一种构建供热管网动态热力模型的整合方法技术

一种构建供热管网动态热力模型的整合方法，它属于集中供热系统领域，该方法主要步骤：管道模型建立，管道的动态热力模型由节点法建立；节点模型建立，节点模型根据能量守恒建立；管网动态热力建模，基于所发明专利技术的整合方法，构建流入管道矩阵、流入管道的起始节点矩阵、流入管道数量矩阵和管道起始节点矩阵，进而整合所有节点和管道建立供热管网动态热力模型。利用本发明专利技术供热系统动态热力模型可以模拟获得供热系统的动态热力工况，本发明专利技术可用在多热源、环状、非对称和动态水力工况的供热系统中。

An Integration Method for Constructing Dynamic Thermodynamic Model of Heating Pipeline Network

【技术实现步骤摘要】
一种构建供热管网动态热力模型的整合方法
本专利技术属于集中供热系统领域，特别涉及一种构建供热管网动态热力模型的整合方法。
技术介绍
供热系统的动态热力工况分析不仅对供热系统的运行调节、保证供热质量具有重要作用，对风电等随机波动的可再生能源在供热系统的应用也起到关键作用。供热管网作为供热系统中各组成部件的连接结构，完整供热管网的动态热力模型的建立对于供热系统的动态热力工况分析具有决定性的作用。但是在已发表的供热系统动态热力工况模型中，供热管网的模型通常都只用管道和节点的动态热力模型来表示，没有说明如何使用管道和节点的动态热力模型构建完整的供热管网动态热力模型，因此，无法获得供热系统的动态热力工况，进而优化热源的供热量，节约系统的运行能耗。在不影响供热系统安全、稳定运行的情况下，也无法真正利用供热系统的热惯性提高热电机组运行灵活性促进可再生能源消纳。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术不足，提供一种构建供热管网动态热力模型的整合方法。该方法适用性强，可以建立包含多热源、环状、非对称和动态水力工况的供热系统动态热力模型。一种构建供热管网动态热力模型的整合方法，它包括以下步骤：管道模型建立：管道的动态热力模型由节点法建立，首先，考虑温度在管道中的传递时间，由管道进口温度确定管道初始出口温度，在当前时间周期τ，管道初始出口温度可通过公式(1)获得：式中T′out,τ为τ周期的管道初始出口温度(℃)；Tin,τ-n为τ-n周期的管道进口温度(℃)；Vτ为τ周期的管道流体的体积流量(m3/s)；τ为当前时间周期(s)；Δτ为周期时间间隔(s)；n为流体体积填满管道所需的最小时间周期数，其满足公式(2)m为大于流体体积填满管道与当前时刻流体体积的最小时间周期数，其满足公式(3)W为管道容积(m3)；X为流体从时间周期τ-n到τ流进管道的体积，其满足公式(4)Y为表示流体在一定周期内流过管道的体积(m3)，其满足公式(5)Z为Y和X的差值与相应周期的温度的乘积，其满足公式(6)进一步，考虑流体在管道中的散热损失，由管道初始出口温度确定管道出口温度，将管道分成小微元，对每个微元根据散热公式进行计算并积分，可以获得管道的出口温度，可通过公式(7)获得，Tout,τ为τ周期的管道出口温度(℃)；Te,τ为τ周期的环境温度(℃)；K为流体与环境之间的总传热系数(W/(m.℃))；d为管道直径(m)；ρf为流体的密度(kg/m3)；cp,f为流体的定压比热(J/(kg·℃))；Vτ-n为τ-n周期的管道流体的体积流量(m3/s)；节点模型建立：在节点模型中，任意一个与节点i相关的温度有三个，分别为和为τ周期流入节点i的j管道的出口温度、为τ周期i节点温度、为τ周期流出节点i的k管道的进口温度；有p根管道的流体流向节点i，同时有q根管道的流体流出节点i，则每个节点的热平衡方程可以写成方程(8)；式中，为j管道在τ周期的质量流量(kg/s)；为j管道在τ周期的出口温度(℃)；为τ周期节点i的温度(℃)；为k管道在τ周期的进口温度(℃)；j为流入节点i的第j根管道；k为流出节点i的第k根管道；p为流入节点i的管道数量；q为流出节点i的管道数量；管网动态热力建模：空间管网的节点和管道的连接关系使用图论的关联矩阵A＝(aij)描述，在关联矩阵A中，每一行代表一个节点，每一列代表一根管道，矩阵A中的元素按下面的方式规定：1表示管道j的流体离开节点i，-1表示管道j的流体流向节点i，0表示节点与管道不关联；定义：流入管道矩阵为C、流入管道的起始节点矩阵为D、流入管道的数量矩阵为E和管道起始节点矩阵为F来获取隐藏在关联矩阵A中的信息，所述流入管道矩阵C用来获取流向节点i的管道；流入管道的起始节点矩阵D用来获取流向节点i的管道的起始节点；管道起始节点矩阵F用来获取流向节点i的管道的个数；流入管道的数量矩阵E用来获取每根管道的起始节点；这些矩阵可以通过以下方法获得：C：找到关联矩阵A中每一行最小值-1所在的列数并储存在流入管道矩阵C中；D：找到流入管道矩阵C中每个数对应关联矩阵A中列数的最大值1所在的行数并储存在流入管道的起始节点矩阵D中；E：储存流向节点i的管道的个数；F：找到关联矩阵A中每一列的最大值1所在行数储存在管道起始节点矩阵F中；基于流入管道矩阵C、流入管道的起始节点矩阵D、流入管道的数量矩阵E和管道起始节点矩阵F，将公式(1)和(7)代入公式(8)中，可得公式(9)；利用公式(9)可以完整的模拟供热管网的动态热力工况；其中，式中，T为管网节点温度矩阵；G为管道质量流量矩阵；Te为室外温度矩阵；V为管道体积流量矩阵；W，X，Y，Z为与管道参数W，X，Y，Z对应的矩阵；M，N为与管道参数m，n对应的矩阵。本专利技术相比现有技术的有益效果是：供热管网通常包含成百上千的管道和节点，本专利技术首先利用能量平衡方程建立管道和节点的动态热力模型，在管道模型中同时考虑温度在管道中流动的散热损失和传递时间，最后利用所提出的整合方法方法连接所有的管道和节点模型，构建完整的供热管网动态热力模型。具体是以节点为关注对象，通过定义：流入管道矩阵C、流入管道的起始节点矩阵D、流入管道数量矩阵E和管道起始节点矩阵F来挖掘储存在关联矩阵A的管道和节点连接关系，并在每一个计算周期，同步计算每个节点的温度，从而真正构建完整供热管网的动态热力模型。利用该供热系统动态热力模型可以模拟获得供热系统的动态热力工况，包括热源的回水温度，通过模拟的热源回水温度，优化热源的供热量，节约系统的运行能耗；同时，在热电联合系统中，只有获得供热系统的动态热力工况，才能在不影响供热系统安全、稳定运行的情况下，真正利用供热系统的热惯性提高热电机组运行灵活性，即该模型为真正利用供热系统热惯性提升热电机组的灵活性提供了实际可行的解决方法。该方法可以应用在多热源、环状、非对称和动态水力工况的供热系统中，同时对于不同的管道动态热力模型同样适用。下面结合附图和实施方式对本专利技术作进一步地说明：附图说明图1为本专利技术的管道模型建立的节点法原理图；图2为节点模型中连接管道的节点示意图；图3为一个实施例中连接管道标有14个节点的供热系统的示意图；图4为图3中供热系统标有17根管道和管道流向的示意图；图5为另一个实施例中供热系统示意图；图6为另一个实施例中供热系统某一天热源的供水温度和室外温度变化曲线图；图7为另一个实施例中热源供水温度和利用本专利技术模型模拟分析得到的换热站供水温度曲线图；图8为另一个实施例中热源供水温度和基于本专利技术模型模拟分析得到的热源回水温度曲线图。具体实施方式参见图1-图2所示，一种构建供热管网动态热力模型的整合方法它包括以下步骤：管道模型建立：当流体在管道中传播时，管道出口温度相对于管道进口温度有时间延迟；同时在流体传播过程中，由于流体与外环境进行热量交换，就会造成流体的热损失。在本实施方式中管道的动态热力模型由节点法建立，节点法的基本原理是先考虑温度在管道中的传递时间，由管道进口温度确定管道出口初始温度；最后考虑流体在管道中的散热损失；节点法原理图见图1；首先，考虑温度在管道中的传递时间，由管道进口温度确定管道初始出口温度，在当前时间周期τ，管道初始出口温度可通过公式(1)获得：式中T′out,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种构建供热管网动态热力模型的整合方法，其特征在于：它包括以下步骤：管道模型建立：管道的动态热力模型由节点法建立，首先，考虑温度在管道中的传递时间，由管道进口温度确定管道初始出口温度，在当前时间周期τ，管道初始出口温度可通过公式(1)获得：

【技术特征摘要】
1.一种构建供热管网动态热力模型的整合方法，其特征在于：它包括以下步骤：管道模型建立：管道的动态热力模型由节点法建立，首先，考虑温度在管道中的传递时间，由管道进口温度确定管道初始出口温度，在当前时间周期τ，管道初始出口温度可通过公式(1)获得：式中T′out,τ为τ周期的管道初始出口温度(℃)；Tin,τ-n为τ-n周期的管道进口温度(℃)；Vτ为τ周期的管道流体的体积流量(m3/s)；τ为当前时间周期(s)；Δτ为周期时间间隔(s)；n为流体体积填满管道所需的最小时间周期数，其满足公式(2)m为大于流体体积填满管道与当前时刻流体体积的最小时间周期数，其满足公式(3)W为管道容积(m3)；X为流体从时间周期τ-n到τ流进管道的体积，其满足公式(4)Y为表示流体在一定周期内流过管道的体积(m3)，其满足公式(5)Z为Y和X的差值与相应周期的温度的乘积，其满足公式(6)进一步，考虑流体在管道中的散热损失，由管道初始出口温度确定管道出口温度，将管道分成小微元，对每个微元根据散热公式进行计算并积分，可以获得管道的出口温度，可通过公式(7)获得，Tout,τ为τ周期的管道出口温度(℃)；Te,τ为τ周期的环境温度(℃)；K为流体与环境之间的总传热系数(W/(m.℃))；d为管道直径(m)；ρf为流体的密度(kg/m3)；cp,f为流体的定压比热(J/(kg.℃))；Vτ-n为τ-n周期的管道流体的体积流量(m3/s)；节点模型建立：在节点模型中，任意一个与节点i相关的温度有三个，分别为和为τ周期流入节点i的j管道的出口温度、为τ周期i节点温度、为τ周期流出节点i的k管道的进口温度；有p根管道的流体流向节点i，同时有q根管道的流体流出节点i，则每个节点的热平衡方程可以写成方程(8)，式中，为j管道在τ周期的质量流量(kg/s)；为j管道在τ周期的出口温度(℃)；为τ周期节点i的温度(℃)；为k管道在τ周期的进口温度(℃)；j为流入节点i的第j根管道；k为流出节点i的第k根管道；p为流入节点i的管道数量；q为流出节点i的管道数量...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑进福，周志刚，赵加宁，王晋达，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23