CN117366662B - 换热站一次侧水力特性识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了换热站一次侧水力特性识别方法及装置。识别方法包括：获取计算用的目标参数，包括一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量、电动调节阀阀门开度、阀门可调比；利用一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量，计算换热站一次侧阻抗实际值；基于换热站一次侧阻抗拟合函数，给定阀门实际流通能力初始值、板式换热器阻抗初始值，计算换热站一次侧阻抗拟合函数值；计算换热站一次侧阻抗拟合函数值与换热站一次侧阻抗实际值的总平方差和，并使总平方差和最小化，通过最小二乘法回归得到阀门实际流通能力、板式换热器阻抗。本发明可实现准备得到阀门实际流通能力、板式换热器实际阻抗的值。

Description

换热站一次侧水力特性识别方法及装置

技术领域

本发明涉及换热站技术领域，特别是涉及一种换热站一次侧水力特性识别方法及装置。

背景技术

换热站是集中供热系统中连接热源、热网和热用户的重要枢纽，通过换热设备（如板式换热器）实现一次网和二次网之间的热量传递。集中供热系统中，换热站相当于一个热力学节点，将一次侧的热水通过换热器进行换热，使其温度降低后供给二次侧，从而满足热用户的需求，其运行情况对于整个集中供热系统的能耗水平高低起到了决定性的影响，其系统结构如图1所示，一次侧有供水以及回水，供水水路上有压力表，电动调节阀，温度计，流量计，一次侧回水水路上有温度计以及压力表；二次侧有对应的供水管路以及回水管路，二次侧的供水管路上有压力表，温度计以及流量计，二次侧的回水管路上有压力表以及温度计，并连接循环泵，且通过补水泵与水箱连接能实现向回水管中补水。

然而，由于集中供热系统通常覆盖面积较广，且呈现出时变性、热惯性、时滞性、非线性和强耦合性等特征，导致换热站在实际运行过程中水力、热力特性不断发生变化。传统换热站运行模式没有考虑到这一点，因而不能根据实时数据进行调整和优化。即使在设计时充分考虑了各种因素，也难以完全解决这些问题。此外，换热站的运行状态还受到一些随机因素的影响，如天气、采暖季节、热负荷等，使得换热站的运行状态更加复杂和难以把握。因此如何识别和发现换热站存在的运行问题并改善，成为降低供热能耗亟待解决的问题。

物联网、工业自控等信息技术的发展使得数据监测更为便利，通过在换热站内一、二次侧安装温度变送器、压力变送器、流量计及各种控制设备，使其具备对整个换热站一、二次侧供回水温度、压力、流量等系统关键数据采集、上传的能力。然而采集大量监测数据后，如何在线辨识换热站一次侧水力热力特性，或是如何综合考虑多个因素，比如供回水温度、流量、压力等，实现对换热站水力热力特性的实时辨识和监测，以帮助热力企业全面了解和掌握换热站的水力热力特性，提高其运行稳定性和经济性，是必要要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的问题，而提供一种基于最小二乘法的换热站一次侧水力特性识别方法及装置。

本发明的第一方面，提供一种换热站一次侧水力特性识别方法，包括步骤：

获取计算用的目标参数，包括一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量、电动调节阀阀门开度、阀门可调比；

利用所述一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量，计算换热站一次侧阻抗实际值；

基于定义的换热站一次侧阻抗拟合函数，给定阀门实际流通能力初始值、板式换热器阻抗初始值，计算换热站一次侧阻抗拟合函数值；

计算换热站一次侧阻抗拟合函数值与换热站一次侧阻抗实际值的总平方差和，并使总平方差和最小化，通过最小二乘法回归得到阀门实际流通能力、板式换热阻抗。

其中，所述换热站一次侧阻抗，通过以下式计算：

，

式中，表示换热站一次侧阻抗实际值，一次侧供水压力，一次 侧回水压力，一次侧流量。

其中，所述换热站一次侧阻抗拟合拟合函数值通过以下换热站一次侧阻抗拟合函数计算得到：

，

式中，表示换热站一次侧阻抗拟合函数值，电动调节阀阀门开度，表示 阀门可调比，表示板式换热器阻抗，表示阀门实际流通能力。

其中，所述计算换热站一次侧阻抗拟合函数值与换热站一次侧阻抗实际值的总平方差和，采用下式计算：

，

式中，表示换热站一次侧阻抗拟合函数值与换热站一次侧阻抗实际值的总 平方差和，表示第组换热站一次侧阻抗拟合函数值，表示第组换热站一次侧阻抗实 际值。

其中，所述通过最小二乘法回归得到阀门实际流通能力、板式换热器阻抗时，包括步骤：

将改写为：

其中，，，；

假设有n组换热站一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量、电动调节阀阀门开度、阀门可调比的数据，则用如下方程组表示：

；

则改写为：

；

将上式看作关于变量的函数，将问题转化为一个求解极小值的问题，求解 当的值最小时，对应的值作为最优解，将等式两边分别对、求偏导数，并令其等 于0：

；

求解得到、，根据，，得到阀门实际流通能力、板式换热器 阻抗。

本发明的第二方面，提供一种换热站一次侧水力特性识别装置，包括：

数据获取模块，用于获取计算用的目标参数，包括一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量、电动调节阀阀门开度、阀门可调比；

一次侧阻抗实际值计算模块，用于利用所述一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量，计算换热站一次侧阻抗实际值；

一次侧阻抗拟合函数值计算模块，用于基于定义换热站一次侧阻抗拟合函数，给定阀门实际流通能力初始值、板式换热器阻抗初始值，计算换热站一次侧阻抗拟合函数值；

特性参数回归获得模块，用于计算换热站一次侧阻抗拟合函数值与实际值的总 平方差和，并使总平方差和最小化，通过最小二乘法回归得到阀门实际流通能力、板式换热 器阻抗。

本发明通过对换热站一次侧供、回水压力、流量、电动调节阀阀门开度参数进行实时监测和分析，建立换热站水力特性参数辨识模型，以一次侧供、回水压力、流量、电动调节阀阀门开度、阀门可调比为输入变量，以阀门实际流通能力、板式换热器阻抗等为输出变量，通过最小化残差平方和来求解未知参数，从而达到精确辨识换热站一次侧水力特性参数的目的，可以进一步结合识别出的水力特性参数，对系统运行策略进行优化，帮助运维人员提高换热站的能源利用效率和运行效果，最终实现提高能源利用效率、节能减排。

附图说明

图1是本发明实施例的换热站的系统原理示意图。

图2为本发明实施例的换热站一次侧水力特性识别方法的流程示意图。

图3为本发明实施例的换热站一次侧水力特性识别装置的原理图。

具体实施方式

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，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明实施例中，所述换热站一次侧水力特性参数包括阀门实际流通能力和 板式换热器阻抗。

本发明实施例通过对换热站一次侧供、回水压力、流量、电动调节阀阀门开度的参数进行实时监测和分析，建立换热站水力特性参数辨识模型，以一次侧供、回水压力、流量、电动调节阀阀门开度、阀门可调比为输入变量，基于最小二乘法回归求解系统的阀门实际流通能力、板式换热器阻抗两个未知参数。

所述最小二乘法的基本思想是，给定一组数据点，找到一个函数或曲线，使得该函数在这些数据点上的误差平方和最小，即通过寻找最优的参数值使得模型预测值与观测值之间的误差尽可能小。

参见图2所示，本发明实施例的第一方面，提供一种换热站一次侧水力特性识别方法，其具体实施步骤如下：

1、获取计算用的目标参数，包括一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流 量、电动调节阀阀门开度、阀门可调比；

该目标参数中的一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量、电动调节 阀阀门开度通过一次供水管以及回水管上的压力表，流量计以对电动调节阀的实时监测 获得，参考图1所示，阀门可调比为电动调节阀的自身参数，通过其说明书可获得。

2、基于获取的一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量计算换热站 一次侧阻抗实际值；

（1）；

将多组换热站一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量带入公式（1） 计算得到多组换热站一次侧阻抗实际值。

3、定义换热站一次侧阻抗拟合函数；

（2）；

表示电动调节阀阀门开度，表示阀门可调比，表示阀门实际流通能力，表 示板式换热器阻抗，表示换热站一次侧阻抗拟合函数值。

利用上述的换热站一次侧阻抗拟合函数，计算换热站一次侧阻抗拟合函数值： 将多组换热站电动调节阀阀门开度、阀门可调比、阀门实际流通能力初始值、板式换热 器阻抗初始值数据带入公式（2）计算得到多组换热站一次侧阻抗拟合函数值。

4、计算换热站一次侧阻抗拟合函数值与换热站一次侧阻抗实际值的总平方差和，并使其最小化：

（3）；

表示第组换热站一次侧阻抗拟合函数值，表示第组换热站一次侧阻抗实 际值；

在获得总平方差和，并使其最小化后，基于最小二乘法回归得到阀门实际流 通能力、板式换热器阻抗。

具体来说，最小二乘法的回归原理可以用以下步骤描述：

为了方便表示，将公式（2）改写为如下形式：

；

其中，，，；

假设有n组换热站一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量、电动调 节阀阀门开度、阀门可调比数据，则可用如下方程组表示：

；

则公式（3）可改写为

；

最小二乘法就是求解当的最小值，因为误差函数的值最小时，对应的 值为最优解，因此将上式看作关于变量的函数，将该问题转化为一个求解极小值的 问题，将等式两边分别对、求偏导数，并令其等于0：

；

求解得到、，并根据，，进一步得到阀门实际流通能力、 板式换热器阻抗。

本发明通过建立换热站一次侧水力特性参数辨识模型，对一次侧供、回水压力、流量、电动调节阀阀门开度等实际工况数据进行多元线性回归分析，最终得到更准确的水力特性参数，可以为后续的换热系统优化和调整提供依据。

本发明的方法计算速度快、精度高，在实际工程中具有良好的推广性。

参见图3所示，本发明实施例的第二方面，提供一种换热站一次侧水力特性识别装置，包括：

数据获取模块，用于获取计算用的目标参数，包括一次侧供水压力、一次侧回水 压力、一次侧流量、电动调节阀阀门开度、阀门可调比；

一次侧阻抗实际值计算模块，用于利用所述一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量，计算换热站一次侧阻抗实际值；

一次侧阻抗拟合函数值计算模块，用于基于定义换热站一次侧阻抗拟合函数，给 定阀门实际流通能力初始值、板式换热器阻抗初始值，计算换热站一次侧阻抗拟合函 数值；

特性参数回归获得模块，用于计算换热站一次侧阻抗拟合函数值与实际值的总 平方差和，并使总平方差和最小化，通过最小二乘法回归得到阀门实际流通能 力、板式换热器阻抗。

本发明实施例的换热站一次侧水力特性识别装置，其一次侧阻抗实际值计算模块以及一次侧阻抗拟合函数值计算模块的计算，以及特性参数回归获得模块的回归处理过程，请参阅本发明第一实施例的一次侧阻抗实际值计算、及一次侧阻抗拟合函数值计算以及特性参数回归的计算过程，不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.换热站一次侧水力特性识别方法，其特征在于，包括步骤：

获取计算用的目标参数，包括一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量、电动调节阀阀门开度、阀门可调比；

利用所述一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量，计算换热站一次侧阻抗实际值;

基于定义的换热站一次侧阻抗拟合函数，给定阀门实际流通能力初始值、板式换热器阻抗初始值，计算换热站一次侧阻抗拟合函数值；

计算换热站一次侧阻抗拟合函数值与换热站一次侧阻抗实际值的总平方差和，并使总平方差和最小化，通过最小二乘法回归得到阀门实际流通能力、板式换热器阻抗。

2.根据权利要求1所述换热站一次侧水力特性识别方法，其特征在于，所述换热站一次侧阻抗实际值，通过以下式计算：

，

式中，表示换热站一次侧阻抗/>实际值，/>一次侧供水压力，/>一次侧回水压力，/>一次侧流量。

3.根据权利要求2所述换热站一次侧水力特性识别方法，其特征在于，所述换热站一次侧阻抗拟合函数值通过以下换热站一次侧阻抗拟合函数计算得到：

，

式中，表示换热站一次侧阻抗拟合函数值，/>电动调节阀阀门开度，/>表示阀门可调比，/>表示板式换热器阻抗，/>表示阀门实际流通能力。

4.根据权利要求3所述换热站一次侧水力特性识别方法，其特征在于，所述计算换热站一次侧阻抗拟合函数值与换热站一次侧阻抗实际值的总平方差和，采用下式计算：

，

表示换热站一次侧阻抗拟合函数值与换热站一次侧阻抗实际值的总平方差和，表示第/>组换热站一次侧阻抗拟合函数值，/>表示第/>组换热站一次侧阻抗实际值。

5.根据权利要求4所述换热站一次侧水力特性识别方法，其特征在于，所述通过最小二乘法回归得到阀门实际流通能力、板式换热器实际阻抗时，包括步骤：

将改写为/>，其中，/>，/>，/>；

设有n组换热站一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量、电动调节阀阀门开度、阀门可调比的数据，则用如下方程组表示：

；

则改写为/>；

将上式看作关于/>变量的函数，将问题转化为一个求解极小值的问题，求解当的值最小时，对应的/>值作为最优解，将等式两边分别对/>、/>求偏导数，并令其等于0；

；

求解得到、/>，根据/>，/>，得到阀门实际流通能力、板式换热器阻抗。

6.换热站一次侧水力特性识别装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取计算用的目标参数，包括一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量、电动调节阀阀门开度、阀门可调比;

一次侧阻抗实际值计算模块，用于利用所述一次侧供水压力、一次侧回水压力、一次侧流量，计算换热站一次侧阻抗实际值；

一次侧阻抗拟合函数值计算模块，用于基于定义换热站一次侧阻抗拟合函数，给定阀门实际流通能力初始值、板式换热器阻抗初始值，计算换热站一次侧阻抗拟合函数值；

特性参数回归获得模块，用于计算换热站一次侧阻抗拟合函数值与实际值的总平方差和，并使总平方差和最小化，通过最小二乘法回归得到阀门实际流通能力、板式换热器阻抗。