CN115143516B - 一种枝状供热管网一次网的平衡调节方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种枝状供热管网一次网的平衡调节方法和系统，方法包括：建立所述一次网的拓扑结构，基于历史工况数据和所述拓扑结构，计算所述一次网的管道阻抗和换热站阻抗；根据首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率；计算每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节每个换热站对应阀门的开度，使所有换热站对应阀门的阻力最接近设计工况下的阻力；计算阀门开度调节后每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节所述首站循环水泵的频率，使所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，调节结束。

Description

一种枝状供热管网一次网的平衡调节方法和系统

技术领域

本发明涉及供热管网技术领域，尤其涉及一种枝状供热管网一次网的平衡调节方法和系统。

背景技术

随着城镇供热管网规模的不断扩大，传统的水力计算方式的弊端逐渐显现，采用人工方式进行水力计算，在对热网进行水力平衡调节时，往往以管网的最不利环路作为调节依据，将其他环路的阻力消耗以等于或接近最不利环路阻力作为调控目标。但由于热网具有强耦合性，调节热网中任何位置的阻力构件，管网的特性曲线都会发生改变，随之与水泵特性曲线的交点发生变化，最终导致水泵提供给最不利环路的压头发生变化，不再是调节之前的目标值，随着热网规模的不断扩大，局部调节部件的数量也不断增加，由于局部调节带来的工况点的变化通过人工计算方式很难量化，手工计算引起的调节误差对全网平衡的影响逐渐成为不可忽视的一部分，所以运用计算机实现管网的全网调控已成为供热行业的研究热点。

在采用计算机对供热管网一次网进行工况模拟时，计算管道阻抗时用到的管道粗糙度往往采用管道的初始设计值,但随着使用年限的增长，管网的腐蚀，热水水质的变化以及施工条件等，管道内部的参数早已偏离设计值，若仍然采用设计值计算，将会越来越偏离管网的实际水力工况。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种枝状供热管网一次网的平衡调节方法和系统，用以解决现有在的对供热管网的一次网进行平衡调节时没有对管网中管段的阻抗进行校核的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种枝状供热管网一次网的平衡调节方法，包括以下步骤：

建立所述一次网的拓扑结构，基于历史工况数据和所述拓扑结构，计算所述一次网的管道阻抗和换热站阻抗；

基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，根据首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率；

基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节每个换热站对应阀门的开度，使所有换热站对应阀门的阻力最接近设计工况下的阻力；

基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算阀门开度调节后每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节所述首站循环水泵的频率，使所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，调节结束。

上述技术方案的有益效果如下：根据管道的实际阻抗计算阀门调节开度可以使得每一换热站获得的热量与设计值接近，避免由于冷热不均带来的能源浪费；对水泵频率进行调节可以使系统在最节能的频率下满足各换热站的运行要求。

基于上述方案的进一步改进，所述历史工况数据包括：两组不同工况下，首站循环水泵的循环流量、供水压力和回水压力，换热站的循环流量、供水压力和回水压力，每个阀门的循环流量以及前后压力。

进一步地，所述基于历史工况数据和所述拓扑结构，计算所述一次网的管道阻抗和换热站阻抗，包括：

基于换热站的循环流量计算管道流量矩阵；

基于所述历史工况数据计算阀门阻抗；

基于所述历史工况数据计算换热站阻抗；

按照树枝供水管道、树枝回水管道和链支管道将能量方程中的管道流量矩阵G和管道阻抗矩阵S_p进行分块，分别表示为 将能量方程转化为

基于所述管道流量、所述阀门阻抗和所述换热站阻抗，根据转化后的能量方程，计算得到所述一次网的管道阻抗；

其中，B为基本回路矩阵，DH为循环水泵扬程矩阵，S_u为换热站阻抗矩阵，S_v为阀门阻抗矩阵，G_diag为管道流量矩阵的对角矩阵，为树枝供水管道流量矩阵的对角矩阵，为链支管道流量矩阵的对角矩阵，S_p为管道阻抗矩阵，S_g为树枝供水管道阻抗矩阵，S_h为树枝回水管道阻抗矩阵，S_LZ为链支管道阻抗矩阵，b为所述枝状供热管网一次网拓扑结构中的管道数量，n为所述枝状供热管网一次网拓扑结构中除定压点外的节点数量。

上述技术方案的有益效果如下：采用解析法计算管道阻抗，计算结果更加准确，可有效指导热网调控；对计算中用到的矩阵进行分块处理，可降低计算量，提高计算精度。

进一步地，基于所述历史工况数据计算换热站阻抗，包括：根据公式s_u＝(p_g-p_h)/g_u ²计算所述换热站阻抗，其中，p_g为换热站的供水压力，p_h为换热站的回水压力，g_u为换热站的循环流量。

进一步地，基于所述历史工况数据计算阀门阻抗，包括，根据公式s_v＝(p_vg-p_vh)/g_v ²计算阀门阻抗，其中，p_vg为阀门前压力，p_vh为阀门后压力，g_v为阀门的循环流量。

上述技术方案的有益效果如下：换热站和阀门阻抗为一次网中主要的局部阻力，准确计算局部阻力可减小在计算换热站流量时由于管道阻抗偏差带来的计算误差。

进一步地，基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，根据首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率，包括：

基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，计算设计工况下所述一次网的最不利环路的压降；

根据所述首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率，使所述最不利环路的压降与所述首站循环水泵的扬程的比值在第一阈值范围内。

上述技术方案的有益效果如下：根据管网的实际阻力分布情况选择水泵频率可减少为确保系统供热量充足一味追求大流量、高频率带来的电能损耗。

进一步地，基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，计算设计工况下所述一次网的最不利环路的压降，包括以下步骤：

根据公式计算每个换热站的设计流量，构建换热站设计流量矩阵G_L；

根据公式G₀＝B^TG_L计算设计工况下所述一次网的管道流量矩阵G₀；

根据公式ΔH_b×1＝B(G_0diag)²(S_p+S_u+S_v)计算设计工况下所述一次网的环路压降矩阵；

所述环路压降矩阵中的最大元素ΔH_max即为所述一次网的最不利环路的压降；其中c表示流体的比热容，Q_i为第i个换热站的建筑热负荷，g_Li为第i个换热站的设计流量，B^T为基本回路矩阵B的转置矩阵，t_g为所述一次网的首站供水温度，t_h为所述一次网的首站回水温度，S_u为换热站阻抗矩阵，S_v为阀门阻抗矩阵，S_p为管道阻抗矩阵，G_0diag为设计工况下管道流量矩阵的对角矩阵，ΔH为所述一次网的环路压降矩阵。

上述技术方案的有益效果如下：直接根据各环路的阻力分布情况确定阀门阻力，可加快一次网的稳定，减轻由于一次网频繁调节造成的二次网供热不稳定的情况。

进一步地，所述调节每个换热站对应阀门的开度，使所有换热站对应阀门的阻力最接近设计工况下的阻力，包括：

根据设计工况下所述一次网的环路压降矩阵中每个元素与最不利环路的压降的差值，计算设计工况下每个环路与最不利环路的压降差矩阵ΔH_v；

根据公式s'_vi＝Δh_i/(g_Li)²计算每个换热站对应阀门的目标阻抗值，其中，g_Li为第i个换热站的设计流量，s'_vi为第i个换热站对应阀门的目标阻抗值，Δh_i为矩阵ΔH_v中第i个换热站对应环路的数值；

计算每个换热站对应阀门不同开度下的阻抗值，调节每个换热站对应阀门的开度，使每个换热站对应阀门的阻抗最接近目标阻抗值s'_vi。

上述技术方案的有益效果如下：根据阀门的阻力特性确定其确定开度值可减少阀门的频繁动作从而降低调节精度，同时可延长设备使用寿命。

进一步地，基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算阀门开度调节后每个换热站的运行流量，包括：

根据公式计算阀门开度调节后的管道流量矩阵的对角矩阵G_diag，所述换热站的运行流量是管道流量矩阵中换热站对应的管道的流量值；其中，B为基本回路矩阵，DH为循环水泵扬程矩阵，S_u为换热站阻抗矩阵，S_v为阀门开度调节后的阀门阻抗矩阵，S_p为管道阻抗矩阵。

上述技术方案的有益效果如下：在初步调节完成后计算各换热站的运行流量是否满足设计要求，是为了确保换热站能有效满足二次网用户用热需求。

另一方面，本发明实施例提供了一种枝状供热管网一次网的平衡调节系统，包括：

管道阻抗辨识模块，用于建立所述一次网的拓扑结构，基于历史工况数据和所述拓扑结构，计算所述一次网的管道阻抗和换热站阻抗；

首站循环水泵初始频率确定模块，用于基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，根据首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率；

换热站阀门调节模块，用于基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节每个换热站对应阀门的开度，使所有换热站对应阀门的阻力最接近设计工况下的阻力；

首站循环水泵频率调节模块，用于基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算阀门开度调节后每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节所述首站循环水泵的频率，使所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，调节结束。

上述技术方案的有益效果如下：通过管道阻抗辨识模块计算管道的实际阻抗，为后续进行准确的水力平衡调节提供基础；通过首站循环水泵初始频率确定模块、换热站阀门调节模块以及首站循环水泵频率调节模块对水泵循环频率和阀门开度进行调节，可以使得每一换热站获得的热量与设计值接近，避免由于冷热不均带来的能源浪费；对水泵频率进行调节可以使系统在最节能的频率下满足各换热站的运行要求。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的枝状供热管网结构示意图；

图2为本发明实施例的枝状供热管网拓扑结构图；

图3为本发明实施例的枝状供热管网阻抗分布示意图；

图4为本发明实施例枝状供热管网一次网的平衡调节方法的流程图；

图5为本发明实施例枝状供热管网一次网的平衡调节系统的结构框图；

附图标记：

1～5-换热站；L1～L13-管道；N0～N8-节点。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例提供的枝状供热管网一次网的平衡调节方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤S1、建立所述一次网的拓扑结构，基于历史工况数据和所述拓扑结构，计算所述一次网的管道阻抗和换热站阻抗。

以图1中的供热管网一次网为例，根据其实际走向绘制管网拓扑结构如图2所示，其中换热站和首站回水管道均安装有调节阀，首站即热源为循环水泵。将拓扑图中的管道和节点进行标号，管道分支处(三通)为节点，数量为n，将定压点单独标记为一个节点，总节点数量为n+1，管网的管道数据为b。

将管网中的管道按照树枝供水管道、树枝回水管道和链支管道三分部分，链支管道是指连接有换热站的管道。如图2所示，L1-L4为树枝供水管道，L5-L8为树枝回水管道，L9-L13为链支管道。

按照基本关联矩阵元素的取值原则建立树枝供水管道的基本关联矩阵A₀₁,维数为n/2×n/2，矩阵的行表示节点，列表示管道；根据树枝供水管道和树枝回水管道的对应关系，通过对A₀₁进行复制、平移处理得到树枝管道基本关联矩阵A_T,维数为n×n，具体形式为

对链支供水管道按照基本关联矩阵元素的取值原则建立链支管道对应的基本关联矩阵A_L,维数为n×(b-n)，矩阵的行表示节点，列表示管道；

对A_T和A_L做合并处理，得到供热管网的基本关联矩阵A，维数为n×b，具体形式如下：通过将管道按照有无连接换热站分为树枝管道和链支管道的方式，可以减少生成管网最小树的计算量，提高计算速度。

根据基本关联矩阵计算管网的基本回路矩阵B,其维数为(b-n)×b，矩阵的行表示管网中的回路，列表示管道，具体的计算方法为：

基本关联矩阵的取值原则为矩阵中的元素α_ij按照节点和管段的连接关系取值为1、-1或0：

具体的，历史工况数据包括：两组不同工况下，首站循环水泵的循环流量、供水压力和回水压力，换热站的循环流量、供水压力和回水压力，每个阀门的循环流量以及前后压力。实施时可以在供热管网的首站和换热站的供回水管道上安装压力表，在首站和换热站的供水或回水管道上安装流量计，用以采集首站和换热站的供回水压力和循环流量；在首站和换热站的供水或回水管道上安装调节阀，用以对管道流量进行调节。

不同工况指的是阀门开度不同的工况，为了准确辨识管网的管道阻抗，实施时，两组不同工况应确保一次网中阀门的调节开度不等比，即调节前后阀门的循环流量不关联。

基于历史工况数据和所述拓扑结构，计算所述一次网的管道阻抗和换热站阻抗，包括以下步骤：

(1)基于换热站的循环流量计算管道流量

按照链支管道基本关联矩阵A_L中管道的排列顺序，构建两组不同工况下链支管道流量矩阵G_{LZ1((b-n)×1)}和G_{LZ2((b-n)×1)}，构建第一组链支管道流量矩阵的方法为：G_LZ1(i,1)的值为第一个工况下第i个管道上对应的换热站的循环流量，按照同样的方法构建G_{LZ2((b-n)×1)}。

根据公式G＝B^TG_LZ，分别计算两组不同工况下的管道流量，分别表示为G_1(b×b)和G_2(b×b)。公式中G为管道流量矩阵，G_LZ为链支管道流量矩阵，B^T为基本回路矩阵B的转置矩阵。

(2)基于所述历史工况数据计算阀门阻抗

根据公式s_v＝(p_vg-p_vh)/g_v ²计算两组历史工况下阀门阻抗，其中，p_vg为换热站阀门前压力，p_vh为阀门后压力，g_v为阀门的循环流量。

按照基本关联矩阵A_n×b中管道的排列顺序，构建两组阀门阻抗矩阵S_v1(b×1)，S_v2(b×1)，维数均为b×1。构建第一组阀门阻抗矩阵S_v1(b×1)的方法为：若第i个管道无对应的阀门，则S_v1(i,1)值为0，否则，S_v1(i,1)值为第一个工况下第i个管道对应阀门的阻抗值。按照同样的方法构建S_v2(b×1)。

(3)基于所述历史工况数据计算换热站阻抗

由于不同工况下换热站阻抗不会改变，可根据任一组历史工况数据计算换热站阻抗。具体的，根据公式s_u＝(p_g-p_h)/g_u ²计算所述换热站阻抗，其中，p_g为换热站的供水压力，p_h为换热站的回水压力，g_u为换热站的循环流量。

按照基本关联矩阵A_n×b中管道的排列顺序，构建换热站阻抗矩阵S_u(b×1)，维数为b×1，若第i个管道无对应的换热站，则S_u(i,1)值为0，否则值为第i个管道对应换热站的阻抗值。例如，若A_n×b第i列对应的是管道L2，管道L2未连接换热站和首站，则S_u(i,1)的值为0；若A_n×b第i列对应的是管道L9，管道L9连接换热站，则S_u(i,1)的值为L9连接的换热站的阻抗值。

(4)按照树枝供水管道、树枝回水管道和链支管道将能量方程中的管道流量矩阵G和管道阻抗矩阵S_p进行分块，分别表示为将能量方程转化为

具体的，采用基本回路法，在供热管网中每一环路中压力降为0，环路如图2中箭头所示，表示为BΔH＝0，其中ΔH＝G²S-DH，能量方程可简化为

其中B为基本回路矩阵，G_diag为管道流量矩阵G的对角矩阵，本实施例中的对角矩阵，除对角线元素外，其余元素均为0。S为管网阻抗矩阵，DH为水泵扬程矩阵；管网阻抗分布如图3所示，包括管道阻抗、换热站阻抗和阀门阻抗，管网阻抗矩阵表示可为

S_(b×1)＝S_p(b×1)+S_u(b×1)+S_v(b×1)

其中S_u为换热站阻抗矩阵，S_v为阀门阻抗矩阵，S_p为管道阻抗矩阵。因此能量方程可转化为：

基于历史工况数据对所述一次网进行阻抗校核时，首先按照树枝供水管道、树枝回水管道和链支管道将管道流量矩阵G、管道阻抗矩阵S_p进行分块，分别表示为G_g为树枝供水管道流量矩阵块，G_h为树枝回水管道流量矩阵块，G_LZ为链支管道流量矩阵块，S_g为树枝供水管道阻抗矩阵块，S_h为树枝回水管道阻抗矩阵块，S_LZ为链支管道阻抗矩阵块。

对于枝状供热管网，树枝供水管道和树枝回水管道的阻抗可视为相同，树枝供水管道的流量和树枝回水管道的流量可视为相同，因此，基于分块后的管道流量矩阵和管道阻抗矩，能量方程可进一步转化为

其中，B为基本回路矩阵，DH为循环水泵扬程矩阵，S_u为换热站阻抗矩阵，S_v为阀门阻抗矩阵，G_diag为管道流量矩阵的对角矩阵，为树枝供水管道流量矩阵的对角矩阵，为链支管道流量矩阵的对角矩阵，S_p为管道阻抗矩阵，S_g为树枝供水管道阻抗矩阵，S_h为树枝回水管道阻抗矩阵，S_LZ为链支管道阻抗矩阵，b为所述枝状供热管网一次网拓扑结构中的管道数量，n为所述枝状供热管网一次网拓扑结构中除定压点外的节点数量。

(5)基于所述管道流量、所述阀门阻抗和所述换热站阻抗，根据转化后的能量方程，计算得到所述一次网的管道阻抗

其中循环水泵扬程矩阵可通过以下方法获得：

按照基本关联矩阵A_n×b中管道的排列顺序，构建两组不同工况下的循环水泵扬程矩阵DH_1(b×1)和DH_2(b×1)，维数均为b×1。构建第一组循环水泵扬程矩阵的方法为：若第i个管道上无对应的循环水泵，则DH_1(i,1)值为0，否则，DH_1(i,1)值为第一个工况下第i个管道对应循环水泵的扬程。按照同样的方法构建DH_2(b×1)。

将S_u(b×1)、S_v1(b×1)、S_v2(b×1)、G_{LZ1((b-n)×1)}、G_{LZ2((b-n)×1)}、DH_1(b×1)、DH_2(b×1)、G_1(b×b)和G_2(b×b)带入能量方程，得到

求解上述方程可计算得到S_g、S_h和S_LZ，即辨认得到管道阻抗。

步骤S2、基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，根据首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率。

步骤S201、基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，计算设计工况下所述一次网的最不利环路的压降：

其中，设计工况是指假设各换热站的运行流量为设计流量时的工况。

根据公式计算每个换热站的设计流量，构建换热站设计流量矩阵G_L，其中c表示流体的比热容，Q_i为第i个换热站的建筑热负荷；

根据公式G₀＝B^TG_L计算设计工况下所述一次网的管道流量矩阵G₀；

根据公式ΔH_b×1＝B(G_0diag)²(S_p+S_u+S_v)计算设计工况下所述一次网的环路压降矩阵；

所述环路压降矩阵ΔH_b×1中的最大元素ΔH_max即为所述一次网的最不利环路的压降。

其中B^T为基本回路矩阵B的转置矩阵，t_g为所述一次网的首站供水温度，t_h为所述一次网的首站回水温度，S_u为换热站阻抗矩阵，S_v为阀门阻抗矩阵，S_p为管道阻抗矩阵，G_0diag为设计工况下管道流量矩阵的对角矩阵，g_Li为第i个换热站的设计流量。

构建换热站设计流量矩阵G_L的方法为：按照基本关联矩阵A_n×b中管道的排列顺序，构建换热站阻抗矩阵G_L(b×1)，维数为b×1，若第i个管道无对应的换热站，则G_L(i,1)值为0，否则值为第i个管道对应换热站的设计流量。

具体的，可根据公式s_v＝(p_vg-p_vh)/g_v ²计算平衡调节前每个阀门的阻抗值，更新阀门阻抗矩阵S_v。其中，p_vg为阀门前压力，p_vh为阀门后压力，g_v为阀门的循环流量。

步骤S202、根据所述首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率，使所述最不利环路的压降与所述首站循环水泵的扬程的比值在第一阈值范围内。具体的，第一阈值范围为1.0～1.1。

具体的，对供热管网中各换热站的设计流量求和，得到供热管网的首站设计流量，根据供热管网的首站设计流量，将循环水泵调节到某一频率，根据该频率下的循环水泵特性曲线H_ump＝xG'²+yG'+z计算循环水泵对应的扬程H_ump。其中G'为首站设计流量，x、y和z均为常数。对比ΔH_max与H_ump，若二者之比小于1.0，则调大循环水泵频率，若比值大于1.1，则调小水泵频率，水泵频率调节后重新计算该频率对应的扬程。调节循环水泵的频率直至ΔH_max与H_ump的比值在1.0～1.1的范围内，此时确定的循环水泵的频率为首站循环水泵的初始频率。

步骤S3、基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节每个换热站对应阀门的开度，使所有换热站对应阀门的阻力最接近设计工况下的阻力。

具体的，可采用基本回路法，根据基本能量方程计算当前工况下的管道流量矩阵G，换热站的运行流量是管道流量矩阵G中换热站对应的管道的流量值，例如图2中，换热站1的运行流量等于管道L9的运行流量。具体的，目标流量范围为设计流量的0.9～1.1倍的范围。若所有换热站的运行流量与其设计流量的比均在目标流量范围内，则达到水力平衡，调节结束。

其中，B为基本回路矩阵，S_u为步骤S1中得到的换热站阻抗矩阵，S_p为步骤S1中得到的管道阻抗矩阵，S_v为步骤S201中得到的阀门阻抗矩阵。

DH为循环水泵扬程矩阵，根据步骤S2中确定的循环水泵的初始频率对应的循环水泵扬程H_ump，按照步骤S1中构建循环水泵扬程矩阵的方法构建。

具体的，调节每个换热站对应阀门的开度，使所有换热站对应阀门的阻力最接近设计工况下的阻力，包括：

根据设计工况下所述一次网的环路压降矩阵中每个元素与最不利环路的压降的差值，计算设计工况下每个环路与最不利环路的压降差矩阵ΔH_v，即将步骤S2中得到的ΔH_b×1中的每一元素减去ΔH_max，得到矩阵ΔH_v，维数为b×1。

根据公式s'_vi＝Δh_i/(g_Li)²，计算每个换热站对应阀门的目标阻抗值s'_v，其中，g_Li为第i个换热站的设计流量，s'_vi为第i个换热站阀门的目标阻抗值，Δh_i为矩阵ΔH_v中第i个换热站对应环路的数值。

根据阀门的检验报告，计算不同开度下的阀门阻抗值。检验报告示例如表1所示。

表1阀门检验报告

根据阀门检验报告，计算各开度下阀门产生的阻抗值，阀门阻抗的计算方式为：S_f＝ΔP/G²，其中，S_f为阀门阻抗；ΔP为检验报告中的净压差；G为检验报告中的水流量。对每一开度的三组测试数据都进行计算，取三组阻抗的平均值作为该开度下对应的阻抗S'_f，未进行检验的开度的阻抗可通过已检验开度的阻抗插值计算得到。

调节每个换热站对应阀门的开度，使每个换热站对应阀门的阻抗S'_f最接近目标阻抗值s'_vi。

步骤S4、基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算阀门开度调节后每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节所述首站循环水泵的频率，使所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，调节结束。

根据公式计算阀门开度调节后的管道流量矩阵的对角矩阵G_diag，所述换热站的运行流量是管道流量矩阵中换热站对应的管道的流量值，例如图2中，换热站1的运行流量等于管道L9的运行流量；其中，B为基本回路矩阵，DH为循环水泵扬程矩阵，S_u为步骤S1中得到的换热站阻抗矩阵，S_p为步骤S1中得到的管道阻抗矩阵。

DH为循环水泵扬程矩阵，维数均为b×1，可根据步骤S2中确定的循环水泵的初始频率，计算首站循环水泵扬程H_ump，按照基本关联矩阵A_n×b中管道的排列顺序，采用步骤S1中相同的方法构建。

S_v为阀门开度调节后的阀门阻抗矩阵，维数均为b×1，构建方法为若第i个管道无对应的阀门，则S_v(i,1)值为0，否则，S_v(i,1)值为阀门调节后第i个管道对应阀门的阻抗值S'_f。

若所有换热站的运行流量与其设计流量的比均在目标流量范围内，即都在设计流量的0.9～1.1倍的范围内，则达到水力平衡，调节结束。

若存在换热站的运行流量不在目标流量范围内，则所有换热站的运行流量与设计流量的比值会表现为均偏小或均偏大。此时，调节首站循环水泵的频率，若比值均偏大则调小频率，比值均偏小则调大频率，调节后根据循环水泵对应频率的特性曲线H_ump＝xG'²+yG'+z计算水泵扬程，更新循环水泵扬程矩阵中的相应值。将更新后的水泵扬程矩阵带入中重新计算各换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量与其设计流量的比均在目标流量范围内，则达到水力平衡，调节结束；否则再次调节首站循环水泵频率，直到所有换热站的运行流量与其设计流量的比均在目标流量范围内，则达到水力平衡，调节结束。其中，S_u为步骤S1中得到的换热站阻抗矩阵，S_p为步骤S1中得到的管道阻抗矩阵，S_v为阀门开度调节后的阀门阻抗矩阵，B为基本回路矩阵，DH为循环水泵频率调节后的循环水泵扬程矩阵。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、在对管网进行平衡调节前，首先识别对管网的管道阻抗进行校核，以校核的管道阻抗为基础进行水力平衡的调节，使调节结果更准确，效率更高。

2、根据管道的实际阻抗计算阀门调节开度可以使得每一换热站获得的热量与设计值接近，避免由于冷热不均带来的能源浪费；对水泵频率进行调节可以使系统在最节能的频率下满足各换热站的运行要求。

3、采用解析法计算管道阻抗，计算结果更加准确，可有效指导热网调控；对计算中用到的矩阵进行分块处理，可降低计算量，提高计算精度。

4、换热站和阀门阻抗为一次网中主要的局部阻力，准确计算局部阻力可减小在计算换热站流量时由于管道阻抗偏差带来的计算误差。

5、根据管网的实际阻力分布情况选择水泵频率可减少为确保系统供热量充足一味追求大流量、高频率带来的电能损耗。

6、直接根据各环路的阻力分布情况确定阀门阻力，可加快一次网的稳定，减轻由于一次网频繁调节造成的二次网供热不稳定的情况。

7、根据阀门的阻力特性确定其确定开度值可减少阀门的频繁动作从而降低调节精度，同时可延长设备使用寿命。

8、在初步调节完成后计算各换热站的运行流量是否满足设计要求，是为了确保换热站能有效满足二次网用户用热需求。

本发明的另一个具体实施例，公开了一种枝状供热管网一次网的平衡调节系统，如图5所示，包括：

管网阻抗辨识模块，用于建立所述一次网的拓扑结构，基于历史工况数据和所述拓扑结构，计算所述一次网的管道阻抗和换热站阻抗；其具体进行计算管道阻抗和换热站阻抗的过程参见前述实施例，此处不再重述。

首站循环水泵初始频率确定模块，用于基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，根据首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率；其具体确定首站循环水泵初始频率的过程参见前述实施例，此处不再重述。

换热站阀门调节模块，用于基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节每个换热站对应阀门的开度，使所有换热站对应阀门的阻力最接近设计工况下的阻力；其具体调节换热站阀门的过程参见前述实施例，此处不再重述。

首站循环水泵频率调节模块，用于基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算阀门开度调节后每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节所述首站循环水泵的频率，使所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，调节结束。其具体调节首站循环水泵频率的过程参见前述实施例，此处不再重述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种枝状供热管网一次网的平衡调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立所述一次网的拓扑结构，基于历史工况数据和所述拓扑结构，计算所述一次网的管道阻抗和换热站阻抗；

基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，根据首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率；

基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节每个换热站对应阀门的开度，使所有换热站对应阀门的阻力最接近设计工况下的阻力；

基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算阀门开度调节后每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节所述首站循环水泵的频率，使所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，调节结束；

所述基于历史工况数据和所述拓扑结构，计算所述一次网的管道阻抗和换热站阻抗，包括：

基于换热站的循环流量计算管道流量；

基于所述历史工况数据计算阀门阻抗；

基于所述历史工况数据计算换热站阻抗；

按照树枝供水管道、树枝回水管道和链支管道将能量方程中的管道流量矩阵G和管道阻抗矩阵S_p进行分块，分别表示为 将能量方程转化为

基于所述管道流量、所述阀门阻抗和所述换热站阻抗，根据转化后的能量方程，计算得到所述一次网的管道阻抗；

其中，B为基本回路矩阵，DH为循环水泵扬程矩阵，S_u为换热站阻抗矩阵，S_v为阀门阻抗矩阵，G_diag为管道流量矩阵的对角矩阵，为树枝供水管道流量矩阵的对角矩阵，/>为链支管道流量矩阵的对角矩阵，S_p为管道阻抗矩阵，S_g为树枝供水管道阻抗矩阵，S_h为树枝回水管道阻抗矩阵，S_LZ为链支管道阻抗矩阵，b为所述枝状供热管网一次网拓扑结构中的管道数量，n为所述枝状供热管网一次网拓扑结构中除定压点外的节点数量；G为管道流量矩阵，G_LZ为链支管道流量矩阵；G_g为树枝供水管道流量矩阵块，G_h为树枝回水管道流量矩阵块；

基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，根据首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率，包括：

基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，计算设计工况下所述一次网的最不利环路的压降；

根据所述首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率，使所述最不利环路的压降与所述首站循环水泵的扬程的比值在第一阈值范围内；

基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算阀门开度调节后每个换热站的运行流量，包括：

根据公式计算阀门开度调节后的管道流量矩阵的对角矩阵G_diag，所述换热站的运行流量是管道流量矩阵中换热站对应的管道的流量值；其中，B为基本回路矩阵，DH为循环水泵扬程矩阵，S_u为换热站阻抗矩阵，S_v为阀门开度调节后的阀门阻抗矩阵，S_p为管道阻抗矩阵。

2.根据权利要求1所述的枝状供热管网一次网的平衡调节方法，其特征在于，所述历史工况数据包括：两组不同工况下，首站循环水泵的循环流量、供水压力和回水压力，换热站的循环流量、供水压力和回水压力，每个阀门的循环流量以及前后压力。

3.根据权利要求1所述的枝状供热管网一次网的平衡调节方法，其特征在于，基于所述历史工况数据计算换热站阻抗，包括：根据公式s_u＝(p_g-p_h)/g_u ²计算所述换热站阻抗，其中，p_g为换热站的供水压力，p_h为换热站的回水压力，g_u为换热站的循环流量。

4.根据权利要求1所述的枝状供热管网一次网的平衡调节方法，其特征在于，基于所述历史工况数据计算阀门阻抗，包括，根据公式s_v＝(p_vg-p_vh)/g_v ²计算阀门阻抗，其中，p_vg为阀门前压力，p_vh为阀门后压力，g_v为阀门的循环流量。

5.根据权利要求1所述的枝状供热管网一次网的平衡调节方法，其特征在于，基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，计算设计工况下所述一次网的最不利环路的压降，包括以下步骤：

根据公式计算每个换热站的设计流量，构建换热站设计流量矩阵G_L；

根据公式G₀＝B^TG_L计算设计工况下所述一次网的管道流量矩阵G₀；

根据公式ΔH_b×1＝B(G_0diag)²(S_p+S_u+S_v)计算设计工况下所述一次网的环路压降矩阵；

所述环路压降矩阵中的最大元素ΔH_max即为所述一次网的最不利环路的压降；其中c表示流体的比热容，Q_i为第i个换热站的建筑热负荷，g_Li为第i个换热站的设计流量，B^T为基本回路矩阵B的转置矩阵，t_g为所述一次网的首站供水温度，t_h为所述一次网的首站回水温度，S_u为换热站阻抗矩阵，S_v为阀门阻抗矩阵，S_p为管道阻抗矩阵，G_0diag为设计工况下管道流量矩阵的对角矩阵，ΔH为所述一次网的环路压降矩阵。

6.根据权利要求5所述的枝状供热管网一次网的平衡调节方法，其特征在于，所述调节每个换热站对应阀门的开度，使所有换热站对应阀门的阻力最接近设计工况下的阻力，包括：

根据设计工况下所述一次网的环路压降矩阵中每个元素与最不利环路的压降的差值，计算设计工况下每个环路与最不利环路的压降差矩阵ΔH_v；

根据公式s'_vi＝Δh_i/(g_Li)²计算每个换热站对应阀门的目标阻抗值，其中，g_Li为第i个换热站的设计流量，s'_vi为第i个换热站对应阀门的目标阻抗值，Δh_i为矩阵ΔH_v中第i个换热站对应环路的数值；

计算每个换热站对应阀门不同开度下的阻抗值，调节每个换热站对应阀门的开度，使每个换热站对应阀门的阻抗最接近目标阻抗值s'_vi。

7.一种枝状供热管网一次网的平衡调节系统，其特征在于，包括：

管道阻抗辨识模块，用于建立所述一次网的拓扑结构，基于历史工况数据和所述拓扑结构，计算所述一次网的管道阻抗和换热站阻抗；

首站循环水泵初始频率确定模块，用于基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，根据首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率；

换热站阀门调节模块，用于基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节每个换热站对应阀门的开度，使所有换热站对应阀门的阻力最接近设计工况下的阻力；

首站循环水泵频率调节模块，用于基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算阀门开度调节后每个换热站的运行流量，若所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，则调节结束；否则，调节所述首站循环水泵的频率，使所有换热站的运行流量均在目标流量范围内，调节结束；

所述基于历史工况数据和所述拓扑结构，计算所述一次网的管道阻抗和换热站阻抗，包括：

基于换热站的循环流量计算管道流量；

基于所述历史工况数据计算阀门阻抗；

基于所述历史工况数据计算换热站阻抗；

按照树枝供水管道、树枝回水管道和链支管道将能量方程中的管道流量矩阵G和管道阻抗矩阵S_p进行分块，分别表示为 将能量方程转化为

基于所述管道流量、所述阀门阻抗和所述换热站阻抗，根据转化后的能量方程，计算得到所述一次网的管道阻抗；

其中，B为基本回路矩阵，DH为循环水泵扬程矩阵，S_u为换热站阻抗矩阵，S_v为阀门阻抗矩阵，G_diag为管道流量矩阵的对角矩阵，为树枝供水管道流量矩阵的对角矩阵，/>为链支管道流量矩阵的对角矩阵，S_p为管道阻抗矩阵，S_g为树枝供水管道阻抗矩阵，S_h为树枝回水管道阻抗矩阵，S_LZ为链支管道阻抗矩阵，b为所述枝状供热管网一次网拓扑结构中的管道数量，n为所述枝状供热管网一次网拓扑结构中除定压点外的节点数量；G为管道流量矩阵，G_LZ为链支管道流量矩阵；G_g为树枝供水管道流量矩阵块，G_h为树枝回水管道流量矩阵块；

基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，根据首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率，包括：

基于所述管道阻抗和所述换热站阻抗，计算设计工况下所述一次网的最不利环路的压降；

根据所述首站循环水泵的特性曲线，确定所述首站循环水泵的初始频率，使所述最不利环路的压降与所述首站循环水泵的扬程的比值在第一阈值范围内；

基于所述管道阻抗、所述换热站阻抗和所述首站循环水泵的初始频率，计算阀门开度调节后每个换热站的运行流量，包括：

根据公式计算阀门开度调节后的管道流量矩阵的对角矩阵G_diag，所述换热站的运行流量是管道流量矩阵中换热站对应的管道的流量值；其中，B为基本回路矩阵，DH为循环水泵扬程矩阵，S_u为换热站阻抗矩阵，S_v为阀门开度调节后的阀门阻抗矩阵，S_p为管道阻抗矩阵。