WO2022160681A1 - 一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法及系统 - Google Patents

一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法及系统 Download PDF

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WO2022160681A1
WO2022160681A1 PCT/CN2021/114055 CN2021114055W WO2022160681A1 WO 2022160681 A1 WO2022160681 A1 WO 2022160681A1 CN 2021114055 W CN2021114055 W CN 2021114055W WO 2022160681 A1 WO2022160681 A1 WO 2022160681A1
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steam
node
flow
equation
state estimation
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PCT/CN2021/114055
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孙宏斌
夏天
陈彬彬
段丽娟
郭庆来
王彬
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清华大学
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    • G06F2119/08Thermal analysis or thermal optimisation

Definitions

  • the invention belongs to the technical field of operation control of an integrated energy system, and in particular relates to a method and system for estimating the hydraulic state of dynamic operation of a steam heating network.
  • the heating network is the heating medium, but in many industrial park heating networks, high temperature and high pressure steam is selected as the heating medium. Compared with the hot water pipe network, the transmission process of the steam pipe network is more complicated, which has become a major obstacle to the combined analysis and optimization of the integrated energy system using the flexibility of the steam pipe network.
  • the present invention provides a method and system for estimating the hydraulic state of the dynamic operation of the steam heating network.
  • the invention starts from the fluid mechanics equation describing the dynamic characteristics of the steam, establishes the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network, and proposes The corresponding solution method is used to improve the estimation accuracy of the hydraulic state and realize more effective monitoring of the operating state of the steam network.
  • the present invention provides a dynamic operation hydraulic state estimation method for a steam heating network, the method comprising:
  • the parameters include the steam flow G, the steam flow velocity v, the steam density ⁇ , the steam pressure p, the inner diameter D of the pipeline, the inclination angle ⁇ of the pipeline, the number of nodes N and the number of branches M of each pipeline;
  • the state estimation model determines the hydraulic state based on the parameters.
  • the method for establishing the state estimation model specifically includes:
  • the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network is established according to the branch equation and the node equation.
  • determining the hydraulic state according to the parameter by the state estimation model specifically includes:
  • the state of steam flow, steam velocity, steam density and steam pressure of all pipes is calculated according to the state estimation model.
  • is the steam density
  • v is the steam flow rate
  • is the time dimension
  • x is the one-dimensional space dimension along the direction of the steam heating pipeline
  • p is the steam pressure
  • is the friction coefficient of the pipe
  • D is the inner diameter of the pipe
  • x is the acceleration of gravity
  • is the inclination of the pipe
  • t is the time
  • G ij represents the flow at the head end of branch ij
  • G ji represents the flow at the end of branch ij
  • ⁇ i is the steam flow rate at node i
  • ⁇ j is the steam flow rate at node j.
  • G ki represents the flow of branch ki into node i
  • G il represents the flow of branch il out of node i
  • W represents the covariance matrix composed of measured values
  • x represents the vector composed of all measured variables
  • p is the actual pressure of steam
  • N is the number of nodes
  • M is the number of branches
  • p 1 is the actual steam pressure of node 1
  • p N is the actual steam pressure of node N
  • G 1 is the flow of branch 1
  • G M is the flow of branch M
  • It is the sensor sampling value of branch M flow.
  • the specific process for solving the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network established according to the branch equation and the node equation includes:
  • the present invention also provides a dynamic operation hydraulic state estimation system for a steam heating network, the system comprising:
  • the obtaining unit is used to obtain parameters, the parameters include the steam flow G of each pipeline, the steam flow velocity v, the steam density ⁇ , the steam pressure p, the inner diameter D of the pipeline, the inclination angle ⁇ of the pipeline, the number of nodes N and the branches number M;
  • the input unit is used to input the parameter into the state estimation model
  • an estimation unit for the state estimation model to determine the hydraulic state according to the parameter.
  • the method for establishing the state estimation model in the estimation unit specifically includes:
  • the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network is established according to the branch equation and the node equation.
  • the estimating unit for the state estimation model to determine the hydraulic state according to the parameters specifically includes:
  • the state of steam flow, steam velocity, steam density and steam pressure of all pipes is calculated according to the state estimation model.
  • is the steam density
  • v is the steam flow rate
  • is the time dimension
  • x is the one-dimensional space dimension along the direction of the steam heating pipeline
  • p is the steam pressure
  • is the friction coefficient of the pipe
  • D is the inner diameter of the pipe
  • g is the acceleration of gravity
  • is the inclination of the pipe
  • t is the time
  • G ij represents the flow at the head end of branch ij
  • G ji represents the flow at the end of branch ij
  • ⁇ i is the steam flow rate at node i
  • ⁇ j is the steam flow rate at node j.
  • the estimating unit is used to establish the nodal equation of the connection between the different steam heating pipes:
  • Gki represents the flow of branch ki flowing into node i
  • G il represents the flow of branch il flowing out of node i
  • the specific process that the estimation unit is used to establish the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network according to the branch equation and the node equation includes:
  • W represents the covariance matrix composed of measured values
  • x represents the vector composed of all measured variables
  • p is the actual pressure of steam
  • N is the number of nodes
  • M is the number of branches
  • p 1 is the actual steam pressure of node 1
  • p N is the actual steam pressure of node N
  • G 1 is the flow of branch 1
  • G M is the flow of branch M
  • It is the sensor sampling value of branch M flow.
  • the specific process that the estimation unit is used to solve the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network established according to the branch equation and the node equation and adopts the hill-climbing method includes:
  • the invention proposes a method and system for estimating the hydraulic state of the dynamic operation of the steam heating network, so as to adapt to the dynamic working conditions of the steam network on the engineering site, accurately estimate the hydraulic operation state of the steam network, improve the collection quality of the hydraulic operation data, and ensure the The network is in a safe operating state.
  • Fig. 1 shows a flow chart of a method for estimating the hydraulic state of a dynamic operation of a steam heating network according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a flowchart of a method for estimating the hydraulic state of a dynamic operation of a steam heating network according to an embodiment of the present invention.
  • the specific estimation method includes:
  • the parameters are entered into the state estimation model, which determines the hydraulic state based on the parameters.
  • the establishment method of the state estimation model specifically includes:
  • the state estimation model determines the hydraulic state according to the parameters, including:
  • the steam flow, steam velocity, steam density and steam pressure state of all pipes are calculated, which is the hydraulic state.
  • the specific process of establishing the branch equation of the steam heating pipeline (also known as the hydraulic model of the steam heating pipeline) includes:
  • is the steam density
  • v is the steam flow rate
  • is the time dimension
  • x is the one-dimensional space dimension along the direction of the steam heating pipeline
  • i is the head end of the steam heating pipe
  • j is the end of the steam heating pipe
  • ⁇ i,t is the steam density of node i at time t
  • ⁇ i,t+1 is the steam density of node i at time t+1
  • Steam density ⁇ j, t is the steam density of node j at time t
  • ⁇ j, t+1 is the steam density of node j at time t+1
  • v i, t is the steam flow rate of node i at time t
  • v j, t represents the steam flow rate of node j at time t
  • ⁇ t represents the time step
  • L ij represents the length of the pipeline ij
  • p is the steam pressure
  • is the friction coefficient of the pipe
  • D is the inner diameter of the pipe
  • g is the acceleration of gravity
  • is the inclination of the pipe
  • t is the time
  • pi ,t represents the steam pressure of node i at time t
  • p j,t represents the steam pressure of node j at time t
  • v i,t+1 represents the steam flow rate of node i at time t+1
  • v j , t+1 represents the steam flow rate of node j at time t+1;
  • G ij represents the flow at the head end of branch ij
  • G ji represents the flow at the end of branch ij
  • ⁇ i is the steam flow rate at node i
  • ⁇ j is the steam flow rate at node j.
  • G i, t+1 is the flow of node i at time t+1
  • G i, t is the flow of node i at time t
  • G j, t+1 is the flow of node j at time t+1
  • G j, t is the flow rate of node j at time t
  • p i, t is the steam pressure of node i at time t
  • p j, t is the steam pressure of node j at time t
  • v i, t is the steam pressure of node i at time t
  • v j,t is the steam flow rate of node j at time t
  • ⁇ t is the time step
  • L ij is the length of pipeline ij
  • ⁇ i,t is the steam density of node i at time t
  • ⁇ j,t represents the steam density of node j at time t.
  • G ki represents the flow of branch ki into node i
  • G il represents the flow of branch il out of node i
  • the specific process of establishing the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network according to the branch equation and the node equation includes:
  • W represents the covariance matrix composed of measured values
  • x represents the vector composed of all measured variables
  • p is the actual pressure of steam
  • N is the number of nodes
  • M is the number of branches
  • p 1 is the actual steam pressure of node 1
  • p N is the actual steam pressure of node N
  • G 1 is the flow of branch 1
  • G M is the flow of branch M
  • It is the sensor sampling value of branch M flow.
  • the specific process of using the hill-climbing method to solve the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network established according to the branch equation and node equation includes:
  • a dynamic operation hydraulic state estimation system for a steam heating network comprising: an obtaining unit, the obtaining unit is used to obtain parameters, and the parameters obtained by the obtaining unit include the steam flow G, the steam flow velocity v, the steam density ⁇ , and the steam pressure p of each pipeline. , the inner diameter D of the pipeline, the inclination angle ⁇ of the pipeline, the number of nodes N and the number of branches M; the input unit, the input unit is used to input the parameters into the state estimation model; the estimation unit, the estimation unit is used for the state estimation model to determine the hydraulic state according to the parameters.
  • the establishment method of the state estimation model in the estimation unit specifically includes:
  • the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network is established.
  • the estimation unit is used for the state estimation model to determine the hydraulic state according to the parameters, which specifically includes: solving the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network established according to the branch equation and the node equation;
  • the steam flow, steam velocity, steam density and steam pressure state of all pipelines are calculated, which is the hydraulic state.
  • the specific process of establishing the branch equation of the steam heating pipeline in the estimation unit includes:
  • is the steam density
  • v is the steam flow rate
  • is the time dimension
  • x is the one-dimensional space dimension along the direction of the steam heating pipeline
  • p is the steam pressure
  • is the friction coefficient of the pipeline
  • D is the inner diameter of the pipeline
  • g is the acceleration of gravity
  • is the inclination of the pipeline
  • t is the time
  • G ij represents the flow at the head end of branch ij
  • G ji represents the flow at the end of branch ij
  • ⁇ i is the steam flow rate at node i
  • ⁇ j is the steam flow rate at node j.
  • G ki represents the flow of branch ki into node i
  • G il represents the flow of branch il out of node i
  • the specific process that the estimation unit is used to establish the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network according to the branch equation and the node equation includes:
  • W represents the covariance matrix composed of measured values
  • x represents the vector composed of all measured variables
  • p is the actual pressure of steam
  • N is the number of nodes
  • M is the number of branches
  • p 1 is the actual steam pressure of node 1
  • p N is the actual steam pressure of node N
  • G 1 is the flow of branch 1
  • G M is the flow of branch M
  • It is the sensor sampling value of branch M flow.
  • the estimation unit is used to solve the dynamic operation hydraulic state estimation model of the steam heating network established according to the branch equation and the node equation.
  • the specific process of using the hill-climbing method includes:

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Abstract

本发明涉及一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法,所述方法包括:获取参数,所述参数包括每条管道的蒸汽流量G、蒸汽流速v、蒸汽密度ρ、蒸汽压强p、管道内径D、管道倾角α,节点数N和支路数M;将所述参数输入到状态估计模型中;所述状态估计模型根据所述参数确定水力状态。本发明提出的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法及系统,适应工程现场的蒸汽网络动态工况,能够对蒸汽网络的水力运行状态做出精确估计,提高水力运行数据的采集质量,确保网络处于安全运行状态。

Description

一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法及系统 技术领域
本发明属于综合能源系统的运行控制技术领域,特别涉及一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法及系统。
背景技术
凭借高能量密度的特点,蒸汽在食品、制造等工业中存在广泛应用,与之对应的能源消耗在国民经济总能耗中占比很大。为充分共享蒸汽传输基础设施,相关工厂通常聚集成工业园区并建立蒸汽网络。为确保蒸汽网络的安全运行与高质量数据采集,有必要对其进行状态估计。这其中,与网络安全息息相关的水力状态估计尤为重要。供热网络是综合能源系统中非常重要的一部分,目前已有很多研究通过利用能源网络中供热网络的灵活性提高新能源的渗透率和能源利用率,在这些研究中均考虑热水为供热网络供热介质,但是在很多工业园区供热网络会选择高温高压蒸汽作为供热介质。相比较于热水管网,蒸汽管网的传输过程更加复杂,成为利用蒸汽管网的灵活性对综合能源系统进行组合分析和优化的一大障碍。
目前已有一部分对蒸汽网络进行水力状态估计的方法研究,但是普遍基于稳态运行工况展开。事实上,工程现场的蒸汽网络由于供、需的非实时平衡特点,大部分时间都处于动态运行工况,即蒸汽流量、压力随时间波动。此时,基于稳态方程的水力状态估计会导致较大的估计误差。
因此,基于稳态方程的水力状态估计会导致较大的估计误差等问题越来越成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法及系统,本发明从描述蒸汽动态特性的流体力学方程出发,建立蒸汽供热网络的动态运行水力状态估计模型,并提出相应的求解方法,从而提高水力状态估计精度,实现蒸汽网络运行状态的更有效监测。
本发明提供一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法,所述方法包括:
获取参数,所述参数包括每条管道的蒸汽流量G、蒸汽流速v、蒸汽密度ρ、蒸汽压强p、管道内径D、管道倾角α,节点数N和支路数M;
将所述参数输入到状态估计模型中;
所述状态估计模型根据所述参数确定水力状态。
进一步地,所述状态估计模型的建立方法具体包括:
建立蒸汽供热管道的支路方程;
建立不同所述蒸汽供热管道的连接处的节点方程;
根据所述支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型。
进一步地,所述状态估计模型根据所述参数确定水力状态具体包括:
求解根据所述支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
根据所述状态估计模型算出所有管道的蒸汽流量、蒸汽流速、蒸汽密度和蒸汽压强状态。
进一步地,所述建立蒸汽供热管道的支路方程具体过程包括:
将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其质量守恒方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000001
其中,ρ为蒸汽密度,v为蒸汽流速,τ表示时间维度,x表示沿蒸汽供热管道方向的一维空间维度;
将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其动量守恒方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000002
其中,p为蒸汽压强,λ为管道摩擦系数,D为管道内径, x为重力加速度,α为管道倾角,t为时间;
建立蒸汽的状态方程:
p i=ρ iRT i
p j=ρ jRT j
其中,p i为节点i处的蒸汽压强,p j为节点j处的蒸汽压强,ρ i为节点i处的蒸汽密度,ρ j为节点j处的蒸汽密度,R为蒸汽在运行工况附近拟合的气体常数,T i是节点i处蒸汽的量测温度,T j是节点j处蒸汽的量测温度;
建立管道内蒸汽的流量方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000003
Figure PCTCN2021114055-appb-000004
其中,G ij表示支路ij首端的流量,G ji表示支路ij末端的流量,ν i为节点i处的蒸汽流速,ν j为节点j处的蒸汽流速。
进一步地,所述建立不同所述蒸汽供热管道的连接处的节点方程为:
Figure PCTCN2021114055-appb-000005
其中,G ki表示支路ki流入节点i的流量,G il表示支路il流出节点i的流量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000006
为流入节点i的支路集,
Figure PCTCN2021114055-appb-000007
为流出节点i的支路集。
进一步地,所述根据所述支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的具体过程包括:
以最小化考虑协方差的均方误差为目标,建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的目标函数:
Figure PCTCN2021114055-appb-000008
其中,W表示量测值构成的协方差矩阵,x表示所有量测变量组成的向量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000009
表示所有量测值组成的向量,具体为:
x=[p 1,…,p N,G 1,…,G M] T
Figure PCTCN2021114055-appb-000010
其中,p为蒸汽的实际压强,N为节点数,M为支路数,p 1为节点1的蒸汽实际压强,p N为节点N的蒸汽实际压强,G 1为支路1的流量,G M为支路M的流量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000011
为节点1蒸汽压强的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000012
为节点N蒸汽压强的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000013
为支路1流量的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000014
为支路M流量的传感器采样值。
进一步地,所述求解根据所述支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的具体流程包括:
S1:固定所有流速变量,求解作为线性规划问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
S2:固定S1中求解得到的流量变量,求解作为线性规划问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
S3:检查收敛性,当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与S2事前固定的流量之差的范数小于给定阈值,则求解收敛;
当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与S2事前固定的流量之差的范数大于或等于给定阈值,则返回S1-S2,继续迭代。
本发明还提供一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计系统,所述系统包括:
获取单元,所述获取单元用于获取参数,所述参数包括每条管道的蒸汽流量G、蒸汽流速v、蒸汽密度ρ、蒸汽压强p、管道内径D、管道倾角α,节点数N和支路数M;
输入单元,所述输入单元用于将所述参数输入到状态估计模型中;
估计单元,所述估计单元用于所述状态估计模型根据所述参数确定水力状态。
进一步地,所述估计单元中的所述状态估计模型的建立方法具体包括:
建立蒸汽供热管道的支路方程;
建立不同所述蒸汽供热管道的连接处的节点方程;
根据所述支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型。
进一步地,所述估计单元用于所述状态估计模型根据所述参数确定水力状态具体包括:
求解根据所述支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
根据所述状态估计模型算出所有管道的蒸汽流量、蒸汽流速、蒸汽密度和蒸汽压强状态。
进一步地,所述估计单元中建立蒸汽供热管道的支路方程具体过程包括:
将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其质量守恒方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000015
其中,ρ为蒸汽密度,v为蒸汽流速,τ表示时间维度,x表示沿蒸汽供热管道方向的一维空间维度;
将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其动量守恒方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000016
其中,p为蒸汽压强,λ为管道摩擦系数,D为管道内径,g为重力加速度,α为管道倾角,t为时间;
建立蒸汽的状态方程:
p i=ρ iRT i
p j=ρ jRT j
其中,p i为节点i处的蒸汽压强,p j为节点j处的蒸汽压强,ρ i为节点i处的蒸汽密度,ρ j为节点j处的蒸汽密度,R为蒸汽在运行工况附近拟合的 气体常数,T i是节点i处蒸汽的量测温度,T j是节点j处蒸汽的量测温度;
建立管道内蒸汽的流量方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000017
Figure PCTCN2021114055-appb-000018
其中,G ij表示支路ij首端的流量,G ji表示支路ij末端的流量,ν i为节点i处的蒸汽流速,ν j为节点j处的蒸汽流速。
进一步地,所述估计单元用于建立不同所述蒸汽供热管道的连接处的节点方程为:
Figure PCTCN2021114055-appb-000019
其中, Gki表示支路ki流入节点i的流量,G il表示支路il流出节点i的流量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000020
为流入节点i的支路集,
Figure PCTCN2021114055-appb-000021
为流出节点i的支路集。
进一步地,所述估计单元用于根据所述支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的具体过程包括:
以最小化考虑协方差的均方误差为目标,建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的目标函数:
Figure PCTCN2021114055-appb-000022
其中,W表示量测值构成的协方差矩阵,x表示所有量测变量组成的向量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000023
表示所有量测值组成的向量,具体为:
x=[p 1,…,p N,G 1,…,G M] T
Figure PCTCN2021114055-appb-000024
其中,p为蒸汽的实际压强,N为节点数,M为支路数,p 1为节点1的蒸汽实际压强,p N为节点N的蒸汽实际压强,G 1为支路1的流量,G M为支路M的流量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000025
为节点1蒸汽压强的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000026
为节点N蒸汽压强的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000027
为支路1流量的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000028
为支路M流量的传 感器采样值。
进一步地,所述估计单元用于求解根据所述支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型采用爬山法的具体流程包括:
S1:固定所有流速变量,求解作为线性规划问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
S2:固定S1中求解得到的流量变量,求解作为线性规划问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
S3:检查收敛性,当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与S2事前固定的流量之差的范数小于给定阈值,则求解收敛;
当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与S2事前固定的流量之差的范数大于或等于给定阈值,则返回S1-S2,继续迭代。
本发明提出一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法及系统,从而适应工程现场的蒸汽网络动态工况,对蒸汽网络的水力运行状态做出精确估计,提高水力运行数据的采集质量,确保网络处于安全运行状态。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地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在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法流程图。
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中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明,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。 基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法,如图1所示,图1示出了根据本发明实施例的一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法流程图,具体估计方法包括:
获取参数,参数包括每条管道的蒸汽流量G、蒸汽流速v、蒸汽密度ρ、蒸汽压强p、管道内径D、管道倾角α,节点数N和支路数M,采用传感器采集上述参数。
将参数输入到状态估计模型中,状态估计模型根据参数确定水力状态。
具体地,状态估计模型的建立方法具体包括:
建立蒸汽供热管道的支路方程;建立不同蒸汽供热管道的连接处的节点方程;根据支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型。
状态估计模型根据参数确定水力状态具体包括:
求解根据支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
根据状态估计模型算出所有管道的蒸汽流量、蒸汽流速、蒸汽密度和蒸汽压强状态,即为水力状态。
建立蒸汽供热管道的支路方程(也称为蒸汽供热管道的水力模型)具体过程包括:
将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其质量守恒方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000029
其中,ρ为蒸汽密度,v为蒸汽流速,τ表示时间维度,x表示沿蒸汽供热管道方向的一维空间维度;
为确保上述质量守恒方程在计算机上可处理,将上述偏微分方程转换为差分方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000030
其中,i为蒸汽供热管道的首端、j为蒸汽供热管道的末端,ρ i,t表示节点i在t时刻的蒸汽密度,ρ i,t+1表示节点i在t+1时刻的蒸汽密度,ρ j,t表示节点j在t时刻的蒸汽密度,ρ j,t+1表示节点j在t+1时刻的蒸汽密度,v i,t表示节点i在t时刻的蒸汽流速,v j,t表示节点j在t时刻的蒸汽流速,Δt表示时间步长,L ij表示管道ij的长度;
将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其动量守恒方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000031
其中,p为蒸汽压强,λ为管道摩擦系数,D为管道内径,g为重力加速度,α为管道倾角,t为时间;
为确保上述动量守恒方程在计算机上可处理,将上述偏微分方程转换为差分方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000032
其中,p i,t表示节点i在t时刻的蒸汽压力,p j,t表示节点j在t时刻的蒸汽压力,v i,t+1表示节点i在t+1时刻的蒸汽流速,v j,t+1表示节点j在t+1时刻的蒸汽流速;
建立蒸汽的状态方程:
p i=ρ iRT i
p j=ρ jRT j
其中,p i为节点i处的蒸汽压强,p j为节点j处的蒸汽压强,ρ i为节点i处的蒸汽密度,ρ j为节点j处的蒸汽密度,R为蒸汽在运行工况附近拟合的气体常数,T i是节点i处蒸汽的量测温度,T j是节点j处蒸汽的量测温度;
建立管道内蒸汽的流量方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000033
Figure PCTCN2021114055-appb-000034
其中,G ij表示支路ij首端的流量,G ji表示支路ij末端的流量,ν i为节点i处的蒸汽流速,ν j为节点j处的蒸汽流速。
针对每一条管道的支路方程,将三次等式约束式,转换为双线性约束:
Figure PCTCN2021114055-appb-000035
其中,G i,t+1为节点i在t+1时刻的流量,G i,t为节点i在t时刻的流量,G j,t+1为节点j在t+1时刻的流量,G j,t为节点j在t时刻的流量,p i,t表示节点i在t时刻的蒸汽压力,p j,t表示节点j在t时刻的蒸汽压力,v i,t表示节点i在t时刻的蒸汽流速,v j,t表示节点j在t时刻的蒸汽流速,Δt表示时间步长,L ij表示管道ij的长度,ρ i,t表示节点i在t时刻的蒸汽密度,ρ j,t表示节点j在t时刻的蒸汽密度。
建立不同蒸汽供热管道的连接处的节点方程(也称为拓扑约束方程)为:
Figure PCTCN2021114055-appb-000036
其中,G ki表示支路ki流入节点i的流量,G il表示支路il流出节点i的流量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000037
为流入节点i的支路集,
Figure PCTCN2021114055-appb-000038
为流出节点i的支路集。
根据支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的具体过程包括:
以最小化考虑协方差的均方误差为目标,建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的目标函数:
Figure PCTCN2021114055-appb-000039
其中,W表示量测值构成的协方差矩阵,x表示所有量测变量组成的向量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000040
表示所有量测值组成的向量,具体为:
x=[p 1,…,p N,G 1,…,G M] T
Figure PCTCN2021114055-appb-000041
其中,p为蒸汽的实际压强,N为节点数,M为支路数,p 1为节点1的蒸汽实际压强,p N为节点N的蒸汽实际压强,G 1为支路1的流量,G M为支路M的流量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000042
为节点1蒸汽压强的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000043
为节点N蒸汽压强的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000044
为支路1流量的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000045
为支路M流量的传感器采样值。
求解根据支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型采用爬山法的具体流程包括:
S1:固定所有流速变量,求解作为线性规划问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
S2:固定S1中求解得到的流量变量,求解作为LP问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
S3:检查收敛性,当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与该步骤事前固定的流量之差的范数小于给定阈值,则求解收敛;
当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与该步骤事前固定的流量之差的范数大于或等于给定阈值,则返回S1-S2,继续迭代,S1与S2由Cplex或Gurobi商业求解器完成。
一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计系统,包括:获取单元,获取单元用于获取参数,获取单元获取的参数包括每条管道的蒸汽流量G、蒸汽流速v、蒸汽密度ρ、蒸汽压强p、管道内径D、管道倾角α、节点数N和支路数M;输入单元,输入单元用于将参数输入到状态估计模型中;估计单元,估计单元用于状态估计模型根据参数确定水力状态。
估计单元中的状态估计模型的建立方法具体包括:
建立蒸汽供热管道的支路方程;
建立不同蒸汽供热管道的连接处的节点方程;
根据支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型。
估计单元用于状态估计模型根据参数确定水力状态具体包括:求解根据支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
根据状态估计模型算出所有管道的蒸汽流量、蒸汽流速、蒸汽密度和蒸汽压强状态,即为水力状态。
估计单元中建立蒸汽供热管道的支路方程具体过程包括:
将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其质量守恒方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000046
其中,ρ为蒸汽密度,v为蒸汽流速,τ表示时间维度,x表示沿蒸汽供热管道方向的一维空间维度;
将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其动量守恒方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000047
其中,p为蒸汽压强,λ为管道摩擦系数,D为管道内径,g为重力加速度,α为管道倾角,t为时间;
建立蒸汽的状态方程:
p i=ρ iRT i
p j=ρ jRT j
其中,p i为节点i处的蒸汽压强,p j为节点j处的蒸汽压强,ρ i为节点i处的蒸汽密度,ρ j为节点j处的蒸汽密度,R为蒸汽在运行工况附近拟合的气体常数,T i是节点i处蒸汽的量测温度,T j是节点j处蒸汽的量测温度;
建立管道内蒸汽的流量方程:
Figure PCTCN2021114055-appb-000048
Figure PCTCN2021114055-appb-000049
其中,G ij表示支路ij首端的流量,G ji表示支路ij末端的流量,ν i为节点i处的蒸汽流速,ν j为节点j处的蒸汽流速。
估计单元用于建立不同蒸汽供热管道的连接处的节点方程为:
Figure PCTCN2021114055-appb-000050
其中,G ki表示支路ki流入节点i的流量,G il表示支路il流出节点i的流量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000051
为流入节点i的支路集,
Figure PCTCN2021114055-appb-000052
为流出节点i的支路集。
估计单元用于根据支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的具体过程包括:
以最小化考虑协方差的均方误差为目标,建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的目标函数:
Figure PCTCN2021114055-appb-000053
其中,W表示量测值构成的协方差矩阵,x表示所有量测变量组成的向量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000054
表示所有量测值组成的向量,具体为:
x=[p 1,…,p N,G 1,…,G M] T
Figure PCTCN2021114055-appb-000055
其中,p为蒸汽的实际压强,N为节点数,M为支路数,p 1为节点1的蒸汽实际压强,p N为节点N的蒸汽实际压强,G 1为支路1的流量,G M为支路M的流量,
Figure PCTCN2021114055-appb-000056
为节点1蒸汽压强的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000057
为节点N蒸汽压强的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000058
为支路1流量的传感器采样值,
Figure PCTCN2021114055-appb-000059
为支路M流量的传感器采样值。
估计单元用于求解根据支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型采用爬山法的具体流程包括:
S1:固定所有流速变量,求解作为线性规划问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
S2:固定S1中求解得到的流量变量,求解作为线性规划问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
S3:检查收敛性,当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与该步骤事前固定的流量之差的范数小于给定阈值,则求解收敛;
当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与该步骤事前固定的流量之差的范数大于或等于给定阈值,则返回S1-S2,继续迭代。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

  1. 一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法,其特征在于,所述方法包括:
    获取参数,所述参数包括每条管道的蒸汽流量G、蒸汽流速v、蒸汽密度ρ、蒸汽压强p、管道内径D、管道倾角α,节点数N和支路数M;
    将所述参数输入到状态估计模型中;
    所述状态估计模型根据所述参数确定水力状态。
  2. 根据权利要求1所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法,其特征在于,
    所述状态估计模型的建立方法具体包括:
    建立蒸汽供热管道的支路方程;
    建立不同所述蒸汽供热管道的连接处的节点方程;
    根据所述支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型。
  3. 根据权利要求2所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法,其特征在于,
    所述状态估计模型根据所述参数确定水力状态具体包括:
    求解根据所述支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
    根据所述状态估计模型算出所有管道的蒸汽流量、蒸汽流速、蒸汽密度和蒸汽压强状态。
  4. 根据权利要求2所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法,其特征在于,所述建立蒸汽供热管道的支路方程具体过程包括:
    将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其质量守恒方程:
    Figure PCTCN2021114055-appb-100001
    其中,ρ为蒸汽密度,v为蒸汽流速,τ表示时间维度,x表示沿蒸汽供 热管道方向的一维空间维度;
    将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其动量守恒方程:
    Figure PCTCN2021114055-appb-100002
    其中,p为蒸汽压强,λ为管道摩擦系数,D为管道内径,g为重力加速度,α为管道倾角,t为时间;
    建立蒸汽的状态方程:
    p i=ρ iRT i
    p j=ρ jRT j
    其中,p i为节点i处的蒸汽压强,p j为节点j处的蒸汽压强,ρ i为节点i处的蒸汽密度,ρ j为节点j处的蒸汽密度,R为蒸汽在运行工况附近拟合的气体常数,T i是节点i处蒸汽的量测温度,T j是节点j处蒸汽的量测温度;
    建立管道内蒸汽的流量方程:
    Figure PCTCN2021114055-appb-100003
    Figure PCTCN2021114055-appb-100004
    其中,G ij表示支路ij首端的流量,G ji表示支路ij末端的流量,ν i为节点i处的蒸汽流速,ν j为节点j处的蒸汽流速。
  5. 根据权利要求2所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法,其特征在于,
    所述建立不同所述蒸汽供热管道的连接处的节点方程为:
    Figure PCTCN2021114055-appb-100005
    其中,G ki表示支路ki流入节点i的流量,G il表示支路il流出节点i的流量,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100006
    为流入节点i的支路集,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100007
    为流出节点i的支路集。
  6. 根据权利要求2所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法,其特征在于,
    所述根据所述支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的具体过程包括:
    以最小化考虑协方差的均方误差为目标,建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的目标函数:
    Figure PCTCN2021114055-appb-100008
    其中,W表示量测值构成的协方差矩阵,x表示所有量测变量组成的向量,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100009
    表示所有量测值组成的向量,具体为:
    x=[p 1,…,p N,G 1,…,G M] T
    Figure PCTCN2021114055-appb-100010
    其中,p为蒸汽的实际压强,N为节点数,M为支路数,p 1为节点1的蒸汽实际压强,p N为节点N的蒸汽实际压强,G 1为支路1的流量,G M为支路M的流量,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100011
    为节点1蒸汽压强的传感器采样值,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100012
    为节点N蒸汽压强的传感器采样值,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100013
    为支路1流量的传感器采样值,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100014
    为支路M流量的传感器采样值。
  7. 根据权利要求3所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法,其特征在于,
    所述求解根据所述支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的具体流程包括:
    S1:固定所有流速变量,求解作为线性规划问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
    S2:固定S1中求解得到的流量变量,求解作为线性规划问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
    S3:检查收敛性,当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与S2事前固定的流量之差的范数小于给定阈值,则求解收敛;
    当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与S2事前固定的流量 之差的范数大于或等于给定阈值,则返回S1-S2,继续迭代。
  8. 一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计系统,其特征在于,所述系统包括:
    获取单元,所述获取单元用于获取参数,所述参数包括每条管道的蒸汽流量G、蒸汽流速v、蒸汽密度ρ、蒸汽压强p、管道内径D、管道倾角α,节点数N和支路数M;
    输入单元,所述输入单元用于将所述参数输入到状态估计模型中;
    估计单元,所述估计单元用于所述状态估计模型根据所述参数确定水力状态。
  9. 根据权利要求8所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计系统,其特征在于,
    所述估计单元中的所述状态估计模型的建立方法具体包括:
    建立蒸汽供热管道的支路方程;
    建立不同所述蒸汽供热管道的连接处的节点方程;
    根据所述支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型。
  10. 根据权利要求9所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计系统,其特征在于,
    所述估计单元用于所述状态估计模型根据所述参数确定水力状态具体包括:
    求解根据所述支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
    根据所述状态估计模型算出所有管道的蒸汽流量、蒸汽流速、蒸汽密度和蒸汽压强状态。
  11. 根据权利要求9所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计系统,其特征在于,
    所述估计单元中建立蒸汽供热管道的支路方程具体过程包括:
    将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其质量守 恒方程:
    Figure PCTCN2021114055-appb-100015
    其中,ρ为蒸汽密度,v为蒸汽流速,τ表示时间维度,x表示沿蒸汽供热管道方向的一维空间维度;
    将蒸汽供热管道内蒸汽简化为沿管道方向的一维流动,建立其动量守恒方程:
    Figure PCTCN2021114055-appb-100016
    其中,p为蒸汽压强,λ为管道摩擦系数,D为管道内径,g为重力加速度,α为管道倾角,t为时间;
    建立蒸汽的状态方程:
    p i=ρ iRT i
    p j=ρ jRT j
    其中,p i为节点i处的蒸汽压强,p j为节点j处的蒸汽压强,ρ i为节点i处的蒸汽密度,ρ j为节点j处的蒸汽密度,R为蒸汽在运行工况附近拟合的气体常数,T i是节点i处蒸汽的量测温度,T j是节点j处蒸汽的量测温度;
    建立管道内蒸汽的流量方程:
    Figure PCTCN2021114055-appb-100017
    Figure PCTCN2021114055-appb-100018
    其中,G ij表示支路ij首端的流量,G ji表示支路ij末端的流量,ν i为节点i处的蒸汽流速,ν j为节点j处的蒸汽流速。
  12. 根据权利要求9所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计系统,其特征在于,
    所述估计单元用于建立不同所述蒸汽供热管道的连接处的节点方程 为:
    Figure PCTCN2021114055-appb-100019
    其中,G ki表示支路ki流入节点i的流量,G il表示支路il流出节点i的流量,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100020
    为流入节点i的支路集,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100021
    为流出节点i的支路集。
  13. 根据权利要求9所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计系统,其特征在于,
    所述估计单元用于根据所述支路方程和节点方程建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的具体过程包括:
    以最小化考虑协方差的均方误差为目标,建立蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型的目标函数:
    Figure PCTCN2021114055-appb-100022
    其中,W表示量测值构成的协方差矩阵,x表示所有量测变量组成的向量,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100023
    表示所有量测值组成的向量,具体为:
    x=[p 1,…,p N,G 1,…,G M] T
    Figure PCTCN2021114055-appb-100024
    其中,p为蒸汽的实际压强,N为节点数,M为支路数,p 1为节点1的蒸汽实际压强,p N为节点N的蒸汽实际压强,G 1为支路1的流量,G M为支路M的流量,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100025
    为节点1蒸汽压强的传感器采样值,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100026
    为节点N蒸汽压强的传感器采样值,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100027
    为支路1流量的传感器采样值,
    Figure PCTCN2021114055-appb-100028
    为支路M流量的传感器采样值。
  14. 根据权利要求10所述的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计系统,其特征在于,
    所述估计单元用于求解根据所述支路方程和节点方程建立的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型采用爬山法的具体流程包括:
    S1:固定所有流速变量,求解作为线性规划问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
    S2:固定S1中求解得到的流量变量,求解作为线性规划问题的蒸汽供热网络动态运行水力状态估计模型;
    S3:检查收敛性,当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与S2事前固定的流量之差的范数小于给定阈值,则求解收敛;
    当S2中得到的流速依据流量方程反推出的流量与S2事前固定的流量之差的范数大于或等于给定阈值,则返回S1-S2,继续迭代。
PCT/CN2021/114055 2021-02-01 2021-08-23 一种蒸汽供热网络动态运行水力状态估计方法及系统 WO2022160681A1 (zh)

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