CN109145425B - 一种热力系统物理模型的构建方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种热力系统物理模型的构建方法及装置，所述方法包括：引入热阻、热动势和/或能量源构建热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的等效能量流模型进行连接，构建热力系统的整体等效能量流模型；利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组；建立热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；建立工质压力和温度间的约束方程组；联立上述方程组，从而构建得到热力系统的物理模型。本发明实施例提供的热力系统物理模型的构建方法及装置，将能量流和工质流分析视角进行有效结合，不仅减少了模型控制方程的个数，而且有效地解决系统变量间的非线性耦合关系，为后续的模型求解提供了便利。
Description
技术领域
本发明实施例涉及系统建模技术领域，具体涉及一种热力系统物理模型的构建方法及装置。
背景技术
热力系统作为现代工业社会的基础，广泛应用于钢铁、化工和动力工程等多个领域，为有效提高能源利用效率，有必要对其在变工况条件下的运行性能进行分析与优化，而解决这个问题的关键便在于系统物理模型的构建。
由于实际工程中的热力系统普遍具有多部件叠加、多过程耦合和多参数集成的特点，常规的建模思路便将所有部件的控制方程叠加在一起构成控制方程组描述系统的物理特性。理论上，通过传统的联立方程法，序贯模块法或者联立模块法求解上述控制方程组便可实现热力系统的性能分析。其中，联立方程法联立求解系统所有部件的控制方程，由于非线性方程组的同步求解算法仅具有局部收敛性，因此该方法对未知变量的初值要求十分苛刻，常出现严重的收敛稳定性问题；序贯模块法按照工质的实际流动方向顺序地逐个地对各部件的控制方程进行求解，但由于其求解流程的单向性导致了多层迭代嵌套的计算过程，求解时长难以接受；联立模块法将各部件的严格模型简化为线性模型，计算时系统的严格模型方程组与线性模型方程组交叉迭代求解,最终得到满足精度要求的结果，这在一定程度上缓解了上述两种方法的缺点，但对于复杂热力系统的优化问题却同样暴露出收敛速度慢及计算效率低的不足。
综上所述，常规的建模方法通过局部分析的简单“堆砌”来描述系统不仅未合理解决其中的强非线性问题，而且引入了大量额外的中间未知变量，进一步从数学上加剧了系统性能分析的困难程度；对于流程结构复杂的热力系统，通过部件方程叠加构建的物理模型缺乏一种普遍有效的求解方法，导致系统性能难以从全局的角度实现分析及优化。
发明内容
为解决现有技术中热力系统物理模型构建过程中存在多参数强非线性耦合，从而导致模型难以求解的问题，本发明实施例提供一种热力系统物理模型的构建方法及装置。
第一方面，本发明实施例提供一种热力系统物理模型的构建方法，该方法包括：基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建所述热力系统的整体等效能量流模型；基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组；通过分析工质流经所述热力系统各独立部件的压力变化特性，所述压力变化特性包括工质流经各动力和/或阻力部件后的压力变化与所述工质的质量流量的函数关系，建立所述热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组；联立所述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
第二方面，本发明实施例提供一种热力系统物理模型的构建装置，该装置包括：能量流模型构建单元，具体用于：基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建所述热力系统的整体等效能量流模型；能量流模型控制方程组建立单元，具体用于：基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组；动力阻力平衡方程组建立单元，具体用于：通过分析工质流经所述热力系统各独立部件的压力变化特性，所述压力变化特性包括工质流经各动力和/或阻力部件后的压力变化与所述工质的质量流量的函数关系，建立所述热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；压力-温度约束方程组建立单元，具体用于：通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组；物理模型构建单元，具体用于：联立所述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如下方法：基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建所述热力系统的整体等效能量流模型；基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组；通过分析工质流经所述热力系统各独立部件的压力变化特性，所述压力变化特性包括工质流经各动力和/或阻力部件后的压力变化与所述工质的质量流量的函数关系，建立所述热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组；联立所述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如下方法：基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建所述热力系统的整体等效能量流模型；基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组；通过分析工质流经所述热力系统各独立部件的压力变化特性，所述压力变化特性包括工质流经各动力和/或阻力部件后的压力变化与所述工质的质量流量的函数关系，建立所述热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组；联立所述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
本发明实施例提出了一种清晰的、规范化的热力系统物理模型的构建方法及装置，不同于传统方法简单堆砌各独立部件的控制方程，该方法及装置通过将能量流和工质流分析视角进行有效结合，不仅减少了模型控制方程的个数，而且有效地解决系统变量间的非线性耦合关系，为后续的模型求解提供了便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的热力系统物理模型的构建方法流程图；
图2是本发明另一实施例提供的热力系统物理模型的构建方法流程示意图；
图3是本发明实施例提供的热力系统物理模型的构建装置结构示意图；
图4是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统流程结构示意图；
图5是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统中蒸发器的汽包结构示意图；
图6是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统中过热器的等效能量流模型示意图；
图7是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统中省煤器的等效能量流模型示意图；
图8是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统中蒸发器的等效能量流模型示意图；
图9是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统中凝汽器的等效能量流模型示意图；
图10是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统的整体等效能量流模型示意图；
图11是本发明另一实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统的整体等效能量流模型示意图；
图12为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
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、完整的描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例提供的热力系统物理模型的构建方法流程图。如图1所示，所述方法包括：
步骤101、基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建所述热力系统的整体等效能量流模型；
所述流程结构包括热力系统的结构构成(各独立部件的构成)及工作流程。首先，基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型，所定义的热阻本身可以由热力系统的运行参数进行表征；在得到热力系统各部件的等效能量流模型后，通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建起所述热力系统的整体等效能量流模型。
对于不同的热力系统，所包含的各独立部件可能不同。其中，热力系统可以包括常物性换热器、相变换热器、变物性换热器及热功转换部件中的一种或多种。热力系统可以根据构成的各独立部件的不同，分别建立其所包含的各独立部件的等效能量流模型，进而通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建起所述热力系统的整体等效能量流模型。
在建立各独立部件的等效能量流模型中，可以定义热阻、热动势及能量源，分别类比于电学中的电阻、电动势和恒流源，温度表示热势，类比于电学中的电势，温度差类比于电学中的电压差，由此热阻、温度差之间可以通过类比欧姆定律表达为线性关系。建立各独立部件的等效能量流模型后，通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建起的所述热力系统的整体等效能量流模型可以类比于电学中的电路图。
步骤102、基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组(热量传递与转换控制方程组)；
基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组(热量传递与转换控制方程组)，从而阐明系统中热量的传递与转换的整体性规律。所述基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律，所述控制方程组中控制方程的个数与所述整体等效能量流模型电路结构中独立回路的个数相等。
针对所述的热力系统整体等效能量流模型，通过电学中的基尔霍夫电流和/或基尔霍夫电压定律推导其线性控制方程；若有必要，控制方程的推导可适当引入中间温度变量。所述中间温度变量为整体能量流模型中某中间节点的温度。
热阻的引入剥离了热量传递过程中复杂的非线性隐式性质，因此由基尔霍夫定律推导获得的控制方程显示出规律的线性形式，而所有的非线性因素均被转移至热阻的计算式中。
步骤103、通过分析工质流经所述热力系统各独立部件的压力变化特性，所述压力变化特性包括工质流经各动力和/或阻力部件后的压力变化与所述工质的质量流量的函数关系，建立所述热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；
热力系统实际运行中，热量的传递与转换依附于流体的流动过程，为构建完整的热力系统物理模型，需从工质流的视角分析系统内的流动动力/阻力平衡关系。从该角度出发，分析得到工质流经各动力、阻力部件后压力变化与其质量流量的函数关系，联立上述函数关系可构建系统各支路中的动力阻力平衡方程组，从而定量描述了工质的压力分布规律；若有必要，可对工质流经某些部件后的较小压力变化进行简化省略。
步骤104、通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组；
热力系统中，工质流动过程和与其伴随的热量传递与转换过程间存在耦合影响关系。压差驱动流动，温差反映热量传递与转换，因此，所述耦合关系表现在工质压力和温度间的制约关系中。通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组，以描述工质压力和温度间的制约关系。
步骤105、联立所述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
联立上述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
本发明实施例提出了一种清晰的、规范化的热力系统物理模型的构建方法，不同于传统方法简单堆砌各独立部件的控制方程，该方法通过将能量流和工质流分析视角进行有效结合，不仅减少了模型控制方程的个数，而且有效地解决系统变量间的非线性耦合关系，为后续的模型求解提供了便利。
进一步地，基于上述实施例，针对所述独立部件中的常物性换热器，所述等效能量流模型的构建过程具体包括：
将热流体、冷流体的能量守恒方程代入至所述常物性换热器的传热方程，得到所述常物性换热器的热阻R，其中，热阻R的表达式为：
其中，Q为所述常物性换热器的换热量，Th,i为所述热流体对应所述常物性换热器的进口温度，Tc,i为所述冷流体对应所述常物性换热器的进口温度，mh为所述热流体的质量流量，mc为所述冷流体的质量流量，cp,h为所述热流体的比热容，cp,c为所述冷流体的比热容，A为所述常物性换热器的换热面积，k为传热系数，ψ为修正因子；
将热流体、冷流体的能量守恒方程代入至所述常物性换热器的传热方程，得到所述常物性换热器的热阻R的上述表达式。
其中，热流体的能量守恒方程表示为：
Q＝mhcp,h(Th,i-Th,o)
其中，Th,o为所述热流体对应所述常物性换热器的出口温度。
冷流体的能量守恒方程表示为：
Q＝mccp,c(Tc,o-Tc,i)
其中，Tc,o为所述冷流体对应所述常物性换热器的出口温度。
将热流体的能量守恒方程和冷流体的能量守恒方程代入常物性换热器的传热方程：
从而得到上述电阻R的表达式，即可推导得以热、冷流体进口温差为驱动势定义的热阻R与换热器的传热面积A、传热系数k以及热、冷流体的质量流量mh、mc和比热容cp,h、cp,c之间的关系。
通过所述常物性换热器热阻的定义式和计算式可以看出，热量传递过程中变量间原本的隐式非线性关系被拆解为了换热量和流体进口温差间的线性关系以及热阻和工质质量流量、比热容、换热器传热面积、传热系数间的显式非线性关系。
分别将所述热流体及所述冷流体对应所述常物性换热器的进出口温度变化等效为热动势，并由能量守恒方程进行表征；其中，所述进出口温度变化是指出口温度与进口温度之差；
引入热动势元件表示冷、热流体进出换热器的温度变化，分别将所述热流体对应所述常物性换热器的出口温度与进口温度之差、所述冷流体对应所述常物性换热器的出口温度与进口温度之差等效为热动势，进出口温度变化可以由能量守恒方程进行表征，由此，热动势可以由能量守恒方程进行表征。
将所述常物性换热器中的换热过程以电路图的形式进行表征，从而构建得到所述常物性换热器的所述等效能量流模型。
类比上述线性关系于电学中的欧姆定律，热、冷流体间的换热过程可以等效为热量Q在势差Th,i-Tc,i的作用下流过热阻R的过程。与此同时，将工质进、出口温度间的关系比拟为电学中电压的变化，引入热动势元件表示冷、热流体进出换热器的温度变化。将热阻类比于电阻，将热动势类比于电动势，将温度类比于电势，将换热量类比于电流，将所述常物性换热器中的换热过程以电路图的形式进行表征，从而构建得到所述常物性换热器的所述等效能量流模型。
在上述实施例的基础上，本发明实施例将常物性换热器表示为线性的等效能量流模型，一方面通过引入少量中间变量揭示了设计参数、运行参数间的内在联系，尽可能地减少了模型方程与未知变量的个数，另一方面改善了模型的非线性性质，为建立简单、线性的热力系统物理模型奠定了基础。
进一步地，基于上述实施例，针对所述独立部件中的相变换热器，所述等效能量流模型的构建过程具体包括：
按照相变工质的不同物态对所述相变换热器的换热面积进行划分，将所述相变换热器表示为多个常物性子换热器的串联组合，分别构建各所述常物性子换热器的所述等效能量流模型，通过对应的等温度点将各常物性子换热器的所述等效能量流模型进行连接，构建得到所述相变换热器的所述等效能量流模型；其中，在所述相变换热器的相变段，所述相变工质的比热容数值为无穷大。
对于系统内工质发生相变过程的换热器(即相变换热器)，由于工质物性在相变点处的剧烈变化，相变换热器不能直接等效为单一的热阻。按照相变工质的物态变化对换热器的换热面积进行划分，由此可以将相变换热器视为多个常物性子换热器的串联组合。分别构建各常物性子换热器的等效能量流模型，将对应的等温度点进行连接可构建相变换热器的等效能量流模型。
所述常物性换热器的热阻与其传热系数、换热面积以及冷、热流体的质量流量、比热容之间的数学关系适用于相变换热器的两相换热段，仅需取相变工质的比热容数值为无穷大即可；与此相对应的，表征相变工质流经换热器两相换热段的热动势数值为0。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过基于常物性换热器得到相变换热器的等效能量流模型，进一步保障了获得简单、线性的热力系统物理模型，提高了热力系统物理模型的全面性和可靠性。
进一步地，基于上述实施例，针对所述独立部件中的变物性换热器，所述等效能量流模型的构建过程具体包括：
将所述变物性换热器的换热面积按照工质流向均匀划分为预设的N段；将所述变物性换热器表示为N个常物性子换热器的串联组合，分别构建各所述常物性子换热器的所述等效能量流模型，通过对应的等温度点将各常物性子换热器的所述等效能量流模型进行连接，构建得到所述变物性换热器的所述等效能量流模型。
对于系统内工质物性发生连续变化的换热器(变物性换热器)，将其换热面积按照工质流向均匀划分为预设的N段。其中，N段的分段数足够大，则分段后每个换热单元中流体的物性可视为定值。此时，变物性换热器等效为了N个常物性子换热器的串联组合，按照对应的等温度点连接N个常物性子换热器的等效能量流模型，即可构建变物性换热器的等效能量流模型。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过基于常物性换热器得到变物性换热器的等效能量流模型，进一步保障了获得简单、线性的热力系统物理模型，提高了热力系统物理模型的全面性和可靠性。
进一步地，基于上述实施例，针对所述独立部件中的热功转换部件，所述等效能量流模型的构建过程具体包括：将所述热功转换部件以能量源的形式进行表征，从而构建得到所述热功转换部件的所述等效能量流模型。
除上述热量传递过程，热力系统中尚存在着热能与其他形式的能量的相互转换。对于涉及此类热量转换过程的部件(热功转换部件)，引入类比于电学中恒流源的能量源元件对其进行表征，用以表示除热能外其他形式能量的输入与输出。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过将热功转换部件表征为能量源，进一步保障了获得简单、线性的热力系统物理模型，提高了热力系统物理模型的全面性和可靠性。
进一步地，基于上述实施例，所述工质压力和温度间的约束方程组具体包括：工质相变换热过程中工质压力与工质饱和温度、工质压力与相变潜热间的物性约束方程，以及热能与其他形式能量的相互转换过程前后工质压力与温度间的过程约束方程。
热力系统中，工质流动过程和与其伴随的热量传递与转换过程间存在耦合影响关系。压差驱动流动，温差反映热量传递与转换，因此，所述耦合关系表现在工质压力和温度间的制约关系中，所述工质压力和温度间的约束方程组具体包括：相变换热过程中工质压力与饱和温度和相变潜热间的物性约束关系，以及热能与其他形式能量的相互转换过程前后工质温度与压力间的过程约束关系。
其中，对于特定的工质，其压力、饱和温度和相变潜热均是一一对应的，该对应关系可由工质的热力性质表确定。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过给出工质压力和温度间的约束方程组，进一步提高了热力系统物理模型的全面性和可靠性。
进一步地，基于上述实施例，在所述构建所述热力系统的整体等效能量流模型的过程中，外界向所述热力系统内工质传递热量以及热能转换为其他形式的能量为正方向，相应物理量的取值为正；否则，为反方向，相应物理量的取值为负。
为规范化系统分析，可以设定等效能量流模型及整体等效能量流模型中外界向系统内工质传递热量以及热能转换为其他形式的能量为正方向，相应物理量的取值为正；若其实际方向与规定正方向相反，则对应物理量的取值为负。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过规定等效能量流模型的正方向，提高了等效能量流模型的规范性。
图2是本发明另一实施例提供的热力系统物理模型的构建方法流程示意图。如图2所示，本发明实施例提供的热力系统物理模型的构建方法，基于热力系统流程结构，引入热阻、热动势和能量源建立热力系统的整体等效能量流模型，依据基尔霍夫定律推导整体等效能量流模型的控制方程以阐明热量传递与转换的整体规律；分析工质流经各部件的压力变化特性，建立工质流动过程的动力阻力平衡方程以定量描述各支路中的压力分布规律；构建工质温度与压力间的约束关系厘清工质流动和热量传递与转换间的耦合影响；联立上述所有方程构成完备的热力系统物理模型。
本发明实施例提出了规范化的热力系统整体模型构建方法，一方面尽可能地减少了模型控制方程的个数，另一方面改善了系统数学模型的非线性性质，为后续的模型求解提供了便利。
图3是本发明实施例提供的热力系统物理模型的构建装置结构示意图。如图3所示，所述装置包括能量流模型构建单元10、能量流模型控制方程组建立单元20、动力阻力平衡方程组建立单元30、压力-温度约束方程组建立单元40及物理模型构建单元50，其中：
能量流模型构建单元10具体用于：基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建所述热力系统的整体等效能量流模型；
首先，能量流模型构建单元10基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；在得到热力系统各部件的等效能量流模型后，通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建起所述热力系统的整体等效能量流模型。
热力系统的各独立部件可以包括常物性换热器、相变换热器、变物性换热器及热功转换部件。热力系统分别建立其所包含的各独立部件的等效能量流模型，进而通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建起所述热力系统的整体等效能量流模型。
能量流模型控制方程组建立单元20具体用于：基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组(热量传递与转换控制方程组)；
能量流模型控制方程组建立单元20基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组(热量传递与转换控制方程组)，从而阐明系统中热量的传递与转换的整体性规律。所述基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律，所述控制方程组中控制方程的个数与所述整体等效能量流模型电路结构中独立回路的个数相等。
动力阻力平衡方程组建立单元30具体用于：通过分析工质流经所述热力系统各独立部件的压力变化特性，所述压力变化特性包括工质流经各动力和/或阻力部件后的压力变化与所述工质的质量流量的函数关系，建立所述热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；
动力阻力平衡方程组建立单元30分析并得到工质流经各动力、阻力部件后压力变化与其质量流量的函数关系，联立上述函数关系可构建系统各支路中的动力阻力平衡方程组，从而定量描述了工质的压力分布规律。
压力-温度约束方程组建立单元40具体用于：通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组；
压力-温度约束方程组建立单元40通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组，以描述工质压力和温度间的制约关系。
物理模型构建单元50具体用于：联立所述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
物理模型构建单元50联立上述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
本发明实施例不同于传统方法简单地堆砌各独立部件的控制方程，通过将能量流和工质流分析视角进行有效结合，不仅减少了模型控制方程的个数，而且有效地解决系统变量间的非线性耦合关系，为后续的模型求解提供了便利。
进一步地，基于上述实施例，所述能量流模型构建单元10在用于构建常物性换热器的等效能量流模型时，具体用于：
将热流体、冷流体的能量守恒方程代入至所述常物性换热器的传热方程，得到所述常物性换热器的热阻R，其中，热阻R的表达式为：
其中，Q为所述常物性换热器的换热量，Th,i为所述热流体对应所述常物性换热器的进口温度，Tc，i为所述冷流体对应所述常物性换热器的进口温度，mh为所述热流体的质量流量，mc为所述冷流体的质量流量，cp，h为所述热流体的比热容，cp,c为所述冷流体的比热容，A为所述常物性换热器的换热面积，k为传热系数，ψ为修正因子；
分别将所述热流体及所述冷流体对应所述常物性换热器的进出口温度变化等效为热动势，并由能量守恒方程进行表征；其中，所述进出口温度变化是指出口温度与进口温度之差；
引入热动势元件表示冷、热流体进出换热器的温度变化，分别将所述热流体对应所述常物性换热器的出口温度与进口温度之差、所述冷流体对应所述常物性换热器的出口温度与进口温度之差等效为热动势，进出口温度变化可以由能量守恒方程进行表征，由此，热动势可以由能量守恒方程进行表征。
将所述常物性换热器中的换热过程以电路图的形式进行表征，从而构建得到所述常物性换热器的所述等效能量流模型。
将热阻类比与电阻，将热动势类比于电动势，将温度类比于电势，将换热量类比于电流，将所述常物性换热器中的换热过程以电路图的形式进行表征，从而构建得到所述常物性换热器的所述等效能量流模型。
在上述实施例的基础上，本发明实施例将常物性换热器表示为线性的等效能量流模型，一方面通过引入少量中间变量揭示了设计参数、运行参数间的内在联系，尽可能地减少了模型方程与未知变量的个数，另一方面改善了模型的非线性性质，为建立简单、线性的热力系统物理模型奠定了基础。
进一步地，基于上述实施例，所述能量流模型构建单元10在用于构建相变换热器的等效能量流模型时，具体用于：按照相变工质的不同物态对所述相变换热器的换热面积进行划分，将所述相变换热器表示为多个常物性子换热器的串联组合，分别构建各所述常物性子换热器的所述等效能量流模型，通过对应的等温度点将各常物性子换热器的所述等效能量流模型进行连接，构建得到所述相变换热器的所述等效能量流模型；其中，在所述相变换热器的相变段，所述相变工质的比热容数值为无穷大。
对于系统内工质发生相变过程的换热器(即相变换热器)，由于工质物性在相变点处的剧烈变化，相变换热器不能直接等效为单一的热阻。按照相变工质的物态变化对换热器的换热面积进行划分，由此可以将相变换热器视为多个常物性子换热器的串联组合。分别构建各常物性子换热器的等效能量流模型，将对应的等温度点进行连接可构建相变换热器的等效能量流模型。
在所述相变换热器的相变段，所述相变工质的比热容数值为无穷大，表征相变工质流经换热器两相换热段的热动势数值为0。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过基于常物性换热器得到相变换热器的等效能量流模型，进一步保障了获得简单、线性的热力系统物理模型，提高了热力系统物理模型的全面性和可靠性。
进一步地，基于上述实施例，所述能量流模型构建单元10在用于构建变物性换热器的等效能量流模型时，具体用于：将所述变物性换热器的换热面积按照工质流向均匀划分为预设的N段；将所述变物性换热器表示为N个常物性子换热器的串联组合，分别构建各所述常物性子换热器的所述等效能量流模型，通过对应的等温度点将各常物性子换热器的所述等效能量流模型进行连接，构建得到所述变物性换热器的所述等效能量流模型。
能量流模型构建单元10对于系统内工质物性发生连续变化的换热器(变物性换热器)，将其换热面积按照工质流向均匀划分为预设的N段。其中，N段的分段数足够大，则分段后每个换热单元中流体的物性可视为定值。此时，变物性换热器等效为了N个常物性子换热器的串联组合，能量流模型构建单元10按照对应的等温度点连接N个常物性子换热器的等效能量流模型，即可构建变物性换热器的等效能量流模型。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过基于常物性换热器得到变物性换热器的等效能量流模型，进一步保障了获得简单、线性的热力系统物理模型，提高了热力系统物理模型的全面性和可靠性。
进一步地，基于上述实施例，所述能量流模型构建单元10在用于构建热功转换部件的等效能量流模型时，具体用于：将所述热功转换部件以能量源的形式进行表征，从而构建得到所述热功转换部件的所述等效能量流模型。
对于涉及热量转换过程的部件(热功转换部件)，所述能量流模型构建单元10引入类比于电学中恒流源的能量源元件对其进行表征，用以表示除热能外其他形式能量的输入与输出。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过将热功转换部件表征为能量源，进一步保障了获得简单、线性的热力系统物理模型，提高了热力系统物理模型的全面性和可靠性。
进一步地，基于上述实施例，所述工质压力和温度间的约束方程组具体包括：工质相变换热过程中工质压力与工质饱和温度、工质压力与相变潜热间的物性约束方程，以及热能与其他形式能量的相互转换过程前后工质压力与温度间的过程约束方程。
所述工质压力和温度间的约束方程组具体包括：相变换热过程中工质压力与饱和温度和相变潜热间的物性约束关系，以及热能与其他形式能量的相互转换过程前后工质温度与压力间的过程约束关系。其中，对于特定的工质，其压力、饱和温度和相变潜热均是一一对应的，该对应关系可由工质的热力性质表确定。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过给出工质压力和温度间的约束方程组，进一步提高了热力系统物理模型的全面性和可靠性。
进一步地，基于上述实施例，所述能量流模型构建单元10在用于构建所述热力系统的整体等效能量流模型的过程中，外界向所述热力系统内工质传递热量以及热能转换为其他形式的能量为正方向，相应物理量的取值为正；否则，为反方向，相应物理量的取值为负。
为规范化系统分析，所述能量流模型构建单元10在用于构建所述热力系统的整体等效能量流模型的过程中，以等效能量流模型及整体等效能量流模型中外界向系统内工质传递热量以及热能转换为其他形式的能量为正方向，相应物理量的取值为正；若其实际方向与规定正方向相反，则对应物理量的取值为负。
在上述实施例的基础上，本发明实施例通过规定等效能量流模型的正方向，提高了等效能量流模型的规范性。
本发明实施例提供的装置是用于上述方法的，具体功能可参照上述方法流程，此处不再赘述。
为进一步说明本发明实施例提供的热力系统物理模型的构建方法流程，下面以燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统的物理模型构建过程为例进行详细说明。
图4是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统流程结构示意图。如图4所示，燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统的主要构件包括余热锅炉内的省煤器、蒸发器和过热器，以及蒸汽轮机、凝汽器、给水泵等。其工作流程为：经汽轮机膨胀做功后的低压乏汽进入凝汽器，被来自环境的冷却水冷却凝结；在给水泵的驱动下，凝汽器出口的过冷水升压后进入余热锅炉；燃机排气由另一侧进入余热锅炉并依次流经串联布置的过热器、蒸发器和省煤器，其中蒸发器为一具有汽包结构的相变换热器。
图5是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统中蒸发器的汽包结构示意图；高压给水在省煤器内被预热至接近饱和温度后通过给水管进入汽包，汽包中的水流经下降管进入到上升管；下降管布置于余热锅炉外部不受热，上升管中的水受热在相应压力下沸腾，出口的气液两相混合物流经布置于汽包内部的汽水分离器；分离出的饱和水流回至蒸发器的入口处与省煤器出口水混合后进入上升管继续吸热相变，而分离出的饱和蒸汽由蒸汽引出管进入过热器进一步吸收烟气热量至过热状态；高温高压的过热蒸汽进入汽轮机膨胀做功，从而完成整个热力循环。
在此类热力系统中，存在着两类相互耦合的物理过程，即闭式循环回路中的工质输运过程以及伴随其上的换热与热功转换过程。其中，前者取决于流动动力/阻力平衡，工质的压力分布是其主要关注点，而后者更加注重由工质温度变化反映出的热量传递与转换特性。因此，需要分别从工质流和能量流的视角分析这两类过程，继而通过建立工质温度和压力间的制约关系将这两个视角进行有效的结合，最终构建完备的热力系统物理模型。
图4所示的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统的物理模型的构建方法步骤如下：
(1)对于系统中的常物性换热器，如过热器，将热、冷流体的能量守恒方程代入至过热器的传热方程，可推导得以热、冷流体进口温差为驱动势定义的热阻与过热器的换热面积、传热系数以及热、冷流体的质量流量和比热容之间的关系。
过热器的热阻的表达式为：
式(1)中各变量代表的含义如下：
Rsh——过热器的热阻(K/W)；Tfg,i——余热锅炉中燃机排气的进口温度(℃)；Tev——循环工质对应蒸发压力下的饱和温度(℃)；Qsh——过热器的换热量(W)；Gcf,sh——过热器中循环工质的热容量流(W/K)；Gfg,sh——过热器中燃机排气的热容量流(W/K)；ksh——过热器的传热系数(W/K/m2)；Ash——过热器的传热面积(m2)；
其中，Gcf,sh＝mcfcp,cf,sh，mcf为过热器中循环工质的质量流量，cp,cf,sh为过热器中循环工质的比热容；
Gfg,sh＝mfgcp,fg,sh，mfg为过热器中燃机排气的质量流量，cp,fg,sh为过热器中燃机排气的比热容。
此外，将过热器中换热工质进、出口温度的关系比拟为电学中电压的变化，即引入热动势εfg,sh和εcf,sh分别表示燃机排气和循环工质进出换热器的温度变化，二者满足以下能量守恒方程：
εfg,sh＝Tfg,i-Tfg,sh＝Qsh/Gfg,sh (2)
εcf,sh＝Tsh-Tev＝Qsh/Gcf,sh (3)
其中，Tfg,sh和Tsh分别为燃机排气和循环工质流经过热器后的出口温度。类比所述热阻和热动势于电学中的电阻和电动势，并以电路图的形式进行表征即可构建过热器的等效能量流模型。
下标fg、cf和sh分别表示燃机排气、循环工质和过热器。
图6是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统中过热器的等效能量流模型示意图。如图6所示，热流Qsh由燃机排气的进口温度Tfg,i经热阻Rsh流向循环工质的进口温度Tev，燃机排气的进、出口温度Tfg,i、Tfg,sh由热动势εfg,sh连接，循环工质的进、出口温度Tev、Tsh由热动势εcf,sh连接。其中，流经热动势εfg,sh和εcf,sh的热流由外热路确定，其数值并不一定等于流经热阻Rsh的热流Qsh。
对于省煤器，应用上述的热电比拟方法亦可直接构建其等效能量流模型。
图7是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统中省煤器的等效能量流模型示意图。如图7所示，省煤器的热阻的表达式如下：
式(4)中各变量代表的含义如下：
Rec——省煤器的热阻(K/W)；Tfg,ev——燃机排气对应省煤器的进口温度(℃)；Tec,i——循环工质对应省煤器的进口温度(℃)；Qec——省煤器的换热量(W)；Gcf,ec——省煤器中循环工质的热容量流(W/K)；Gfg，ec——省煤器中燃机排气的热容量流(W/K)；kec——省煤器的传热系数(W/K/m2)；Aec——省煤器的传热面积(m2)；
其中，Gcf，ec＝mcfcp，cf，ec，mcf为省煤器中循环工质的质量流量，cp，cf，ec为省煤器中循环工质的比热容；
Gfg，ec＝mfgcp，fg，ec，mfg为省煤器中燃机排气的质量流量，cp，fg，ec为省煤器中燃机排气的比热容。
热动势εfg，ec和εcf，ec分别表示燃机排气和循环工质进出省煤器的温度变化，二者满足以下能量守恒方程：
εfg，ec＝Tfg，ev-Tfg，o＝Qec/Gfg，ec (5)
εcf，ec＝Tec，o-Tec，i＝Qec/Gcf,ec (6)
其中，Tfg,o和Tec,o分别为燃机排气和循环工质流经过热器后的出口温度。类比所述热阻和热动势于电学中的电阻和电动势，并以电路图的形式进行表征即可构建省煤器的等效能量流模型。
其中，下标ec表示省煤器。
(2)对于系统内工质发生相变过程的换热器，如蒸发器，由于冷流体物性在相变点处的剧烈变化，其中的传热过程不能直接等效为单一的热阻。流入蒸发器的过冷水吸收燃气热量达到饱和温度，沸腾并以汽水混合物的形式流出蒸发器。冷侧流体的两种物态将蒸发器中的传热过程分成了两个部分，分别对应循环工质的预热段和相变段。对应地，将蒸发器的换热面积按这两个传热过程进行划分，可以视蒸发器为两个串联的换热器，记为ev1和ev2。过冷水在换热器ev1中达到饱和状态，继而在换热器ev2中沸腾生成饱和蒸汽。分别按照常物性换热器等效能量流模型的构建方法建立ev1和ev2的等效能量流模型，将对应的等温度点进行连接可构建蒸发器的等效能量流模型。
图8是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统中蒸发器的等效能量流模型示意图。如图8所示，Tev,i为蒸发器入口处给水的温度。蒸发器预热段的热阻Rev1可表示为：
式(7)中各变量代表的含义如下：
Rev1——蒸发器预热段的热阻(K/W)；Gcf,ev1——蒸发器预热段中循环工质的热容量流(W/K)；Gfg,ev1——蒸发器预热段中燃机排气的热容量流(W/K)；kev1——蒸发器预热段的传热系数(W/K/m2)；Aev1——蒸发器预热段的传热面积(m2)；
其中，Gcf，ev1＝nmcfcp，cf，ev1，nmcf为蒸发器预热段循环工质的质量流量，n为蒸发器的循环倍率，定义为蒸发器入口水与出口饱和蒸汽质量流量的比值；cp,cf，ev1为蒸发器预热段循环工质的比热容；
Gfg，ev1＝mfgcp，fg，ev1，mfg为蒸发器预热段燃机排气的质量流量，cp，fg，ev1为蒸发器预热段燃机排气的比热容。
对于蒸发器相变段，上述常物性换热器的热阻计算式仍然适用，仅需取此时循环工质的比热容数值为无穷大，蒸发器相变段的热阻Rev2可表示为：
其中，Rev2——蒸发器相变段的热阻(K/W)；Gfg，ev2——蒸发器相变段中燃机排气的热容量流(W/K)；kev2——蒸发器相变段的传热系数(W/K/m2)；Aev2——蒸发器相变段的传热面积(m2)；
其中，Gfg，ev2＝mfgcp，fg，ev2，mfg为蒸发器相变段燃机排气的质量流量，cp，fg，ev1为蒸发器相变段燃机排气的比热容。
上述(7)、(8)两式中蒸发器预热段和相变段的换热面积Aev1和Aev2的和为蒸发器的总换热面积Aev，即：
Aev1+Aev2＝Aev (9)
热动势εcf，ev1表示循环工质流经蒸发器预热段后的温度变化，εfg，ev2和εfg，ev1分别表示燃机排气依次流经蒸发器相变段和预热段后自身温度的变化，其各自表达式为：
εcf，ev1＝Qev1/Gcf，ev1 (10)
εfg，ev2＝Qev2/Gfg，ev2 (11)
εfg，ev1＝Qev1/Gfg，ev1 (12)
其中，Qev1、Qev2分别表示蒸发器预热段和相变段的换热量(W)。
沸腾过程中认为循环工质的比热容数值无穷大，因此用以表征其流经蒸发器相变段后温度变化的热动势数值为0。
图8中蒸发器相变段的换热量Qev2满足如下关系：
Qev2＝mcfrev (13)
其中，rev为蒸发压力下循环工质的相变潜热。
类似地，汽轮机出口乏汽在凝汽器中被冷却发生相变。若汽轮机出口乏汽仍为过热状态，其在凝汽器内先后经历了气态、两相和液态阶段，这三个过程将凝汽器分为三个串联的换热器，分别对应循环工质的过热段、相变段和过冷段，记为c1，c2和c3。分别按照常物性换热器能量流模型的构建方法建立c1，c2和c3的等效能量流模型，将对应的等温度点进行连接可构建凝汽器的等效能量流模型。
图9是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统中凝汽器的等效能量流模型示意图。如图9所示，Tcw,i和Tcw,o分别为凝汽器中冷却水的进、出口温度，Te为汽轮机出口乏汽的温度，Tc为循环工质在冷凝压力下的饱和温度。各换热过程的热阻表达式如下：
其中，Rc1——凝汽器过热段的热阻(K/W)；Gcw,c1——凝汽器过热段冷却水的热容量流(W/K)；Gcf,c1——凝汽器过热段中循环工质的热容量流(W/K)；kc1——凝汽器过热段的传热系数(W/K/m2)；Ac1——凝汽器过热段的传热面积(m2)；Gcf,c1＝mcfcp,cf,c1，mcf为凝汽器过热段循环工质的质量流量，cp,cf,c1为凝汽器过热段循环工质的比热容；Gcw,c1＝mcwcp,cw,c1，mcw为凝汽器过热段冷却水的质量流量，cp,cw,c1为凝汽器过热段冷却水的比热容；
Rc2——凝汽器相变段的热阻(K/W)；Gcw,c2——凝汽器相变段冷却水的热容量流(W/K)；kc2——凝汽器相变段的传热系数(W/K/m2)；Ac2——凝汽器相变段的传热面积(m2)；Gcw,c2＝mcwcp,cw,c2，mcw为凝汽器相变段冷却水的质量流量，cp,cw,c2为凝汽器相变段冷却水的比热容；
Rc3——凝汽器过冷段的热阻(K/W)；Gcw,c3——凝汽器过冷段冷却水的热容量流(W/K)；Gcf,c3——凝汽器过冷段中循环工质的热容量流(W/K)；kc3——凝汽器过冷段的传热系数(W/K/m2)；Ac3——凝汽器过冷段的传热面积(m2)；Gcf,c3＝mcfcp,cf,c3，mcf为凝汽器过冷段循环工质的质量流量，cp,cf,c3为凝汽器过冷段循环工质的比热容；Gcw,c3＝mcwcp,cw,c3，mcw为凝汽器过冷段冷却水的质量流量，cp,cw,c3为凝汽器过冷段冷却水的比热容；
同理，上式中Ac1、Ac2和Ac3与凝汽器的总换热面积Ac间需满足如下关系：
Ac1+Ac2+Ac3＝Ac (17)
热动势εcf,c1和εcf,c3分别表示循环工质流经凝汽器过热段和过冷段后自身温度的变化，εcw,c3、εcw,c2和εcw,c1为冷却水依次流经凝汽器过冷段、冷凝段和过热段后的温度变化，其表达式为：
εcf,c1＝Qc1/Gcf,c1 (18)
εcf,c3＝Qc3/Gcf,c3 (19)
εcw,c3＝Qc3/Gcw,c3 (20)
εcw,c2＝Qc2/Gcw,c2 (21)
εcw,c1＝Qc1/Gcw,c1 (22)
Qc1、Qc2和Qc3分别表示凝汽器过热段、相变段和过冷段的换热量(W)。
其中，凝汽器相变段(也称为冷凝段)的换热量Qc2仍需满足如下关系：
Qc2＝mcfrc (23)
其中，rc为冷凝压力下循环工质的相变潜热。
(3)除上述换热部件外，给水泵通过对循环工质加压向系统输入能量，而汽轮机则通过蒸汽膨胀对外输出能量，类比于电学中的恒流源，引入两个能量源PP、PT表示其中的热功转换过程。
(4)根据上述分析，通过引入热阻、热动势和能量源描述了热量在系统中的传递与转换，按照对应的等温度点将各部件的等效能量流模型进行连接可构建热力系统的整体等效能量流模型。
图10是本发明实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统的整体等效能量流模型示意图。其中，PP从凝汽器出口温度节点Tc,o处引入能量流模型，PT从过热器出口温度节点Tsh处引入能量流模型。
εcf,m描述了省煤器出口过冷水与汽水分离器分离出的饱和水在汽包中的混合过程，其将循环工质的热势由Tec,o升至Tev，i，根据能量守恒方程，该热动势的表达式为：
εcf，m＝(n-1)Qev1/Gcf，ev1 (24)
其中，n为蒸发器的循环倍率。
由于水的压缩性很小，虽然其在给水泵中的压力可大幅提高，但其温度变化和整个循环过程相比却可以忽略不计，优选的，表示循环工质流经给水泵温度变化的热动势εcf，P的数值可近似取为0。
(5)系统实际运行过程中，循环工质在余热锅炉内吸收烟气热量，在凝汽器中向冷却水释放热量；给水泵中外界向系统输入功，汽轮机中系统向外界输出功。为简化系统分析，统一对能量流模型中热量传递与热功转换过程的方向进行标定。优选的，与热力学研究规定一致，以外界向循环工质传递热量和系统向外界输出功为正方向，相应物理量为正；反之，为反方向，相应物理量为负。
图11是本发明另一实施例提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统的整体等效能量流模型示意图。图11是按照上述规定的正方向修正后的热力系统的整体等效能量流模型。换言之，当换热量的数值为负时，表明循环工质向外传递热量；当功量的数值为负时，表明外界向系统输入功。
(6)对于上述系统能量流模型，其整体性控制方程可以简便地通过基尔霍夫电压定律推导得出：
Tcw，i-εcw，c3-εcw，c2-Qc1Rc1＝Te (25)
Tcw，i-εcw，c3-Qc2Rc2-εcf，c1＝Te (26)
Tcw，i-Qc3Rc3-εcf，c1＝Te (27)
Tfg，i-εfg，sh-εfg，ev2-εfg，ev1-QecRec-εcf，c3-εcf，c1＝Te (28)
Tfg，i-εfg，sh-εfg，ev2-Qev1Rev1-εcf，m-εcf，ec-εcf，c3-εcf，c1＝Te (29)
Tfg，i-εfg,sh-Qev2Rev2-εcf,ev1-εcf,m-εcf,ec-εcf,c3-εcf,c1＝Te (30)
Tfg,i-QshRsh-εcf,ev1-εcf,m-εcf,ec-εcf,c3-εcf,c1＝Te (31)
汽轮机进、出口蒸汽温度由于膨胀过程相互制约，然而此约束关系的显式表达式难以直接给出，因此为了获得系统模型的完整数学表达，上述控制方程的推导过程中选取了汽轮机出口蒸汽温度Te作中间温度。
考虑到过热蒸汽温度与循环工质蒸发、冷凝温度均为分析系统物理过程间耦合关系的重要节点温度，然而这些参数并非系统独立变量，因此需先依据整体等效能量流模型建立Tsh、Tev、Tc和中间温度Te的能量守恒关系。根据图11所示的热力系统整体等效能量流模型可得：
Tc＝Te+εcf,c1 (32)
Tev＝Te+εcf，c1+εcf，c3+εcf，ec+εcf，m+εcf，ev1 (33)
Tsh＝Te+εcf,c1+εcf,c3+εcf,ec+εcf,m+εcf,ev1+εcf,sh (34)
可以看出，由于热阻的引入剥离了热量传递过程中复杂的非线性隐式性质，根据能量流模型推导获得的控制方程呈现出规律的线性形式，而所有的非线性因素均被转移至热阻的显式计算式中。数学上，线性方程与显式非线性方程均不难求解，因此能量流模型的引入辅助改善了系统数学模型的非线性性质，将为后续的模型求解带来便利。
(7)上述分析从能量流的视角阐明了系统中热量的整体传递与转换规律，然而在系统运行中热量的传递与转换依附于流体的流动过程，因此，为构建完整的系统数学模型，尚需从工质流的视角分析闭式循环回路内的动力/阻力平衡关系。
优选的，循环工质流经换热器以及相应管路的压力变化相比于泵与汽轮机可忽略不计，则给水泵出口水压力、蒸发压力与过热蒸汽压力相等，记为pev；相应地，乏汽压力、凝结压力与给水泵进口水压力相等，记为pc。
优选的，变频给水泵的频率w与循环工质的质量流量和前后压差间满足：
式中，a0、a1、a2为泵的特性参数，ρ为循环工质的密度，g为重力加速度。
优选的，循环工质的质量流量与其在汽轮机前后压力间的关系可由弗留格尔公式表示：
式中，K为汽轮机的通流系数，其数值由相关额定工况参数确定：
式中，下标0表示额定工况，即pev,0、pc,0、Tsh,0和mcf,0分别表示相应参数在额定工况下的取值。
上述(35)、(36)二式构成了闭式回路的动力阻力平衡方程组，从工质流动的角度描述了循环工质的压力分布规律。
(8)热力循环中，工质流动过程和与其伴随的热量传递与转换过程间存在着耦合影响关系，具体表现在工质压力与温度间的制约条件。
在蒸发器和凝汽器的相变换热过程中，循环工质的压力与饱和温度和相变潜热间满足如下物性约束关系：
Tev＝f(pev) (38)
rev＝g(pev) (39)
Tc＝f(pc) (40)
rc＝g(pc) (41)
对于特定的物质，其压力、饱和温度和相变潜热均是一一对应的，该对应关系可由物质的热力性质表确定，并无具体的表达式。故此处用f和g这两个函数符号分别表明压力与饱和温度的对应关系和压力与相变潜热的对应关系。
其中，Tev为压力pev下循环工质的饱和温度，rev为压力pev下循环工质的相变潜热；Tc为压力pc下循环工质的饱和温度，rc为压力pc下循环工质的相变潜热。
优选的，蒸汽在汽轮机中的热功转换过程中，其进、出口压力及温度需满足：
hcf(pev,Tsh)-hcf(pc,Te)＝ηin(hcf(pev，Tsh)-hcf(pc，Te,s)) (42)
其中，hcf为循环工质的比焓，ηin为汽轮机内效率，Te,s为假设等熵膨胀条件下的乏汽温度，其满足：
scf(pev,Tsh)＝scf(pc,Te,s) (43)
其中，scf为循环工质的比熵。
(9)因此，式(9)、(13)、(17)、(23)、(25)-(36)、(38)-(42)构成了燃气-蒸汽联合循环发电机组底循环系统的整体性控制方程。可以看出，不同于传统方法简单堆砌各独立部件的控制方程，本发明实施例提出的热力系统物理模型的构建方法一方面减少了系统控制方程的个数，另一方面改善了系统数学模型的非线性性质，为之后的模型求解提供了便利。
图12为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。如图12所示，所述电子设备包括处理器1201、存储器1202和总线1203。其中，所述处理器1201和所述存储器1202通过所述总线1203完成相互间的通信；所述处理器1201用于调用所述存储器1202中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建所述热力系统的整体等效能量流模型；基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组；通过分析工质流经所述热力系统各独立部件的压力变化特性，所述压力变化特性包括工质流经各动力和/或阻力部件后的压力变化与所述工质的质量流量的函数关系，建立所述热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组；联立所述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建所述热力系统的整体等效能量流模型；基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组；通过分析工质流经所述热力系统各独立部件的压力变化特性，所述压力变化特性包括工质流经各动力和/或阻力部件后的压力变化与所述工质的质量流量的函数关系，建立所述热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组；联立所述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建所述热力系统的整体等效能量流模型；基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组；通过分析工质流经所述热力系统各独立部件的压力变化特性，所述压力变化特性包括工质流经各动力和/或阻力部件后的压力变化与所述工质的质量流量的函数关系，建立所述热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组；联立所述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种热力系统物理模型的构建方法，其特征在于，包括：
基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建所述热力系统的整体等效能量流模型；
基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组；
通过分析工质流经所述热力系统各独立部件的压力变化特性，所述压力变化特性包括工质流经各动力和/或阻力部件后的压力变化与所述工质的质量流量的函数关系，建立所述热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；
通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组；
联立所述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对所述独立部件中的常物性换热器，所述等效能量流模型的构建过程具体包括：
将热流体、冷流体的能量守恒方程代入至所述常物性换热器的传热方程，得到所述常物性换热器的热阻R，其中，热阻R的表达式为：
其中，Q为所述常物性换热器的换热量，Th,i为所述热流体对应所述常物性换热器的进口温度，Tc,i为所述冷流体对应所述常物性换热器的进口温度，mh为所述热流体的质量流量，mc为所述冷流体的质量流量，cp,h为所述热流体的比热容，cp,c为所述冷流体的比热容，A为所述常物性换热器的换热面积，k为传热系数，ψ为修正因子；
分别将所述热流体及所述冷流体对应所述常物性换热器的进出口温度变化等效为热动势，并由能量守恒方程进行表征；其中，所述进出口温度变化是指出口温度与进口温度之差；
将所述常物性换热器中的换热过程以电路图的形式进行表征，从而构建得到所述常物性换热器的所述等效能量流模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，针对所述独立部件中的相变换热器，所述等效能量流模型的构建过程具体包括：
按照相变工质的不同物态对所述相变换热器的换热面积进行划分，将所述相变换热器表示为多个常物性子换热器的串联组合，分别构建各所述常物性子换热器的所述等效能量流模型，通过对应的等温度点将各常物性子换热器的所述等效能量流模型进行连接，构建得到所述相变换热器的所述等效能量流模型；
其中，在所述相变换热器的相变段，所述相变工质的比热容数值为无穷大。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，针对所述独立部件中的变物性换热器，所述等效能量流模型的构建过程具体包括：
将所述变物性换热器的换热面积按照工质流向均匀划分为预设的N段；将所述变物性换热器表示为N个常物性子换热器的串联组合，分别构建各所述常物性子换热器的所述等效能量流模型，通过对应的等温度点将各常物性子换热器的所述等效能量流模型进行连接，构建得到所述变物性换热器的所述等效能量流模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对所述独立部件中的热功转换部件，所述等效能量流模型的构建过程具体包括：
将所述热功转换部件以能量源的形式进行表征，从而构建得到所述热功转换部件的所述等效能量流模型。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工质压力和温度间的约束方程组具体包括：
工质相变换热过程中工质压力与工质饱和温度、工质压力与相变潜热间的物性约束方程，以及热能与其他形式能量的相互转换过程前后工质压力与温度间的过程约束方程。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述构建所述热力系统的整体等效能量流模型的过程中，外界向所述热力系统内工质传递热量以及热能转换为其他形式的能量为正方向，相应物理量的取值为正；否则，为反方向，相应物理量的取值为负。
8.一种热力系统物理模型的构建装置，其特征在于，包括：
能量流模型构建单元，具体用于：基于热力系统的流程结构，引入热阻、热动势和/或能量源构建所述热力系统各独立部件的等效能量流模型；通过对应的等温度点将各独立部件的所述等效能量流模型进行连接，构建所述热力系统的整体等效能量流模型；
能量流模型控制方程组建立单元，具体用于：基于所述整体等效能量流模型，利用基尔霍夫定律建立能量流模型控制方程组；
动力阻力平衡方程组建立单元，具体用于：通过分析工质流经所述热力系统各独立部件的压力变化特性，所述压力变化特性包括工质流经各动力和/或阻力部件后的压力变化与所述工质的质量流量的函数关系，建立所述热力系统的工质流动过程的动力阻力平衡方程组；
压力-温度约束方程组建立单元，具体用于：通过分析所述工质的流动过程和热量传递及转换过程间的耦合关系，建立工质压力和温度间的约束方程组；
物理模型构建单元，具体用于：联立所述能量流模型控制方程组、所述动力阻力平衡方程组及所述工质压力和温度间的约束方程组，从而构建得到所述热力系统的物理模型。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至7任一所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一所述的方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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