CN107066710B - 基于测量数据的供热管网阻力特性辨识方法及系统 - Google Patents

基于测量数据的供热管网阻力特性辨识方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于测量数据的供热管网阻力特性辨识方法及系统，本供热管网阻力特性辨识方法包括如下步骤：步骤S1，建立工况库；步骤S2，求解各管段的阻力系数；以及步骤S3，获得最终各管段的阻力系数的辨识结果；本发明的供热管网阻力系数辨识方法基于不同工况下热力站之间的流量‑压力的平衡关系，通过建立多工况方程组求解，递推获得全网阻力系数的方法；计算时利用了多组工况运行数据，获得随工况变化的一系列阻力系数值，与实际情况相符；以取阻力系数序列的中位数为最终辨识结果，削弱了测量误差的影响，可得到更加准确的管段阻力系数值。

Description

基于测量数据的供热管网阻力特性辨识方法及系统
技术领域
本发明属于供热自动化领域，具体涉及一种基于测量数据对供热管网实际阻力特性进行辨识的方法。
背景技术
建立准确的供热管网水力仿真模型是进行管网分析、诊断和优化运行的重要前提，然而管网中管道阻力系数受多种物理参数影响，且随时间推移可能发生堵塞、结垢等阻力特性改变的情况，根据设计情况采用理论公式计算的阻力系数往往与真实值存在偏差，导致建立的管网水力仿真模型不能准确模拟实际运行工况。为此，提出一种依据管网在多个工况下的实测运行数据，采用辨识方法计算管网中各管段阻力系数的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种供热管网阻力特性辨识方法及系统，以解决供热管网水力仿真模型由于无法获得各管段阻力系数造成无法准确模拟实际管网运行的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种供热管网阻力特性辨识方法，包括如下步骤：
步骤S1，建立工况库；
步骤S2，求解各管段的阻力系数；以及
步骤S3，获得最终各管段的阻力系数的辨识结果。
进一步，所述步骤S1中建立工况库的方法包括：
在供热管网的所有热力站均要求设置有进、出口压力测点和流量测点；
通过选取用于辨识的多个测量工况数据建立工况库；其中
工况数据为供热管网运行的某一历史时刻，各热力站一次侧进、出口压力和流量，以及热源的供、回水压力和流量。
进一步，所述步骤S2中求解各管段的阻力系数，即
从工况库中抽取相应工况数据，按递推法求解各管段的阻力系数。
进一步，从工况库中抽取相应工况数据，按递推法求解各管段的阻力系数的方法包括如下子步骤：
步骤S21，划分三角形区域；
步骤S22，从工况库中取两组工况数据，建立末端三角形区域的压力-流量平衡方程组；
步骤S23，计算三角形区域中两根管段的阻力系数；以及
步骤S24，递推到下一个三角形区域计算，直到递推至该供热管网的热源处，以获得各管段的阻力系数。
进一步，所述步骤S21中划分三角形区域的方法包括：
查找构成三角形区域的节点，
所述节点包括：热力站、供回管道节点，且定义热力站为节点A和节点B；
将已知工况的节点A和节点B与一待求节点E构成三角形区域，即△EAB。
进一步，所述步骤S22中从工况库中取两组工况数据，对于供热管网中的供水管和/或回水管建立末端三角形区域的压力-流量平衡方程组的方法包括：
对于已构成的三角形区域△EAB，从工况库中抽取节点A、节点B对应的两组工况数据，分别代入供水压力平衡式构成供水管对应的压力-流量平衡方程组；
所述供水压力平衡式，即
Figure BDA0001257692590000031
求解供水管管段EA、管段EB分别对应的阻力系数
Figure BDA0001257692590000032
以及
从工况库中抽取节点A、节点B对应的两组工况数据，分别代入回水压力平衡式构成回水管对应的压力-流量平衡方程组；
所述回水压力平衡式，即
Figure BDA0001257692590000033
求解回水管管段EA、管段EB分别对应的阻力系数
Figure BDA0001257692590000034
在上式中，
PA：节点A压力测点的测量值，单位Pa；
PB：节点B压力测点的测量值，单位Pa；
GEA：管段EA的流量测量值，单位kg/s；
GEB：管段EB的流量测量值，单位kg/s；
ρ：液体的密度，单位kg/m3；
dEA：管段EA的内径，单位m；
dEB：管段EB的内径，单位m；
ΔZAB：节点A与节点B之间的位能差，单位Pa。
进一步，步骤S23中计算三角形区域中两根管段的阻力系数的方法包括：
通过供水管或回水管对应的压力-流量平衡方程组分别求解出相应阻力系数。
进一步，所述步骤S24中递推到下一个三角形区域计算，直到递推至该供热管网的热源处，以获得各管段的阻力系数的方法包括：
首先计算△EAB的节点E在以上两个工况下的压力PE，
Figure BDA0001257692590000041
其中
δEA为管段EA的阻力系数集
Figure BDA0001257692590000042
以及
两个工况下的汇聚流量即管段FE的流量GFE,GFE＝GEA+GEB；
设定下一三角形区域为△FCE，其由节点F、节点C和节点E构成；其中
节点C为已知工况节点，节点F为待求节点；
递推到下一三角形区域△FCE，通过与步骤S22相同的方法建立供水管和/或回水管对应的压力-流量平衡方程组计算相应阻力系数集δFE、δFC；以及
计算△FCE的节点F在以上两个工况下的压力PF，并且
根据
Figure BDA0001257692590000043
计算得出对于δFD的值；
利用不同的两组工况数据反复进行步骤S22～S24；
若工况库中有N组工况数据，则进行Nt次计算，以得到Nt组管网阻力系数的解；其中
Figure BDA0001257692590000044
Ne为丢弃的等效工况数，
Figure BDA0001257692590000045
以及
以δi＝[δ1i,δ2i,…,δDi]，i＝1,2,…,Nt表示这Nt组阻力系数解，D为待辨识的管段数；对于每一管段s，s＝1,2,…,D，则得到阻力系数解序列
Figure BDA0001257692590000046
进一步，步骤S3中获得最终各管段的阻力系数的辨识结果的方法包括：
步骤S31，对于每一管段s，将其阻力系数序列
Figure BDA0001257692590000047
按照从小到大的顺序重新排列；
步骤S32，若Nt为奇数，则取新序列的第
Figure BDA0001257692590000048
个值为最终辨识结果；
若Nt为偶数，则取新序列的第
Figure BDA0001257692590000051
个值和第
Figure BDA0001257692590000052
个值的平均数为最终辨识结果。
又一方面，本发明还提供了一种供热管网阻力特性辨识系统，其包括：
工况库，以及与该工况库相连的各管段的阻力系数求解模块；以及
用于获得最终各管段的阻力系数的辨识结果的辨识求解模块。
本发明的有益效果是，本发明的供热管网阻力系数辨识方法基于不同工况下热力站之间的流量-压力的平衡关系，通过建立多工况方程组求解，递推获得全网阻力系数的方法；计算时利用了多组工况运行数据，获得随工况变化的一系列阻力系数值，与实际情况相符；以取阻力系数序列的中位数为最终辨识结果，削弱了测量误差的影响，可得到更加准确的管段阻力系数值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明方法的主要步骤；
图2是本发明中采用递推法求解管段阻力系数的管网结构示意图；
图3是本发明中递推法求解全网管段阻力系数的方法流程图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
图1为发明供热管网阻力特性辨识方法的主要步骤。
图2为本发明中采用递推法求解管段阻力系数的管网结构示意图。
图2中G为热源，A、B、C、D为热力站，其中A为末端站点；E、F为管网节点，由E、F节点连接热力站A、B、C、D连接的实线为供水管，虚线为回水管。以此结构为发明实施结构，其递推计算管段阻力系数可表述为：从管网结构末端结构中，选取其中2条管段作为三角形2腰，以图中管段EA、EB为例，形成类似三角形结构△EAB，再选取2组运行工况，建立管段EA、EB的流量-压力平衡方程组，解出管段EA、EB的阻力系数，且得到节点E的压力值。同理，选中管段FE、FC为三解形2腰，形成三角形△FEC，可解出管段FE、FC的阻力系数，且同时求出管段FD阻力系数与节点F压力，以此类推，可求出全网管段的阻力系数。
所述发明供热管网阻力特性辨识方法包括如下步骤：
步骤S1，建立工况库；
步骤S2，求解各管段的阻力系数；以及
步骤S3，获得最终各管段的阻力系数的辨识结果。
具体的，所述步骤S1中建立工况库的方法包括：在供热管网的所有热力站均要求设置有进、出口压力测点和流量测点；通过选取用于辨识的多个测量工况数据建立工况库；其中工况数据为供热管网运行的某一历史时刻，各热力站一次侧进、出口压力和流量，以及热源的供、回水压力和流量。
所述步骤S1辨识工况数据选取的原则是：每一组数据完整，采集时间有一定间隔，系统处于阶段性稳定运行状态，水力工况有变化，所有采集数据须经过多种数据清洗规则处理，保证选取的每一组测量工况数据的有效性，符合实际供热系统的运行规律。根据以上条件，抽取N(N≥10)组原始工况数据存入工况库。
作为步骤S2的一种优选的实施方式，所述步骤S2中求解各管段的阻力系数，即从工况库中抽取相应工况数据，按递推法求解各管段的阻力系数。
具体的，从工况库中抽取相应工况数据，按递推法求解各管段的阻力系数的方法包括如下子步骤：
步骤S21，划分三角形区域；
步骤S22，从工况库中取两组工况数据，建立末端三角形区域的压力-流量平衡方程组；
步骤S23，计算三角形区域中两根管段的阻力系数；以及
步骤S24，递推到下一个三角形区域计算，直到递推至该供热管网的热源处，以获得各管段的阻力系数。
其中，所述步骤S21中划分三角形区域的方法包括：查找构成三角形区域的节点，所述节点包括：热力站、供回管道节点；将已知工况的节点A和节点B与一待求节点E构成三角形区域，即△EAB。
如图2为一个典型的枝状热网，图中实线表示供水管段，虚线表示回水管段，其中A、B、C、D为热力站，且A站为末端热力站；E、F为供回管道节点，G为热源，△EAB、△FCE(或△FCD)即为所述三角形区域；以下计算中，A、B、C、D、E、F均为计算节点，EA、EB、FE等均为管段。
所述步骤S22中从工况库中取两组工况数据，对于供热管网中的供水管或回水管建立末端三角形区域的压力-流量平衡方程组的方法包括：
对于已构成的三角形区域△EAB，从工况库中抽取节点A、节点B对应的两组工况数据，分别代入供水压力平衡式(节点E压力为节点A(B)压力与EA(EB)管段压降之和)构成供水管对应的压力-流量平衡方程组；
所述供水压力平衡式，即
Figure BDA0001257692590000081
求解供水管管段EA、管段EB分别对应的阻力系数
Figure BDA0001257692590000082
以及
从工况库中抽取节点A、节点B对应的两组工况数据，分别代入回水压力平衡式构成回水管对应的压力-流量平衡方程组；
所述回水压力平衡式，即
Figure BDA0001257692590000083
求解回水管管段EA、管段EB分别对应的阻力系数
Figure BDA0001257692590000084
在上式中，
PA：节点A压力测点的测量值，单位Pa；
PB：节点B压力测点的测量值，单位Pa；
GEA：管段EA的流量测量值，单位kg/s；
GEB：管段EB的流量测量值，单位kg/s；
ρ：液体的密度，单位kg/m3；
dEA：管段EA的内径，单位m；
dEB：管段EB的内径，单位m；
ΔZAB：节点A与节点B之间的位能差，单位Pa。
设
Figure BDA0001257692590000085
分别为EA、EB管段的阻力系数集，对于δEA表示集合，其下标表示管段，对于
Figure BDA0001257692590000086
上标若S表示供水管，若R表示回水管，下标表示管段，以下除非特别定义均采用此方式；δEA、δEB为未知量，其他系数为测量值，为已知量；另外，该管段内应不含自主调节流量的零部件(如变频泵、电动阀等)。因此，根据第i次选取的两组工况数据，建立关于未知量δEA、δEB的两个方程组(i)。若两组工况数据列出的方程系数成比例或近似成比例，则认为这两组工况等效，此时丢弃其中一组数据并从工况库中抽取另一组。
步骤S23中计算三角形区域中两根管段的阻力系数的方法包括：
通过供水管或回水管对应的压力-流量平衡方程组分别求解出相应阻力系数。
所述步骤S24中递推到下一个三角形区域计算，直到递推至该供热管网的热源处，以获得各管段的阻力系数的方法包括：
首先计算△EAB的节点E在以上两个工况下的压力PE，
Figure BDA0001257692590000091
其中
δEA为管段EA的阻力系数集
Figure BDA0001257692590000092
以及
两个工况下的汇聚流量即管段FE的流量GFE,GFE＝GEA+GEB；
设定下一三角形区域为△FCE，其由节点F、节点C和节点E构成；其中
节点C为已知工况节点，节点F为待求节点；
递推到下一三角形区域△FCE，通过与步骤S22相同的方法建立供水管和/或回水管对应的压力-流量平衡方程组计算相应阻力系数集δFE、δFC；以及
计算△FCE的节点F在以上两个工况下的压力PF，并且
根据
Figure BDA0001257692590000093
计算得出对于δFD的值；其中，
Figure BDA0001257692590000094
供水管段FD分别对应的阻力系数。
利用不同的两组工况数据反复进行步骤S22～S24；
若工况库中有N组工况数据，则进行Nt次计算，以得到Nt组管网阻力系数的解；其中
Figure BDA0001257692590000101
Ne为丢弃的等效工况数，
Figure BDA0001257692590000102
以及
以δi＝[δ1i,δ2i,…,δDi]，i＝1,2,…,Nt表示这Nt组阻力系数解，D为待辨识的管段数；对于每一管段s，s＝1,2,…,D，则得到阻力系数解序列
Figure BDA0001257692590000103
步骤S3中获得最终各管段的阻力系数的辨识结果的方法，即求取每一根管段多个阻力系数解的中位数为最终辨识结果，其包括：
步骤S31，对于每一管段s，将其阻力系数序列
Figure BDA0001257692590000104
按照从小到大的顺序重新排列；
步骤S32，若Nt为奇数，则取新序列的第
Figure BDA0001257692590000105
个值为最终辨识结果；
若Nt为偶数，则取新序列的第
Figure BDA0001257692590000106
个值和第
Figure BDA0001257692590000107
个值的平均数为最终辨识结果。
实施例2
在实施例1基础上，本实施例2还提供了一种供热管网阻力特性辨识系统，其包括：工况库，以及与该工况库相连的各管段的阻力系数求解模块；以及用于获得最终各管段的阻力系数的辨识结果的辨识求解模块。
图3为本发明中递推法求解全网管段阻力系数的方法流程图。
Step1：读入供热管网的结构；；
Step2：从工况库中选取2组工况；
Step3：选取供热管网的两节点划分三角形区域；
Step4：建立流量-压力方程组；
Step5：计算得到三角形管段的阻力系数；
Step6：计算该节点上其他管段的阻力系数与节点压力；
Step7：判断是否可以递推到下个三角形区域，如是，返回Step3继续执行；如否，进入Step8；
Step8：判断所有工况是否还有剩余工况未计算，如是，返回Step2继续执行；如否，进入Step9；
Step9：按中位数原则获得全网管段阻力系数值。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种供热管网阻力特性辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，建立工况库；
步骤S2，求解各管段的阻力系数；以及
步骤S3，获得最终各管段的阻力系数的辨识结果；
所述步骤S1中建立工况库的方法包括：
在供热管网的所有热力站均要求设置有进、出口压力测点和流量测点；
通过选取用于辨识的多个测量工况数据建立工况库；其中
工况数据为供热管网运行的某一历史时刻，各热力站一次侧进、出口压力和流量，以及热源的供、回水压力和流量；
所述步骤S2中求解各管段的阻力系数，即
从工况库中抽取相应工况数据，按递推法求解各管段的阻力系数；
从工况库中抽取相应工况数据，按递推法求解各管段的阻力系数的方法包括如下子步骤：
步骤S21，划分三角形区域；
步骤S22，从工况库中取两组工况数据，建立末端三角形区域的压力-流量平衡方程组；
步骤S23，计算三角形区域中两根管段的阻力系数；以及
步骤S24，递推到下一个三角形区域计算，直到递推至该供热管网的热源处，以获得各管段的阻力系数；
所述步骤S21中划分三角形区域的方法包括：
查找构成三角形区域的节点，
所述节点包括：热力站、供回管道节点，且定义热力站为节点A和节点B；
将已知工况数据的节点A和节点B与一待求节点E构成三角形区域，即△EAB；
所述步骤S22中从工况库中取两组工况数据，对于供热管网中的供水管和/或回水管建立末端三角形区域的压力-流量平衡方程组的方法包括：
对于已构成的三角形区域△EAB，从工况库中抽取节点A、节点B对应的两组工况数据，分别代入供水压力平衡式构成供水管对应的压力-流量平衡方程组；
所述供水压力平衡式，即
Figure FDA0002270527380000021
求解供水管管段EA、管段EB分别对应的阻力系数
Figure FDA0002270527380000022
以及
从工况库中抽取节点A、节点B对应的两组工况数据，分别代入回水压力平衡式构成回水管对应的压力-流量平衡方程组；
所述回水压力平衡式，即
Figure FDA0002270527380000023
求解回水管管段EA、管段EB分别对应的阻力系数
Figure FDA0002270527380000024
在上式中，
PA：节点A压力测点的测量值，单位Pa；
PB：节点B压力测点的测量值，单位Pa；
GEA：管段EA的流量测量值，单位kg/s；
GEB：管段EB的流量测量值，单位kg/s；
ρ：液体的密度，单位kg/m3；
dEA：管段EA的内径，单位m；
dEB：管段EB的内径，单位m；
ΔZAB：节点A与节点B之间的位能差，单位Pa。
2.根据权利要求1所述的供热管网阻力特性辨识方法，其特征在于，
步骤S23中计算三角形区域中两根管段的阻力系数的方法包括：
通过供水管或回水管对应的压力-流量平衡方程组分别求解出相应阻力系数。
3.一种供热管网阻力特性辨识系统，其特征在于，包括：
工况库，以及与该工况库相连的各管段的阻力系数求解模块；以及
用于获得最终各管段的阻力系数的辨识结果的辨识求解模块；
所述阻力系数求解模块适于通过如权利要求1所述的供热管网阻力特性辨识方法求解阻力系数。
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供热管网中管段阻力系数的辨识方法;王海等;《计算物理》;20130530;第30卷(第3期);摘要，第423页第3段-第431第4段，图3-6 *

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