CN110473118B

CN110473118B - 一种多热源枝状供热管网关联矩阵的生成方法

Info

Publication number: CN110473118B
Application number: CN201910747246.8A
Authority: CN
Inventors: 时国华; 杨林棣; 余丹
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2023-04-14
Anticipated expiration: 2039-08-14
Also published as: CN110473118A

Abstract

本发明涉及一种多热源枝状供热管网关联矩阵的生成方法，步骤如下：1)由图论构建供热管网简化图；2)整理多热源枝状供热系统信息；3)利用枝状管段间热负荷关系式计算各管段热负荷；4)制定管段流向判定原则；5)确定各管段流向；6)生成管网的关联矩阵。在已知热源实际热负荷的条件下，本发明多热源枝状供热管网的关联矩阵生成方法能够准确、快速地得到相应供热工况下管网的关联矩阵，为供热管网的水力计算工作提供方便。

Description

一种多热源枝状供热管网关联矩阵的生成方法

技术领域

本发明属于集中供热系统水力计算技术领域，具体涉及到一种多热源枝状供热管网关联矩阵的生成方法。

背景技术

水力计算是集中供热系统设计和运行调节的关键，随着集中供热系统的日益庞大和复杂，往往借助图论理论用以辅助供热系统的水力计算。在运用图论知识进行供热管网简化后，管网关联矩阵的构造工作至关重要。只有准确地得到相应工况下供热管网的关联矩阵，才能利用基尔霍夫定律求出管网中各管段的流量，再结合已知的管径信息，通过查水力计算表或公式计算得到管段的实际比摩阻，从而完成管网的压降计算。但是对于多热源枝状集中供热系统，管网结构复杂，管网的节点和管段数量较多，并且供热系统实际运行过程中多个热源存在不同的负荷分配组合，这导致管网中管段内介质流向和流量存在变化。显然，多热源枝状供热管网关联矩阵的构建难度和工作量加大。

供热管网构造关联矩阵，需要通过管网内各管段流向去判断节点和管段的关系，因此确定各管段流向是工作的前提。对于多热源供热管网，管网内各管段的流向可能随着热源负荷分配的变化而变化，在不同供热工况下，管网的关联矩阵可能也会发生变化。一般的多热源枝状供热管网关联矩阵生成方法未能给出系统、合理的管段流向判定方法，设计人员需要先通过各热源实际热负荷确定管网水力交汇点大致位置，再根据水力交汇点位置的划分确定各区域管网的流向，经过繁琐的管网流向判定最终完成关联矩阵的构造；上述方法不能很好地解决多热源枝状供热系统热源负荷分配变化带来的关联矩阵构造方面的难题，水力交汇点的位置会随着热源负荷分配发生变化，导致构造关联矩阵的工作较为繁琐。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提出一种多热源枝状供热管网关联矩阵的生成方法，通过建立完整的枝状供热管网管段流向判定方法，便捷、准确地输出管段流向，提高枝状供热管网关联矩阵生成工作的效率；并且该方法适用于多热源枝状供热管网，热源负荷分配变化带来的工作量较小，可以快速完成不同供热工况下的关联矩阵构造。该方法易于计算机编程实现，仅需多热源供热系统任意工况时各热源的实际热负荷，即可准确、快速地求得相应工况下管网的关联矩阵。

一种多热源枝状供热管网关联矩阵的生成方法，包括以下步骤：

1)由图论构建供热管网简化图，简化图包括节点和管段；所述节点根据位置不同，分为热源点、换热站节点和中间节点；所述节点的数量为N，节点集为n＝{n₁，n₂，…，n_N}；所述管段的数量为B，管段集为b＝{b₁，b₂，…，b_B}；所述节点的数量N和管段的数量B，满足B＝N-1；

2)整理多热源枝状供热系统信息，包括热负荷信息和由图论构建的管网简化图信息；所述热负荷信息包括热源实际热负荷Q_r，a(a＝1，2，...，m)、热源设计热负荷Q’_r，a(a＝1，2，...，m)、换热站设计热负荷Q’_h，c(c＝1，2，...，M)和供热系统设计热负荷Q’；所述热源的数量m，满足m＜B；所述换热站的数量M，满足M＜B；所述管网简化图信息包括节点编号、节点集和管段集；

3)利用枝状供热管网管段间热负荷关系，结合所述步骤1)和所述步骤2)，计算管段热负荷值，管段b_i热负荷

满足函数：

式中，Q_r，a——热源a实际热负荷，MW；

Q′_h，c——换热站c设计热负荷，MW；

——管段b_i热负荷，MW；

——管段b₁热负荷，MW；

——管段b_i-1热负荷，MW；

——管段b_i+1热负荷，MW；

——管段b_B热负荷，MW；

4)制定管段流向判定原则；

5)确定管段流向，管段流向由管段热负荷计算结果和节点编号确定；

6)根据管段流向，生成供热管网关联矩阵。

优选地，

1.1、在一个多热源枝状集中供热系统中，节点的编号规则统一，规定换热站节点编号始终大于其相邻中间节点编号，热源节点编号始终小于其相邻中间节点编号。

1.2、管网简化图中的管段可由节点表示，n_j、n_k为简化图中相邻两个节点，管段b_i为节点n_j、n_k之间的管段，管段b_i可表示为(n_j，n_k)或(n_k，n_j)；

1.3、枝状供热系统管段热负荷计算通式遵循以下规律：

若管段与热源直接连接，则管段热负荷可由相连热源的实际热负荷表示，所述管段热负荷计算式(1)具体为式(2)，

式中：

——节点n_j和节点n_k之间的管段b_i的实际热负荷，MW；

Q_r，a——与管段b_i直接连接的热源a实际热负荷(a∈{1，2，…，m})，MW；

若管段与热力站直接连接，则管段热负荷可由相连热力站的热负荷表示，所述管段热负荷计算式(1)具体为式(3)，

式中：

——节点n_j和节点n_k之间的管段b_i的实际热负荷，MW；

——相对热负荷；

Q′_h，c——与管段b_i直接连接的换热站c设计热负荷(c∈{1，2，…，M})，MW；

所述相对热负荷

为：

式中：Q_r，a——热源a实际热负荷(a∈{1，2，…，m})，MW；

若管段既不与热源直接连接，也不与热力站直接连接，则管段热负荷可由与其相连的其它管段热负荷表示，所述管段热负荷计算式(1)具体为式(5)，

式中：

——节点n_j和节点n_k之间的管段b_i的实际热负荷，MW；

n_l——节点n_l，所述节点编号，l≠j，l≠k；

——节点n_k和节点n_l之间的管段b_u的实际热负荷(u∈{1，2，…，B})，MW；

——常数，取值为1，-1或0；

——常数，取值为1或-1；

1.4、若节点编号j大于节点编号k，则

若节点编号j小于节点编号k，则

1.5、若节点n_l与节点n_k不相连，则

若节点n_l与节点n_k相连，且节点编号l大于节点编号k，则

若节点n_l与节点n_k相连，且节点编号l小于节点编号k，则

1.6、管段流向判定规则为：

1)与热力站直接连接的管段流向一定为流入热力站；与热源直接连接的管段流向一定为流出热源；

2)若

则表示管段b_i的流向为编号小的节点流至编号大的节点；

3)若

则表示管段b_i的流向为编号大的节点流至编号小的节点。

1.7、具有N个节点和B个管段的供热管网的关联矩阵为

(d∈{1，2，…，N})，其中：

所述关联矩阵P(G)中，每一行代表一个节点，行号是节点编号；每一列代表一个管段，列号是管段编号。

本发明的有益效果为：

1)建立了多热源枝状供热管网中管段热负荷计算式，实现了快速求解任意工况下任意管段的热负荷。

2)利用管段负荷的正、负值作为管段流向的判别依据，提高了管段内介质流向确定的直观性和准确性。

3)该方法易于利用编程语言编写关联矩阵的构造程序，大大减小了构建大型枝状供热管网关联矩阵的工作量。

4)该方法仅需要获取枝状供热管网各管段的热负荷值即可确定各管段流向，从而生成关联矩阵。

附图说明

图1为一种多热源枝状供热管网关联矩阵的生成方法逻辑框图；

图2为一种多热源枝状供热管网关联矩阵的生成方法流程图；

图3为实施例A地区多热源枝状供热管网简图；

图4为图3所示管网简图的局部管段图；

图5为图3所示管网简图的局部管段图，部分管段流向与图4不同。

具体实施方式

下面结合实施例和附图进一步说明本发明的具体实施方式。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

一种多热源枝状供热管网关联矩阵的生成方法，关联矩阵生成流程图如图2所示：

步骤一：输入参数(多热源枝状供热系统相关信息)

由图论构建供热管网简化图，简化图包括节点和管段；所述节点根据位置不同，分为热源点、换热站节点和中间节点；所述节点的数量为N，节点集为n＝{n₁，n₂，…，n_N}；所述管段的数量为B，管段集为b＝{b₁，b₂，…，b_B}，所述节点的数量N和管段的数量B，满足B＝A-1；并整理多热源枝状供热系统信息，包括热负荷信息和由图论构建的管网简化图信息；所述热负荷信息包括热源实际热负荷Q_r，a(a＝1，2，...，m)、热源设计热负荷Q’_r，a(a＝1，2，...，m)、换热站设计热负荷Q’_h，c(c＝1，2，...，M)和供热系统设计热负荷Q’；所述热源的数量m，满足m＜B；所述换热站的数量M，满足M＜B；所述管网简化图信息包括节点编号、节点集和管段集；

管网简化图中的管段可由节点表示，n_k、n_k为简化图中相邻两个节点，管段b_i为节点n_j、n_k之间的管段，管段b_i可表示为(n_j，n_k)或(n_k，n_j)；

步骤二：判断管段与热源或热力站是否直接连接

1)若管段与热源直接连接，则管段热负荷可由相连热源的实际热负荷表示，所述管段热负荷计算式(1)具体为式(2)，

式中：

——节点n_j和节点n_k之间的管段b_i的实际热负荷，MW；

2)若管段与热力站直接连接，则管段热负荷可由相连热力站的热负荷表示，所述管段热负荷计算式(1)具体为式(3)，

式中：

——节点n_j和节点n_k之间的管段b_i的实际热负荷，MW；

——相对热负荷；

所述相对热负荷

为：

式中：Q_r，a——热源a实际热负荷(a∈{1，2，…，m})，MW；

3)若管段既不与热源直接连接，也不与热力站直接连接，则管段热负荷可由与其相连的其它管段热负荷表示，所述管段热负荷计算式(1)具体为式(5)，

式中：

——节点n_j和节点n_k之间的管段b_i的实际热负荷，MW；

n_l——节点n_l，所述节点编号，l≠j，l≠k；

——常数，取值为1，-1或0；

——常数，取值为1或-1；

若节点编号j大于节点编号k，则

若节点编号j小于节点编号k，则

若节点n_l与节点n_k不相连，则

若节点n_l与节点n_k相连，且节点编号l大于节点编号k，则

若节点n_l与节点n_k相连，且节点编号l小于节点编号k，则

步骤三：确定管段间热负荷关系

利用步骤二所述管段热负荷关系通式，结合所述步骤一的管网相关信息，确定管段间热负荷关系式。

步骤四：计算各管段热负荷

步骤五：制定管段流向判定原则

管段流向判定原则为：

2)若

则表示管段b_i的流向为编号小的节点流至编号大的节点；

3)若

则表示管段b_i的流向为编号大的节点流至编号小的节点。

步骤六：确定管段流向

由所述步骤四和五可知多热源枝状供热管网各管段在某一工况下的流向。

步骤七：生成对应管网的关联矩阵

根据管段流向和关联矩阵的生成原则构造对应工况下管网的关联矩阵，具体关联矩阵生成原则如下，

具有N个节点和B个管段的管网的关联矩阵为

(d∈{1，2，…，N})，其中：

实施例：

A地区总供热面积205×104m²，热指标为50W/m²，设计总热负荷值Q′为102.5MW。A地区热源设置包括一个燃气锅炉房(热源1)，设计热负荷Q′_r，1为80MW，位于热网的东南角；一个污水源热泵供热系统(热源2)，设计热负荷Q′_r，2为40MW，位于热网的中部偏西位置。系统共有10座热力站，各热力站规模一致，设计热负荷Q′_h，c(c＝1，2，...，10)为10.25MW。

对于实际运行中的多热源枝状供热系统，本实施例中一种多热源枝状供热系统关联矩阵生成方法的步骤简述如下：

步骤一：输入A地区多热源枝状集中供热系统相关信息，包括热负荷信息和利用图论知识抽象的管网简化图信息，图3为A地区多热源集中供热系统简图；

步骤二：利用枝状供热管网管段热负荷计算式，结合步骤一整理的相关信息，计算各管段热负荷。以图4和图5所示的部分管段关系图为例，计算管段热负荷：

1)管段b₁的热负荷：

管段b₁与热源1直接连接，管段b₁的热负荷为，

式中：

——管段b₁热负荷，MW；

Q_r，1——与管段b₁直接连接的热源1实际热负荷，MW；

2)管段b₂的热负荷：

管段b₂与热力站1直接连接，管段b₂的热负荷为，

式中：

——管段b₂热负荷，MW；

——与管段b₂直连的换热站1设计热负荷，MW；

3)管段b₃的热负荷：

管段b₃不与热力站直接连接，管段b₃的热负荷为，

式中：

——节点n₂和节点n₄之间的管段b₃的实际热负荷，MW；

——节点n₂和节点n₁之间的管段b₁的实际热负荷，MW；

——节点n₂和节点n₃之间的管段b₂的实际热负荷，MW；

——常数，取-1；

——常数，取1；

——常数，取-1。

根据上述管段热负荷计算示例，可以求出其它管段热负荷值：4)管段b₄的热负荷：

5)管段b₅的热负荷：

6)管段b₆的热负荷：

7)管段b₇的热负荷：

8)管段b₈的热负荷：

9)管段b₉的热负荷：

10)管段b₁₀的热负荷：

11)管段b₁₁热负荷：

管段b₁₁与热源2直接连接，热负荷

Q_r，2污水源热泵实际热负荷；

12)管段b₁₂的热负荷：

13)管段b₁₃的热负荷：

14)管段b₁₄的热负荷：

15)管段b₁₅的热负荷：

16)管段b₁₆的热负荷：

17)管段b₁₇的热负荷：

18)管段b₁₈的热负荷：

19)管段b₁₉的热负荷：

20)管段b₂₀的热负荷：

21)管段b₂₁的热负荷：

步骤三：制定管段流向判定原则，以管段负荷计算结果和节点编号来表示管段流向；

步骤四：确定A地区多热源枝状集中供热系统各管段流向；

步骤五：根据步骤四确定的管段流向，生成对应的供热管网关联矩阵。

针对A地区多热源枝状集中供热系统不同热源负荷分配组合生成对应工况下的关联矩阵，如下：

工况：燃气锅炉房满负荷运行，污水源热泵作为调峰热源，系统满负荷运行，相对热负荷

计算各管段热负荷值为：

1)管段b₁热负荷

2)管段b₂热负荷

3)管段b₃热负荷

4)管段b₄热负荷

5)管段b₅热负荷

6)管段b₆热负荷

7)管段b₇热负荷

8)管段b₈热负荷

9)管段b₉热负荷

10)管段b₁₀热负荷

11)管段b₁₁热负荷

12)管段b₁₂热负荷

13)管段b₁₃热负荷

14)管段b₁₄热负荷

15)管段b₁₅热负荷

16)管段b₁₆热负荷

17)管段b₁₇热负荷

18)管段b₁₈热负荷

19)管段b₁₉热负荷

20)管段b₂₀热负荷

21)管段b₂₁热负荷

由制定的管段流向判定原则可知，管段b₁₀热负荷小于0，流向满足编号大的节点到编号小的节点；其它管段热负荷全部大于0，管段流向都满足编号小的节点到编号大的节点。根据输出各管段流向，根据管网关联矩阵原则，生成关联矩阵如下：

由本发明所述的多热源枝状供热系统关联矩阵构造的步骤及结果可知，该发明通过建立枝状供热系统管段间热负荷关系通式，将系统的热负荷与关联矩阵联系在一起。在已知热源实际热负荷的条件下，本发明能够准确、快速地得到相应供热工况下管网的关联矩阵。该发明可利用计算机语言编程实现，使用者可以针对任意多热源枝状供热系统去修改初始热网信息，再赋予想求解工况的热源实时热负荷信息，即可快速的得到满足条件的关联矩阵，这就是本发明所希望达到的目的。

最后应该说明的是：以上的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其的限制；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实施例技术方案的精神和范围。