CN110991061A - 热电综合能源仿真规划方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提出的热电综合能源仿真规划方法，包括根据热力管道内液体的流动时间将热力管道虚拟划分为管道单元；设定混合比例系数，结合能量守恒定律确定相邻两个管道单元的传热方程；基于建立的传热方程，对热力管道内每个管道单元的导热过程进行计算，得到热力管道末端的节点温度。将热力管道中考虑层流与湍流的热传导过程简化为相邻管道单元之间的热传导过程；通过设定混合比例系数，实现了不同传热状况下相邻管道单元发生单位时间热传导后温度变化的有效计算；提高了模型的精细程度与模型仿真结果的准确性，从而为考虑热负荷波动性的热‑电综合能源系统动态分析提供了条件。

Description

热电综合能源仿真规划方法

技术领域

本发明属于能源规划领域，尤其涉及热电综合能源仿真规划方法。

背景技术

近些年来，能源形式愈发严峻。由于传统化石能源的不可再生性所导致的资源短缺，提高能源利用率与开发可再生新能源成为了解决能源问题的必由之路。在这种情况下，综合能源系统凭借其较高的能源利用效率、较好的灵活性与稳定性，得到了越来越多的关注。热-电综合能源系统作为一种典型的综合能源系统，已经在我国得到了较为广泛的应用。相关的研究工作中，热-电综合能源系统建模作为最为基础的研究内容也已经较为成熟。

然而，传统的热-电综合能源系统模型中，对于热力网络与电力网络性质上的不同，通常仅考虑热力管网中液体流动导致的延时特性与管道中液体与外界环境的热传导过程。事实上，由于节点热负荷的波动，从管道始端注入的液体并非温度恒定，而是随时变化的。这就导致管道内部不同位置的水温也存在差异，使得无法建立较为准确的模型对其进行描述。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提出了热电综合能源仿真规划方法，将热力管道中考虑层流与湍流的热传导过程简化为相邻管道单元之间的热传导过程；提出了管道单元导热计算方法，通过设定混合比例系数，实现了不同传热状况下相邻管道单元发生单位时间热传导后温度变化的有效计算；提高了模型的精细程度与模型仿真结果的准确性。

具体的，热电综合能源仿真规划方法包括：

根据热力管道内液体的流动时间将热力管道虚拟划分为管道单元；

设定混合比例系数，结合能量守恒定律确定相邻两个管道单元的传热方程；

基于建立的传热方程，对热力管道内每个管道单元的导热过程进行计算，得到热力管道末端的节点温度。

可选的，根据热力管道内液体的流动时间将热力管道虚拟划分为管道单元，包括：

基于热力管道内液体流动的最小时间单位；

以最小时间单位内的流动距离为长度进行管道单元的划分。

可选的，设定混合比例系数，结合能量守恒定律确定相邻两个管道单元的传热方程，包括：

设相邻两个管道单元的温度分别为T₁和T₂，充分混合后温度分别为T_1end和T_2end。由于水的混合过程中并没有发生反应，按照热量守恒可知：

即：

T₁+T₂＝T_1end+T_2end，

如果稳态形成，则根据管道温降方程有：

Ψ(T_1end-T_a)＝(T_2end-T_a)，

联立上面两式可得：

该式即为充分混合时管道单元温度计算公式，混合前后的管道单元温度变化：

ΔT＝T₁-T_1end，

温度变化量ΔT可以作为管道单元之间传热过程计算的一个中介；

设定混合比例系数δ，则可以通过管道单元传热前温度计算传热后温度T₁′和T₂′：

其中，混合比例系数δ可取0至1之间的任意值，其值表示相邻管道单元之间的混合程度。若δ＝0，则表示没有考虑管道单元之间的传热过程；若δ＝1，则表示管道单元之间充分混合；若0＜δ＜1，则表示管道单元之间部分混合，δ的值越大表示混合越充分。

可选的，基于建立的传热方程，对热力管道内每个管道单元的导热过程进行计算，得到热力管道末端的节点温度，包括：

从起始端的管道单元开始进行计算，根据预设的混合比例系数δ计算该管道单元与下一相邻单元进行热传导后的温度；

对下一管道单元进行该计算，对整个管道中的全部单元依次进行计算，完成对管道内部的动态热传导过程进行仿真计算。

可选的，对整个管道中的全部单元依次进行计算，完成对管道内部的动态热传导过程进行仿真计算，包括：

将整个管道内的全部单元进行排列得到管道单元温度矩阵，

计算下一时刻管道单元温度矩阵中每个元素的温度；

重复计算，直至管道单元温度矩阵中全部元素的温度均已被得到。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

将热力管道中考虑层流与湍流的热传导过程简化为相邻管道单元之间的热传导过程；提出了管道单元导热计算方法，通过设定混合比例系数，实现了不同传热状况下相邻管道单元发生单位时间热传导后温度变化的有效计算；提高了模型的精细程度与模型仿真结果的准确性，从而为考虑热负荷波动性的热-电综合能源系统动态分析提供了条件，为进一步研究热力网络在热-电综合能源系统灵活性与稳定性方面的作用提供了参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本申请实施例提出的热电综合能源仿真规划方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提出的管道单元的划分的示意图。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

针对这一问题，本申请实施例包含的热电综合能源仿真规划方法提出了热力管道中不同管道单元间热传导过程导热量的计算方案，结合水力模型、热力模型构建了热力系统动态模型，得到了一种热-电综合能源系统建模和规划方法，在保证稳态仿真结果正确的前提下，提升了系统动态过程的仿真准确性。

具体的，如图1所示，热电综合能源仿真规划方法包括：

11、根据热力管道内液体的流动时间将热力管道虚拟划分为管道单元；

12、设定混合比例系数，结合能量守恒定律确定相邻两个管道单元的传热方程；

13、基于建立的传热方程，对热力管道内每个管道单元的导热过程进行计算，得到热力管道末端的节点温度。

在实施中，提出了热力管道的单元化处理方法与管道单元导热计算方法，设计了一种管道始端顺次迭代计算流程，实现了考虑管道内部热传导过程的热-电综合能源系统动态模型构建，在保证热-电综合能源系统稳态结果正确的前提下提升了动态过程的仿真准确性。

基于模型参数与水力模型计算求解结果，忽略了管道内液体流速与液体温度在径向上的差异，将热力管道分为若干完全相同的单元，从而将热力管道中考虑层流与湍流的热传导过程简化为相邻管道单元之间的热传导过程。基于管道单元温度初值与充分混合后的稳态值之差构造计算公式，通过设定混合比例系数，计算在不同的传热状况下相邻管道单元发生单位时间热传导后温度的变化情况。从管道始端开始进行顺次迭代计算，通过相邻管道单元的温度变化计算模拟热量在管道内部传递的过程，实现考虑管道内部热传导的热力系统动态仿真。

首先进行热力管道的单元化处理，将热力管道中考虑层流与湍流的热传导过程简化为相邻管道单元之间的热传导过程；其次基于管道单元温度初值与充分混合后的稳态值之差构造计算公式，计算在不同的传热状况下相邻管道单元发生单位时间热传导后温度的变化情况；最后进行管道始端顺次迭代计算，实现考虑管道内部热传导的热力系统动态仿真。

针对步骤11提出的热力管道单元化处理方法，本方法基于三个前提假设：管道内的液体流速在径向上保持相同，即不考虑与管道壁距离不同的位置上液体流速的不同；管道单元内液体温度相同，均为单元中心位置的液体温度；管道内液体温度的变化均以最小时间单位进行。

在该假设下，管道内液体流速与液体温度在径向上的差异被忽略，从而可以基于模型参数与水力模型计算求解结果，将热力管道分为若干完全相同的单元。该单元化方法忽略了管道中的层流与湍流现象，从而将热力管道中考虑层流与湍流的热传导过程简化为相邻管道单元之间的热传导过程。关于层流与湍流对热传导的影响，将在后面的管道单元导热计算方法中体现。

管道单元导热计算方法用于计算相邻管道单元之间的热传导现象影响下管道单元温度的变化。首先考虑两种极端状况：两管道单元之间完全不传热、两管道单元之间完全传热。在完全不传热的情况下，与传统热-电综合能源系统模型相同，即不考虑管道内部热传导过程；在完全传热的情况下，与热-电综合能源系统的稳态解相同，即两管道单元之间的温度符合管道温降方程的关系。在实际条件下，两管道单元间应进行部分传热，因此最终两管道单元的温度应处于以上两种极端状况结果的中间。通过设定混合比例系数，即可计算在不同的传热状况下相邻管道单元发生单位时间热传导后温度的变化情况。

基于上述热力管道的单元化处理方法与管道单元导热计算方法，即可对管道内部的每个管道单元进行导热过程的计算。首先从管道始端开始进行计算的原因在于，管道始端是液体注入的位置，因此液体温度的差异最初也是在此处形成的。从始端的管道单元开始进行计算，根据预设的混合比例系数计算该管道单元与下一相邻单元进行热传导后的温度，之后再对下一管道单元进行该计算。对整个管道中的全部单元依次进行计算，即可对管道内部的动态热传导过程进行仿真计算。

本发明的有益成果在于：提出了热力管道的单元化处理方法，将热力管道中考虑层流与湍流的热传导过程简化为相邻管道单元之间的热传导过程；提出了管道单元导热计算方法，通过设定混合比例系数，实现了不同传热状况下相邻管道单元发生单位时间热传导后温度变化的有效计算；提出管道始端顺次迭代计算流程，实现考虑管道内部热传导的热力系统动态仿真。

本发明突破了传统热-电综合能源系统模型仅考虑热力网络传输延时的常规思路，提高了模型的精细程度与模型仿真结果的准确性，从而为考虑热负荷波动性的热-电综合能源系统动态分析提供了条件，为进一步研究热力网络在热-电综合能源系统灵活性与稳定性方面的作用提供了参考。

可选的，根据热力管道内液体的流动时间将热力管道虚拟划分为管道单元，包括：

基于热力管道内液体流动的最小时间单位；

以最小时间单位内的流动距离为长度进行管道单元的划分。

在实施中，如图2所示。动态模型与稳态模型最重要的区别在于，当供热网络的稳态被破坏后，热惯性导致的延时使得热源功率与负荷功率并不实时相等，因此动态模型需要考虑时间因素。计算延时首先需要计算管道中水的流速：

式中，v表示管道流速，

表示管道流量，ρ表示管道中液体密度，D表示管道直径。从而可求得管道中的延时：

式中，L表示管道长度，代入前式可得

t表示管道延时，即液体从管道始端流到管道末端所需的时间。

通过该式计算得到的管道延时t通常不是一个整数，为了方便处理，对其进行取整：

式中，τ表示管道单元数，Δt表示最小时间单元，round[·]函数表示取整函数。通过这样的处理，管道延时t转换为了一个整数参数τ，其含义为最小时间单位的倍数，这为管道流量的单元化处理奠定了基础。

将管道长度τ等分，即可将管道分为τ个完全相同的单元。进行管道单元化处理的前提假设是：管道内的液体流速在径向上保持相同，即不考虑与管道壁距离不同的位置上液体流速的不同；管道单元内液体温度相同，均为单元中心位置的液体温度；管道内液体温度的变化均以最小时间单位进行。

其中，第三点是构建该模型的关键。由于温度变化均以最小时间单位进行，因此每次温度变化之后，每个管道单元的位置都转移到了下一个相邻的管道单元的位置。除了最初划分出的管道单元之外，不需要考虑任何中间位置的状态；除了与起始时间相距整数个最小时间单位的时刻之外，不需要考虑任何中间时刻的状态。

可选的，设定混合比例系数，结合能量守恒定律确定相邻两个管道单元的传热方程，包括：

设相邻两个管道单元的温度分别为T₁和T₂，充分混合后温度分别为T_1end和T_2end。由于水的混合过程中并没有发生反应，按照热量守恒可知：

即：

T₁+T₂＝T_1end+T_2end，

如果稳态形成，则根据管道温降方程有：

Ψ(T_1end-T_a)＝(T_2end-T_a)，

联立上面两式可得：

该式即为充分混合时管道单元温度计算公式，混合前后的管道单元温度变化：

ΔT＝T₁-T_1end，

温度变化量ΔT可以作为管道单元之间传热过程计算的一个中介；

设定混合比例系数δ，则可以通过管道单元传热前温度计算传热后温度T₁′和T₂′：

其中，混合比例系数δ可取0至1之间的任意值，其值表示相邻管道单元之间的混合程度。若δ＝0，则表示没有考虑管道单元之间的传热过程；若δ＝1，则表示管道单元之间充分混合；若0＜δ＜1，则表示管道单元之间部分混合，δ的值越大表示混合越充分。

可选的，基于建立的传热方程，对热力管道内每个管道单元的导热过程进行计算，得到热力管道末端的节点温度，包括：

从起始端的管道单元开始进行计算，根据预设的混合比例系数δ计算该管道单元与下一相邻单元进行热传导后的温度；

对下一管道单元进行该计算，对整个管道中的全部单元依次进行计算，完成对管道内部的动态热传导过程进行仿真计算。

在实施中，基于上述热力管道的单元化处理方法与管道单元导热计算方法，即可对管道内部的每个管道单元进行导热过程的计算。首先从管道始端开始进行计算的原因在于，管道始端是液体注入的位置，因此液体温度的差异最初也是在此处形成的。

可选的，对整个管道中的全部单元依次进行计算，完成对管道内部的动态热传导过程进行仿真计算，包括：

将整个管道内的全部单元进行排列得到管道单元温度矩阵，

计算下一时刻管道单元温度矩阵中每个元素的温度；

重复计算，直至管道单元温度矩阵中全部元素的温度均已被得到。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.热电综合能源仿真规划方法，其特征在于，所述方法包括：

根据热力管道内液体的流动时间将热力管道虚拟划分为管道单元；

设定混合比例系数，结合能量守恒定律确定相邻两个管道单元的传热方程；

基于建立的传热方程，对热力管道内每个管道单元的导热过程进行计算，得到热力管道末端的节点温度。

2.根据权利要求1所述的热电综合能源仿真规划方法，其特征在于，所述根据热力管道内液体的流动时间将热力管道虚拟划分为管道单元，包括：

基于热力管道内液体流动的最小时间单位；

以最小时间单位内的流动距离为长度进行管道单元的划分。

3.根据权利要求1所述的热电综合能源仿真规划方法，其特征在于，所述设定混合比例系数，结合能量守恒定律确定相邻两个管道单元的传热方程，包括：

设相邻两个管道单元的温度分别为T₁和T₂，充分混合后温度分别为T_1end和T_2end，由于水的混合过程中并没有发生反应，按照热量守恒可知：

即：

T₁+T₂＝T_1end+T_2end，

如果稳态形成，则根据管道温降方程有：

Ψ(T_1end-T_a)＝(T_2end-T_a)，

联立上面两式可得：

该式即为充分混合时管道单元温度计算公式，混合前后的管道单元温度变化：

△T＝T₁-T_1end，

温度变化量△T可以作为管道单元之间传热过程计算的一个中介；

设定混合比例系数δ，则可以通过管道单元传热前温度计算传热后温度T₁′和T₂′：

其中，混合比例系数δ可取0至1之间的任意值，其值表示相邻管道单元之间的混合程度，若δ＝0，则表示没有考虑管道单元之间的传热过程；若δ＝1，则表示管道单元之间充分混合；若0<δ<1，则表示管道单元之间部分混合，δ的值越大表示混合越充分。

4.根据权利要求1所述的热电综合能源仿真规划方法，其特征在于，所述基于建立的传热方程，对热力管道内每个管道单元的导热过程进行计算，得到热力管道末端的节点温度，包括：

从起始端的管道单元开始进行计算，根据预设的混合比例系数δ计算该管道单元与下一相邻单元进行热传导后的温度；

对下一管道单元进行该计算，对整个管道中的全部单元依次进行计算，完成对管道内部的动态热传导过程进行仿真计算。

5.根据权利要求1所述的热电综合能源仿真规划方法，其特征在于，所述对整个管道中的全部单元依次进行计算，完成对管道内部的动态热传导过程进行仿真计算，包括：

将整个管道内的全部单元进行排列得到管道单元温度矩阵，

计算下一时刻管道单元温度矩阵中每个元素的温度；

重复计算，直至管道单元温度矩阵中全部元素的温度均已被得到。

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