CN108021742B - 一种考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计方法，属于综合能源系统的运行和控制技术领域。首先将蒸汽供热管道和疏水阀等效成两条管道，建立考虑疏水模型的蒸汽供热管道的Γ型等效模型，再建立考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计的目标函数，根据目标函数对蒸汽供热管道稳态运行状态进行估计。本发明方法考虑了蒸汽供热管道中由于部分蒸汽凝结产生的疏水现象，可以有效的监测蒸汽供热管道的运行状况，对疏水量给出定量估计，在非全量测配置下补全量测，辨识坏数据，为能量管理系统和调度管理系统提供详实的数据支撑。

Description

一种考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计方法
技术领域
本发明涉及一种考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计方法，属于综合能源系统的运行和控制技术领域。
背景技术
热网是综合能源系统中非常重要的一部分，目前已有很多研究通过利用能源网络中热网的灵活性提高新能源的渗透率和能源利用率，在这些研究中均考虑热水为热网供热介质，但是在很多工业园区热网会选择高温高压蒸汽作为供热介质。相比较于热水管网，蒸汽管网的传输过程更加复杂，成为利用蒸汽管网的灵活性对综合能源系统进行组合分析和优化的一大障碍。
目前已经有一部分的研究涉及蒸汽管网的建模和状态估计，但是在目前的研究中还存在一定的问题，在蒸汽传输过程中有一部分蒸汽会发生凝结产生疏水现象。通常情况下，当蒸汽流速很快时疏水量可忽略不计，然而当管道足够长时凝结水可能会引起一些严重事故。目前关于蒸汽供热管道的建模和状态估计技术，大多未考虑疏水阀门的模型，或者无法对疏水量给出定量的估计，因而无法对蒸汽供热管道进行准确、有效的监控和评估，本发明针对目前蒸汽供热管道建模和状态估计技术对存在的疏水现象考虑不足的漏洞提出一种考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计方法，对疏水量给出定量估计，有效监测蒸汽供热管道的运行状况，在非全量测配置下补全量测，辨识坏数据。
发明内容
本发明的目的是提出一种考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计方法，在进行进行状态估计时，充分考虑蒸汽传输过程中由于部分蒸汽发生凝结而产生定疏水现象，对疏水量给出定量估计，以达到有效监测蒸汽供热管道的运行状况，在非全量测配置下补全量测，辨识坏数据的目的。
本发明提出的考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计方法，包括以下步骤：
(1)将蒸汽供热管道和疏水阀等效成两条管道，建立一个考虑疏水模型的蒸汽供热管道的Γ型等效模型，具体过程如下：
(1-1)根据蒸汽供热管道内蒸汽的流量变化，得到一个蒸汽供热管道流量守恒方程：
m1-m2＝md
其中，m1为蒸汽供热管道首端流量，m2为蒸汽供热管道末端流量，md为疏水阀等效成的管道内蒸汽流量；
(1-2)根据蒸汽供热管道内蒸汽的压力变化，得到一个蒸汽供热管道动量守恒方程：
其中，p1为蒸汽供热管道首端压力，p2为蒸汽供热管道末端压力，d为蒸汽供热管道的直径，f为蒸汽供热管道的摩擦阻力，从蒸汽管网设计说明书中获取，为供热管道内蒸汽的平均密度，从不同工况下蒸汽密度表中获取，为供热管道内蒸汽的平均流速， 为供热管道内蒸汽的平均流量，S为蒸汽供热管道的横截面积；
(1-3)根据蒸汽供热管道内蒸汽的焓变化，得到一个蒸汽供热管道能量守恒方程：
其中，H1为蒸汽供热管道首端蒸汽的焓，H2为蒸汽供热管道末端蒸汽的焓，l为蒸汽供热管道的长度，S为上述步骤(1-2)中蒸汽供热管道的横截面积，d为上述步骤(1-2)中蒸汽供热管道的直径，λ为蒸汽供热管道的散热系数，从相应的数据手册中获取，为蒸汽供热管道内平均温度，通过蒸汽供热管道首末端温度求出，T1为管道首端温度，T2为管道末端温度，TA为环境温度，Hd为进入疏水阀等效成的管道内的蒸汽的焓，Hd＝md·hd，md为上述步骤(1-1)中疏水阀等效成的管道内蒸汽流量，hd为进入疏水阀等效成的管道内的蒸汽的比焓，hd＝hd(pd,Td)，pd为疏水阀等效成的管道内蒸汽的压力，Td为疏水阀等效成的管道内蒸汽的温度，Qd为产生疏水现象过程中的热损失，Qd＝cp·md(T2-Td)+md·γd，cp为蒸汽的比热容，由流体的物性参数表获取，γd为蒸汽的潜热系数，由蒸汽汽化潜热值表获取；
令Td≈T2，pd＝p2，p2为蒸汽供热管道末端压力，得到蒸汽供热管道能量守恒方程的最终表达形式如下：
其中，
(2)建立一个考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计的目标函数，如下：
minJ(xh)＝min{[zh-f(xh)]TW-1[zh-f(xh)]}
其中，W为测量值的协方差矩阵，上标T表示矩阵转置，J(xh)表示目标函数表达式，zh为蒸汽供热管道量测值，包括蒸汽管道首端温度m1、首端压力p1、首端温度T1、末端温度m2、末端压力p2、末端温度T2，zh＝[m1,p1,T1,m2,p2,T2]T，上述量测值从热网的数据采集与监视控制系统中实时测量获取，xh为蒸汽供热管道状态量，xh＝[m1,p1,T1,md]T，m1、p1、T1、md分别为蒸汽供热管道首端流量、蒸汽供热管道首端压力、蒸汽供热管道首端温度和疏水阀内流量，f(x)为描述蒸汽管道状态量与测量值之间关系的量测函数，f(x)＝f(xh)，量测方程如下：
其中，h1为供热管道首端蒸汽的比焓，h1＝h1(p1,T1)，h2为供热管道末端蒸汽的比焓，h2＝h2(p2,T2)；
(3)对上述步骤(2)的目标函数进行状态估计，设定蒸汽供热管道状态估计的收敛精度δ和最大循环次数d，初始化时设循环次数k为0，选用无约束的牛拉法进行估计，该方法取最优解的条件为：
进行第k次迭代式为：
其中，J(xh)为上述步骤(2)中的目标函数，f(xh)为上述步骤(2)中的量测函数，xh为上述步骤(2)中的状态量，上标T表示矩阵转置，W为上述步骤(2)中测量值的协方差矩阵，zh为上述步骤(2)中的量测值；
(4)对上述步骤(3)的状态估计结果进行收敛性判断：
若循环次数k达到预设循环次数d，即k≥d，则将本次状态估计结果作为t时刻考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计结果；
若循环次数k未达到预设循环次数d，即k<d，则进一步根据蒸汽供热管道状态估计的精度δ对状态估计结果收敛性进行判断：若最近相邻两次状态估计结果中的状态量估计值x(k)和x(k-1)的差值小于状态估计精度δ，即则将本次状态估计结果作为t时刻考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计结果，若最近两次状态估计结果中的状态变量估计值x(k)和x(k-1)的差值大于状态估计精度δ，即max|x(k)-x(k-1)|≥δ，则更新状态变量，并根据本次状态估计所得的温度值更新蒸汽供热管道首端流量、压力、温度和疏水阀内流量，同时使k＝k+1，并返回步骤(3)，继续本次状态估计过程。
本发明提出的考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计方法，弥补了对于蒸汽供热管道状态估计方面的不足，形成了考虑蒸汽供热过程中由于部分蒸汽凝结产生的疏水现象的状态估计方法，可以很好的解决蒸汽供热管道状态估计问题，当蒸汽供热管道受调度控制而改变运行方式时，本发明能够较为精确地追踪系统温度等状态变量的变化，且有较好的收敛性。考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计，可以有效的监测蒸汽供热管道的运行状况，对疏水量给出定量估计，在非全量测配置下补全量测，辨识坏数据，为能量管理系统和调度管理系统提供详实的数据支撑。
附图说明
图1为本发明方法涉及到考虑疏水模型的蒸汽供热管道示意图。
图2为图1所示的考虑疏水模型的蒸汽供热管道的Γ型等效模型示意图。
具体实施方式
本发明提出的考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计方法，其中蒸汽供热管道示意图的结构示意图如图1所示，该方法包括以下步骤：
(1)将蒸汽供热管道和疏水阀等效成两条管道，建立一个考虑疏水模型的蒸汽供热管道的Γ型等效模型，如图2所示，具体过程如下：
(1-1)根据蒸汽供热管道内蒸汽的流量变化，得到一个蒸汽供热管道流量守恒方程：
m1-m2＝md
其中，m1为蒸汽供热管道首端流量，m2为蒸汽供热管道末端流量，md为疏水阀等效成的管道内蒸汽流量；
(1-2)根据蒸汽供热管道内蒸汽的压力变化，得到一个蒸汽供热管道动量守恒方程：
其中，p1为蒸汽供热管道首端压力，p2为蒸汽供热管道末端压力，d为蒸汽供热管道的直径，f为蒸汽供热管道的摩擦阻力，从蒸汽管网设计说明书中获取，为供热管道内蒸汽的平均密度，从不同工况下蒸汽密度表中获取，为供热管道内蒸汽的平均流速，
为供热管道内蒸汽的平均流量，S为蒸汽供热管道的横截面积；
(1-3)根据蒸汽供热管道内蒸汽的焓变化，得到一个蒸汽供热管道能量守恒方程：
其中，H1为蒸汽供热管道首端蒸汽的焓，H2为蒸汽供热管道末端蒸汽的焓，l为蒸汽供热管道的长度，S为上述步骤(1-2)中蒸汽供热管道的横截面积，d为上述步骤(1-2)中蒸汽供热管道的直径，λ为蒸汽供热管道的散热系数，从相应的数据手册中获取，为蒸汽供热管道内平均温度，通过蒸汽供热管道首末端温度求出，T1为管道首端温度，T2为管道末端温度，TA为环境温度，Hd为进入疏水阀等效成的管道内的蒸汽的焓，Hd＝md·hd，md为上述步骤(1-1)中疏水阀等效成的管道内蒸汽流量，hd为进入疏水阀等效成的管道内的蒸汽的比焓，hd＝hd(pd,Td)，pd为疏水阀等效成的管道内蒸汽的压力，Td为疏水阀等效成的管道内蒸汽的温度，Qd为产生疏水现象过程中的热损失，Qd＝cp·md(T2-Td)+md·γd，cp为蒸汽的比热容，由流体的物性参数表获取，γd为蒸汽的潜热系数，由蒸汽汽化潜热值表获取。
一般情况下，疏水阀很短且疏水阀内温度和压力变化很小，因此可以近似认为疏水阀等效成的管道内温度和压力与蒸汽供热管道末端的温度和压力相等，即令Td≈T2，pd＝p2，p2为蒸汽供热管道末端压力，得到蒸汽供热管道能量守恒方程的最终表达形式如下：
其中，
(2)建立一个考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计的目标函数，如下：
minJ(xh)＝min{[zh-f(xh)]TW-1[zh-f(xh)]}
其中，W为测量值的协方差矩阵，上标T表示矩阵转置，J(xh)表示目标函数表达式，zh为蒸汽供热管道量测值，包括蒸汽管道首端温度m1、首端压力p1、首端温度T1、末端温度m2、末端压力p2、末端温度T2，zh＝[m1,p1,T1,m2,p2,T2]T，上述量测值从热网的数据采集与监视控制系统中实时测量获取，xh为蒸汽供热管道状态量，xh＝[m1,p1,T1,md]T，m1、p1、T1、md分别为蒸汽供热管道首端流量、蒸汽供热管道首端压力、蒸汽供热管道首端温度和疏水阀内流量，f(x)为描述蒸汽管道状态量与测量值之间关系的量测函数，f(x)＝f(xh)，量测方程如下：
其中，h1为供热管道首端蒸汽的比焓，h1＝h1(p1,T1)，h2为供热管道末端蒸汽的比焓，h2＝h2(p2,T2)，其余参数与上述步骤(1)中含义相同；
(3)对上述步骤(2)的目标函数进行状态估计，设定蒸汽供热管道状态估计的收敛精度δ和最大循环次数d，初始化时设循环次数k为0，选用无约束的牛拉法进行估计，该方法取最优解的条件为：
进行第k次迭代式为：
其中，J(xh)为上述步骤(2)中的目标函数，f(xh)为上述步骤(2)中的量测函数，xh为上述步骤(2)中的状态量，上标T表示矩阵转置，W为上述步骤(2)中测量值的协方差矩阵，zh为上述步骤(2)中的量测值；
(4)对上述步骤(3)的状态估计结果进行收敛性判断：
若循环次数k达到预设循环次数d，即k≥d，则将本次状态估计结果作为t时刻考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计结果；
若循环次数k未达到预设循环次数d，即k<d，则进一步根据蒸汽供热管道状态估计的精度δ对状态估计结果收敛性进行判断：若最近相邻两次状态估计结果中的状态量估计值x(k)和x(k-1)的差值小于状态估计精度δ，即则将本次状态估计结果作为t时刻考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计结果，若最近两次状态估计结果中的状态变量估计值x(k)和x(k-1)的差值大于状态估计精度δ，即max|x(k)-x(k-1)|≥δ，则更新状态变量，并根据本次状态估计所得的温度值更新蒸汽供热管道首端流量、压力、温度和疏水阀内流量，同时使k＝k+1，并返回步骤(3)，继续本次状态估计过程。

Claims (1)

1.一种考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)将蒸汽供热管道和疏水阀等效成两条管道，建立一个考虑疏水模型的蒸汽供热管道的Γ型等效模型，具体过程如下：
(1-1)根据蒸汽供热管道内蒸汽的流量变化，得到一个蒸汽供热管道流量守恒方程：
m1-m2＝md
其中，m1为蒸汽供热管道首端流量，m2为蒸汽供热管道末端流量，md为疏水阀等效成的管道内蒸汽流量；
(1-2)根据蒸汽供热管道内蒸汽的压力变化，得到一个蒸汽供热管道动量守恒方程：
其中，p1为蒸汽供热管道首端压力，p2为蒸汽供热管道末端压力，d为蒸汽供热管道的直径，f为蒸汽供热管道的摩擦阻力，从蒸汽管网设计说明书中获取，为供热管道内蒸汽的平均密度，从不同工况下蒸汽密度表中获取，为供热管道内蒸汽的平均流速， 为供热管道内蒸汽的平均流量，S为蒸汽供热管道的横截面积；
(1-3)根据蒸汽供热管道内蒸汽的焓变化，得到一个蒸汽供热管道能量守恒方程：
其中，H1为蒸汽供热管道首端蒸汽的焓，H2为蒸汽供热管道末端蒸汽的焓，l为蒸汽供热管道的长度，S为上述步骤(1-2)中蒸汽供热管道的横截面积，d为上述步骤(1-2)中蒸汽供热管道的直径，λ为蒸汽供热管道的散热系数，从相应的数据手册中获取，为蒸汽供热管道内平均温度，通过蒸汽供热管道首末端温度求出，T1为管道首端温度，T2为管道末端温度，TA为环境温度，Hd为进入疏水阀等效成的管道内的蒸汽的焓，Hd＝md·hd，md为上述步骤(1-1)中疏水阀等效成的管道内蒸汽流量，hd为进入疏水阀等效成的管道内的蒸汽的比焓，hd＝hd(pd，Td)，pd为疏水阀等效成的管道内蒸汽的压力，Td为疏水阀等效成的管道内蒸汽的温度，Qd为产生疏水现象过程中的热损失，Qd＝cp·md(T2-Td)+md·γd，cp为蒸汽的比热容，由流体的物性参数表获取，γd为蒸汽的潜热系数，由蒸汽汽化潜热值表获取；
令Td≈T2，pd＝p2，p2为蒸汽供热管道末端压力，得到蒸汽供热管道能量守恒方程的最终表达形式如下：
其中，
(2)建立一个考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计的目标函数，如下：
min J(xh)＝min{[zh-f(xh)]TW-1[zh-f(xh)]}
其中，W为测量值的协方差矩阵，上标T表示矩阵转置，J(xh)表示目标函数表达式，zh为蒸汽供热管道量测值，包括蒸汽管道首端温度m1、首端压力p1、首端温度T1、末端温度m2、末端压力p2、末端温度T2，zh＝[m1，p1，T1，m2，p2，T2]T，上述量测值从热网的数据采集与监视控制系统中实时测量获取，xh为蒸汽供热管道状态量，xh＝[m1，p1，T1，md]T，m1、p1、T1、md分别为蒸汽供热管道首端流量、蒸汽供热管道首端压力、蒸汽供热管道首端温度和疏水阀内流量，f(x)为描述蒸汽管道状态量与测量值之间关系的量测函数，f(x)＝f(xh)，量测方程如下：
其中，h1为供热管道首端蒸汽的比焓，h1＝h1(p1，T1)，h2为供热管道末端蒸汽的比焓，h2＝h2(p2，T2)；
(3)对上述步骤(2)的目标函数进行状态估计，设定蒸汽供热管道状态估计的收敛精度δ和最大循环次数d，初始化时设循环次数k为0，选用无约束的牛拉法进行估计，该方法取最优解的条件为：
进行第k次迭代式为：
其中，J(xh)为上述步骤(2)中的目标函数，f(xh)为上述步骤(2)中的量测函数，xh为上述步骤(2)中的状态量，上标T表示矩阵转置，W为上述步骤(2)中测量值的协方差矩阵，zh为上述步骤(2)中的量测值；
(4)对上述步骤(3)的状态估计结果进行收敛性判断：
若循环次数k达到预设循环次数d，即k≥d，则将本次状态估计结果作为t时刻考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计结果；
若循环次数k未达到预设循环次数d，即k＜d，则进一步根据蒸汽供热管道状态估计的精度δ对状态估计结果收敛性进行判断：若最近相邻两次状态估计结果中的状态量估计值x(k)和x(k-1)的差值小于状态估计精度δ，即max|x(k)-x(k-1)|＜δ，则将本次状态估计结果作为t时刻考虑疏水模型的蒸汽供热管道稳态运行状态估计结果，若最近两次状态估计结果中的状态变量估计值x(k)和x(k-1)的差值大于状态估计精度δ，即max|x(k)-x(k-1)|≥δ，则更新状态变量，并根据本次状态估计所得的温度值更新蒸汽供热管道首端流量、压力、温度和疏水阀内流量，同时使k＝k+1，并返回步骤(3)，继续本次状态估计过程。
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