CN109446714A - 能源互联网冷热电传递能量传递比摩阻确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能源互联网冷热电传递能量传递比摩阻确定方法，综合考虑以下因素:热网基建投资的年度计算费用、输送热媒的年度费用以及热损失的年度费用。通过建立供热管网的供热能量传递模型，综合分析管网基建投资费用、供热管网电能费用及热损失费用，确定最佳经济比摩阻。上述方法保证了系统不平衡率处在较小水平，运行调试方便；当系统出现水力失调等问题时，节约了管网中水力平衡元件的设置，降低了水力平衡计算的工作量和工程造价；同时，保证了整个管网可以采用国产设备，降低了管网系统的安装和管理维护难度；对平衡系统运行及降低管网初投资有明显作用。

Description

能源互联网冷热电传递能量传递比摩阻确定方法

技术领域

本发明涉及能源互联网运行控制领域，具体涉及一种能源互联网冷热电传递能量传递比 摩阻确定方法。

背景技术

居民供热系统是中国北方城市重要的能源基础设施之一。随着城市人口的集中，城镇规 模不断扩大，城镇供热系统的规模也随之扩大。现有供热体系中清洁能源被越来越多的采用， 居民供热系统的能源来源越来越多样化，包括天然气、太阳能和地热能等多种清洁能源。能 源如热量在各个不同的能源之间包括冷热电进行传递，在冷热电综合能量的传递过程中，必 然伴随着冷损失、传热损失、泵耗损和换热器引起的损失。在部分城市中，供热系统由分属 于不同利益主体的数个到数十个，甚至上百个区域供热系统组成。然而，这些区域供热系统 彼此间相互独立运行，负荷过剩的系统需要合理的将过剩的负荷传输给负荷欠缺系统，实现 多个区域供热系统之间的合理热能调度，降低能源的浪费。

在供热管道设计过程中，比摩阻的选用是其关键的影响因素。现有设计中，一般对连续 性定律都能做到，但是压力降平衡定律就很难做到，因为很多设计只是按比摩阻30-80Pa/m选 管径，之后很多情况下不考虑各节点阻力是否平衡，从而导致管网中各节点的阻力不等，引 起水力失调的发生，能量的传递并不顺畅。

有研究表明，凭经验盲目依照手册上推荐的设计参数进行设计，会增大系统不平衡率， 从而导致运行调试困难。当系统出现水力失调等问题时，常用的解决方法就是增设水力平衡 元件，这样不仅导致工程造价增加，而且增加了水力平衡计算的工作量。

另外，出于我国当前的发展水平，很多产品的质量水平有限，比如阀门阀件等，在使用 一段时间后产生质量问题，既而失去调节效用。由于对技术人员管理的不完善，即便安装了 平衡元件，现场操作人员也很少调试等现象普遍存在。

在设计过程中选取较大的比摩阻时，管网主干管上的阻力也会增大，在进行设计时就要 求设计人员考虑增大其他各支段的阻力，以达到系统内阻力平衡的目的，这样就使管网的初 投资增大，浪费能源。所以严格控制管道的比摩阻对平衡系统运行及降低管网初投资都有很 明显的作用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明为了确定经济可靠的最佳比摩阻，综合考虑以下因 素：热网基建投资的年度计算费用、输送热媒的年度费用以及热损失的年度费用等。

通过建立供热管网的供热能量传递模型，综合分析管网基建投资费用、供热管网电能费 用及热损失费用，确定最佳经济比摩阻取值范围。

本发明提供一种能源互联网冷热电传递能量传递比摩阻确定方法，包括以下步骤：

S1、建立供热管网费用组成及供热能量传递模型：

S2、对热力最佳比摩阻进行优化，使寿命周期成本为最小的原则，获得热网工程的寿命 周期表达式：

式中：ε为寿命周期，元/年；S_t为热网工程的基建费，元/年；S_y为年运行费用，元/年；T为使用年限；

S3、获得热网工程细化费用构成的寿命周期表达式：

式中：ε为寿命周期，元/年；S_ry为热源部分基建费用，元/年；S_rw为热网部分基建费用， 元/年；S_yh为热用户基建费用，元/年；S₁-S₇为电费、水费、热网散热损失费、折旧和大修理费、燃料费、材料费和耗损费，元/年；其中，S_t＝S_ry+S_rw+S_yh；S_y＝S₁+S₂+S₃+S₄+ S₅+S₆+S₇；

S4、通过对供热管网费用影响因素分析，考虑敷设条件和管径编制预算得到供热管网的 投资费用表达式为：

式中：S_rw为管网的基建投资费用，即各管段投资费用的总和，元；l_i为各管段的长度，m； n为管网计算的管段数量；α和b为与管网敷设方式有关的常数，元/m，元/m²；M为管网的 材料特性系数，

M_max＝0.23G^0.38×L/R^0.19，M_min＝0.17G^0.38×L/R^0.19G为管内热水总流量，t/h； L为管段长度，m；R为管段比摩阻，Pa/m；

供热管网电能费用：

式中：G为管网内热水总流量，t/h；ΔP为循环水泵总扬程，Pa；η为水泵装置的效率，％； N₁为水泵全年运行小时数，h；C₁为单位电价，元/(kw·h)；

供热管网热损失费用：

式中：K_Pj为管外表面与环境间的平均放热系数，w/m²；t_p为热水年平均温度；t₀为管周 围环境介质温度；β为考虑经未保温部件散失热量的系数；

S5、获得供热管网经济比摩阻：

在目标函数(6)中，令求得最小值：

进而可以得出供热管网经济比摩阻的表达式如下：

并且，当系数取0.23时，供热管网经济比摩阻为最大值；当系数取0.17时，比摩阻R为最小值。

可优选的是，主干线采取35～65Pa/m比摩阻，支线采取70～110Pa/m比摩阻。

可优选的是，供热管网包括发电机组、升压变压器、计量装置、降压变压器和储热罐， 所述发电机组的第一端与升压变压器相连接，升压变压器经计量装置向电网供电，同时升压 变压器经降压变压器与蓄热罐相连接；发电机组的第二端将热电蒸汽发给热网首站，热网首 站经热网循环泵与蓄热罐储热换能后，将热量传递给热用户。

上述比摩阻的选择方法保证了系统不平衡率处在较小水平，运行调试方便：当系统出现 水力失调等问题时，节约了管网中水力平衡元件的设置，降低了水力平衡计算的工作量和工 程造价；同时，保证了整个管网可以采用国产设备，降低了管网系统的安装/管理维护难度； 对平衡系统运行及降低管网初投资都有很明显的作用。

如图说明

图1是本发明能源互联网冷热电传递能量传递比摩阻确定方法的流程示意图；

图2是本发明发电机组向用户传递热量的结构示意图；

图3是本发明采暖季时电力负荷情况示意图；以及

图4是本发明热网内蒸汽循环示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行说明。

综合考虑以下因素：热网基建投资的年度计算费用、输送热媒的年度费用以及热损失的 年度费用等。通过建立供热管网的供热能量传递模型，综合分析管网基建投资费用、供热管 网电能费用及热损失费用，确定最佳经济比摩阻取值范围。

供热管网费用组成及供热能量传递模型

对热力最佳比摩阻进行优选可使寿命周期成本为最小的原则，可得：

其中，S_t＝S_ry+S_rw+S_yh；S_y＝S₁+S₂+S₃+S₄+S₅+S₆+S₇；

式中：ε为寿命周期，元/年；S_t为热网工程的基建费，元/年；S_y为年运行费用，元/年； T为使用年限，年；S_ry为热源部分基建费用，元/年；S_rw为热网部分基建费用，元/年；S_yh为 热用户基建费用，元/年；S₁-S₇为电费、水费、热网散热损失费、折旧和大修理费、燃料费、材料费及其他费用，元/年。

则热网工程的寿命周期成本为：

供热管网基建投资费用：

通过对供热管网费用影响因素的分析，综合考虑敷设条件和管径编制预算等得到整个热 水管网的投资费用表达式为：

式中：S_rw为管网的基建投资费用，即各管段投资费用的总和，元；l_i为各管段的长度，m； n为管网计算的管段数量；α和b为与管网敷设方式有关的常数，元/m，元/m²；M为管网的 材料特性系数，

M_max＝0.23G^0.38×L/R^0.19，M_min＝0.17G^0.38×L/R^0.19(G为管内热水总流量，t/h；L 为管段长度，m；R为管段比摩阻，Pa/m)

供热管网电能费用：

式中：G为管网内热水总流量，t/h；ΔP为循环水泵总扬程，Pa；η为水泵装置的效率，％； N₁为水泵全年运行小时数，h；C₁，为单位电价，元/(kw.h)。

供热管网热损失费用：

式中：K_Pj为管外表面与环境问的平均放热系数，w/m²；t_p为热水年平均温度；t₀为管周 围环境介质温度；β为考虑经未保温部件散失热量的系数。

经济比摩阻的计算

将上述各项费用表达式带入(2)式，整理后得目标函数为：

令求得最小值。

进而可以得出经济比摩阻的计算表达式如下：

注：当系数取0.23时，R为最大值，系数取0.17时，R为最小值。

我国零碳电力资源装机容量已经超过30％的比例，大量清洁能源不能上网，因弃风、弃 光、弃水和弃核电造成更严重的浪费，因此基于上述分析，本发明提供一种热电解耦调峰方 法。

发电机组的发电量与供热量存在线性相关的耦合关系，但是在采暖季，由于热电耦合关 系，调峰能力下降，导致大量风电等被弃用。此时，当电网调度要求降低发电量时，利用电 极锅炉消耗掉发出的电量，降低发往电网的电量，为新能源发电提供发电空间，适合低热负 荷应用。而且，在发电高峰时，将多余的热量存储在储热水罐之中，在夜间热负荷高峰时， 发电机降负荷工作，供热量下降，不足部分由储热水罐提供，适合于高热负荷应用。而且在 本发明一种优选方式时，蓄热罐用于最低负荷率之上部分的调峰，电极锅炉用于最低符合率 之下部分的调峰，这种联合调峰方式适合于高热负荷应用。

图2是本发明发电机组向用户传递热量的结构示意图，发电机组1的第一端21与升压变 压器2相连接，升压变压器2经计量装置3向电网供电，同时升压变压器2经降压变压器8 与蓄热罐4相连接；发电机组1的第二端22将热电蒸汽发给热网首站5，热网首站5经热网循环泵6与蓄热罐4储热换能后，按需要将热量传递给热用户7。

如图3所示，在采暖季时，某区域日负荷曲线LA随着一天时间的推移变化的情况，图 中LB表示白天平均负荷，图中C点和D点分别表示每天中午和傍晚通常会出现两个电力负 荷高峰，电网调度需要提高发电机组的供电量，有时会出现供电量不足现象，需要发电机组 提高发电能力。但是由于供热机组处于供热状态，不能提升发电量，利用本发明的储热设备， 即电热水锅炉4和储热水箱6辅助供热后，则可以降低机组供热量，提升发电量。

如图4所示，进入热网首站循环泵8之前80℃的蒸汽经过热网换热器9和热网首站热换 器10后，蒸汽温度提高至115℃。把115℃蒸汽输送给区域热用户7进行供热后，热网内蒸 汽温度降低为55℃。将把55℃蒸汽输送给电热水锅炉11后提高再次将热网内蒸汽提高至 80℃，并重复进行循环下去。

经过上述调峰后，获得以下实施例数据：

调峰电量第1档66MW，第2档219MW，调峰时间第1档7小时/天，第2档7小时/天， 调峰总天数为183天。采暖季总调峰电量第1档84546MW，第2档280539MW。

基于上述分析可知，在采暖设计中，利用热负荷计算出流量，确定管径时，先要假定一 个经济比摩阻，通过流量和经济比摩阻来确定管径.单位长度的沿程阻力为比摩阻。一般情况 下，主干线采取35～65Pa/m比摩阻，支线应根据允许压降选取，一般取70～110Pa/m比摩阻， 不应大于280Pa/m。一般地，在一个5万平方米的供热面积系统中，供热系统总阻力22.5m 水柱，其中热用户7阻力3m，外网系统阻力5～7m水柱，换热站管路系统阻力10～12m水 柱。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的一种能源互联网冷热电传递能量传 递比摩阻确定方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的一种基于TSCR 动态变规程提高材料低温韧性的方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。 因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对 以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求 书的范围来确定的。

Claims (3)

1.一种能源互联网冷热电传递能量传递比摩阻确定方法，其特征在于：包括

S1、建立供热管网费用组成及供热能量传递模型：

S2、对热力最佳比摩阻进行优化，使寿命周期成本为最小的原则，获得热网工程的寿命周期表达式:

式中:ε为寿命周期，元/年；S_t为热网工程的基建费，元/年；S_y为年运行费用，元/年；T为使用年限；

S3、获得热网工程细化费用构成的寿命周期表达式：

式中:ε为寿命周期，元/年；S_ry为热源部分基建费用，元/年；S_rw为热网部分基建费用，元/年；S_yh为热用户基建费用，元/年；S₁-S₇为电费、水费、热网散热损失费、折旧和大修理费、燃料费、材料费和耗损费，元/年；其中，S_t＝S_ry+S_rw+S_yh；S_y＝S₁+S₂+S₃+S₄+S₅+S₆+S₇；

S4、通过对供热管网费用影响因素分析，考虑敷设条件和管径编制预算得到供热管网的投资费用表达式为:

式中:S_rw为管网的基建投资费用，即各管段投资费用的总和，元；l_i为各管段的长度，m；n为管网计算的管段数量；α和b为与管网敷设方式有关的常数，元/m，元/m²；M为管网的材料特性系数，

M_max＝0.23G^0.38×L/R^0.19，M_min＝0.17G^0.38×L/R^0.19G为管内热水总流量，t/h；L为管段长度，m；R为管段比摩阻，Pa/m；

供热管网电能费用：

式中:G为管网内热水总流量，t/h；ΔP为循环水泵总扬程，Pa；η为水泵装置的效率，％；N₁为水泵全年运行小时数，h；C₁为单位电价，元/(kw·h)；

供热管网热损失费用：

式中:K_Pj为管外表面与环境间的平均放热系数，w/m²；t_p为热水年平均温度；t₀为管周围环境介质温度；β为考虑经未保温部件散失热量的系数；

S5、获得供热管网经济比摩阻：

在目标函数(6)中，令求得最小值:

进而可以得出供热管网经济比摩阻的表达式如下:

并且，当系数取0.23时，供热管网经济比摩阻为最大值；当系数取0.17时，比摩阻R为最小值。

2.根据权利要求1所述的能源互联网冷热电传递能量传递比摩阻确定方法，其特征在于：主干线采取35～65Pa/m比摩阻，支线采取70～110Pa/m比摩阻。

3.根据权利要求2所述的能源互联网冷热电传递能量传递比摩阻确定方法，其特征在于：供热管网包括发电机组、升压变压器、计量装置、降压变压器和储热罐，所述发电机组的第一端与升压变压器相连接，升压变压器经计量装置向电网供电，同时升压变压器经降压变压器与蓄热罐相连接；发电机组的第二端将热电蒸汽发给热网首站，热网首站经热网循环泵与蓄热罐储热换能后，将热量传递给热用户。