水力模型的约束包括：

流体网络i节点的流量q_i的约束如下式所示：

其中，a_ij为流动方向符号函数，i＝1,…,n，j＝1,…,b；g_j为管道j的质量流量，单位为kg/s；b为管道数目；

回路压力平衡约束如下所示：

其中，b_cj为分支流动方向符号函数，c＝1,…,b-n；h_j为管道j两端的压力水头之差，单位为Pa；

管网中任一管道的两端的压力水头之差的约束如下式所示：

h_j＝s_jg_j ²+z_j-m_j

其中，s_j为管道j的阻力系数，单位为Pa/(kg/s)²；z_j为管道j两节点间水压差，单位为Pa；m_j为管道j中水泵的扬程，单位为Pa。

进一步的，所述供热管网稳态热力模型的约束包括：

节点能量平衡约束和管道散热平衡约束分别如下式所示：

g_jct_j,in＝g_jct_j,out+d_j j＝1,2,…,b

其中，g_jct_j,out为j管道在i节点传入的热量，单位为W；g_j为j管道的流量，单位为kg/s；c为水比热，单位为J/[kg·K]；t_j,out为j管道出口端温度，单位为K；h_i为热源向i节点传入的热量，单位为W；g_jct_j,in为i节点输出到j管道的热量，单位为W；t_j,in为j管道入口端温度；u_i为i节点的用户消耗的热量，单位为W；d_j为j管道向外界的散热量，单位为W；

流体在节点处流入到不同管道中的流体温度t_Node,i的约束如下式所示：

t_Node,i＝k_i,jt_j,in

其中，k_ij为当j管道以i节点为起点时为1，否则为0。

进一步的，所述步骤II包括：按照简化前后温度延迟一致和等价流动阻力不变的原则对步骤I的所述一次管网系统数学模型进行简化；通过matlab仿真计算获得流动阻力特性系数、管道热损失系数和换热设备换热系数。

进一步的，所述步骤III的实测数据包括：管道流量、节点相对压力和管网管道的进出口水温。

进一步的，所述步骤III包括：基于一次管网系统数学模型简化模型，用管道实测进口水温计算出口水温，并与实测出口水温比较；

若存在偏差，根据现场实测数据，重新计算获得流动阻力特性系数、管道热损失系数和换热设备换热系数；若不存在偏差，则输出一次管网系统数学模型简化模型。

一种供热管网等效建模装置，所述装置包括：

采集模块，用于采集管道流量、节点相对压力和管网管道的进出口水温；

信息接收模块，与采集模块相连，用于接收采集模块采集的数据；

处理模块，与信息接收模块相连，并根据所述信息接收模块接收的数据计算出口水温；

比较模块，与处理模块相连，用于处理模块计算的出口水温与实测出口水温的比较；

输出模块，与比较模块相连，用于输出比较结果。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提供的技术方案通过拓扑结构简化、关键参数辨识和现场实测数据，实现大型复杂供热系统模型的简化与校核，提高热电联合优化模型计算速度和精确度。

2、本发明提供的技术方案用表征集中供热管网系统储热能力和热惯性的特征参数建立城市供热系统的热特性模型，为热-电联合优化运行控制提供了可靠的技术支撑。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明所用装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示是本发明的方法的具体实施步骤，首先根据传热学、流体力学原理和动力系统建模方法，基于流体网络建模技术，建立集中供热一次管网系统数学模型。

一次管网系统数学模型如下所示：

(1)首先建立一次管网稳态水力模型

任何流体网络系统都满足质量、能量守恒这两大物理定律。假设某流体网络有b个管道，n+1个节点，根据质量守恒原理，对于任何流体网络，与某一节点相连的所有分支流量的代数和等于该节点的出流量：

式中：

a_ij——流动方向符号函数(i＝1,…,n；j＝1,…,b)当i节点为j管道的端点且g_j流出该节点时取值为1，反之为-1，当i节点不是j管道的任一端点时取值为0；

g_j——管道j的质量流量(kg/s)；

q_i——i节点的节点流量(kg/s)，流入节点为正，流出为负。

根据能量守恒原理，任何流体网络沿任意独立回路，各管道压力降的代数和为零，回路压力平衡方程可表示为

式中：

b_cj——分支流动方向符号函数(c＝1,…,b-n)，当管道j包含在c回路中并与回路同向时b_cj取值为1，反向时取值为-1，当管道j不包含在c回路中时取值为0。

h_j——管道j两端的压力水头之差(Pa)。

对于管网当中的任一管道，其两端的压力水头之差都可以表示为：

h_j＝s_jg_j ²+z_j-m_j (3)

式中：

h_j——j管道两端的压力水头之差(Pa)；

s_j——j管道的阻力系数(Pa/(kg/s)2)；

z_j——j管道两节点的位置水头之差(Pa)；

m_j——j管道中水泵的扬程(Pa)，当无水泵时取值为0。

在定义了流体网络的基本关联矩阵A和基本回路矩阵B的基础上，稳态水力计算模型有如下等效的矩阵模型：

式中：

A——流体网络的基本关联矩阵；

G——管网的流量向量；

Q——管网节点流量向量；

P——管网节点相对压力向量；

B——流体网络的基本回路矩阵；

S——管网阻力系数对角阵；

Z——管网节点的高差向量；

DH——水泵扬程列向量。

(2)然后建立供热管网稳态热力仿真

节点能量平衡方程和管道散热平衡方程如下：

g_jct_j,in＝g_jct_j,out+d_j j＝1,2,…,b (4)

式中：

g_jct_j,out——j管道向i节点输入的热量(W)，g_j为j管道的流量(kg/s)，c为水比热(J/[kg·K])，t_j,out为j管道出口端温度(K)，若j管道没有向i节点输入流体，则该项为零；

h_i——热源向i节点输入的热量(W)，若该节点没有连接热源，则该项为零；

g_jct_j,in——i节点输出到j管道的热量(W)，t_j,in为j管道入口端温度，从同一节点引出的不同管道的入口端温度均相等，若i节点没有向j管道输出流体，则该项为零；

u_i——i节点热用户消耗的热量(W)，若该节点没有连接热用户，则该项为零。

g_jct_j,in——输入管道j的热量(W)，g_j为j管道的流量(kg/s)，c为供热介质比热(J/[kg·℃])，t_j,in为j管道入口端温度；

g_jct_j,out——j管道输出的热量(W)，t_j,out为j管道出口端温度(℃)；

d_j——j管道向外界的散热量(W)。

为了使管网稳态热力计算模型的方程组封闭，还需要增加一组附加方程(其物理意义为流体在节点处的混合均匀且迅速，从该节点流入到不同管道中的流体温度均相等)如下：

t_Node,i＝k_i,jt_j,in (5)

k_ij——当j管道以i节点为起点时，k_i,j为1，否则为0

供热管网稳态热力计算的矩阵方程组如下：

式中：

c——水的质量比热，c＝4187J/(kg·℃)；

G——管道流量对角阵，b×b阶，(kg/s)；

T_in——管道入口流体温度列向量，b×1阶，第j个元素t_j,in为j管道入口端的温度，(℃)；

T_out——管道末端流体温度列向量，b×1阶，第j个元素t_j,out为j管道末端的温度，(℃)；

H——热源节点输入能量列向量，n×1阶，h_i为i节点热源输入的能量，(W)；

U——热用户节点消耗能量列向量，n×1阶，u_i为i节点消耗的能量，U＝f(T_g,M,T_amb)，(W)；T_g为室外供水温度列向量，M为热用户的散热系数；T_amb为室外空气温度列向量；

D——管道单位时间散热量列向量，b×1阶，D＝f(T_in,T_out,K,T_soil)，T_in表示管道入口流体温度列向量，b×1阶，第j个元素t_j,in为j管道入口端的温度，(℃)；T_out表示管道末端流体温度列向量，b×1阶，第j个元素t_j,out为j管道末端的温度，(℃)；K表示管道的集总散热系数；T_soil为土壤表面温度列向量，(W)。

然后，等一次管网系统数学模型确定后，按照以下原则对模型进行等效：

按照简化前后温度延迟一致、等价流动阻力不变的原则对上述一次管网系统进行简化；即通过matlab软件的system identification仿真工具计算，获得流动阻力特性系数、管道热损失系数与换热设备换热系数等关键参数

其次，读取现场已有的有限测点数据，其中包括各管道流量、各节点相对压力、管网管道的进出口水温，为验证关键参数做好数据准备。

接着，基于管网简化模型，采用各管道实测入口温度，计算出口温度，并与实测出口温度进行比较。如果存在偏差，可采用现场实测数据，重新进行关键参数的辨识；如果不存在偏差，则输出供热管网的等效模型。

最后，将上述等效的供热管网模型用于热电联合优化调度中。

如图2所示是一种供热管网等效建模装置，所述装置包括：

采集模块，用于采集各管道流量、各节点相对压力和管网管道的进出口水温；

信息接收模块，与采集模块相连，用于接收采集模块采集的数据；

处理模块，与信息接收模块相连，并根据所述信息接收模块接收的数据进行出口水温的计算；

比较模块，与处理模块相连，用于比较处理模块计算的出口水温与实测出口水温；

输出模块，与比较模块相连，用于输出比较结果。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种供热管网等效建模方法，其特征在于，所述方法包括：

I、按流体网络建模技术建立集中供热一次管网系统数学模型；

II、所述管网系统数学模型的等效聚合，得到模型参数；

III、校验模型参数与实测数据是否存在偏差。

2.如权利要求1所述的一种供热管网等效建模方法，其特征在于，所述步骤I的集中供热一次管网系统数学模型包括一次管网稳态水力模型和供热管网稳态热力模型；

所述一次管网稳态水力模型如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}AG=Q\\ B\left(S\right|G|G+Z-M)=0\end{array}\right.$

其中，A为流体网络的基本关联矩阵，A＝(a_ij)_n×b；G为管网的流量对角阵，G＝(g_j)_b×b；Q为管网节点流量矩阵，Q＝(q_i)_n×b；B为流体网络的基本回路矩阵，B＝(b_cj)_c×b；S为管网阻力系数对角阵，S＝(s_j)_b×b；Z为管网节点的高度差矩阵，Z＝(z_j)_b×b；M为水泵扬程列向量，M＝(m_j)_b×1；

所述供热管网稳态热力仿真模型如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{cGT}}_{out}+H={\mathrm{cGT}}_{in}+U\\ cG(T_{in}-T_{out})=D\\ T_{Node}={\mathrm{KT}}_{in}\end{array}\right.$

其中，c为水的比热容；G为管道流量对角阵，G＝(g_j)_b×b；T_in为管道入口流体温度列向量，T_in＝(t_j,in)_b×1；T_out为管道末端流体温度列向量，T_out＝(t_j,out)_b×1；H为热源节点输入能量列向量，H＝(h_i)_b×1；U为热用户节点消耗能量列向量，U＝(u_i)_b×1；D为管道单位时间散热量列向量，D＝(d_j)_b×1；T_Node为流入到管道中的流体温度，T_Node＝(t_Node,i)_n×1；K表示管道的集总散热系数，K＝(k_ij)_n×b。

3.如权利要求2所述的一种供热管网等效建模方法，其特征在于，所述一次管网稳态水力模型的约束包括：

流体网络i节点的流量q_i的约束如下式所示：

$\underset{j=1}{\overset{b}{\Σ}}{a}_{ij}{g}_j=q_i$

其中，a_ij为流动方向符号函数，i＝1,…,n，j＝1,…,b；g_j为管道j的质量流量，单位为kg/s；b为管道数目；

回路压力平衡约束如下所示：

$\underset{j=1}{\overset{b}{\Σ}}{b}_{cj}{h}_j=0$

其中，b_cj为分支流动方向符号函数，c＝1,…,b-n；h_j为管道j两端的压力水头之差，单位为Pa；

管网中任一管道的两端的压力水头之差的约束如下式所示：

h_j＝s_jg_j ²+z_j-m_j

其中，s_j为管道j的阻力系数，单位为Pa/(kg/s)²；z_j为管道j两节点间水压差，单位为Pa；m_j为管道j中水泵的扬程，单位为Pa。

4.如权利要求2所述的一种供热管网等效建模方法，其特征在于，所述供热管网稳态热力模型的约束包括：

节点能量平衡约束和管道散热平衡约束分别如下式所示：

$\begin{array}{cc}\underset{j=1}{\overset{b}{\Σ}}{g}_j{\mathrm{ct}}_{j,out}+h_i=\underset{j=1}{\overset{b}{\Σ}}{g}_j{\mathrm{ct}}_{j,in}+u_i& i=1,2,\mathrm{...},n\end{array}$

g_jct_j,in＝g_jct_j,out+d_j j＝1,2,…,b

其中，g_jct_j,out为j管道在i节点传入的热量，单位为W；g_j为j管道的流量，单位为kg/s；c为水比热，单位为J/[kg·K]；t_j,out为j管道出口端温度，单位为K；h_i为热源向i节点传入的热量，单位为W；g_jct_j,in为i节点输出到j管道的热量，单位为W；t_j,in为j管道入口端温度；u_i为i节点的用户消耗的热量，单位为W；d_j为j管道向外界的散热量，单位为W；

流体在节点处流入到不同管道中的流体温度t_Node,i的约束如下式所示：

t_Node,i＝k_i,jt_j,in

其中，k_ij为当j管道以i节点为起点时为1，否则为0。

5.如权利要求1所述的一种供热管网等效建模方法，其特征在于，所述步骤II包括：按照简化前后温度延迟一致和等价流动阻力不变的原则对步骤I的所述一次管网系统数学模型进行简化；通过matlab仿真计算获得流动阻力特性系数、管道热损失系数和换热设备换热系数。

6.如权利要求1所述的一种供热管网等效建模方法，其特征在于，所述步骤III的实测数据包括：管道流量、节点相对压力和管网管道的进出口水温。

7.如权利要求6所述的一种供热管网等效建模方法，其特征在于，所述步骤III包括：基于一次管网系统数学模型简化模型，用管道实测进口水温计算出口水温，并与实测出口水温比较；

若存在偏差，根据现场实测数据，重新计算获得流动阻力特性系数、管道热损失系数和换热设备换热系数；若不存在偏差，则输出一次管网系统数学模型简化模型。

8.一种供热管网等效建模装置，其特征在于，所述装置包括：

采集模块，用于采集管道流量、节点相对压力和管网管道的进出口水温；

信息接收模块，与采集模块相连，用于接收采集模块采集的数据；

处理模块，与信息接收模块相连，并根据所述信息接收模块接收的数据计算出口水温；

比较模块，与处理模块相连，用于处理模块计算的出口水温与实测出口水温的比较；

输出模块，与比较模块相连，用于输出比较结果。