CN112906972B - 考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑热网寿命的电‑热耦合型综合能源系统运行调控方法。本发明采用的技术方案为：构建考虑热网寿命的电‑热综合能源系统年运行指标；构建供暖季每个供暖日中电‑热综合能源系统优化运行调控模型；构建考虑热网寿命的电‑热综合能源系统运行计算模型；构建供热管网的低循环疲劳寿命分析模型；构建供热管网全寿命周期等年值成本模型。本发明可避免电‑热耦合型IES日前优化调控中对供热管网寿命损耗考虑不足而过高估计利用灵活性潜力的问题，指导IES运营商在日前优化调控中选取对其寿命更有利的供热管网调控安全约束。

Description

考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法
技术领域
本发明属于区域综合能源系统运行优化技术领域，尤其是一种考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法。
背景技术
近年来电-热耦合型综合能源系统(Integrated Energy System,IES)作为综合能源利用的典型代表，受到国内外学者的广泛研究与关注。相较于电能，热能的传输、变化过程具有慢动态特性，传输损耗大，但储存成本较低。因此，热能与电能之间存在很强的互补特性。大量研究指出，将电与热进行协同运行，可利用供热系统的运行特性辅助电-热耦合型IES实现降低运行成本及提升可再生能源消纳水平等目标。
目前，国内外已建成许多电-热耦合型IES示范工程，如意大利米兰东部某供热系统，通过热电联产机组(Combined Heat and Power，CHP)以及热泵(Heat Pump，HP)、电锅炉等能源设备的冗余配置，辅以蓄热装置及供热管网热动态特性，实现不同运行条件下电、热之间灵活的相互转化；我国上海、天津等一些城市也先后建成了以能源站为核心的IES示范园区，通过电、热(冷)能等设备集成和集中控制，支撑园区IES的灵活运行，极大提升了园区的能源综合利用效率。
在电-热耦合型IES运行优化中利用供热管网热动态特性提升系统运行能力时，有必要同时考虑其对应的成本或代价。如对供热管网进行频繁调控，不可避免地会导致热网中工质温度的快频波动。供热管网承受温度交替，其受到的损伤累积到一定程度后，管网中一些部件将超过其低循环疲劳极限而发生破坏。这一作用对热网中的弯头、三通、小角度折角等的寿命有重要影响。国内外已有一些学者关注上述问题。有研究指出：在电-热耦合型IES中运行优化中，热网经受频繁的温度交替可能加速其疲劳进程，最终导致其提前损坏，因此利用供热管网热动态特性参与系统运行优化的利弊尚有待进一步分析；有研究基于热网的能量流模型，在IES协同规划中考虑了建设热网管道的成本，提出供热管网等年值投资成本的计算方法，但尚未考虑其运行寿命的问题；有研究参考欧洲一些区域供热系统的运行标准，出于热网运行安全性的考虑，在电-热耦合型IES运行优化中对热网的温度梯度(即热网的升降温速率)加以约束，并进一步讨论了选取不同温度梯度约束对IES运行方案的影响。电-热耦合型IES利用供热管网热动态特性提升系统性能时可能加速供热管网寿命损耗，产生额外的利用成本。
现有研究对于如何量化这部分成本、以及如何通过热网调控安全约束在运行层面保障热网寿命，已有一些基础性工作，但仍须探索合理的分析方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法，以避免电-热耦合型IES日前优化调控中对供热管网寿命损耗考虑不足而过高估计利用灵活性潜力的问题，指导IES运营商在日前优化调控中选取对其寿命更有利的供热管网调控安全约束。
为此，本发明采用如下的技术方案：考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法，其包括：
构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统年运行指标；
构建供暖季每个供暖日中电-热综合能源系统优化运行调控模型；
构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统运行计算模型；
构建供热管网的低循环疲劳寿命分析模型；
构建供热管网全寿命周期等年值成本模型。
进一步的，在构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统年运行指标时，所述的年运行指标包含综合能源系统年运行费用和热网额外寿命损耗年成本如式(1)所示：
式(1)中，综合能源系统年运行费用为一个供暖季每个供暖日d中综合能源系统优化运行调控所得的运行费用Cdp,d之和：
式中：Nd为一个供暖季所包含的供暖日数；
热网额外寿命损耗年成本是指由于综合能源系统利用供热管网虚拟储能充放功率导致其寿命损耗加剧而产生的额外成本，基于供热管网的全寿命周期等年值成本计算热网额外寿命损耗年成本，如式(3)所示：
式中：为考虑供热管网的虚拟储能充放功率时供热管网的全寿命周期等年值成本，单位为元；为不考虑供热管网的虚拟储能充放功率时供热管网的全寿命周期等年值成本，单位为元；和都为供热管网寿命Tlife的函数。
进一步的，所述的电-热综合能源系统优化运行调控模型中，
综合能源系统优化运行调控的目标函数为一天中的总运行成本Cdp,d最小：
minCdp,d＝min(Cpower+Cgas) (4)
式中：Cpower和Cgas分别为一天中购电和购天然气费用，单位为元；
式中：NT为时段数；为分时单位电价，单位为元/kWh；σgas为单位天然气价，单位为元/m3；为τ时段能源站向上级气网的总购气量，单位为m3；为τ时段能源站向上级电网的总购电量，分别用于驱动HP和满足用户电负荷，单位为kW：
式中：为电-热耦合型综合能源系统向上级电网购电量中用于供给用户电负荷的部分，单位为kW；为τ时段HP的用电功率，单位为kW。
进一步的，所述电-热综合能源系统优化运行调控模型的等式约束条件包括电、热负荷平衡约束及电-热耦合型综合能源系统各设备模型约束：
1)电、热负荷平衡约束
对电负荷，确保电功率平衡：
式中：为综合能源系统中τ时段第i处负荷的电功率，单位为kW；为τ时段CHP发电功率，单位为kW；
对热负荷，要求确保换热站的换热量能恰好满足用户热负荷需求：
式中：为电-热耦合型综合能源系统中τ时段第i处负荷的热功率，单位为kW；为τ时段第i处换热器换热功率，单位为kW；
综合能源系统中的热负荷平衡关系如下：
式中：为CHP在第τ个时段输出的热功率，单位为kW；为τ时段HP输出的热功率，单位为kW；Hτ为τ时段供热管网的虚拟储能充放功率，单位为kW；为不考虑供热管网虚拟储能充放功率时供热管网在τ时段内的热能传输损耗功率，单位为kW；
2)供热管网的模型约束
①节点流量连续性：任一时段内，流入某一节点的工质质量流率之和等于流出该节点的工质质量流率之和：
式中：和分别为以节点n为末端和始端的管段集合；qj和qk分别为τ时段流过第j段和第k段供热管道工质的质量流率，单位为kg/s；
②工质温度混合：任一时段内，流入某一节点的工质能量之和等于流出该节点的工质能量之和，假设工质在节点处的温度混合是充分和均匀的：
式中：为τ时段工质流出第j段供热管道时的温度，单位为℃；为τ时段工质流入第k段供热管道时的温度，单位为℃；
3)换热站模型约束
换热首站模型如式(13)所示：
式中：q1为τ时段流过换热首站工质的质量流率，单位为kg/s；和Tτ,1 return,out分别为τ时段换热首站输出到供水网的工质温度及接收回水网输入的工质温度，单位为℃；cw为水的比热容，单位为kJ/(kg·℃)；
连接供热管网与用户热负荷的换热站模型如式(14)所示：
式中：和分别为供水网输出到负荷的工质温度及回水网接收负荷回水输入的工质温度，单位为℃；i→j表示第i处换热器连接于第j段供水管道的末端；qj为τ时段流过第j处换热器工质的质量流率，单位为kg/s；
4)CHP模型约束
式中：和分别为CHP在第τ个时段输出的热功率和电功率，单位为kW；ε为CHP的热电比；ηCHP为CHP总体效率；bv为天然气的燃烧热值，单位为kWh/m3；为τ时段CHP消耗的天然气体积，单位为m3；
5)HP模型约束
式中：为τ时段HP压缩机消耗的电功率，单位为kW；为τ时段HP输出的热功率，单位为kW；COP为HP的能效系数；为表示τ时段HP开关状态的0-1变量，“1”表示开启；Pvent表示耗电设备的电功率，单位为kW。
进一步的，所述电-热综合能源系统优化运行调控模型的不等式约束条件包括CHP、HP及供热管网的调控约束；
1)CHP调控约束
出于运行安全考虑，CHP的出力维持在一定范围内：
式中：和分别为CHP热出力的上、下限；
CHP机组增加和减少出力都存在一定的极限速率，即CHP的爬坡率限制：
式中：和分别为CHP电出力向上、向下爬坡速率的极限，单位为kW/h；
2)HP调控约束
式中：和分别为HP热出力的上、下限；
3)供热管网调控安全约束
工质温度的限制：出于运行安全，供热管网供、回水温度应各自维持在一定范围内：
式中：和分别为供热管网供水温度的上下限，单位为℃；和分别为供热管网回水温度的上、下限，单位为℃；
工质温度梯度的限制：由于管网中工质温度的快频变化会加剧其对管网造成的损伤，在实际运行中出于降低故障率和延长运行寿命考虑，对管网工质温度梯度加以约束：
式中：和分别为供水温度升高和降低的速率极限，单位为℃/h；和分别为回水温度升高和降低的速率极限，单位为℃/h。
进一步的，构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统运行计算模型的步骤如下：
1)选取典型日：对于电-热耦合型综合能源系统，选取一般供暖日和极寒天气供暖日两种场景，作为整个供暖季代表性的典型日；
2)选取灵活性边界：选取供热管网调控安全约束，确定利用供热管网灵活性的边界，以热网工质梯度约束进行分析；
3)计算根据综合能源系统运行约束及各典型日负荷数据，调用所述的综合能源系统优化运行调控模型，生成综合能源系统运行方案及对应的运行费用Cdp,d，依据典型日计算结果计算综合能源系统年运行费用
4)计算Tlife和依据典型日运行优化方案，调用供热管网低循环疲劳寿命分析模型计算供热管网寿命Tlife，调用供热管网全寿命周期等年值成本模型结合式(3)计算
5)计算根据式(1)计算依据所得结果计算所选调控安全约束及对应运行计划。
进一步的，构建供热管网的低循环疲劳寿命分析模型的过程包括：
供热工程中使用的S-N曲线的经验公式如下：
式中：为某一应力循环的范围；为供热管网最大所能承受应力循环的次数；m为标准规定的系数；γSN为一中间参数，取值为5000；
在供热管网低循环疲劳寿命分析中，近似假设其所受的应力作用与其温度成正比：
式中：为对应应力循环的温度循环范围；符号“∝”表示“正比于”；
忽略工质与供热管网间的传热过程，近似认为供热管网中某处的温度等于该处管网中工质的温度，式(27)将应力循环与供热管网寿命的关系转化为温度循环与供热管网寿命的关系；
基于管网元件的S-N曲线，使用泊尔姆格林-米纳规则分析供热管网的低循环疲劳寿命，这一规则基于如下假设：
1)供热管网所经历的每个应力循环对其造成的损伤是可累积的；
2)每一次循环所造成的损伤都可用同一条S-N曲线刻画；
3)循环所造成的损伤与循环在时间上的分布无关；
在上述假设前提下，确定供热管网寿命符合要求的判据为：
式中：r为供热管网实际经历的温度循环的编号；nr为编号为r的温度循环出现的次数；Nr为编号为r的温度循环所造成的应力循环Sr代入式(26)-(27)中所求得的最大循环次数；γfat为一安全系数，取值5-10；
为使上述判据更为直观，选取管网运行中的最高温度与环境温度之差ΔTref作为参考标准，将式(26)-(27)代入式(28)整理得：
式中：Neq为供热管网实际经历的温度循环等值到参考温度循环的次数；ΔTr为编号为r的温度循环的温度范围，℃；Nref为参考温度循环的最大循环次数，由供热管网受力分析结合S-N曲线求出；
将供热管网实际经历的温度循环按不同时间尺度进行分类，将式(29)不等式左侧部分改写为：
式中：为供热管网在一年中所经历的总的等值参考温度循环的次数；ξ取值为1、2、3、4分别表示供热管网在一天、一周、一个月和一年中实际经历的温度循环；rξ为温度循环的编号；nr,ξ和ΔTr,ξ分别编号为rξ的温度循环出现的次数及其温度范围；
对于热网的输配干线，要求在设计校验中保证其可经受的等值参考温度循环Neq的次数不能低于250次。相比于式(29)中不等式右侧的Nref/γfat，直接规定Neq的最大值作为供热管网寿命判据显然更为直观便捷；出于安全性考虑，将供热管网的等值参考温度循环次数达到标准规定值的80％的时刻定义为供热管网为综合能源系统提供灵活性潜力的寿命终点，即当供热管网的等值参考温度循环次数达到200次时，综合能源系统运营商可视情况将其退出运行或进行重新敷设，据此，本发明中供热管网的低循环疲劳寿命表示为：
式中：Tlife为供热管网的低循环疲劳寿命，即为供热管网参与电-热耦合型综合能源系统灵活性优化调控的运行年限，单位为年；Nlife为供热管网在寿命期内所经历的等值参考温度循环次数。
进一步的，构建供热管网全寿命周期等年值成本模型的过程如下：
供热管网寿命的变化主要影响其等年值投资成本年运行维护成本及残值等年值收益如式(32)所示：
暂不考虑利用灵活性潜力对供热管网故障风险的影响，认为其年风险损失成本为一定值，在通过式(3)计算时将被消去，因此在式(32)中不予以体现。
进一步的，供热管网投资成本计算公式，如式(33)所示：
式中：为供热管网投资的单位固定成本，即仅与管道长度有关的费用的单位成本，单位为元；为供热管网投资的单位可变成本，即与管道长度和容量均有关的费用的单位成本，单位为元；lj表示第j段管段长度，单位为m；为第j段管段交互热功率的最大值，单位为kW，按式(34)计算：
式中：qj为第j段管段的质量流率，单位为kg/s，在热网质调节模式下为一定值；
供热管网全寿命周期等年值投资成本按式(35)计算：
式中：dr为贴现率。
进一步的，供热管网的年运行维护成本如式(36)所示：
式中：和分别为热网循环泵年运行费用和供热管网年维护成本，单位为元；
热网循环泵运行费用主要由热网中各换热站与供热管网间的换热量决定，要求热负荷需求恰好能被满足，因此综合能源系统利用供热管网灵活性潜力将只影响换热首站与供热管网间的换热量，而不会影响供热管网与负荷间的换热量，基于这一考虑，热网循环泵年运行费用如式(37)所示：
式中：γDHN为循环泵传输单位热量耗费的电能，单位为kWh；
供热管网年维护成本包括管网检修、保养所产生的年费用，如式(38)所示：
式中：γM为管网维护率；
供热管网残值等年值收益是指管网退出运行或重新敷设后对退出运行的部件进行处理所获得的残值收入，在计算时常认为其与设备投资同时发生，如式(39)所示：
式中：γS,DHN为管网残值率。
本发明具有以下有益效果：本发明可避免电-热耦合型IES日前优化调控中对供热管网寿命损耗考虑不足而过高估计利用灵活性潜力的问题，指导IES运营商在日前优化调控中选取对其寿命更有利的供热管网调控安全约束，当供热管网寿命达到或接近终点时，IES运营商可选择将管网退出运行或对其进行更换(重新敷设)。
附图说明
图1为本发明考虑供热管网寿命的电-热耦合型IES运行优化计算模型的流程图；
图2为本发明管网元件的S-N曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法，采用如下步骤：
1.构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统年运行指标；
2.构建供暖季每个供暖日d中IES优化运行调控模型；
3.构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统运行计算模型；
4.构建考供热管网的低循环疲劳寿命分析模型；
5.提出供热管网全寿命周期等年值成本模型。
步骤1.所述考虑热网寿命的电-热综合能源系统年运行指标的构建过程如下：
本发明提出一种考虑供热管网寿命的电-热耦合型IES年运行优化目标该指标包含IES年运行费用和热网额外寿命损耗年成本两部分，如式(1)所示：
式(1)中，IES年运行费用为一个供暖季每个供暖日d中IES优化调控所得的运行运行调控所得的费用Cdp,d之和：
式中：Nd为一个供暖季所包含的供暖日数。Cdp,d的计算过程如步骤2所示。
热网额外寿命损耗年成本是指由于IES利用供热管网虚拟储能充放功率导致其寿命损耗加剧而产生的额外成本。本发明中类比电力系统及IES中运用全寿命周期等年值成本方法对变压器等设备的运行维护策略进行评价的思想，基于供热管网的全寿命周期等年值成本计算热网额外寿命损耗年成本，如式(3)所示：
式中：为考虑供热管网的虚拟储能充放功率时供热管网的全寿命周期等年值成本，元；为不考虑供热管网的虚拟储能充放功率时供热管网的全寿命周期等年值成本，元。和都为供热管网寿命Tlife的函数，具体将在步骤5给出。
步骤2.供暖季每个供暖日d中IES优化运行调控模型构建过程如下：
IES优化运行调控的目标函数为一天中的总运行成本Cdp,d最小：
minCdp,d＝min(Cpower+Cgas) (4)
式中：Cpower和Cgas分别为一天中购电和购天然气费用，元。
式中：NT为时段数；为分时单位电价，元/kWh；σgas为单位天然气价，元/m3；为τ时段能源站向上级气网的总购气量，m3；为τ时段能源站向上级电网的总购电量，分别用于驱动HP和满足用户电负荷，kW：
式中：为电-热耦合型IES向上级电网购电量中用于供给用户电负荷的部分，kW；为τ时段HP的用电功率，kW。
优化运行调控模型的约束可分为等式约束和不等式约束。
等式约束条件主要包括电、热负荷平衡约束及电-热耦合型IES各设备模型约束：
1)电、热负荷平衡约束：对电负荷，应确保电功率平衡：
式中：为系统中τ时段第i处负荷的电功率，kW；为τ时段CHP发电功率，kW。
对热负荷，要求确保换热站的换热量能恰好满足用户热负荷需求：
式中：为电-热耦合型IES中τ时段第i处负荷的热功率，kW；为τ时段第i处换热器换热功率，kW。
IES中的热负荷平衡关系如下：
式中：为CHP在第τ个时段输出的热功率，kW；为τ时段HP输出的热功率，kW；Hτ为τ时段供热管网的虚拟储能充放功率，kW；为不考虑供热管网虚拟储能充放功率时供热管网在τ时段内的热能传输损耗功率，kW。
式(10)体现了供热管网作为电-热耦合型IES中的灵活性环节在热源与热负荷间的“能量缓冲”作用。Hτ既包含了利用供热管网热动态特性辅助热源灵活调控而储存或释放热能的功率，也包含了这种灵活调控所造成的供热管网热能传输损耗功率的改变量。
2)供热管网的模型约束：
①节点流量连续性：任一时段内，流入某一节点的工质质量流率之和等于流出该节点的工质质量流率之和：
式中：和分别为以节点n为末端和始端的管段集合；qj和qk分别为τ时段流过第j段和第k段供热管道工质的质量流率，kg/s。
②工质温度混合：任一时段内，流入某一节点的工质能量之和等于流出该节点的工质能量之和。假设工质在节点处的温度混合是充分和均匀的：
式中：为τ时段工质流出第j段供热管道时的温度，℃；为τ时段工质流入第k段供热管道时的温度，℃。
3)换热站模型约束：换热首站模型如式(13)所示：
式中：q1为τ时段流过换热首站工质的质量流率，kg/s；和分别为τ时段换热首站输出到供水网的工质温度及接收回水网输入的工质温度，℃；cw为水的比热容，kJ/(kg·℃)。
连接供热管网与用户热负荷的换热站模型如式(14)所示：
式中：和分别为供水网输出到负荷的工质温度及回水网接收负荷回水输入的工质温度，℃；i→j表示第i处换热器连接于第j段供水管道的末端；qj为τ时段流过第i处换热器工质的质量流率，kg/s。
其余等式约束条件包括CHP及HP的模型约束：
4)CHP模型约束：
式中：和分别为CHP在第τ个时段输出的热功率和电功率，kW；ε为CHP的热电比(热出力与电出力的比值)；ηCHP为CHP总体效率；bv为天然气的燃烧热值，kWh/m3；为τ时段CHP消耗的天然气体积，m3。
5)HP模型约束：
式中：为τ时段HP压缩机消耗的电功率，kW；为τ时段HP输出的热功率，kW；COP为HP的能效系数；为表示τ时段HP开关状态的0-1变量(“1”表示开启)；Pvent表示用于风扇等耗电设备的电功率，kW。
所提优化调控模型的不等式约束条件主要包括CHP、HP及供热管网的调控约束：
1)CHP调控约束：
出于运行安全，CHP的出力应维持在一定范围内：
式中：和分别为CHP热出力的上下限。
CHP机组增加和减少出力都存在一定的极限速率，即CHP的爬坡率限制：
式中：和分别为CHP电出力向上、向下爬坡速率的极限，kW/h。
2)HP调控约束
式中：和分别为HP热出力的上下限，体现了HP作为电-热协同灵活性资源的可调容量。
3)供热管网调控安全约束：如式(22)-(25)所示。
工质温度的限制：出于运行安全，供热管网供、回水温度应各自维持在一定范围内：
式中：和分别为供热管网供水温度的上下限，℃；和分别为供热管网回水温度的上下限，℃。
工质温度梯度的限制：由于管网中工质温度的快频变化可能加剧其对管网造成的损伤，在实际运行中出于降低故障率和延长运行寿命考虑，应对管网工质温度梯度加以约束：
式中：和分别为供水温度升高和降低的速率极限，℃/h；和分别为回水温度升高和降低的速率极限，℃/h。
由于上述所提电-热耦合型IES日前优化调控方法中包含表示每一时段HP开关状态的0-1变量因此该问题是一个混合整数规划问题。其约束条件主要是线性约束，求解较为简单，可调用成熟的优化求解工具完成求解。本发明使用LINGO软件的全局求解器(global solver)对所提日前优化调控问题进行求解。该求解器架构基于分支定界法设计，可自动将待求解问题化简为多个凸规划子问题，并在必要时选取多个初值点以避免求解算法陷于局部最优，适合用于本优化模型的求解工作。
步骤3.考虑热网寿命的电-热综合能源系统运行优化计算模型构建过程如下：
如图1所示，考虑供热管网寿命的电-热耦合型IES运行优化计算模型流程如下：
1)选取典型日：由于对整个供暖季逐日计算的方法计算量过大，故选取其中有代表性的典型日进行计算。对于电-热耦合型IES，可选取一般供暖日和极寒天气供暖日两种场景，作为整个供暖季代表性的典型日。
2)选取灵活性边界：选取供热管网调控安全约束，确定利用供热管网灵活性的边界，以热网工质梯度约束为例进行分析。
3)计算根据IES运行约束及各典型日负荷数据，调用步骤2所提IES优化调控方法，生成IES运行方案及对应的运行费用Cdp,d。依据典型日计算结果可评估IES年运行费用
4)计算Tlife和依据典型日运行优化方案，调用步骤4供热管网寿命分析模型评估供热管网寿命Tlife，调用步骤5供热管网全寿命周期等年值成本模型结合式(3)计算
5)计算根据式(1)计算依据所得指标结果计算所选调控安全约束及对应运行计划。
步骤4.供热管网的低循环疲劳寿命分析模型构建过程如下：
供热工程中使用的S-N曲线示意图如图2所示，它反映了供热管网所承受的某一应力循环大小与其最大所能承受这一循环的次数间的关系。已有一些标准基于实验数据，规定了S-N曲线的经验公式：
式中：为某一应力循环的范围；为供热管网最大所能承受应力循环的次数；m为标准规定的系数；γSN为一中间参数，可取值为5000。
在供热管网低循环疲劳寿命分析中，可近似假设其所受的应力作用与其温度成正比：
式中：为对应应力循环的温度循环范围；符号“∝”表示“正比于”。本发明忽略工质与供热管网间的传热过程，近似认为供热管网中某处的温度等于该处管网中工质的温度。式(27)将应力循环与供热管网寿命的关系转化为温度循环与供热管网寿命的关系。
基于管网元件的S-N曲线，如图2所示，可使用泊尔姆格林-米纳(Palmgren-Miner)规则分析供热管网的低循环疲劳寿命。这一规则基于如下假设：
1)供热管网所经历的每个应力循环对其造成的损伤是可累积的；
2)每一次循环所造成的损伤都可用同一条S-N曲线刻画；
3)循环所造成的损伤与循环在时间上的分布无关。
在上述假设前提下，确定供热管网寿命符合要求的判据为：
式中：r为供热管网实际经历的温度循环的编号；nr为编号为r的温度循环出现的次数；Nr为编号为r的温度循环所造成的应力循环Sr代入式(26)-(27)中所求得的最大循环次数；γfat为一安全系数，根据工程实际需求可取值5-10。
为使上述判据更为直观，选取管网运行中的最高温度与环境温度之差ΔTref作为参考标准，将式(26)-(27)代入式(28)整理可得：
式中：Neq为供热管网实际经历的温度循环等值到参考温度循环的次数；ΔTr为编号为r的温度循环的温度范围，℃；Nref为参考温度循环的最大循环次数，可由供热管网受力分析结合S-N曲线求出。
将供热管网实际经历的温度循环按不同时间尺度(一天、一周、一个月和一年)进行分类，可将式(29)不等式左侧部分改写为：
式中：为供热管网在一年中所经历的总的等值参考温度循环的次数；ξ取值为1、2、3、4分别表示供热管网在一天、一周、一个月和一年中实际经历的温度循环；rξ为温度循环的编号；nr,ξ和ΔTr,ξ分别编号为rξ的温度循环出现的次数及其温度范围。
对于热网的输配干线，要求在设计校验中保证其可经受的等值参考温度循环Neq的次数不能低于250次。相比于式(29)中不等式右侧的Nref/γfat，直接规定Neq的最大值作为供热管网寿命判据显然更为直观便捷。本发明出于安全性考虑，将供热管网的等值参考温度循环次数达到标准规定值的80％的时刻定义为供热管网为IES提供灵活性潜力的寿命终点，即当供热管网的等值参考温度循环次数达到200次时，IES运营商可视情况将其退出运行或进行重新敷设。据此，本发明中供热管网的低循环疲劳寿命可表示为：
式中：Tlife为供热管网的低循环疲劳寿命，在本发明中即为供热管网参与电-热耦合型IES灵活性优化调控的运行年限，年；Nlife为供热管网在寿命期内所经历的等值参考温度循环次数。
本发明中分析供热管网疲劳寿命时类比电力系统中蓄电池储能寿命的分析方法，将供热管网看作一个整体，根据电-热耦合型IES对其进行调控时的决策变量(如步骤3所述)的变化统计供热管网所经历的温度循环，并基于此分析供热管网的寿命损耗。
步骤5.供热管网全寿命周期等年值成本模型构建过程如下：
在运用全寿命周期等年值成本方法计算电-热耦合型IES中某一设备的优化目标时，常考虑的因素可包括等年值投资成本、年运行维护成本、年风险损失成本及设备残值等。本发明主要关注电-热耦合型IES利用供热管网灵活性潜力对其寿命的影响，供热管网寿命的变化主要影响其等年值投资成本年运行维护成本及残值等年值收益如式(32)所示：
根据供热管网寿命的定义，在寿命期内其故障风险始终维持在较低水平，因此本发明暂不考虑利用灵活性潜力对供热管网故障风险的影响，认为其年风险损失成本为一定值，在通过式(3)计算时将被消去，因此在式(32)中不予以体现。
1)供热管网等年值投资成本
本发明提出了一种适用于电-热耦合型IES规划的较为精确的供热管网投资成本计算公式，如式(33)所示：
式中：为供热管网投资的单位固定成本，即破路、铺设等仅与管道长度有关的费用的单位成本，元；为供热管网投资的单位可变成本，即材料费等与管道长度和容量均有关的费用的单位成本，元；为第j段管段交互热功率的最大值，kW，可按式(34)计算：
式中：qj为第j段管段的质量流率，kg/s，在热网质调节模式下为一定值。
供热管网全寿命周期等年值投资成本可按式(35)计算：
式中：dr为贴现率，本发明中取值为5％。
2)供热管网年运行维护成本
供热管网的年运行维护成本如式(36)所示：
式中：和分别为热网循环泵年运行费用和供热管网年维护成本，元。
热网循环泵运行费用主要由热网中各换热站与供热管网间的换热量决定。由于本发明中要求热负荷需求恰好能被满足，因此IES利用供热管网灵活性潜力将只影响换热首站与供热管网间的换热量，而不会影响供热管网与负荷间的换热量。基于这一考虑，本发明中热网循环泵年运行费用如式(37)所示：
式中：γDHN为循环泵传输单位热量耗费的电能，可取值为0.0059，kWh。
供热管网年维护成本包括管网检修、保养等所产生的年费用，如式(38)所示：
式中：γM为管网维护率，本发明中取值为1％。
3)供热管网残值等年值收益
供热管网残值等年值收益是指管网退出运行或重新敷设后对退出运行的部件进行处理所获得的残值收入，在计算时常认为其与设备投资同时发生，如式(39)所示：
式中：γS,DHN为管网残值率，本发明中取值为3％。

Claims (5)

1.考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法，其特征在于，包括：
构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统年运行指标；
构建供暖季每个供暖日中电-热综合能源系统优化运行调控模型；
构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统运行计算模型；
构建供热管网的低循环疲劳寿命分析模型；
构建供热管网全寿命周期等年值成本模型；
在构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统年运行指标时，所述的年运行指标包含综合能源系统年运行费用和热网额外寿命损耗年成本如式(1)所示：
式(1)中，综合能源系统年运行费用为一个供暖季每个供暖日d中综合能源系统优化运行调控所得的运行费用Cdp,d之和：
式中：Nd为一个供暖季所包含的供暖日数；
热网额外寿命损耗年成本是指由于综合能源系统利用供热管网虚拟储能充放功率导致其寿命损耗加剧而产生的额外成本，基于供热管网的全寿命周期等年值成本计算热网额外寿命损耗年成本，如式(3)所示：
式中：为考虑供热管网的虚拟储能充放功率时供热管网的全寿命周期等年值成本，单位为元；为不考虑供热管网的虚拟储能充放功率时供热管网的全寿命周期等年值成本，单位为元；和都为供热管网寿命Tlife的函数；
所述的电-热综合能源系统优化运行调控模型中，
综合能源系统优化运行调控的目标函数为一天中的总运行成本Cdp,d最小：
min Cdp,d＝min(Cpower+Cgas) (4)
式中：Cpower和Cgas分别为一天中购电和购天然气费用，单位为元；
式中：NT为时段数；为分时单位电价，单位为元/kWh；σgas为单位天然气价，单位为元/m3；为τ时段能源站向上级气网的总购气量，单位为m3；为τ时段能源站向上级电网的总购电量，分别用于驱动HP和满足用户电负荷，单位为kW：
式中：为电-热耦合型综合能源系统向上级电网购电量中用于供给用户电负荷的部分，单位为kW；为τ时段HP的用电功率，单位为kW；
所述电-热综合能源系统优化运行调控模型的等式约束条件包括电、热负荷平衡约束及电-热耦合型综合能源系统各设备模型约束：
1)电、热负荷平衡约束
对电负荷，确保电功率平衡：
式中：为综合能源系统中τ时段第i处负荷的电功率，单位为kW；为τ时段CHP发电功率，单位为kW；
对热负荷，要求确保换热站的换热量能恰好满足用户热负荷需求：
式中：为电-热耦合型综合能源系统中τ时段第i处负荷的热功率，单位为kW；为τ时段第i处换热器换热功率，单位为kW；
综合能源系统中的热负荷平衡关系如下：
式中：为CHP在第τ个时段输出的热功率，单位为kW；为τ时段HP输出的热功率，单位为kW；Hτ为τ时段供热管网的虚拟储能充放功率，单位为kW；为不考虑供热管网虚拟储能充放功率时供热管网在τ时段内的热能传输损耗功率，单位为kW；
2)供热管网的模型约束
①节点流量连续性：任一时段内，流入某一节点的工质质量流率之和等于流出该节点的工质质量流率之和：
式中：和分别为以节点n为末端和始端的管段集合；qj和qk分别为τ时段流过第j段和第k段供热管道工质的质量流率，单位为kg/s；
②工质温度混合：任一时段内，流入某一节点的工质能量之和等于流出该节点的工质能量之和，假设工质在节点处的温度混合是充分和均匀的：
式中：为τ时段工质流出第j段供热管道时的温度，单位为℃；为τ时段工质流入第k段供热管道时的温度，单位为℃；
3)换热站模型约束
换热首站模型如式(13)所示：
式中：q1为τ时段流过换热首站工质的质量流率，单位为kg/s；和Tτ,1 return,out分别为τ时段换热首站输出到供水网的工质温度及接收回水网输入的工质温度，单位为℃；cw为水的比热容，单位为kJ/(kg·℃)；
连接供热管网与用户热负荷的换热站模型如式(14)所示：
式中：和分别为供水网输出到负荷的工质温度及回水网接收负荷回水输入的工质温度，单位为℃；i→j表示第i处换热器连接于第j段供水管道的末端；qj为τ时段流过第j处换热器工质的质量流率，单位为kg/s；
4)CHP模型约束
式中：和分别为CHP在第τ个时段输出的热功率和电功率，单位为kW；ε为CHP的热电比；ηCHP为CHP总体效率；bv为天然气的燃烧热值，单位为kWh/m3；为τ时段CHP消耗的天然气体积，单位为m3；
5)HP模型约束
式中：为τ时段HP压缩机消耗的电功率，单位为kW；为τ时段HP输出的热功率，单位为kW；COP为HP的能效系数；为表示τ时段HP开关状态的0-1变量，“1”表示开启；Pvent表示耗电设备的电功率，单位为kW；
所述电-热综合能源系统优化运行调控模型的不等式约束条件包括CHP、HP及供热管网的调控约束；
1)CHP调控约束
出于运行安全考虑，CHP的出力维持在一定范围内：
式中：和分别为CHP热出力的上、下限；
CHP机组增加和减少出力都存在一定的极限速率，即CHP的爬坡率限制：
式中：和分别为CHP电出力向上、向下爬坡速率的极限，单位为kW/h；
2)HP调控约束
式中：和分别为HP热出力的上、下限；
3)供热管网调控安全约束
工质温度的限制：出于运行安全，供热管网供、回水温度应各自维持在一定范围内：
式中：和分别为供热管网供水温度的上下限，单位为℃；和分别为供热管网回水温度的上、下限，单位为℃；
工质温度梯度的限制：由于管网中工质温度的快频变化会加剧其对管网造成的损伤，在实际运行中出于降低故障率和延长运行寿命考虑，对管网工质温度梯度加以约束：
式中：和分别为供水温度升高和降低的速率极限，单位为℃/h；和分别为回水温度升高和降低的速率极限，单位为℃/h；
构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统运行计算模型的步骤如下：
1)选取典型日：对于电-热耦合型综合能源系统，选取一般供暖日和极寒天气供暖日两种场景，作为整个供暖季代表性的典型日；
2)选取灵活性边界：选取供热管网调控安全约束，确定利用供热管网灵活性的边界，以热网工质梯度约束进行分析；
3)计算根据综合能源系统运行约束及各典型日负荷数据，调用所述的综合能源系统优化运行调控模型，生成综合能源系统运行方案及对应的运行费用Cdp,d，依据典型日计算结果计算综合能源系统年运行费用
4)计算Tlife和依据典型日运行优化方案，调用供热管网低循环疲劳寿命分析模型计算供热管网寿命Tlife，调用供热管网全寿命周期等年值成本模型结合式(3)计算
5)计算根据式(1)计算依据所得结果计算所选调控安全约束及对应运行计划。
2.根据权利要求1所述的考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法，其特征在于，构建供热管网的低循环疲劳寿命分析模型的过程包括：供热工程中使用的S-N曲线的经验公式如下：
式中：为某一应力循环的范围；为供热管网最大所能承受应力循环的次数；m为标准规定的系数；γSN为一中间参数，取值为5000；
在供热管网低循环疲劳寿命分析中，设定其所受的应力作用与其温度成正比：
式中：为对应应力循环的温度循环范围；符号“∝”表示“正比于”；
忽略工质与供热管网间的传热过程，则供热管网中某处的温度等于该处管网中工质的温度，式(27)将应力循环与供热管网寿命的关系转化为温度循环与供热管网寿命的关系；
基于管网元件的S-N曲线，使用泊尔姆格林-米纳规则分析供热管网的低循环疲劳寿命，确定供热管网寿命符合要求的判据为：
式中：r为供热管网实际经历的温度循环的编号；nr为编号为r的温度循环出现的次数；Nr为编号为r的温度循环所造成的应力循环Sr代入式(26)-(27)中所求得的最大循环次数；γfat为一安全系数，取值5-10；
为使上述判据更为直观，选取管网运行中的最高温度与环境温度之差ΔTref作为参考标准，将式(26)-(27)代入式(28)整理得：
式中：Neq为供热管网实际经历的温度循环等值到参考温度循环的次数；ΔTr为编号为r的温度循环的温度范围，℃；Nref为参考温度循环的最大循环次数，由供热管网受力分析结合S-N曲线求出；
将供热管网实际经历的温度循环按不同时间尺度进行分类，将式(29)不等式左侧部分改写为：
式中：为供热管网在一年中所经历的总的等值参考温度循环的次数；ξ取值为1、2、3、4分别表示供热管网在一天、一周、一个月和一年中实际经历的温度循环；rξ为温度循环的编号；nr,ξ和ΔTr,ξ分别编号为rξ的温度循环出现的次数及其温度范围；
供热管网的低循环疲劳寿命表示为：
式中：Tlife为供热管网的低循环疲劳寿命，即为供热管网参与电-热耦合型综合能源系统灵活性优化调控的运行年限，单位为年；Nlife为供热管网在寿命期内所经历的等值参考温度循环次数。
3.根据权利要求1所述的考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法，其特征在于，构建供热管网全寿命周期等年值成本模型的过程如下：
供热管网寿命的变化主要影响其等年值投资成本年运行维护成本及残值等年值收益如式(32)所示：
4.根据权利要求3所述的考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法，其特征在于，供热管网投资成本计算公式，如式(33)所示：
式中：为供热管网投资的单位固定成本，即仅与管道长度有关的费用的单位成本，单位为元；为供热管网投资的单位可变成本，即与管道长度和容量均有关的费用的单位成本，单位为元；lj表示第j段管段长度，单位为m；为第j段管段交互热功率的最大值，单位为kW，按式(34)计算：
式中：qj为第j段管段的质量流率，单位为kg/s，在热网质调节模式下为一定值；
供热管网全寿命周期等年值投资成本按式(35)计算：
式中：dr为贴现率。
5.根据权利要求4所述的考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法，其特征在于，供热管网的年运行维护成本如式(36)所示：
式中：和分别为热网循环泵年运行费用和供热管网年维护成本，单位为元；
热网循环泵年运行费用如式(37)所示：
式中：γDHN为循环泵传输单位热量耗费的电能，单位为kWh；
供热管网年维护成本包括管网检修、保养所产生的年费用，如式(38)所示：
式中：γM为管网维护率；
供热管网残值等年值收益是指管网退出运行或重新敷设后对退出运行的部件进行处理所获得的残值收入，在计算时常认为其与设备投资同时发生，如式(39)所示：
式中：γS,DHN为管网残值率。
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