KR20110109041A - District heat network optimal supply temperature decision method - Google Patents

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Abstract

본 발명은는 광역 에너지 네트워크의 에너지 효율에 결정적인 영향을 미치는 중요 운전 변수인 지역난방 네트워크의 최적 공급온도를 결정방법에 관한 것이다.
본 발명의 지역난방 네트워크 최적 공급온도 결정방법은 과거 지역난방 네트워크의 공급온도, 대기온도, 연계열량 및 시간을 변수로 사용하여 backpropagation method로서 주어진 운전 조건에서 공급유량을 예측 할 수 있는 neural network model 을 수립하는 단계와; 지역난방의 가동 보일러의 개수 및 축열조의 방열에 따라 작동하는 펌프의 최대 허용 공급유량 결정하는 단계와; 허용 공급유량 범위에서 상기 neural network model 을 이용한 최적화 기법을 활용하여 허용 최소 공급온도 결정단계를 포함한다.
The present invention relates to a method for determining an optimal supply temperature of a district heating network, which is an important operating variable that has a decisive effect on the energy efficiency of a wide area energy network.
The method for determining the optimal supply temperature for district heating network according to the present invention is based on the neural network model that can predict the supply flow rate under the given operating conditions as the backpropagation method using the supply temperature, air temperature, associated heat and time of the district heating network in the past. Establishing; Determining a maximum allowable supply flow rate of a pump operating according to the number of movable boilers for district heating and heat dissipation of the heat storage tank; Determining the minimum allowable supply temperature using the optimization technique using the neural network model in the allowable supply flow range.

Description

지역난방 네트워크 최적 공급온도 결정방법{District Heat Network Optimal Supply Temperature Decision Method}District Heating Network Optimal Supply Temperature Decision Method

본 발명은 광역 에너지 네트워크의 에너지 효율에 결정적인 영향을 미치는 중요 운전 변수인 지역난방 네트워크의 최적 공급온도를 결정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for determining an optimal supply temperature of a district heating network, which is an important operating variable that has a decisive effect on the energy efficiency of a wide area energy network.

지역난방 네트워크(District Heat Network)는 넓은 지역에 분포되어 있는 사용자에 에너지를 공급하기 위해서 다양한 에너지 생산 시설 즉, 열 및 전기를 동시에 생산하는 주 보일러(CHP), 열 전용 보일러, 지역 폐기물 소각로 등이 있고, 생산된 에너지를 전달하기 위한 장거리 열 배관망과 열저장 탱크(축열조) 및 이를 운영하는 설비로 구성되어 있다. District Heat Networks include various energy production facilities, such as CHP, heat-only boilers, and local waste incinerators, that produce heat and electricity simultaneously to provide energy to users in a large area. It consists of a long-distance heat pipe network and heat storage tank (heat storage tank) for delivering the produced energy, and the equipment that operates it.

지역난방 각 지사는 해당 지역의 열 수요를 만족시키기 위해서 지역 열 배관망의 열전달이 가장 취약한 부분에 공급 및 회수 압력의 차, 공급 압력, 회수온도 및 공급온도를 운전 범위 내에 유지하여 줌으로써 전체 지역의 열 공급을 만족시키는 방법을 활용한다. 지역 열 배관망의 이러한 열전달이 취약한 부분을 크리티컬 포인트(critical point) 라고 하며, 크리티컬 포인트에서 열공급 조건이 만족할 경우 전체 지역의 열공급이 원활하게 공급된다고 할 수 있다. District heating Each branch office maintains the heat of the entire area by keeping the difference of supply and recovery pressure, supply pressure, recovery temperature and supply temperature within the operating range in the area where heat transfer of the local heat pipe network is the weakest to satisfy the local heat demand. Use methods to satisfy supply. The weak point of this heat transfer in the local heat pipe network is called the critical point, and if the heat supply condition is satisfied at the critical point, the heat supply of the entire area is smoothly supplied.

크리티컬 포인트에서의 열 공급 조건을 유지하면서 에너지 효율을 향상하는 것은 매우 중요한 과제이다. 지역난방에서 에너지의 효율적 사용을 의미하는 경제운전은 최적 전기 및 열 생산 그리고 지사간 연계를 통한 수익의 극대화, 각 지사의 공급 및 회수 온도 차를 최대화 하여 열 전달 용량의 증가, 배관내 평균온도를 감소하여 열 손실의 최소화 등의 방법으로 구현할 수 있다.Improving energy efficiency while maintaining heat supply conditions at the critical point is a very important challenge. Economic operation, which means the efficient use of energy in district heating, maximizes profits through optimal electricity and heat production and linkage between branches, increases the heat transfer capacity by maximizing the difference in supply and recovery temperature of each branch, and increases the average temperature in the pipe. This can be achieved by minimizing heat loss.

광역 에너지 네트워크의 전기 및 연계 최적화를 제외한 단일 열원의 경제운전은 공급 및 회수온도의 최적화가 가장 중요한 인자이다. 공급온도의 최소화는 열 배관망을 통한 열 손실의 최소화 및 설치 배관의 허용 재질에도 영향을 미치므로 허용 가능한 최소 공급온도를 결정하는 방법은 지역난방의 운전에 매우 중요한 요소이다. 이와 더불어 공급온도와 회수온도 차이의 증가 즉 열 배관망에서 회수온도의 저감은 열 네트워크로 전달 열량을 증가 시킬 수 있어 추가 공급지역 지역 확산 시 신규 열 배관 건설 비용을 절감할 수 있다. The optimization of supply and recovery temperatures is the most important factor in economic operation of a single heat source, excluding the optimization of electricity and linkage in wide area energy networks. Minimizing the supply temperature also affects the minimization of heat losses through the heat pipe network and the permissible material of the installation piping, so the method of determining the minimum allowable supply temperature is very important for the operation of district heating. In addition, the increase in supply temperature and recovery temperature difference, that is, the reduction of recovery temperature in the heat pipe network can increase the amount of heat transferred to the heat network, thereby reducing the cost of constructing a new heat pipe when expanding the additional supply area.

따라서, 본 발명의 해결과제는 광역 에너지 네트워크의 에너지 효율에 결정적인 영향을 미치는 중요 운전 변수인 지역난방 네트워크의 최적 공급온도를 결정방법을 제공하는데 있다.Accordingly, a problem to be solved by the present invention is to provide a method for determining an optimal supply temperature of a district heating network, which is an important operation variable that has a decisive effect on the energy efficiency of a wide area energy network.

본 발명의 지역난방 네트워크 최적 공급온도 결정방법은 과거 지역난방 네트워크의 공급온도, 대기온도, 연계열량 및 시간을 변수로 사용하여 backpropagation method로서 주어진 운전 조건에서 공급유량을 예측 할 수 있는 neural network model 을 수립하는 단계와; 지역난방의 가동 보일러의 개수 및 축열조의 방열에 따라 작동하는 펌프의 최대 허용 공급유량 결정하는 단계와; 허용 공급유량 범위에서 상기 neural network model 을 이용한 최적화 기법을 활용하여 허용 최소 공급온도 결정단계를 포함한다.The method for determining the optimal supply temperature for district heating network according to the present invention is based on the neural network model that can predict the supply flow rate under the given operating conditions as the backpropagation method using the supply temperature, air temperature, associated heat and time of the district heating network in the past. Establishing; Determining a maximum allowable supply flow rate of a pump operating according to the number of movable boilers for district heating and heat dissipation of the heat storage tank; Determining the minimum allowable supply temperature using the optimization technique using the neural network model in the allowable supply flow range.

바람직하게, neural network model의 node input XData는 다음식으로 표시되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the node input XData of the neural network model is represented by the following equation.

XData = {Ta[k-(d)] Ta[k-(d-1)] Ta[k-(d-2)] Ta[k-(d-3)]···Ta[k-(d)] Ta(k) Qn[k-(d-1)] Qn[k-(d-2)] Qn[k-(d-3)]··· Qn(k) Ts[k-(d)] Ts[k-(d-1)] Ts[k-(d-2)] Ts[k-(d-3)]··· Ts(k) Time24](여기서, Ta는 과거대기온도이고, Ts는 과거 공급온도, Qn은 과거 연계열량, d는 delay time을 의미한다.)XData = {Ta [k- (d)] Ta [k- (d-1)] Ta [k- (d-2)] Ta [k- (d-3)] ... Ta [k- (d )] Ta (k) Qn [k- (d-1)] Qn [k- (d-2)] Qn [k- (d-3)] ... Qn (k) Ts [k- (d) Ts [k- (d-1)] Ts [k- (d-2)] Ts [k- (d-3)] ... Ts (k) Time24] (where Ta is the past atmospheric temperature, Ts is past supply temperature, Qn is past associated heat, and d is delay time.)

본 발명에 따른 지역난방 네트워크 최적 공급온도 결정방법은 지역의 열 요구량을 만족하면서 배관망으로부터 열 손실을 최소화 하는 최적의 공급온도를 구할 수 있는 장점이 있다.The district heating network optimum supply temperature determination method according to the present invention has the advantage of obtaining the optimum supply temperature to minimize the heat loss from the pipe network while satisfying the local heat requirements.

또한, 지역난방 네트워크의 최적제어와 병행하여 적용할 경우 적용 목적에 따라서 회수온도의 저감을 달성 할 수 있으며 공급온도와 회수온도의 차이를 최대화할 수 있는 장점이 있다.In addition, when applied in parallel with the optimal control of the district heating network, it is possible to achieve a reduction of the recovery temperature according to the application purpose and to maximize the difference between the supply temperature and the recovery temperature.

그리고, 지역 열 공급 용량의 증대와 경우에 따라서 폐열 회수의 최대화를 달성 할 수 있다. 또한 지역난방 네트워크의 공급펌프의 가동비가 큰 경우 공급온도와 유량의 최적화를 통하여 열 소실과 가동비를 고려한 최적화에 활용 될 수 있다.In addition, it is possible to achieve an increase in local heat supply capacity and, in some cases, maximize waste heat recovery. In addition, if the operating cost of the supply pump of the district heating network is large, it can be used to optimize the heat dissipation and operation cost by optimizing the supply temperature and flow rate.

도 1은 District Heat (DH) 네트워크에서 사용자의 열 요구량을 만족하는 공급유량을 예측하기 위한 neural network model의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 Neural Network Model의 신뢰도를 확인하기 위한 지역난방 수서지사의 예측 DH Flow와 실제 Operation Data와 비교 분석 그래프.
도 3은 본 발명의 Neural Network Model의 신뢰도를 확인하기 위하여 각 Input Node별로 임의적으로 변화를 주어 실시한 Sensibility Analysis 분석 그래프.
도 4는 수서지사의 경우 열 전용 보일러 PLB 1 ~5의 5개 보일러 및 축열조(ACC) 가동 스케줄에 대한 그래프.
도 5는 도 4에 의한 지역난방 네트워크 의 최대 허용 유량을 나타낸 그래프.
도 6은 최저 지역난방 네트워크 공급온도를 결정하는 Optimization Logic Diagram.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 지역난방 네트워크 최적 공급온도 결정방법을 사용한 결과를 분석그래프.
1 is a diagram illustrating a structure of a neural network model for predicting a supply flow rate satisfying a user's heat demand in a District Heat (DH) network.
Figure 2 is a graph of comparative analysis with the prediction DH flow and actual operation data of district heating sedimentation branch to confirm the reliability of the Neural Network Model of the present invention.
Figure 3 is a Sensibility Analysis graph to give a random change to each Input Node to confirm the reliability of the Neural Network Model of the present invention.
Figure 4 is a graph of the five boiler and heat storage tank (ACC) operation schedule of thermal boilers PLB 1-5 for the Suseo branch.
5 is a graph showing the maximum allowable flow rate of the district heating network according to FIG.
6 is an Optimization Logic Diagram for determining a minimum district heating network supply temperature.
7 to 9 is an analysis graph of the results using the district heating network optimum supply temperature determination method according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 지역난방 네트워크 공급온도 결정방법의 실시예에 대하여 자세히 살펴본다.Hereinafter, an embodiment of a district heating network supply temperature determination method of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 지역난방 네트워크 공급온도 결정방법은 주어진 운전 조건에서 공급유량을 예측 할 수 있는 neural network model을 수립하는 단계와; 보일러 및 축열조 운전 상태에 따른 최대 허용 공급유량 결정하는 단계와; 허용 공급유량 범위에서 상기 neural network model 을 이용한 최적화 기법을 활용하여 허용 최소 공급온도 결정단계를 포함한다.
The district heating network supply temperature determination method of the present invention comprises the steps of: establishing a neural network model for predicting the supply flow rate in a given operating condition; Determining a maximum allowable supply flow rate according to a boiler and heat storage tank operating state; Determining the minimum allowable supply temperature using the optimization technique using the neural network model in the allowable supply flow range.

주어진 운전 조건에서 공급유량을 예측할 수 있는 neural network model을 수립하는 단계Establishing a neural network model to predict supply flow at given operating conditions

도 1은 지역난방 네트워크에서 사용자의 열 요구량을 만족하는 공급유량을 예측하기 위한 neural network model의 구조를 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a structure of a neural network model for estimating a supply flow rate satisfying a user's heat demand in a district heating network.

본 발명의 지역난방 네트워크의 공급유량은 과거 지역난방 네트워크의 공급온도, 대기온도, 연계열량 및 시간에 의존하며, Neural network는 backpropagation method를 사용한다.The supply flow rate of the district heating network of the present invention depends on the supply temperature, the atmospheric temperature, the associated heat quantity and the time of the district heating network in the past, and the neural network uses the backpropagation method.

Neural network model은 매 시간 평균 지역난방 네트워크 flow rate를 예측하는 모델로 사용되며, 지역난방 네트워크 Flow rate 는 지역 열 사용자의 요구량을 만족하기 위해서 지역난방 네트워크의 각 크리티컬 포인트 에서의 압력차, 공급온도, 공급압력 등 운전 조건을 유지하기 위한 조절변수(manipulated variable)이다. The neural network model is used as a model for predicting the average district heating network flow rate every hour. The district heating network flow rate is the pressure difference, supply temperature, and temperature at each critical point of the district heating network to satisfy the requirements of the district heat users. Manipulated variable to maintain operating conditions such as supply pressure.

DH flow rate를 예측하고자 하는 시간대를 k 라고 하고 delay time 을 d시간이라고 하면 neural network model의 node input XData는 다음과 같이 구성된다. 이러한 delay time은 적용 대상 지역에 따라 변경 가능하다. If the time zone to predict DH flow rate is k and the delay time is d time, the node input XData of neural network model is composed as follows. This delay time can be changed according to the application area.

XData = {Ta[k-(d)] Ta[k-(d-1)] Ta[k-(d-2)] Ta[k-(d-3)]···Ta[k-(d)] Ta(k) Qn[k-(d-1)] Qn[k-(d-2)] Qn[k-(d-3)]··· Qn(k) Ts[k-(d)] Ts[k-(d-1)] Ts[k-(d-2)] Ts[k-(d-3)]··· Ts(k) Time24](여기서, Ta는 과거대기온도이고, Ts는 과거 공급온도, Qn은 과거 연계열량을 의미한다.)XData = {Ta [k- (d)] Ta [k- (d-1)] Ta [k- (d-2)] Ta [k- (d-3)] ... Ta [k- (d )] Ta (k) Qn [k- (d-1)] Qn [k- (d-2)] Qn [k- (d-3)] ... Qn (k) Ts [k- (d) Ts [k- (d-1)] Ts [k- (d-2)] Ts [k- (d-3)] ... Ts (k) Time24] (where Ta is the past atmospheric temperature, Ts means past supply temperature and Qn means past associated heat.)

예를 들면, delay time 을 5시간이라고 하면 XData는 다음과 같이 구성된다.For example, if the delay time is 5 hours, the XData is configured as follows.

XData = [Ta(k-5) Ta(k-4) Ta(k-3) Ta(k-2) Ta(k-1) Ta(k) Qn(k-5) Qn(k-4) Qn(k-3) Qn(k-2) Qn(k-1) Qn(k) Ts(k-5) Ts(k-4) Ts(k-3) Ts(k-2) Ts(k-1) Ts(k) Time24]XData = (Ta (k-5) Ta (k-4) Ta (k-3) Ta (k-2) Ta (k-1) Ta (k) Qn (k-5) Qn (k-4) Qn (k-3) Qn (k-2) Qn (k-1) Qn (k) Ts (k-5) Ts (k-4) Ts (k-3) Ts (k-2) Ts (k-1 ) Ts (k) Time24]

이와 같은 Neural Network Model의 신뢰도를 확인하기 위하여 지역난방 수서지사의 2010년 1월 26일, 28일, 29일, 2월 2일의 Data이며 24시간을 기준으로 분석하여 DH Flow를 예측하고 실제 Operation Data와 비교 분석하여 도 2에 나타내었다. 도 2에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에서 지역난방 네트워크의 공급온도, 대기온도, 연계열량 및 시간를 조절변수로 사용한 Neural Network Model의 Regression은 평균 0.93으로 매우 높은 신뢰도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.In order to confirm the reliability of the Neural Network Model, data of January 26, 28, 29, and February 2, 2010 of the District Heating Sustainability Office were analyzed based on 24 hours to predict DH Flow and actual operation. Comparison with the data is shown in FIG. 2. As can be seen in Figure 2, in the present invention, the regression of the Neural Network Model using the supply temperature, air temperature, associated heat and time of the district heating network as a control variable can be seen that very high reliability can be obtained with an average of 0.93.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, Neural Network Model의 신뢰도를 확인하기 위하여 각 Input Node별로 일정 값만큼 변화를 주고 결과를 관찰하는 방법으로 Sensibility Analysis를 실시하였다. 이러한 분석은 각 Input node가 Neural Network Model의 결과에 미치는 영향의 정도를 알아보기 위하여 시행되었으며 각 운전 변수의 변화에 대해서도 현장값과 유사하게 변동하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라서, 본 발명에서 사용되는 Neural Network Model는 주어진 운전 조건에서 공급유량을 예측 할 수 있는 model를 사용할 수 있음을 알 수 있다.
In addition, as shown in FIG. 3, in order to confirm the reliability of the Neural Network Model, Sensibility Analysis was performed by varying each input node by a predetermined value and observing the result. This analysis was carried out to investigate the effect of each input node on the results of the Neural Network Model, and it can be seen that the variation of each operating variable is similar to the field value. Accordingly, it can be seen that the neural network model used in the present invention can use a model that can predict the supply flow rate in a given operating condition.

보일러 및 축열조 운전 상태에 따른 최대 허용 공급유량 결정하는 단계Determining maximum allowable flow rate according to boiler and heat storage tank operating condition

최대 허용 공급유량은 지역난방의 각 지사에서 열 수요를 만족시키기 위해서 가동 보일러의 개수 및 축열조의 방열에 따라 결정한다. 예를 들면, 수서열원의 경우 5기의 보일러와 1기의 축열조로 구성되어있으며, 지역 공급 유량에 관여하는 펌프가 4기, 축방열에 관여하는 펌프가 3기로 구성되어 있다. 2기의 보일러와 3기의 보일러는 각각 시간당 가열할 수 있는 최대 허용 유량이 600ton/h, 1750ton/h이며, 축열조의 경우 방열운전에 한해서 1000ton/h의 최대 허용 유량을 가진다. 예를 들면, 최대 허용 공급 유량이 1750ton/h의 보일러 2기와 방열이 가동 되었을 경우, 최대 허용 공급 유량은 4500ton/h로 결정 된다.The maximum allowable flow rate is determined by the number of operating boilers and the heat dissipation of the heat storage tank to satisfy the heat demand at each branch of district heating. For example, the hydrothermal source consists of five boilers and one heat storage tank, four pumps involved in the local supply flow rate, and three pumps involved in the heat storage. The two boilers and the three boilers each have a maximum allowable flow rate of 600 ton / h and 1750 ton / h for heating per hour, and the heat storage tank has a maximum allowable flow rate of 1000 ton / h for heat radiation operation only. For example, if two boilers with a maximum allowable supply flow rate of 1750 ton / h are operated with heat radiation, the maximum allowable supply flow rate is determined to be 4500 ton / h.

<실험예>Experimental Example

도 4는 수서지사의 경우 열 전용 보일러 PLB 1 ~5의 5개 보일러 및 축열조(ACC) 가동 스케줄의 결과이다. 최적 스케줄 결과 PLB 1과 2 는 보일러 효율이 다른 보일러에 비해서 낮고 열 요구량이 크지 않아 PLB 3, 4 그리고 PLB5의 3개 보일러만 가동되는 것으로 나타났다. 또한 축열조의 축 방열에 대한 가동 스케줄이 제시되었다. 이러한 보일러 및 축열조 가동 스케줄을 통해 지역난방 네트워크 의 최대 허용 유량은 도 5에 나타난 바와 결정할 수 있다. 5기의 보일러중 2기는 가동시 최대 허용 유량은 600ton/h, 3기는 1750ton/h 그리고 축열조로부터 방열시에 1000ton/h이다. 이로부터 보일러 및 축열조 가동 스케줄에 따라 최대 허용 유량이 결정 된다.
Figure 4 is the result of five boiler and heat storage tank (ACC) operation schedule of thermal boilers PLB 1-5 for the Suseo branch. Optimal schedule results indicate that PLB 1 and 2 have lower boiler efficiencies than other boilers and do not have a high heat requirement, so only three boilers, PLB 3, 4 and PLB5, are operated. In addition, the operation schedule for the heat radiation of the heat storage tank was presented. Through this boiler and heat storage tank operation schedule, the maximum allowable flow rate of the district heating network can be determined as shown in FIG. 5. Two of the five boilers have a maximum allowable flow rate of 600 ton / h for operation, three to 1750 ton / h and 1000 ton / h for heat dissipation from the heat storage tank. From this, the maximum allowable flow rate is determined by the boiler and heat storage operation schedule.

허용 공급유량 범위에서 neural network model 을 이용한 최적화 기법을 활용하여 허용 최소 공급온도 결정단계Determination of allowable minimum supply temperature using optimization method using neural network model in allowable flow rate range

도 6은 최저 지역난방 네트워크 공급온도를 결정하는 최적화 Logic Diagram이다. 도시된 바와 같이, 과거 지역난방 네트워크 공급온도의 영향에 의한 지역난방 네트워크 flow rate 가 현재의 공급온도가 영향을 미치는 예측 구간 내에서 최대 허용 공급유량의 값을 초과하지 않는 공급온도를 구하거나 혹은 최대 허용 유량의 제한 조건을 만족하는 해가 없는 경우 최대 허용 공급온도를 최적화 해로 얻을 수 있다.6 is an optimized logic diagram for determining a minimum district heating network supply temperature. As shown, the supply temperature at which the district heating network flow rate due to the influence of the district heating network supply temperature in the past does not exceed the maximum allowable supply flow value within the predicted interval affected by the current supply temperature or If no solution satisfies the limit of allowable flow, the maximum allowable supply temperature can be obtained by an optimized solution.

즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 지역난방 네트워크 공급온도(DH 공급온도)와 공급온도의 High Limit/Low Limit(Limit는 안전 운전을 조건으로 하여 현장으로부터 제시됨)로부터 초기 예상된 지역난방 네트워크 공급온도와 Estimated 최대값/최소값을 구한다. 이로부터 상기에서 얻어진 Neural Network Model을 통하여 현재의 공급온도가 영향을 미치는 예측 구간 내에서 예상 지역난방 네트워크 flow rate를 구한다. 결과로부터 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값과 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 차가 tolerance(본 연구에서 0.01로 정하였다.)보다 작아 질 때 까지 다음의 경우를 고려하여 지역난방 네트워크 공급온도의 최적화 해를 구한다. 현재의 공급온도는 예측 구간에 대하여 영향을 미치기 때문에, 예측 구간 내에서 모든 최적화 해를 고려한다. Estimated 지역난방 네트워크 공급온도, estimated 최대값/최소값을 구하는 수식은 도 6을 참조 한다.That is, as shown in FIG. 6, the district heating network supply initially estimated from the district heating network supply temperature (DH supply temperature) and the high limit / low limit (Limit is presented from the site under the condition of safe operation). Find the maximum and minimum temperature and estimated values. From the neural network model obtained above, the estimated district heating network flow rate is calculated within the predicted interval affected by the current supply temperature. From the results, until the difference between the minimum value of the Estimated district heating network supply temperature and the Estimated district heating network supply temperature is smaller than the tolerance (0.01 in this study), the following solution is considered to optimize the district heating network supply temperature. Obtain Since the current supply temperature affects the forecast interval, all optimization solutions are considered within the forecast interval. Estimated District heating network supply temperature, the formula for calculating the estimated maximum value / minimum value, see Figure 6.

첫 번째 경우, 예상 flow rate가 보일러 및 축열조 가동 스케줄로부터 얻어진 최대 허용 유량보다 낮을 때, Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최대값을 감소시킨다. 감소된 최대값을 적용하여 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값과 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 차가 tolerance보다 작아 질 때 까지 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도를 다시 구하여 최적화 해를 구한다. 이때의 공급온도는 현장에서 주어진 지역난방 네트워크 공급온도 High/low limit를 벗어나지 않는 범위 내에서 해를 구한다.In the first case, when the estimated flow rate is lower than the maximum allowable flow rate obtained from boiler and heat storage operation schedules, the maximum value of the Estimated district heating network supply temperature is reduced. Applying the reduced maximum value, the optimum solution is obtained by reestimating the Estimated district heating network supply temperature until the difference between the minimum value of the Estimated district heating network supply temperature and the Estimated district heating network supply temperature is less than the tolerance. At this time, the supply temperature is solved within the range not exceeding the high / low limit of the district heating network supply temperature.

두 번째 경우, 예상 flow rate가 최대 허용 유량보다 높거나 같으며 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도가 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최대값/최소값을 벗어나지 않을 때, Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값을 증가시킨다. 증가된 최소값을 적용하여 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값과 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 차가 tolerance보다 작아 질 때 까지 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도를 다시 구하여 최적화 해를 구한다. 이때의 공급온도는 현장에서 주어진 지역난방 네트워크 공급온도 High/low limit를 벗어나지 않는 범위 내에서 해를 구한다.In the second case, the minimum value of the Estimated District Heating Network supply temperature is increased when the estimated flow rate is higher than or equal to the maximum allowable flow rate and the Estimated District Heating Network supply temperature does not deviate from the maximum / minimum value of the Estimated District Heating Network supply temperature. . By applying the increased minimum value, the optimum solution is obtained by reestimating the Estimated district heating network supply temperature until the difference between the minimum value of the Estimated district heating network supply temperature and the Estimated district heating network supply temperature is less than the tolerance. At this time, the supply temperature is solved within the range not exceeding the high / low limit of the district heating network supply temperature.

세 번째 경우, 예상 flow rate가 최대 허용 유량보다 높거나 같으며 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도가 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값보다 낮거나 같을 때, Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값을 감소시킨다. 감소된 최소값을 적용하여 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값과 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 차가 tolerance보다 작아 질 때 까지 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도를 다시 구하여 최적화 해를 구한다. 이때의 공급온도는 현장에서 주어진 지역난방 네트워크 공급온도 High/low limit를 벗어나지 않는 범위 내에서 해를 구한다.In the third case, when the estimated flow rate is higher than or equal to the maximum allowable flow rate and the Estimated district heating network supply temperature is lower than or equal to the minimum value of the Estimated district heating network supply temperature, the minimum value of the Estimated district heating network supply temperature is reduced. Using the reduced minimum value, obtain the optimized solution by reestimating the Estimated district heating network supply temperature until the difference between the minimum value of the Estimated district heating network supply temperature and the Estimated district heating network supply temperature is less than the tolerance. At this time, the supply temperature is solved within the range not exceeding the high / low limit of the district heating network supply temperature.

네 번째 경우, 예상 flow rate가 최대 허용 유량보다 높거나 같으며 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도가 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최대값보다 높거나 같을 때, Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값과 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 차가 tolerance보다 작으면 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도를 최적화 해로 결정 한다.In the fourth case, when the estimated flow rate is higher than or equal to the maximum allowable flow rate and the Estimated district heating network supply temperature is higher than or equal to the maximum value of the Estimated district heating network supply temperature, the minimum value of the Estimated district heating network supply temperature and Estimated district heating If the difference in network supply temperature is less than tolerance, the optimal solution for the Estimated district heating network supply temperature is determined.

다섯 번째 경우, 예측 구간에서 예상 flow rate가 최대 허용 유량 이내의 조건을 만족하는 해를 얻지 못할 때, 현장에서 주어진 지역난방 네트워크 공급온도의 최대 허용 온도의 값을 최적화 해로 결정 한다.
In the fifth case, when the predicted flow rate does not yield a solution that meets the conditions within the maximum allowable flow rate, the optimal solution is determined by optimizing the value of the maximum allowable temperature of the district heating network supply temperature given at the site.

지역난방 네트워크 Supply temperature optimization은 예측 시작 시간부터 향후 24시간 동안의 최저 공급온도를 예측할 수 있다. 최저 공급온도를 예측하기 위하여 사용자가 입력해야 하는 변수는 현장으로부터 입력되며 예측 시작 시간, 일반적으로 현재시간, 각 시간대별 최대 허용 지역난방 네트워크 flow rate, 각 시간대별 최대 가능한 공급온도(Upper limit of supply temperature), 각 시간대별 최소로 유지해야 하는 공급온도(Lower limit of supply temperature), 공급온도의 시간당 최대 변화폭(Hourly delta limit of supply temperature), 향후 24시간의 대기온도, 향후 24시간 연계 열량을 사용한다. 이때, 향후 24시간의 대기온도는 기상청으로부터 제공받을 수 있으며, 향후 24시간 연계 열량은 지역 네트워크에 연결되어 연계 열량을 제공할 수 있는 것을 포함한다.The district heating network supply temperature optimization can predict the lowest supply temperature for the next 24 hours from the start of the forecast. Variables that the user must enter in order to predict the minimum supply temperature are entered from the site and are estimated start time, current time, maximum allowable district heating network flow rate for each time zone, and maximum limit of supply for each time zone. temperature, lower limit of supply temperature, hourly delta limit of supply temperature, 24 hours of standby temperature and 24 hours of associated calories do. At this time, the air temperature of the next 24 hours can be provided from the Meteorological Agency, the future 24 hours associated calories include that it can be connected to the local network to provide the associated calories.

상기 입력 data에 대해서 DHNetwork supply temperature optimization은 최대 허용 유량 및 주어진 운전 조건을 위반하지 않는 최소 허용 공급온도를 산정할 수 있다.For the input data, the DHNetwork supply temperature optimization can calculate the maximum allowable flow rate and the minimum allowable supply temperature that does not violate a given operating condition.

<실험예>Experimental Example

현장에 개발된 시스템을 적용하기 전에 과거 운전 데이터에 대하여 본 연구에서 개발한 지역난방 네트워크 Supply Temperature Decision System을 적용하고 결과를 분석하였다. 적용된 과거 운전 데이타는 2009년 12월 1일, 2010년 2월 2일, 이며, 각각 24시간을 기준으로 하였다. Before applying the system developed in the field, we applied the district heating network Supply Temperature Decision System developed in this study to the past operation data and analyzed the results. The past operational data applied were December 1, 2009 and February 2, 2010, each based on 24 hours.

도 7은 2009년 12월 1일 Data의 결과이다. 대기온도가 18시 이후 급격하게 떨어지는 상황에 적절한 열공급을 유지하기 위하여 최적화된 DH 공급온도가 적절하게 지시되고 있음을 알 수 있다. 최적화 DH 공급온도는 실제 운전된 공급온도와 유사한 거동을 보였다. 예측된 DH 공급유량과 실제 운전된 DH 공급유량도 유사하며, 실제로 현장에서는 비교적 경제적 운전을 하였음을 시사한다. 또한, 본 발명의 신뢰성을 확인할 수 있다.7 is a result of December 1, 2009 Data. It can be seen that the optimized DH supply temperature is properly indicated in order to maintain an adequate heat supply in a situation where the atmospheric temperature drops sharply after 18:00. The optimized DH feed temperature showed a similar behavior to the actual operated feed temperature. The estimated DH supply flow rate and the actual operating DH supply flow rate are similar, suggesting that the operation was relatively economical in the field. In addition, the reliability of the present invention can be confirmed.

도 8은 2010년 2월 2일 운전 Data에 적용한 결과이다. 외기온도가 22시 이후 급격하게 떨어지는 상황에 적절한 열공급을 유지하기 위하여 최적화된 DH 공급온도가 적절하게 지시되고 있음을 알 수 있다. 최적화 결과 1시 부터 17시 까지 DH공급온도의 최소값인 113도로 유지 되고 있다. 실제 운전과 비교하였을 때, 현장의 공급온도는 매우 높게 유지하고 있는데 이는 배관 망으로부터 열 손실을 증가시켜 열 효율을 감소시킨다. 본 발명을 적용한 경우 공급온도를 최소화하여 열 손실을 저감하는 운전을 제시하고 있다.
8 is a result of applying the operation data on February 2, 2010. It can be seen that the optimized DH supply temperature is properly indicated in order to maintain an adequate heat supply in a situation where the outside temperature drops sharply after 22:00. As a result of optimization, the minimum value of the DH supply temperature is maintained at 113 degrees from 1 to 17 hours. Compared with the actual operation, the site supply temperature is kept very high, which increases the heat loss from the pipe network and reduces the thermal efficiency. In the case of applying the present invention, there is proposed an operation of reducing heat loss by minimizing the supply temperature.

또한, 지역난방 네트워크 최적 공급온도 시스템의 현장 적용은 2010년 2월 8일부터 11일까지 실시하였으며, 매 시간 실제 운전 데이터를 업데이트하여 결과를 운전원에게 제공하였다. 또한, 현장의 상황에 따라 유동적으로 실시하였다. In addition, the site application of the district heating network optimal supply temperature system was carried out from February 8 to 11, 2010, and updated the actual operating data every hour to provide the operator with the results. In addition, it was carried out flexibly according to the situation of the site.

앞서 설명한 바와 같이 입력 데이터는 DH 공급온도, 연계열량, 외기온도 및 시간이며, 제한 조건은 DH 공급온도의 최대, 최소값, 그리고 DH 공급유량의 최대 허용 범위이다. DH 공급온도의 최대값은 120 ℃, 최소값은 안정적인 공급을 위해 초기 113℃ 로 하고 상황에 따라 유동적으로 적용하였다. DH 공급 유량의 최대값은 앞서 설명한 보일러 및 축열조 스케줄의 결과를 사용하였다.As described above, the input data are the DH supply temperature, associated heat, outdoor temperature and time, and the limit conditions are the maximum and minimum values of the DH supply temperature, and the maximum allowable range of the DH supply flow rate. The maximum value of DH supply temperature was 120 ℃ and the minimum value was initially set at 113 ℃ for stable supply. The maximum value of the DH feed flow rate used the results of the boiler and heat storage schedules described above.

도 9는 2월 8일 적용에 대한 결과이다. 겨울철이지만 외기온도가 높은 상황이기 때문에 지역난방 네트워크 Supply Temperature Decision System은 DH 공급온도의 최저 값이 113℃ 를 유지하도록 결정하였다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 최적 공급온도 시스템의 현장 적용 결과, 공급온도는 지역 열 수요를 충족하면서 113 ℃까지 낮출 수 있었다. 이 경우 최적 공급온도 결정 시스템에서 예측한 지역난방 네트워크의 유량과 실제 운전 데이터를 비교한 결과 매우 유사한 결과를 보였다. 본 발명을 현장 적용 시 DH 공급온도를 평균 5℃ 낮출 수 있음을 알 수 있다.
9 is the result for the February 8 application. Because of the high outside temperature in winter, the District Heating Network Supply Temperature Decision System decided to keep the minimum value of DH supply temperature at 113 ° C. As shown, as a result of field application of the optimum feed temperature system of the present invention, the feed temperature could be lowered to 113 ° C. while meeting local heat demand. In this case, the flow rate of the district heating network predicted by the optimal supply temperature determination system was compared with the actual operation data. It can be seen that the on-site application of the present invention can lower the average DH supply temperature by 5 ° C.

본 발명에서 개발된 지역난방 네트워크최적 공급온도 결정 시스템은 지역 열 요구량을 만족하면서 배관 망으로부터 열 손실을 최소화 하는 최적의 공급온도를 구할 수 있다. 개발된 시스템을 지역난방 수서 지역에 적용한 결과 열 손실을 5.16% 감소 할 수 있었다. The district heating network optimum supply temperature determination system developed in the present invention can obtain the optimum supply temperature to minimize the heat loss from the pipe network while satisfying the local heat requirements. The application of the developed system to the district heating district has reduced heat losses by 5.16%.

이러한 최적 공급온도 결정 시스템은 지역난방 네트워크의 최적제어와 병행하여 적용할 경우 적용 목적에 따라서 회수온도의 저감을 달성 할 수 있으며 공급온도와 회수온도의 차이를 최대화하는 목적으로 적용 할 수 있다.This optimum supply temperature determination system can achieve the reduction of recovery temperature according to the application purpose when applied in parallel with the optimal control of district heating network and can be applied to maximize the difference between supply temperature and recovery temperature.

이 경우 지역 열 공급 용량의 증대와 경우에 따라서 폐열 회수의 최대화를 달성 할 수 있다. 또한 지역난방 네트워크의 공급펌프의 가동비가 큰 경우 공급온도와 유량의 최적화를 통하여 열 소실과 가동비를 고려한 최적화에 활용 될 수 있다.In this case, an increase in local heat supply capacity and, in some cases, maximize waste heat recovery can be achieved. In addition, if the operating cost of the supply pump of the district heating network is large, it can be used to optimize the heat dissipation and operation cost by optimizing the supply temperature and flow rate.

Claims (3)

과거 지역난방 네트워크의 공급온도, 대기온도, 연계열량 및 시간을 변수로 사용하여 backpropagation method로서 주어진 운전 조건에서 공급유량을 예측 할 수 있는 neural network model 을 수립하는 단계와;
지역난방의 가동 보일러의 개수 및 축열조의 방열에 따라 작동하는 펌프의 최대 허용 공급유량 결정하는 단계와;
허용 공급유량 범위에서 상기 neural network model 을 이용한 최적화 기법을 활용하여 허용 최소 공급온도 결정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지역난방 네트워크 최적 공급온도 결정방법.
Establishing a neural network model for predicting the supply flow rate at a given operating condition as a backpropagation method using the supply temperature, the air temperature, the associated heat quantity and the time of the district heating network in the past;
Determining a maximum allowable supply flow rate of a pump operating according to the number of movable boilers for district heating and heat dissipation of the heat storage tank;
A method of determining an optimal heating temperature for a district heating network, comprising: determining an allowable minimum supply temperature using an optimization technique using the neural network model in an allowable supply flow range.
청구항 1에 있어서, neural network model의 node input XData는 다음식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 지역난방 네트워크 최적 공급온도 결정방법.
XData = {Ta[k-(d)] Ta[k-(d-1)] Ta[k-(d-2)] Ta[k-(d-3)]···Ta[k-(d)] Ta(k) Qn[k-(d-1)] Qn[k-(d-2)] Qn[k-(d-3)]··· Qn(k) Ts[k-(d)] Ts[k-(d-1)] Ts[k-(d-2)] Ts[k-(d-3)]··· Ts(k) Time24](여기서, Ta는 과거대기온도이고, Ts는 과거 공급온도, Qn은 과거 연계열량, d는 delay time을 의미한다.)
The method of claim 1, wherein the node input XData of the neural network model is represented by the following equation.
XData = {Ta [k- (d)] Ta [k- (d-1)] Ta [k- (d-2)] Ta [k- (d-3)] ... Ta [k- (d )] Ta (k) Qn [k- (d-1)] Qn [k- (d-2)] Qn [k- (d-3)] ... Qn (k) Ts [k- (d) Ts [k- (d-1)] Ts [k- (d-2)] Ts [k- (d-3)] ... Ts (k) Time24] (where Ta is the past atmospheric temperature, Ts is past supply temperature, Qn is past associated heat, and d is delay time.)
청구항 1에 있어서, 허용 공급유량 범위에서 상기 neural network model 을 이용한 최적화 기법을 활용하여 허용 최소 공급온도 결정단계는,
지역난방 네트워크 공급온도(DH 공급온도)와 공급온도의 High Limit/Low Limit(Limit는 안전 운전을 조건으로 하여 현장으로부터 제시됨)로부터 초기 예상된 지역난방 네트워크 공급온도와 Estimated 최대값/최소값을 구하는 단계와;
이로부터 상기에서 얻어진 Neural Network Model을 통하여 현재의 공급온도가 영향을 미치는 예측 구간 내에서 예상 지역난방 네트워크 flow rate를 구하는 단계와;
Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값과 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 차가 허용오차보다 작아 질 때 까지 다음의 경우를 고려하여 지역난방 네트워크 공급온도의 최적화 값을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지역난방 네트워크 최적 공급온도 결정방법.
i) 예상 flow rate가 보일러 및 축열조 가동 스케줄로부터 얻어진 최대 허용 유량보다 낮을 때, Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최대값을 감소시키고, 감소된 최대값을 적용하여 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값과 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 차가 허용오차(tolerance)보다 작아 질 때 까지 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도를 구하는 단계;
ii) 예상 flow rate가 최대 허용 유량보다 높거나 같으며 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도가 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최대값/최소값을 벗어나지 않을 때, Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값을 증가시키고, 증가된 최소값을 적용하여 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값과 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 차가 보다 작아 질 때 까지 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도를 구하는 단계;
iii) 예상 flow rate가 최대 허용 유량보다 높거나 같으며 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도가 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값보다 낮거나 같을 때, Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값을 감소시키고, 감소된 최소값을 적용하여 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값과 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 차가 보다 작아 질 때 까지 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도를 구하는 단계;
iv) 예상 flow rate가 최대 허용 유량보다 높거나 같으며 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도가 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최대값보다 높거나 같을 때, Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 최소값과 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도의 차가 보다 작으면 Estimated 지역난방 네트워크 공급온도를 최적화 해로 결정하는 단계;
v) 예측 구간에서 예상 flow rate가 최대 허용 유량 이내의 조건을 만족하는 해를 얻지 못할 때, 현장에서 주어진 지역난방 네트워크 공급온도의 최대 허용 온도의 값을 최적화 해로 결정하는 단계.
The method of claim 1, wherein the determination of the allowable minimum supply temperature by using an optimization technique using the neural network model in the allowable supply flow range includes:
Obtaining the initial estimated district heating network supply temperature and estimated maximum / minimum value from the district heating network supply temperature (DH supply temperature) and the high limit / low limit of the supply temperature (Limit is presented from the site under the condition of safe operation). Wow;
Obtaining an estimated district heating network flow rate within the prediction interval affected by the current supply temperature through the Neural Network Model obtained above;
Calculating the optimized value of the district heating network supply temperature by considering the following cases until the difference between the minimum value of the estimated district heating network supply temperature and the estimated temperature of the district heating network supply is smaller than the tolerance. How to determine optimal network supply temperature.
i) When the estimated flow rate is lower than the maximum allowable flow rate obtained from the boiler and heat storage operation schedule, reduce the maximum value of the Estimated district heating network supply temperature and apply the reduced maximum value to the minimum value of the Estimated district heating network supply temperature and Estimated Calculating the Estimated district heating network supply temperature until the difference of the district heating network supply temperature is smaller than the tolerance;
ii) Increase and increase the minimum value of the Estimated district heating network supply temperature when the estimated flow rate is higher than or equal to the maximum permissible flow rate and the Estimated district heating network supply temperature does not exceed the maximum / minimum value of the Estimated district heating network supply temperature. Calculating the estimated temperature of the district heating network supply by applying the minimum value until the minimum difference between the minimum temperature of the estimated district heating network supply temperature and the estimated temperature of the district heating network supply temperature becomes smaller;
iii) When the estimated flow rate is higher than or equal to the maximum allowable flow rate and the Estimated district heating network supply temperature is lower than or equal to the minimum value of the Estimated district heating network supply temperature, decrease the minimum value of the Estimated district heating network supply temperature and reduce the minimum value. Obtaining the estimated temperature of the district heating network supply until the difference between the minimum value of the estimated district heating network supply temperature and the estimated temperature of the district heating network supply is smaller;
iv) when the estimated flow rate is higher than or equal to the maximum allowable flow rate and the estimated temperature of the estimated district heating network supply is higher than or equal to the maximum value of the estimated temperature of the district heating network supply, the minimum value of the estimated temperature of the district heating network supply and the supply of the estimated district heating network If the difference in temperature is smaller, determining an optimized solution of the Estimated district heating network supply temperature;
v) determining the optimum solution of the maximum allowable temperature of the district heating network supply temperature given at the site when the estimated flow rate does not yield a condition within the maximum allowable flow rate in the forecast interval.
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