CN111222213B - 一种热力网络动态仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热力网络动态仿真方法及装置，属于综合能源服务技术领域。通过建立热力网络的水力工况模型和热力工况模型，在水力工况模型的管路特性方程中，将密度作为变量处理，体现了在热网介质温度变化的状态下，密度这一物性参数对水力工况的影响；在热力工况模型的能量方程中，将密度和比热容作为变量处理，体现在热网介质温度变化的状态下，密度和比热容这两个物性参数对热力工况的影响。本发明的水力工况模型和热力工况模型计算出的温度结果更接近实际温度，误差小，可靠性高；通过能量方程中作为变化量的比热容，充分考虑了热力管网输送能量过程中管网中存量工质的储能效果，可有效反应出热力管网能量输送过程中的动态特征。

Description

一种热力网络动态仿真方法及装置

技术领域

本发明属于综合能源服务技术领域，具体涉及一种热力网络动态仿真方法及装置。

背景技术

综合能源服务是一种为满足终端客户多元化能源生产与消费的能源服务方式，由综合能源服务商统一管理其内部的配电网络，燃气供应网络，热力管网，供水网络等能源设备资产。在传统能源基础设施架构下，不同类型的能源之间具有明显的供需界限，能源的调控和利用效率低下，而且无法大规模接纳风能、太阳能等分布式电源以及电动汽车等柔性负荷。相比之下，新型的能源体系架构，即“能源互联网”，可以将可再生能源作为主要的能量供应源，通过互联网技术实现分布式电源、储能和可控负荷的灵活接入，冷、热、气、水、电等多种能源类型的优化互补。

由冷热电综合能源系统、天然气系统以及储能单元等构成的多能系统，是能源互联网的物理核心，能够体现出能源互联网的“源网荷储”各环节形式多样性、“源荷储”交叉共建、能量转化机理和系统运行特性复杂等特征。在能源互联网背景下，“源-网-荷-储”协调优化有了更深层次的含义；“源”包括石油、电力、天然气等多种能源资源；“网”包括电网、石油管网、供热网等多种资源网络；“荷”不仅包括电力负荷，还有用户的多种能源需求；而“储”则主要指能源资源的多种仓储设施及储备方法，附图1给出了综合能源系统的典型构成。

目前，由电力系统、热力系统以及燃料管网等构成的综合能源系统中，电力系统有较详细的设备动态模型和成熟的系统动态仿真手段；热力系统、燃料管网等非电能源系统，动态仿真有一定的模型和算法研究基础，从而对综合能源系统仿真奠定了基础。对于综合能源系统仿真的研究，目前综合能源系统稳态仿真分析开展的研究比较多，但动态仿真研究刚刚起步，现有的综合能源动态仿真中的建模方法对部分模型进行了较大简化，计算结果存在较大误差。现有的热力管网(即非能源系统)建模将工质物性参数作为常数处理，这就导致仿真模型计算出的管段内流体介质的温度不准确，与实际温度相比误差较大，无法体现在热网介质温度变化的状态下，对水力工况和热力工况的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种热力网络动态仿真方法及装置，用于解决现有技术的热力网络动态仿真计算出的无法管段内流体介质的温度误差大的问题。

基于上述目的，一种热力网络动态仿真方法的技术方案如下：

在热力网络的水力工况模型达到稳态的基础上，按照热力工况模型进行动态计算，从而建立热水集中供热管网的热力工况动态模型，以完成仿真；

其中，所述水力工况模型包括：

第一关系方程，用于表征热力网络的关联矩阵、各管段的流量与节点净出流量的关系，所述热力网络的关联矩阵根据基尔霍夫电流定律确定；

第二关系方程，用于表征热力网络的基本回路矩阵与各管段的压差的关系，所述热力网络的基本回路矩阵根据基尔霍夫电压定律确定；

管道中任意两个断面之间的不可压缩流体流动的伯努利方程；

热力网络中各管段的流体压降、流量和阻力特性系数的管路特性方程，所述阻力特性系数与管段内流体介质在当前温度和压力下的密度负相关，所述介质在当前温度和压力下的密度是根据密度与当前温度、压力的关系得到的；

所述热力工况模型包括：

热力网络中各管段内体积流量的连续性方程；

各管段内热水微元体的动量方程，所述动量方程是根据热力网络中各管段内热水微元体所受的表面力和质量力得到的；

根据热力网络中各管段内的流体总能量变化率、流体介质的温度变化、热水微元体所受的表面力和质量力建立的能量方程，所述能量方程中，管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的密度负相关，所述管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的比热容负相关；所述介质在当前温度和压力下的比热容是根据比热容与当前温度、压力的关系得到的。

基于上述目的，一种热力网络动态仿真装置的技术方案如下：

包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述热力网络动态仿真方法中的步骤。

上述两个技术方案的有益效果是：

本发明通过建立热力网络的水力工况模型和热力工况模型，在水力工况模型的管路特性方程中，将密度这一物性参数作为变量处理，通过密度与温度、压力的关系来确定当前温度和压力下的密度，体现了在热网介质温度变化的状态下，密度这一物性参数对水力工况的影响；在热力工况模型的能量方程中，将密度和比热容这两个物性参数作为变量处理，其中通过密度与温度、压力的关系来确定当前温度和压力下的密度，通过比热容与温度、压力的函数关系来确定当前温度和压力下的比热容，体现在热网介质温度变化的状态下，密度和比热容这两个物性参数对热力工况的影响。本发明的水力工况模型和热力工况模型计算出的温度结果更接近实际温度，误差小，可靠性高。并且，通过能量方程中作为变化量的比热容，充分考虑了热力管网输送能量过程中管网中存量工质的储能效果，可以真实有效的反应出热力管网能量输送过程中的动态特征。

供热管网的流动动力学与温度变化动力学比较，是比较次要的影响因素，因此在建立热水供热管网热力工况的动态模型时，先计算供热管网的水力工况，即认为水力扰动对管网的影响瞬间达到稳态，然后在该稳态水力工况的基础上，进行热力工况的动态计算，从而建立热水集中供热管网热力工况的准动态模型，保证在计算结果精度的基础上，化简了动态模型，提高了计算效率。

具体的，所述阻力特性系数的计算式如下：

式中，S为阻力特性系数，λ₁为常系数，K为管壁的当量绝对粗糙度，ρ是所述管段内流体介质在当前温度和压力下的密度，d为管道内径，l为管段的长度，l_d为管段的局部阻力当量长度，Re为雷诺数，u为流体在管线内的流速，υ为流体运动粘度。

在水力工况模型中，所述方程的计算式如下：

其中，第一个公式为当流体介质在管段内为紊流状态时的管路特性方程，第二公式为当流体介质在管段内为层流状态时的管路特性方程；ΔP为管段的流体压降，G为管段的体积流量，S为阻力特性系数，Re为雷诺数，u为流体在管线内的流速，υ为流体运动粘度。

本发明结合了实际热力管网能量输送过程中的参数特性，对管路特性进行了建模，能更加准确的计算小流量层流状态下的水力特性。

考虑到环境温度变化对热力管网能量输送过程中的耗散特征，在所述能量方程中，所述管段内流体介质的温度变化与管段内单位表面积的热量正相关，所述管段内单位表面积的热量计算式如下：

q＝-K₁(T-T_W)

式中，q为所述管段内单位表面积的热量，K₁为流体与管壁间的传热系数，T为管段内的当前温度，T_W为管壁温度；M_W为单位长度管道质量；c_W为管道金属的比热容；D为管径；q₀为管道单位外表面积的散热损失。

具体的，所述水力工况模型中的方程组如下：

式中，A为根据基尔霍夫电流定律确定热力网络的关联矩阵，G为各管段的流量，Q为，B_f为根据基尔霍夫电压定律确定热力网络的基本回路矩阵，ΔH为各管段的阻力压降，S为所述阻力特性系数，Z为位置高度，DH为水泵的扬程。

所述热力工况模型中的方程组如下：

q_v＝C

式中，q_v为管道体积流量，C为常系数，p为管段的流体压力，x为管线积分长度，

为压力对长度的微分，λ为沿程摩擦阻力系数，D为管段的截面直径，A为管段的截面积，ρ是所述管段内流体介质在当前温度和压力下的密度，g为重力加速度，θ为管线离水平线的倾斜角，

为管道内介质温度对时间的微分，q为管段内单位表面积所增加的热量，c_p为所述管段内流体介质在当前温度和压力下的比热容。

为了增加建模的准确性，还包括对热力网络中的设备进行建模，所述设备包括水泵、换热器、调节阀和散热器中的一种或多种。

具体的，所述水泵的建模公式包括：

式中，H₁为扬程，a、b、c均为系数，n₁为水泵的当前转速，n₀为水泵的额定转速，Q为水泵的流量；

所述换热器的建模公式包括：

式中，Q为换热器中的热量，G₁、G₂分别为一、二次侧流体流量；c₁、c₂分别为一、二次流体平均定压比热；t_g1、t_h1与t_g2、t_h2分别为一、二次侧的供回管水温度；K为换热器总传热系数；F为换热器换热面积；△t为两侧流体的传热温差；

所述调节阀的建模公式包括：

式中，Q为调节阀流量，p₁、p₂为调节阀前后压力；ρ为密度；A为流通面积；ζ为调节阀阻力系数；

所述散热器的建模公式包括：

Q₁＝εW_min(t_g-t_n)

式中，Q₁为散热器的散热量，W_min为散热器中热流体的流量当量；t_g、t_n分别为散热器入口温度与室内温度；ε为无量纲比热系数。

附图说明

图1是本发明方法实施例中综合能源系统的典型构成图；

图2是本发明方法实施例中的集中供热系统管网结构图；

图3是本发明方法实施例中的热力网络动态仿真方法流程图；

图4是本发明方法实施例中管内热水微元体的动量守恒示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

方法实施例：

本实施以如图2所示的供热系统管网结构为例，提出一种热力网络动态仿真方法，该方法流程如图3所示，具体包括以下步骤：

(1)管网水力工况分析

据供热管网的具体情况，进行水力工况分析前需进行合理假设：管道内流体流动可视为一维流动；管网中热水可视为不可压缩流体。

集中供热管网是一种流体网络，与电网络类似，遵从基尔霍夫电流、电压定律，其中的支路流量、压降和管路阻力特性系数可以类比于电网络中的支路电流、电压和电阻，因此应用网络图论可对供热管网水力工况加以描述。

设任意一个供热管网，支路数为m，节点数为n+1。则可以得到它的关联矩阵A和基本回路矩阵B_f，其中A为n×m阶矩阵，B_f为(m-n)×m阶矩阵。则由网络图论理论及基尔霍夫定律，可以得到以下方程。

建立热力网络的水力工况模型，包括：

a)根据基尔霍夫电流定律确定热力网络的关联矩阵，建立热力网络的关联矩阵、各管段的流量与节点净出流量的关系方程，如下所示：

A·G＝Q

式中：A为根据基尔霍夫电流定律确定热力网络的关联矩阵；G为热网中各管段的流量列向量[G₁,G₂,...G_m]^T；Q为节点的净出流量，为n维常数列向量，入流为正，出流为负，Q＝[q₁,q₂,...q_n]^T。

b)根据基尔霍夫电压定律确定热力网络的基本回路矩阵，建立热力网络的基本回路矩阵与各管段的压差的关系方程，如下所示：

B_f·ΔH＝0

式中：B_f为根据基尔霍夫电压定律确定热力网络的基本回路矩阵；△H为各管段的阻力压降，即热网中各管段的压差列向量，[ΔH₁,ΔH₂,...ΔH_m]^T。

c)建立管道中任意两个断面之间的不可压缩流体流动的伯努利方程。

管道中任意两个断面之间的不可压缩流体流动，可建立以下伯努利方程：

式中：Z为位置高度(位置水头)，Z₁表示其中一个断面的位置高度，Z₂表示另一个断面的位置高度；

为测压管高度(压强水头)，γ为流体重度，γ＝ρg(ρ为流体密度，g为重力加速度)，p1为其中一个断面的压力，p2为另一个断面的压力；

为流速高度(流速水头)，μ为流速，H_i为单位重量流体的惯性水头，H_o为初始水头，h_1-2为水头损失；略去速度水头，定义水泵的扬程为DH，则得：

d)建立热力网络中各管段的流体压降、流量和阻力特性系数的管路特性方程，方程如下：

其中，第一个公式为当流体介质在管段内为紊流状态时的管路特性方程，第二公式为当流体介质在管段内为层流状态时的管路特性方程；式中，ΔP为管段的流体压降，S为阻力特性系数，G为管段的流量，Re为雷诺数，Re＝u·d_e/υ，反应了流体在管线内的流态；d_e为单通道当量直径，υ为流体运动粘度，是流体温度和流体类型的函数；u为流体在管线内的流速，u＝G/(f·n)，此式中G为热水体积流量，f为单通道流通截面积，n为流道数。

上式中，阻力特性系数，代表管段通过1m³/h水流量时的压降。其计算式为：

式中，S为阻力特性系数，λ₁为常系数，与工质种类和温度有关，其取值范围为(5～9)×10^-3，本实施例中取7.02×10^-3；K为管壁的当量绝对粗糙度，对于供热管道，一般取0.0005m；ρ是管段内流体介质在当前温度和压力下的密度，d为管道内径，l为管段的长度，l_d为管段的局部阻力当量长度。

上式中，表示阻力特性系数S与管段内流体介质在当前温度t和压力p下的密度ρ负相关，介质在当前温度t和压力p下的密度ρ根据密度与温度、压力的函数关系f(p，t)得到。作为其他实施方式，管段中流体介质当前温度t和压力p下的密度ρ还可以通过查询物性关系表库中查到，物性关系表库中存储有流体介质的密度、温度和压力的对应关系表。

热水供热管网是由许多管段串联和并联组成的，串联管路与并联管路阻力特性系数的计算及水力特性是不同的。串联管路总压降等于各串联管段压降之和，总阻力特性系数为各串联管段阻力特性系数之和，即：

ΔP＝ΔP₁+ΔP₂+ΔP₃+...

S＝S₁+S₂+S₃+...

式中：△P₁、△P₂、△P₃为各串联管段的压降；S₁、S₂、S₃为各串联管段的阻力特性系数。

并联管路总流量等于各并联管段流量之和，总阻力特性系数的平方根倒数为各并联管段阻力特性系数的平方根倒数之和，即：

V＝V₁+V₂+V₃+...

式中：V₁、V₂、V₃为各并联管段的流量。

根据上述计算方法，可以逐步算出整个供热管网的总阻力特性系数及管网总流量，获得管网的阻力特性曲线，然后与循环水泵性能曲线方程(即下文的Q-H曲线方程)相结合，确定循环水泵的工作点，获得管网工作状况的压力与流量，并进一步可确定变频水泵的频率及比转数。

综上，水力工况模型中的方程组如下：

式中，对于一个具有n+1个节点，m个管段的热力网络：A为根据基尔霍夫电流定律确定热力网络的关联矩阵，为n×m阶矩阵，它唯一代表管网的拓扑结构，其秩Rank(A)＝n；B_f为根据基尔霍夫电压定律确定热力网络的基本回路矩阵，为(m-n)×m阶矩阵；ΔH为各管段的阻力压降，且△H＝(△H₁,△H₂,…△H_m)；S为管段的阻力特性系数矩阵，(m阶对角矩阵)，S＝diag{S₁,S₂,…,S_m}；|G|—管段流量G的绝对值m阶对角矩阵，|G|＝diag{|G₁|,|G₂|,...,|G_m|}；Z为位置高度，即管段支路中两节点的位能差向量，Z＝(Z₁,Z₂,…,Z_m)^T；DH为管段的水泵的扬程，DH＝(DH₁,DH₂,…,DH_m)^T，当管段不含水泵时，该管段DH＝0。

方程组共有2m个未知变量，又有2m个方程，由A、B_f矩阵的性质，该方程组中没有多余方程，故方程组是封闭的，有唯一解。由于方程组中△H与G存在非线性关系，则该方程组为非线性方程组。

(2)管网热力工况分析

在管网水力工况分析的基础上，对管网进行热力工况的分析。首先对管网的热力过程进行合理简化：管道内热水和管壁的轴向导热对热力工况影响非常小，可忽略；供热管道内热水流速较低，耗散影响较小，可忽略。根据流体力学三大守恒定律可推出管网热力工况的动态特性方程，即建立热力网络的热力工况模型，包括：

a)建立热力网络中各管段内体积流量的连续性方程；方程如下：

即q_v＝C(C为常数)

式中：q_v为管内体积流量。

b)根据热力网络中各管段内热水微元体所受的表面力和质量力，建立各管段内热水微元体的动量方程，管内热水微元体的动量守恒示意图如附图4所示，微元体所受表面力包括：横截面上的正压力pA与

侧面上的切应力τ₀πDdx；质量力为重力在管道轴向的分力ρgAdxsinθ，则有：

由

q_v＝uA，

整理上式得：

式中，p为管段的流体压力，x为管线积分长度，

为压力对长度的微分，λ为沿程摩擦阻力系数，D为管段的截面直径，A为管段的截面积，ρ是管段内流体介质在当前温度和压力下的密度，g为重力加速度，θ为管线离水平线的倾斜角。

c)根据热力网络中各管段内的流体总能量变化率、热水微元体所受的表面力和质量力建立能量方程。

具体的，流体总能量变化率为

质量力做功为gsinθ·ρAdx·u，表面力做功(正压力与切应力做功之和)为

单位表面积所增加的热量q为放热时，q<0；吸热时，q>0，因此能量方程为：

即

根据

h＝h(p,T),

q_v＝uA,

及动量方程，可将上式整理得到：

由于水力工况为稳态，令

则可进一步化简为：

式中，

为管道内介质温度对时间的微分，q为管段内单位表面积所增加的热量，c_p为所述管段内流体介质在当前温度和压力下的比热容。

在上述能量方程中，管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的密度负相关，所述管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的比热容负相关；介质在当前温度和压力下的比热容根据比热容与温度、压力的函数关系得到。作为其他实施方式，管段中流体介质当前温度和压力下的比热容还可以通过查询物性关系表库中查到，物性关系表库中存储有流体介质的比热容、温度和压力的对应关系表。

上述能量方程中的q，不考虑管壁蓄热效应时，可直接利用国内外常用的直埋敷设供热管道散热损失计算公式，如下所示：

式中：q₁、q₂分别为供水管、回水管单位长度的散热损失；t₁、t₂分别为供水管、回水管内的热媒温度；ΣR₁、ΣR₂分别为供水管、回水管的总热阻；ΣR₁＝R_b,1+R_t，ΣR₂＝R_b,2+R_t，R_b,1、R_b,2分别为供水管、回水管保温层的热阻，R_t为土壤热阻；R_c为附加热阻；t_d,b为土壤地表温度。

考虑管壁的蓄热效应时，

q＝-K₁(T-T_W)

式中：K₁为流体与管壁间的传热系数；T_W为管壁温度。

管壁的蓄热方程：

式中：M_W为单位长度管道质量；c_W为管道金属的比热容；D为管径；q₀为管道单位外表面积的散热损失，同样可采用上述管道散热损失公式计算。

综上，热力工况模型中的方程组如下：

q_v＝C

式中，q_v为管道体积流量，C为常系数，p为管段的流体压力，x为管线积分长度，

为压力对长度的微分，λ为沿程摩擦阻力系数，D为管段的截面直径，A为管段的截面积，ρ是所述管段内流体介质在当前温度和压力下的密度，g为重力加速度，θ为管线离水平线的倾斜角，

为管道内介质温度对时间的微分，q为管段内单位表面积所增加的热量，c_p为所述管段内流体介质在当前温度和压力下的比热容。

(3)主要设备分析

供热系统中除了供热管网，还包含许多对系统水力热力工况具有重要影响的各种设备，包括水泵、换热器以及调节阀等，都需要对其单独建模。

对热力网络中的设备进行建模，包括：

a)建立水泵模型

水泵在集中供热系统中为流体流动提供动力，承担着输送流体的关键作用。变频水泵与通过阀门调节流量的传统水泵相比，具有显著的节能效果，因此其在集中供热系统中的应用却越来越广泛。供热管网中的变频水泵通常采用定压变流量调节，无论系统管路阻力特性如何变化，工作点始终保持在一条恒压线上，改变的只是循环水泵的性能曲线(即改变频率，从而改变系统流量)。

水泵的流量-扬程性能曲线近似为抛物线，目前常采用二次或三次回归方程来近似拟合，如H＝a+bQ+cQ²或H＝a+bQ+cQ²+dQ³，H为扬程，Q为流量。

实际供热管网为了运行调节需要，一般采用2台及以上相同型号的水泵并联运行的方式。则并联泵组中各水泵的扬程相同，总流量等于各并联水泵流量之和(如下式所示的H_并联、Q_并联)，由此可得到并联泵组的Q-H曲线。

H_并联＝H₁＝H₂＝...＝H_n

Q_并联＝Q₁+Q₂+...+Q_n

若单台水泵的Q-H曲线方程为：H＝a+bQ+cQ²，则n台该型号水泵并联，且各台水泵前后的阀门全开时的Q-H曲线方程为：

对于变频水泵，根据的相似律，

可得到变频水泵的Q-H性能曲线方程为：

上式：N为变频水泵的额定功率；H₁为扬程；Q为流量；n为转速；下标0表示额定值，下标1表示调速后的值；a、b、c分别为变频水泵额定的Q-H性能曲线回归系数。

则变频泵组的并联运行性能曲线为：

b)建立换热器模型

目前，大部分城市热水集中供热系统都为间接连接，换热站连接着两个流体网络，承担着把一次网高温水输送的热量转换成适合二次管网运行的低温水。板式换热器由于换热系数大，结构紧凑，便于拆卸、维修，已经在供热系统换热站中得到广泛的应用。因此，对换热器建立如下模型：

换热器的压降为：

Δp＝Eu·ρu²·m

式中：Δp为换热器的压降，Eu为欧拉数，Eu＝aRe^b，a、b分别为不同厂家不同板片性能参数表确定，Re为雷诺数，Re＝u·d_e/υ，d_e为单通道当量直径，υ为流体运动粘度；u为热水侧流速，u＝G/(f·n)，G为热水体积流量，f为单通道流通截面积，n为流道数；m为修正系数，一般单流程时m＝l～1.2。

换热器对应的阻力数S_H为：

换热器的热力平衡：

式中，Q为换热器中的热量，G₁、G₂分别为一、二次侧流体流量；c₁、c₂分别为一、二次流体平均定压比热；t_g1、t_h1与t_g2、t_h2分别为一、二次侧的供回管水温度；K为换热器总传热系数；F为换热器换热面积；△t为两侧流体的传热温差。

△t一般以对数平均温差表示：

式中：△t_d、△t_x分别为换热器两端冷热流体的最大、最小温差。

对数平均温差在运算过程中，因为涉及分子式和对数计算，给热力工况分析带来很大的不便。为了解决这个问题，可将△t用如下线性关系式近似表达：

Δt＝Δt_xd-aδt_x-bδt_d

式中：△t_xd为换热器两侧流体之间的最大温差。

a和b是与换热器热流体流动方式有关的常系数。通常情况下，无论哪种流动方式，系数b可视为常数，b＝0.65；系数a取值如下：

逆向流动时，a＝0.35；

交错流动时，a＝0.425-0.55；

顺向流动时，a＝0.65。

选择适当的常系数a和b之后，由

最终可得到对数平均温差△t的线性表达式：

Δt＝0.35t_g1-0.65t_h2-0.35t_g2+0.65t_h1

c)建立调节阀模型

调节阀是一种局部阻力可以变化的节流元件，由阀体与执行机构组成。

由能量守恒原理，可得调节阀流量Q为：

式中：p₁、p₂为调节阀前后压力；ρ为密度；A为流通面积；ζ为调节阀阻力系数。

流体通过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，称为调节阀的流量特性。调节阀的流量特性主要决定于阀芯形状。当经过阀门的压降恒定时所得到的流量特性称为理想流量特性；而实际生产中，经过阀门的压降是变化的，对应的流量特性为工作流量特性。常见的调节阀理想流量特性有直线流量特性、等百分比流量特性、抛物线流量特性和快开流量特性。集中供热系统一般选用等百分比流量特性的调节阀，其流量特性公式为：

式中：R为调节阀的可调比，R＝Q_max/Q_min；L/L_max为相对开度，即调节阀某一开度下的行程L与全开时行程L_max之比。

d)建立散热器模型

对于一级管网，无散热器，其换热站即可看作散热部分。对于二级管网，将二次网末端建筑用户视为一个整体，进行散热过程描述。

散热器的散热量Q₁：

Q₁＝εW_min(t_g-t_n)

式中：W_min为散热器中热流体的流量当量；t_g、t_n分别为散热器入口温度与室内温度；ε为无量纲比热系数，又称有效系数。其计算公式如下：

式中：u为混合系数，取决于管网与建筑用户的连接方式。简单直接连接时，u＝0；w为散热器工况系数，其计算公式为w＝KF/W_min，K为散热器总传热系数；F为散热器传热面积。

建筑物采暖热负荷的计算采用体积热指标法：

Q₂＝q_v·V(t_n-t_w)

式中：q_v为建筑物体积热指标；V为建筑物体积；t_w为室外温度。

稳态时，根据热平衡Q₁＝Q₂，可得到：

在确定出水力工况模型、热力工况模型后，进行仿真计算，在热力网络的水力工况模型达到稳态的基础上，按照热力工况模型进行动态计算，从而建立热水集中供热管网的热力工况动态模型(即计算得到的各物理量)，以完成仿真。

本发明仿真建模了综合能源系统中的热力网络动态模型，可以详细分析复杂的多输入多输出集中供热系统。集中供热系统要实现按需供热，既要保证供热系统的水力平衡，还要保证其热力平衡，因此本发明在建立水力工况模型及水力调节的基础上，进一步研究供热系统热力工况的动态特性。由于供热管网的流动动力学与温度变化动力学比较，是比较次要的影响因素。所以，在建立热水供热管网热力工况动态模型时，针对任意工况，可先计算该工况下供热管网的水力工况模型，即认为水力扰动对管网的影响瞬间达到稳态，然后在该稳态水力工况的基础上，进行热力工况模型的动态计算，从而建立热水集中供热管网的热力工况准动态模型。

装置实施例：

本实施例提出了一种热力网络动态仿真装置，包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法实施例中的动态仿真方法。

另外，本实施例中的处理器既可以是计算机，也可以是微处理器，如ARM等，还可以是可编程芯片，如FPGA、DSP等。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种热力网络动态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

在热力网络的水力工况模型达到稳态的基础上，按照热力工况模型进行动态计算，从而建立热水集中供热管网的热力工况动态模型，以完成仿真；

其中，所述水力工况模型包括：

第一关系方程，用于表征热力网络的关联矩阵、各管段的流量与节点净出流量的关系，所述热力网络的关联矩阵根据基尔霍夫电流定律确定；

第二关系方程，用于表征热力网络的基本回路矩阵与各管段的压差的关系，所述热力网络的基本回路矩阵根据基尔霍夫电压定律确定；

管道中任意两个断面之间的不可压缩流体流动的伯努利方程；

热力网络中各管段的流体压降、流量和阻力特性系数的管路特性方程，所述阻力特性系数与管段内流体介质在当前温度和压力下的密度负相关，所述介质在当前温度和压力下的密度是根据密度与当前温度、压力的关系得到的；

所述热力工况模型包括：

热力网络中各管段内体积流量的连续性方程；

各管段内热水微元体的动量方程，所述动量方程是根据热力网络中各管段内热水微元体所受的表面力和质量力得到的；

根据热力网络中各管段内的流体总能量变化率、流体介质的温度变化、热水微元体所受的表面力和质量力建立的能量方程，所述能量方程中，管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的密度负相关，所述管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的比热容负相关；所述介质在当前温度和压力下的比热容是根据比热容与当前温度、压力的关系得到的。

2.根据权利要求1所述的热力网络动态仿真方法，其特征在于，所述阻力特性系数的计算式如下：

式中，S为阻力特性系数，λ₁为常系数，K为管壁的当量绝对粗糙度，ρ是所述管段内流体介质在当前温度和压力下的密度，d为管道内径，l为管段的长度，l_d为管段的局部阻力当量长度，Re为雷诺数，u为流体在管线内的流速，υ为流体运动粘度。

3.根据权利要求1所述的热力网络动态仿真方法，其特征在于，所述水力工况模型中，当流体介质在管段内为层流状态时，所述管路特性方程的计算式如下：

其中，第一个公式为当流体介质在管段内为紊流状态时的管路特性方程，第二公式为当流体介质在管段内为层流状态时的管路特性方程；ΔP为管段的流体压降，G为管段的体积流量，S为阻力特性系数，Re为雷诺数，u为流体在管线内的流速，υ为流体运动粘度。

4.根据权利要求1所述的热力网络动态仿真方法，其特征在于，所述能量方程中，所述管段内流体介质的温度变化与管段内单位表面积的热量正相关，所述管段内单位表面积的热量计算式如下：

q＝-K₁(T-T_W)

式中，q为所述管段内单位表面积的热量，K₁为流体与管壁间的传热系数，T为管段内的当前温度，T_W为管壁温度；M_W为单位长度管道质量；c_W为管道金属的比热容；D为管径；q₀为管道单位外表面积的散热损失。

5.根据权利要求1所述的热力网络动态仿真方法，其特征在于，所述水力工况模型中的方程组如下：

式中，A为根据基尔霍夫电流定律确定热力网络的关联矩阵，G为各管段的流量，Q为节点的净出流量，B_f为根据基尔霍夫电压定律确定热力网络的基本回路矩阵，ΔH为各管段的阻力压降，S为所述阻力特性系数，Z为位置高度，DH为水泵的扬程。

6.根据权利要求1所述的热力网络动态仿真方法，其特征在于，所述热力工况模型中的方程组如下：

q_v＝C

式中，q_v为管道体积流量，C为常系数，p为管段的流体压力，x为管线积分长度，

为压力对长度的微分，λ为沿程摩擦阻力系数，D为管段的截面直径，A为管段的截面积，ρ是所述管段内流体介质在当前温度和压力下的密度，g为重力加速度，θ为管线离水平线的倾斜角，

为管道内介质温度对时间的微分，q为管段内单位表面积所增加的热量，c_p为所述管段内流体介质在当前温度和压力下的比热容。

7.根据权利要求1所述的热力网络动态仿真方法，其特征在于，还包括对热力网络中的设备进行建模，所述设备包括水泵、换热器、调节阀和散热器中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的热力网络动态仿真方法，其特征在于，所述水泵的建模公式包括：

式中，H₁为扬程，a、b、c均为系数，n₁为水泵的当前转速，n₀为水泵的额定转速，Q为水泵的流量；

所述换热器的建模公式包括：

式中，Q为换热器中的热量，G₁、G₂分别为一、二次侧流体流量；c₁、c₂分别为一、二次流体平均定压比热；t_g1、t_h1与t_g2、t_h2分别为一、二次侧的供回管水温度；K为换热器总传热系数；F为换热器换热面积；△t为两侧流体的传热温差；

所述调节阀的建模公式包括：

式中，Q为调节阀流量，p₁、p₂为调节阀前后压力；ρ为密度；A为流通面积；ζ为调节阀阻力系数；

所述散热器的建模公式包括：

Q₁＝εW_min(t_g-t_n)

式中，Q₁为散热器的散热量，W_min为散热器中热流体的流量当量；t_g、t_n分别为散热器入口温度与室内温度；ε为无量纲比热系数。

9.一种热力网络动态仿真装置，其特征在于，包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8任一项所述的热力网络动态仿真方法。

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