CN115289518A - 供热系统热力和水力平衡控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种供热系统热力和水力平衡控制方法及系统，该供热系统热力和水力平衡控制方法通过创建供热系统动态数学模型并对数学模型进行仿真，从而获取得到供热系统水力/热力特性；再通过供热系统水力/热力特性分析，获得整体平衡控制策略的各项控制参数，进而基于室内温度分离技术和供热系统整体平衡控制策略对供热系统的热力和水力进行控制，保证了热用户的供热质量，提高供热系统能效，降低供热系统运行成本费用。
Description
技术领域
本发明涉及集中供热系统控制技术领域，具体涉及一种供热系统热力和水力平衡控制方法及系统。
背景技术
目前供热系统的平衡控制策略在保证用户供热质量、优化运行和节能减排等方面起着至关重要的作用，尤其是对大型集中/区域供热系统而言，平衡控制的难度随着供热规模的扩展、系统结构(热源和热网)的多变、热网长度的增加及末端(换热站和热用户)的差异而逐渐提升。平衡工况失调除导致用户热舒适性降低引发的投诉现象外，也大幅提高了系统运行成本，增加了污染物排放，破坏了局部生态环境和系统，影响“双碳”和“双控”目标的实现。因此，找到并解决供热系统热力和水力平衡控制策略，对目前国内超过100亿m2的城镇供热规模而言，具有显著的社会、经济、环境和管理效益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种供热系统热力和水力平衡控制方法及系统，保证了热用户的供热质量，提高供热系统能效，降低供热系统运行成本费用。
为实现上述目的，本发明提供了一种供热系统热力和水力平衡控制方法，包括：
S1：依据质量守恒定律和热力学能量守恒定律，并基于供热系统的设计参数、物理参数和运行数据进行模拟分析得到供热系统实际动态数学模型；
S2：通过对所述供热系统实际动态数学模型进行仿真获取热源满足最低室内设计温度需求时室外温度与热源供水温度的关系模型，分别满足各换热站用户室内温度情况下室外温度与换热站二次网供水温度的关系模型和换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型；
S3：将实时检测的室外温度值输入至所述室外温度与热源供水温度的关系模型确定热源供水温度控制值，以调节热源燃料供应量；
S4：通过对所述供热系统实际动态数学模型进行仿真获取结合各换热站一次侧所需循环流量之和并结合换热站一次侧设计循环流量对热源循环流量进行调节；
S5：将实时检测的室外温度值输入至所述室外温度和换热站二次网供水温度的关系模型计算得到二次网供水温度设定值，并依据所述二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差对换热站二次网供水温度进行闭环补偿控制；
S6：将实时检测的室外温度值、太阳辐射强度和室内得热强度平均值输入值至所述换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型计算得出换热站二次网循环流量，并依据所述换热站二次网循环流量对所述换热站二次侧循环流量进行开环补偿控制。
可选地，所述S1包括：
依据质量守恒定律和热力学能量守恒定律，并基于供热系统的设计参数、物理参数和运行数据创建供热系统理想动态数学模型；
基于供热系统基础数据和运行数据对所述供热系统理想动态数学模型进行仿真得到供热系统各换热站的换热器传热面积富裕系数和散热器传热面积富裕系数；
将供热系统各换热站的换热器传热面积富裕系数和散热器传热面积富裕系数输入至所述供热系统理想动态数学模型得到所述供热系统实际动态数学模型。
可选地，所述S1还包括：在设计室外温度、设计热网循环流量情况下且不考虑太阳辐射和室内得热时，对所述供热系统理想动态数学模型的动态响应稳态值进行验证，以确定所述供热系统理想动态数学模型在室外温度变化下时准确性。
可选地，所述供热系统包括三座换热站，所述三座换热站的换热器传热面积富裕系数和散热器传热面积富裕系数分别为：1.34，1.4，1.45，1.33，1.41和1.35。
可选地，所述供热系统实际动态数学模型的数学描述表示为：
其中，Ts1、Tr1、Tr2分别表示热源出口温度、热源回水温度、二次网回水温度，单位为℃；Cb、Cx1、Cx2、Cht、Ca分别表示锅炉本体、换热器一次侧、换热器二次侧、散热器和室内空气的热容量，单位为J/℃；t表示时间，单位为s；Gfd表示锅炉额定燃料量，单位为Nm3/s；HV表示燃料低位热值，单位为J/Nm3；ηb表示锅炉效率；cw表示水的比热，单位为J/Kg℃；G1d、G2d分别表示一次网和二次网设计循环流量，单位为Kg/s；fx、fht分别表示换热器和散热器传热面积富裕系数；Ux、Uht、Ue分别表示换热器、散热器和围护结构综合传热系数，单位为W/℃；LMTD表示对数平均温差，单位为℃；c表示散热器传热系数试验中的系数；Fw表示外窗面积，单位为m2；F表示供热面积，单位为m2；qs表示太阳辐射强度，单位为W/m2；qint表示室内得热强度，单位为W/m2；i表示第几座换热站，i＝1～3。
可选地，所述S5包括：
将实时检测的室外温度值输入至所述室外温度和换热站二次网供水温度的关系模型计算得到二次网供水温度设定值，并计算所述二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差；
将所述二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差输入至控制器算法公式计算得到换热站一次侧电调阀流量控制参数，其中换热站二次网供水温度采用闭环控制回路；
利用所述换热站一次侧电调阀流量控制参数调节电调阀开度，以对二次网供水温度进行实时调节。
可选地，所述S6中依据所述换热站二次网循环流量对换热站二次侧循环流量进行开环补偿控制具体为：对换热站循环水泵进行变频控制或者间歇控制。
另一方面，本发明还提供了一种供热系统热力和水力平衡控制系统，包括：
数学模型建立模块，用于依据质量守恒定律和热力学能量守恒定律，并基于供热系统的设计参数、物理参数和运行数据进行模拟分析得到供热系统实际动态数学模型；
关系模型获取模块，用于通过对所述供热系统实际动态数学模型进行仿真获取热源满足最低室内设计温度需求时室外温度与热源供水温度的关系模型，分别满足各换热站用户室内温度情况下室外温度与换热站二次网供水温度的关系模型和换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型；
第一热源控制模块，用于将实时检测的室外温度值输入至所述室外温度与热源供水温度的关系模型确定热源供水温度控制值，以调节热源燃料供应量；
第二热源控制模块，用于通过对所述供热系统实际动态数学模型进行仿真获取结合各换热站一次侧所需循环流量之和并结合换热站一次侧设计循环流量对热源循环流量进行调节；
第一补偿控制模块，用于将实时检测的室外温度值输入至所述室外温度和换热站二次网供水温度的关系模型计算得到二次网供水温度设定值，并依据所述二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差对换热站二次网供水温度进行闭环补偿控制；
第二补偿控制模块，用于将实时检测的室外温度值、太阳辐射强度和室内得热强度平均值输入值至所述换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型计算得出换热站二次网循环流量，并依据所述换热站二次网循环流量对所述换热站二次侧循环流量进行开环补偿控制。
再一方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时实现如上述所述的基供热系统热力和水力平衡控制方法。
又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的供热系统热力和水力平衡控制方法。
本发明方法具有如下优点：
本发明的供热系统热力和水力平衡控制方法通过创建供热系统动态数学模型并对数学模型进行仿真，从而获取得到供热系统水力/热力特性；再通过供热系统水力/热力特性分析，获得整体平衡控制策略的各项控制参数，进而基于室内温度分离技术和供热系统整体平衡控制策略对供热系统的热力和水力进行控制，保证了热用户的供热质量，提高供热系统能效，降低供热系统运行成本费用。
附图说明
图1为本发明的一种供热系统热力和水力平衡控制方法的流程示意图；
图2为供热系统工艺流程及控制原理图；
图3为供热系统理想动态数据模型的动态响应曲线图；
图4为供热系统实际动态数据模型的动态响应曲线图；
图5为在控制策略1下供热系统的动态响应曲线图；
图6为在控制策略2下供热系统的动态响应曲线图；
图7为热源燃料和循环流量控制变量动态变化示意图；
图8为各换热站二次网循环流量控制变量动态变化示意图；
图9为供热系统平衡率动态变化示意图；
图10为本发明的供热系统热力和水力平衡控制系统的结构框图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对大型集中/区域供热系统，根据热网结构平衡工况通常划分为两种类型：一次/二次网的热力平衡及一次/二次网的水力平衡，其平衡计算和评价方法不同。具体的：
1)一次网水力平衡
适用于定流量系统，评估实际循环流量与设计循环流量之间的差别；变流量系统不存在水力平衡问题。定流量系统的水力平衡率计算方法为：
其中：r1hyb表示一次网水力平衡率，单位为％；i表示指定换热站；n表示换热站数量；G1表示换热站一次侧实际循环流量，单位为T/h；G1d-换热站一次侧设计循环流量，单位为T/h。
2)一次网热力平衡
评估换热站二次侧个性化水温偏差程度，其水温通常可为个性化的二次侧供水温度或二次侧平均温度。一次网热力平衡率计算方法为(以二次侧供水温度为例)：
其中：r1hb表示一次网热力平衡率；Ts2sp表示指定换热站二次网供水温度设定值，单位为℃；Ts2表示指定换热站二次网供水温度实际值，单位为℃。
3)二次网热力平衡
评估热用户室内设定温度与实际温度的偏差，二次网热力平衡率计算公式如下：
其中：r2hb表示一二次网热力平衡率；Tzsp表示指定换热站个性化设定室内温度，单位为℃；Tz-指定换热站实际室内温度，单位为℃。
4)二次网水力平衡
评估用户室内温度的一致性，需要根据用户使用性质进行分类计算。二次网水力平衡率计算公式如下：
其中：r2hyb表示二次网水力平衡率；Tzarg表示室内温度平均值，单位为℃。
对供热系统一次/二次网的热力平衡及一次/二次网的水力平衡控制可分别采取如下控制策略：
1)热源供热量控制
(1)热源供水温度控制，调节热源燃料供应量；
(2)一次网循环流量控制，调节一次网循环水泵频率。
2)一次网水力平衡控制
(1)定流量系统：调节换热站一次侧电调阀开度；
(2)变流量系统：不存在。
3)一次网热力平衡控制
由于换热站均存在热力特性差异，因此需要对换热站进行个性化特性获取。基于各换热站的设计参数、物理参数和实际运行数据，结合热力学定律，创建供热系统动态数学模型，经验证后通过仿真获取其个性化参数。基于个性化的换热站二次侧水温控制，实现一次网热力平衡。
4)换热站及室内温度控制(换热站二次侧的热力和水力平衡控制)
(1)换热站二次网热力平衡控制
通过控制换热站一次侧电调阀开度跟踪个性化二次网供水温度，补偿室外温度变化即基于室内温度分离技术的换热站一级补偿控制策略。
(2)换热站二次网水力平衡控制
通过调节换热站二次侧循环流量，对热用户额外得热量(太阳辐射和室内得热)进行补偿即基于室内温度分离技术的换热站二级补偿控制策略，进而实现换热站二次网水力平衡。
(3)换热站的热力平衡和水力平衡的联合控制
联合控制的目的就是为了保证热用户的供热质量和提高系统能效，降低系统运行成本费用。
(4)热源供需匹配预测控制
对大型集中/区域供热系统，应考虑热源和热网结构、热网长度及热容量，因此，热源的“源-网”供热负荷匹配控制需要采用预测控制方式，给定热源的供水温度和循环流量。
针对一次/二次网的热力平衡及一次/二次网的水力平衡，本发明实施例提供了一种整体平衡控制策略，参见图1所示，本发明实施例提供了一种供热系统热力和水力平衡控制方法，包括：
S1：依据质量守恒定律和热力学能量守恒定律，并基于供热系统的设计参数、物理参数和运行数据进行模拟分析得到供热系统实际动态数学模型；
可选地，本实施例中S1包括：
依据质量守恒定律和热力学能量守恒定律，并基于供热系统的设计参数、物理参数和运行数据创建供热系统理想动态数学模型；
基于供热系统基础数据和运行数据对供热系统理想动态数学模型进行仿真得到供热系统各换热站的换热器传热面积富裕系数和散热器传热面积富裕系数；
将供热系统各换热站的换热器传热面积富裕系数和散热器传热面积富裕系数输入至供热系统理想动态数学模型得到供热系统实际动态数学模型。
可选地，本实施例中S1还包括：在设计室外温度、设计热网循环流量情况下且不考虑太阳辐射和室内得热时，对供热系统理想动态数学模型的动态响应稳态值进行验证，以确定供热系统理想动态数学模型在室外温度变化下时准确性。
可选地，本实施例中供热系统包括三座换热站，三座换热站的换热器传热面积富裕系数和散热器传热面积富裕系数分别为：1.34，1.4，1.45，1.33，1.41和1.35。
可选地，本实施例中供热系统实际动态数学模型的数学描述表示为：
其中，Ts1、Tr1、Tr2分别表示热源出口温度、热源回水温度、二次网回水温度，单位为℃；Cb、Cx1、Cx2、Cht、Ca分别表示锅炉本体、换热器一次侧、换热器二次侧、散热器和室内空气的热容量，单位为J/℃；t表示时间，单位为s；Gfd表示锅炉额定燃料量，单位为Nm3/s；HV表示燃料低位热值，单位为J/Nm3；ηb表示锅炉效率；cw表示水的比热，单位为J/Kg℃；G1d、G2d分别表示一次网和二次网设计循环流量，单位为Kg/s；fx、fht分别表示换热器和散热器传热面积富裕系数；Ux、Uht、Ue分别表示换热器、散热器和围护结构综合传热系数，单位为W/℃；LMTD表示对数平均温差，单位为℃；c表示散热器传热系数试验中的系数；Fw表示外窗面积，单位为m2；F表示供热面积，单位为m2；qs表示太阳辐射强度，单位为W/m2；qint表示室内得热强度，单位为W/m2；i表示第几座换热站，i＝1～3。
S2：通过对供热系统实际动态数学模型进行仿真获取热源满足最低室内设计温度需求时室外温度与热源供水温度的关系模型，分别满足各换热站用户室内温度情况下室外温度与换热站二次网供水温度的关系模型和换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型；
S3：将实时检测的室外温度值输入至室外温度与热源供水温度的关系模型确定热源供水温度控制值，以调节热源燃料供应量；
S4：通过对供热系统实际动态数学模型进行仿真获取结合各换热站一次侧所需循环流量之和并结合换热站一次侧设计循环流量对热源循环流量进行调节；
S5：将实时检测的室外温度值输入至室外温度和换热站二次网供水温度的关系模型计算得到二次网供水温度设定值，并依据二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差对换热站二次网供水温度进行闭环补偿控制；
可选地，本实施例中S5为基于室内温度分离技术的换热站一级补偿控制策略，具体包括：
将实时检测的室外温度值输入至室外温度和换热站二次网供水温度的关系模型计算得到二次网供水温度设定值，并计算二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差；
将二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差输入至控制器算法公式计算得到换热站一次侧电调阀流量控制参数，其中换热站二次网供水温度采用闭环控制回路；
利用换热站一次侧电调阀流量控制参数调节电调阀开度，以对二次网供水温度进行实时调节。
S6：将实时检测的室外温度值、太阳辐射强度和室内得热强度平均值输入值至换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型计算得出换热站二次网循环流量，并依据换热站二次网循环流量对换热站二次侧循环流量进行开环补偿控制。
可选地，本实施例中S6为基于室内温度分离技术的换热站二级补偿控制策略，其依据换热站二次网循环流量对换热站二次侧循环流量进行开环补偿控制具体为：对换热站循环水泵进行变频控制。
当前供热系统的干扰主要来源于：室外温度、太阳辐射和室内得热。通常情况下，室外温度起主要作用，太阳辐射和室内得热起到次要作用。根据干扰强度大小，可将干扰划分为两级：一级干扰为室外温度；二级干扰为太阳辐射和室内得热。现阶段中国北方绝大多数集中供热系统的供热面积均大于100万m2以上，系统结构采用间接连接方式，即系统由热源、一次网、换热站、二次网和热用户构成。与热用户室内温度直接相关的基础单元可定义为由换热站、二次网和热用户组成。因此，热用户室内温度的研究适宜以换热站及其下游为基础单元(因此本实施例中控制体主要涉及换热站、换热站二次网和建筑物热用户)，并以换热站作为自动控制的关键节点，既对十分复杂的问题进行了简化，也提高了研究成果的实用性和实际应用价值。
在集中供热系统实际运行控制过程中，随着室外温度的变化(一级干扰)，为了满足换热站和热用户之间的热量供需匹配，换热站在保持二次网循环流量不变的情况下(定流量)改变水温(二次供水温度或二次平均温度)，以便保证热用户的室内温度。但是，通常换热站的热量匹配控制并没有考虑二级干扰对室内温度的动态影响。因此，其实际运行控制结果导致室内温度的较大波动，除影响热用户的热舒适性以外，还造成室内温度过热、供热量及系统投资浪费，降低了供热系统的经济效益。
鉴于此种实际情况，针对供热系统的室内温度控制参数和影响因素，本实施例中将室内温度和换热站控制根据干扰强度作用级别进行分离，既抓住主要矛盾，也不忽略次要矛盾，以期在改善和提高供热质量的同时，降低系统能耗水平。
本实施例中通过供热系统动态数学模型的模拟分析，将影响室内温度的干扰进行分解和补偿，并用于换热站控制系统中，以便达到室内温度控制的目的。
下面具体说明本发明实施例的供热系统热力和水力平衡控制方法的实现过程：
某供热系统由一个热源、三座换热站(1#、2#和3#)及相应的二次网和用户构成。总供热面积和设计热负荷分别为24.22万m2和10.59MW。用户末端散热装置均为散热器。换热站3#为公建，其他两座换热站为民用建筑。公建和民建的设计室内温度分别为18℃和20℃。系统工艺流程图及控制原理图如图2所示。
综合运用热力学质量和能量守恒定律，结合系统设计参数、物理参数和运行数据，并在保留系统主要特性的基础上适当予以简化。创建的系统理想动态数学模型经验证后转化为实际动态数学模型，用于系统特性分析、动态模拟、控制策略仿真及能耗分析等。
动态数学模型表示为：
该动态数学模型描述了控制体(热源锅炉、换热器一次侧、换热器二次侧、散热器和室内空气)的得热量、失热量和存储净热量之间的关系。
其中：Ts1、Tr1、Tr2：分别表示热源出口温度、热源回水温度、二次网回水温度，℃；Cb、Cx1、Cx2、Cht、Ca：锅炉本体、换热器一次侧、换热器二次侧、散热器和室内空气的热容量，J/℃；t：时间，s；Gfd：锅炉额定燃料量，Nm3/s；HV：燃料低位热值，J/Nm3；ηb：锅炉效率；cw：水的比热，J/Kg℃；G1d、G2d：一次网和二次网设计循环流量，Kg/s；fx、fht：换热器和散热器传热面积富裕系数；Ux、Uht、Ue：换热器、散热器和围护结构综合传热系数，W/℃；LMTD：对数平均温差，℃；c：散热器传热系数试验中的系数；Fw：外窗面积，m2；F：供热面积，m2；qs：太阳辐射强度，W/m2；qint：室内得热强度，W/m2；i表示第几座换热站，i＝1～3。
该供热系统动态数学模型由13个动态方程组成，用于系统特性获取、动态仿真、运行状态分析、控制策略及能耗分析等。
接下来对理想动态数学模型的开环动态响应及准确性进行验证，具体的：
当室外温度为设计室外温度、热网循环流量为设计值、不考虑太阳辐射和室内得热及热源燃料控制变量为0.758时，理想动态模型的动态响应见图3。5h后，供热系统动态响应达到稳态值，热源供回水温度、换热站1#二次网供回水温度及换热站1#～3#用户室内温度分别为110℃、60℃、70℃、50℃、20℃、20℃和18℃，均为系统设计参数，说明系统理想动态数学模型具有足够的精确性。
通过系统基础数据、运行数据和动态模型仿真，得到供热系统换热站1#～3#的换热器和散热器传热面积富裕值分别为：
[fx1，fx2，fx3，fht1，fht2，fht3]＝[1.34，1.4，1.45，1.33，1.41，1.35]--(7)
将传热面积富裕系数应用于理想动态数学模型后，供热系统动态数学模型转化为实际动态数学模型。当室外温度为设计室外温度、热网循环流量为设计值、不考虑太阳辐射和室内得热及热源燃料控制变量为0.775时，实际动态数学模型的动态响应见图4。如图所示，热源供回水温度、换热站1#二次网供回水温度、换热站(1#、2#、3#)用户室内温度分别为89.17℃、39.58℃、54.51℃、35.01℃、19.12℃、20.23℃及17.99℃。由此可见，在室外设计温度下，热源供水温度并不需要达到设计参数即可满足热用户最低室内设计温度的需求。另外，二次网供热参数在没有控制的情况下是不可能同时满足室内温度控制指标，在满足最低的室内温度要求情境下，意味着存在室内温度超温现象。
之后进行供热系统特性参数获取，通过系统实际动态数学模型进行仿真，获取在不同室外温度情况下，热源满足最低室内设计温度需求时的热源供水温度及分别满足各换热站用户室内温度情况下的二次网供水温度，具体数据见表1。
表1 热源和换热站供水温度与室外温度对应关系
进一步的对系统控制策略动态仿真：
(1)动态仿真条件
连续两天的室外温度、太阳辐射和室内得热参数；
室外温度范围：-4℃～-15℃；
太阳辐射范围：0W/m2～157W/m2；
室内得热范围：3.7W/m2～6.5W/m2。
(2)控制算法
除换热站二次网循环流量采用开环控制外，其他控制器(Cf、C1、C2和C3)均采用闭环控制，控制算法采用典型PID计算模式。符号Cf、C1、C2和C3分别为热源燃料控制器、换热站1#、2#和3#二次侧供水温度控制器(见图1)。
(3)控制策略
本实施例采用两种系统平衡控制策略，分别为控制策略1和控制策略2，控制原理如图1所示，各子系统控制策略见表2：
表2 控制策略描述
(4)控制策略仿真
控制策略1：采用此控制策略时供热系统的动态仿真见图5。图5(a)中显示了2天内热源供回水温度的动态响应情况，供水温度能够跟随室外温度的变化而改变，回水温度变化较缓慢。图5(b)给出换热站1#的一次/二次网供回水温度动态响应。二次网供水温度高于一次网回水温度平均约14.2℃，一次网回水温度高于二次网回水温度平均约3.7℃。图5(c)换热站1#～3#二次网供水温度相差约1.6℃。图5(d)显示室内温度的动态变化，除去仿真初值的影响(前5h)外，换热站1#和2#的室内温度变化范围分别为22.4℃～28.4℃和23.1℃～28.5℃，其平均值分别为25.3℃及25.4℃，换热站3#的室内温度变化范围和平均值分别为20.5℃～27.7℃和22.8℃，可见室内温度变化幅度和平均值均不能满足用户热舒适度及系统节能降耗要求。
控制策略2：分析采用控制策略1所致的用户室内温度超标及能耗较高的问题，主要源于系统平衡控制不当所致，因此，控制策略2运用热网及换热站热力和水力平衡控制方法，力求在保证用户室内温度变化幅度和平均值满足要求的同时，降低系统运行能耗。示例的控制策略2动态仿真结果见图6。比较图6(a)和图5(a)可见，采用控制策略2时热源供回水温度均降低，且一次网温差增加。观察图6(b)和图5(b)可见，控制策略2的二次网供回水温度、一次网回水温度均比控制策略1的相应值降低，二次网供回水温差增加。比较图6(c)和图5(c)可见，控制策略2的换热站供水温度下降，且与控制策略1相比具有2.5℃～3.5℃的差别。比较图6(d)和图5(d)可知，绝大部分时间内，各换热站用户的室内温度均可控制在设定参数的±1℃的范围内，既可满足供热质量，也有效地降低了系统能耗。
最后，对系统能耗分析
(1)热源热耗分析
控制策略1和2的热源燃料和一次网循环流量控制变量动态变化见图7。燃料控制变量能够跟随着室外温度而变化。控制策略1和2的燃料控制变量平均值分别为0.649和0.565，即控制策略2可实现节热12.94％。
(2)一次网电耗分析
控制策略1的热源一次网流量为设计循环流量，控制策略2的一次网循环流量跟随3座换热站一次侧循环流量变化而改变，即此时的一次网为变流量系统，其流量控制变量的平均值为0.686。依据水泵相似定律(功率与循环流量为三次方关系)可进行电耗评估，计算得出控制策略2的电耗为控制策略1的32.28％，即可实现节电约68％。
(3)二次网节电分析
控制策略1的各换热站循环流量为设计循环流量(uw21＝uw22＝uw23＝1)，控制策略2的各换热站二次网循环流量控制变量的动态响应如图8。各换热站循环流量控制变量平均值分别为0.596、0.642及0.626。依据水泵相似定律可计算得出控制策略2各换热站电耗分别为控制策略1的换热站对应电耗的21.17％、26.46％及24.53％，即平均二次网节电率为75.95％。
对系统平衡分析：
(1)一次网热力平衡率
根据供热系统不同控制策略的动态仿真，控制策略1和2的一次网热力平衡率动态变化如图9所示。控制策略1的热力平衡率为0，因为此时的换热站二次网供水温度并没有实施控制，不存在二次网供水温度设定参数。控制策略2的各换热站二次网供水温度进行个性化设定和控制，其热力平衡率范围和平均值分别为96.08％～99.84％和98.27％，说明控制策略2中各换热站能够满足二次网个性化供水温度要求，实现基于室内温度分离技术中的室外温度一级补偿。
(2)二次网热力平衡率
换热站二次网热力平衡率跟踪的是实际室内温度与设计室内温度的偏差程度，各控制策略的二次网热力平衡率动态响应见图9。由于控制策略1中没有对系统额外得热量进行补偿，导致其室内温度动态变化范围较大，其室内温度平均值高于设计室内温度，所以，此时二次网热力平衡率变化范围和平均值分别为36.59％～94.31％和83.46％。控制策略2考虑了太阳辐射和室内得热补偿(基于室内温度分离技术的二级补偿)，大幅提高了室内温度控制精度，二次网热力平衡率变化范围和平均值分别为97.98％～99.96％和99.81％。
(3)二次网水力平衡率
二次网水力平衡率需要根据用户使用性质进行分类计算。本示例采用换热站1#和2#(均为民建)进行比较计算，其动态响应见图9。由于换热站1#和2#的热力特性相近，使室内温度在两种控制策略动态响应中数值相近(图5(d)和图6(d))，因此，室内温度的一致性较高。控制策略1和2的二次网水力平衡率分别为98.08％和99.65％。
综上可以看出，(1)大型集中/区域供热系统中仅采用基于热源供水温度控制(一次网循环流量为设计流量)难以满足用户热舒适性要求，需要进行更精确的系统平衡控制；(2)一次网水力平衡判定仅适用于定流量系统；(3)创建和应用供热系统实际动态数学模型，可获取换热站个性化特征，有利于系统热力和水力平衡控制；(4)一次网热力平衡是对换热站个性化参数控制状态的评估，其热力平衡率越高，越有利于室内温度的精准控制；(5)换热站二次网热力平衡跟踪的是实际室内温度与设计温度的偏差，二次网水力平衡跟踪的是实际用户室内温度的一致性。换热站基于室内温度分离技术控制策略既可保证用户供需匹配和精准供热，也可有效降低系统能耗；(6)基于供热系统整体平衡控制策略(一次网热力平衡和二次网热力/水力平衡控制)，在满足精准供热的基础上，可实现热源节热10％以上，一次/二次网节电分别达到50％以上；(7)采用基于室内温度分离技术和供热系统整体平衡控制策略，在目前供热成本体系框架下，预期可节约2.5-4元/m2的供热运行成本，可获得显著的社会、经济和环境效益，有利于打造生态和可持续发展的供热系统。
另一方面，参见图9所示，本发明实施例还提供了一种供热系统热力和水力平衡控制系统1，包括：
数学模型建立模块10，用于依据质量守恒定律和热力学能量守恒定律，并基于供热系统的设计参数、物理参数和运行数据进行模拟分析得到供热系统实际动态数学模型；
关系模型获取模块20，用于通过对供热系统实际动态数学模型进行仿真获取热源满足最低室内设计温度需求时室外温度与热源供水温度的关系模型，分别满足各换热站用户室内温度情况下室外温度与换热站二次网供水温度的关系模型和换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型；
第一热源控制模块30，用于将实时检测的室外温度值输入至室外温度与热源供水温度的关系模型确定热源供水温度控制值，以调节热源燃料供应量；
第二热源控制模块40，用于通过对供热系统实际动态数学模型进行仿真获取结合各换热站一次侧所需循环流量之和并结合换热站一次侧设计循环流量对热源循环流量进行调节；
第一补偿控制模块50，用于将实时检测的室外温度值输入至室外温度和换热站二次网供水温度的关系模型计算得到二次网供水温度设定值，并依据二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差对换热站二次网供水温度进行闭环补偿控制；
第二补偿控制模块60，用于将实时检测的室外温度值、太阳辐射强度和室内得热强度平均值输入值至换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型计算得出换热站二次网循环流量，并依据换热站二次网循环流量对换热站二次侧循环流量进行开环补偿控制。
上述中供热系统热力和水力平衡控制系统中各模块的具体细节已经在对应的供热系统热力和水力平衡控制方法中进行了详细的描述，因此此处不再赘述。
再一方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器，该存储器上存储有计算机可读指令，计算机可读指令被处理器执行时实现如上述实施例所述的供热系统热力和水力平衡控制方法。
具体地，上述存储器和处理器能够为通用的存储器和处理器，这里不做具体限定，当处理器运行存储器存储的计算机可读指令时，能够执行上述实施例所述的供热系统热力和水力平衡控制方法。
又一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例所述的供热系统热力和水力平衡控制方法。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：闪存盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取器(randomaccessmemory，RAM)、磁盘或光盘等。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种供热系统热力和水力平衡控制方法，其特征在于，包括：
S1：依据质量守恒定律和热力学能量守恒定律，并基于供热系统的设计参数、物理参数和运行数据进行模拟分析得到供热系统实际动态数学模型；
S2：通过对所述供热系统实际动态数学模型进行仿真获取热源满足最低室内设计温度需求时室外温度与热源供水温度的关系模型，分别满足各换热站用户室内温度情况下室外温度与换热站二次网供水温度的关系模型和换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型；
S3：将实时检测的室外温度值输入至所述室外温度与热源供水温度的关系模型确定热源供水温度控制值，以调节热源燃料供应量；
S4：通过对所述供热系统实际动态数学模型进行仿真获取结合各换热站一次侧所需循环流量之和并结合换热站一次侧设计循环流量对热源循环流量进行调节；
S5：将实时检测的室外温度值输入至所述室外温度和换热站二次网供水温度的关系模型计算得到二次网供水温度设定值，并依据所述二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差对换热站二次网供水温度进行闭环补偿控制；
S6：将实时检测的室外温度值、太阳辐射强度和室内得热强度平均值输入值至所述换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型计算得出换热站二次网循环流量，并依据所述换热站二次网循环流量对换热站二次侧循环流量进行开环补偿控制。
2.根据权利要求1所述的供热系统热力和水力平衡控制方法，其特征在于，所述S1包括：
依据质量守恒定律和热力学能量守恒定律，并基于供热系统的设计参数、物理参数和运行数据创建供热系统理想动态数学模型；
基于供热系统基础数据和运行数据对所述供热系统理想动态数学模型进行仿真得到供热系统各换热站的换热器传热面积富裕系数和散热器传热面积富裕系数；
将供热系统各换热站的换热器传热面积富裕系数和散热器传热面积富裕系数输入至所述供热系统理想动态数学模型得到所述供热系统实际动态数学模型。
3.根据权利要求2所述的供热系统热力和水力平衡控制方法，其特征在于，所述S1还包括：在设计室外温度、设计热网循环流量情况下且不考虑太阳辐射和室内得热时，对所述供热系统理想动态数学模型的动态响应稳态值进行验证，以确定所述供热系统理想动态数学模型在室外温度变化下时准确性。
4.根据权利要求2所述的供热系统热力和水力平衡控制方法，其特征在于，所述供热系统包括三座换热站，所述三座换热站的换热器传热面积富裕系数和散热器传热面积富裕系数分别为：1.34，1.4，1.45，1.33，1.41和1.35。
5.根据权利要求2所述的供热系统热力和水力平衡控制方法，其特征在于，所述供热系统实际动态数学模型的数学描述表示为：
其中，Ts1、Tr1、Tr2分别表示热源出口温度、热源回水温度、二次网回水温度，单位为℃；Cb、Cx1、Cx2、Cht、Ca分别表示锅炉本体、换热器一次侧、换热器二次侧、散热器和室内空气的热容量，单位为J/℃；t表示时间，单位为s；Gfd表示锅炉额定燃料量，单位为Nm3/s；HV表示燃料低位热值，单位为J/Nm3；ηb表示锅炉效率；cw表示水的比热，单位为J/Kg℃；G1d、G2d分别表示一次网和二次网设计循环流量，单位为Kg/s；fx、fht分别表示换热器和散热器传热面积富裕系数；Ux、Uht、Ue分别表示换热器、散热器和围护结构综合传热系数，单位为W/℃；LMTD表示对数平均温差，单位为℃；c表示散热器传热系数试验中的系数；Fw表示外窗面积，单位为m2；F表示供热面积，单位为m2；qs表示太阳辐射强度，单位为W/m2；qint表示室内得热强度，单位为W/m2；i表示第几座换热站，i＝1～3。
6.根据权利要求1所述的供热系统热力和水力平衡控制方法，其特征在于，所述S5包括：
将实时检测的室外温度值输入至所述室外温度和换热站二次网供水温度的关系模型计算得到二次网供水温度设定值，并计算所述二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差；
将所述二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差输入至控制器算法公式计算得到换热站一次侧电调阀流量控制参数，其中换热站二次网供水温度采用闭环控制回路；
利用所述换热站一次侧电调阀流量控制参数调节电调阀开度，以对二次网供水温度进行实时调节。
7.根据权利要求1所述的供热系统热力和水力平衡控制方法，其特征在于，所述S6中依据所述换热站二次网循环流量对换热站二次侧循环流量进行开环补偿控制具体为：对换热站循环水泵进行变频控制。
8.一种供热系统热力和水力平衡控制系统，其特征在于，包括：
数学模型建立模块，用于依据质量守恒定律和热力学能量守恒定律，并基于供热系统的设计参数、物理参数和运行数据进行模拟分析得到供热系统实际动态数学模型；
关系模型获取模块，用于通过对所述供热系统实际动态数学模型进行仿真获取热源满足最低室内设计温度需求时室外温度与热源供水温度的关系模型，分别满足各换热站用户室内温度情况下室外温度与换热站二次网供水温度的关系模型和换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型；
第一热源控制模块，用于将实时检测的室外温度值输入至所述室外温度与热源供水温度的关系模型确定热源供水温度控制值，以调节热源燃料供应量；
第二热源控制模块，用于通过对所述供热系统实际动态数学模型进行仿真获取结合各换热站一次侧所需循环流量之和并结合换热站一次侧设计循环流量对热源循环流量进行调节；
第一补偿控制模块，用于将实时检测的室外温度值输入至所述室外温度和换热站二次网供水温度的关系模型计算得到二次网供水温度设定值，并依据所述二次网供水温度设定值与二次网供水温度实测值的误差对换热站二次网供水温度进行闭环补偿控制；
第二补偿控制模块，用于将实时检测的室外温度值、太阳辐射强度和室内得热强度平均值输入值至所述换热站二次网循环流量比与室外温度、太阳辐射强度、室内得热强度之间的关系模型计算得出换热站二次网循环流量，并依据所述换热站二次网循环流量对所述换热站二次侧循环流量进行开环补偿控制。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的基供热系统热力和水力平衡控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如1-7任一项所述的供热系统热力和水力平衡控制方法。
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