一种热力网络动态仿真方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及热力网络动态仿真方法及装置，属于综合能源服务技术领域。通过建立热力网络的水力工况模型和热力工况模型，在水力工况模型的管路特性方程中，将密度作为变量处理，体现了在热网介质温度变化的状态下，密度这一物性参数对水力工况的影响；在热力工况模型的能量方程中，将密度和比热容作为变量处理，体现在热网介质温度变化的状态下，密度和比热容这两个物性参数对热力工况的影响。本发明专利技术的水力工况模型和热力工况模型计算出的温度结果更接近实际温度，误差小，可靠性高；通过能量方程中作为变化量的比热容，充分考虑了热力管网输送能量过程中管网中存量工质的储能效果，可有效反应出热力管网能量输送过程中的动态特征。

A dynamic simulation method and device of thermal network

【技术实现步骤摘要】
一种热力网络动态仿真方法及装置
本专利技术属于综合能源服务
，具体涉及一种热力网络动态仿真方法及装置。
技术介绍
综合能源服务是一种为满足终端客户多元化能源生产与消费的能源服务方式，由综合能源服务商统一管理其内部的配电网络，燃气供应网络，热力管网，供水网络等能源设备资产。在传统能源基础设施架构下，不同类型的能源之间具有明显的供需界限，能源的调控和利用效率低下，而且无法大规模接纳风能、太阳能等分布式电源以及电动汽车等柔性负荷。相比之下，新型的能源体系架构，即“能源互联网”，可以将可再生能源作为主要的能量供应源，通过互联网技术实现分布式电源、储能和可控负荷的灵活接入，冷、热、气、水、电等多种能源类型的优化互补。由冷热电综合能源系统、天然气系统以及储能单元等构成的多能系统，是能源互联网的物理核心，能够体现出能源互联网的“源网荷储”各环节形式多样性、“源荷储”交叉共建、能量转化机理和系统运行特性复杂等特征。在能源互联网背景下，“源-网-荷-储”协调优化有了更深层次的含义；“源”包括石油、电力、天然气等多种能源资源；“网”包括电网、石油管网、供热网等多种资源网络；“荷”不仅包括电力负荷，还有用户的多种能源需求；而“储”则主要指能源资源的多种仓储设施及储备方法，附图1给出了综合能源系统的典型构成。目前，由电力系统、热力系统以及燃料管网等构成的综合能源系统中，电力系统有较详细的设备动态模型和成熟的系统动态仿真手段；热力系统、燃料管网等非电能源系统，动态仿真有一定的模型和算法研究基础，从而对综合能源系统仿真奠定了基础。对于综合能源系统仿真的研究，目前综合能源系统稳态仿真分析开展的研究比较多，但动态仿真研究刚刚起步，现有的综合能源动态仿真中的建模方法对部分模型进行了较大简化，计算结果存在较大误差。现有的热力管网(即非能源系统)建模将工质物性参数作为常数处理，这就导致仿真模型计算出的管段内流体介质的温度不准确，与实际温度相比误差较大，无法体现在热网介质温度变化的状态下，对水力工况和热力工况的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种热力网络动态仿真方法及装置，用于解决现有技术的热力网络动态仿真计算出的无法管段内流体介质的温度误差大的问题。基于上述目的，一种热力网络动态仿真方法的技术方案如下：在热力网络的水力工况模型达到稳态的基础上，按照热力工况模型进行动态计算，从而建立热水集中供热管网的热力工况动态模型，以完成仿真；其中，所述水力工况模型包括：第一关系方程，用于表征热力网络的关联矩阵、各管段的流量与节点净出流量的关系，所述热力网络的关联矩阵根据基尔霍夫电流定律确定；第二关系方程，用于表征热力网络的基本回路矩阵与各管段的压差的关系，所述热力网络的基本回路矩阵根据基尔霍夫电压定律确定；管道中任意两个断面之间的不可压缩流体流动的伯努利方程；热力网络中各管段的流体压降、流量和阻力特性系数的管路特性方程，所述阻力特性系数与管段内流体介质在当前温度和压力下的密度负相关，所述介质在当前温度和压力下的密度是根据密度与当前温度、压力的关系得到的；所述热力工况模型包括：热力网络中各管段内体积流量的连续性方程；各管段内热水微元体的动量方程，所述动量方程是根据热力网络中各管段内热水微元体所受的表面力和质量力得到的；根据热力网络中各管段内的流体总能量变化率、流体介质的温度变化、热水微元体所受的表面力和质量力建立的能量方程，所述能量方程中，管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的密度负相关，所述管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的比热容负相关；所述介质在当前温度和压力下的比热容是根据比热容与当前温度、压力的关系得到的。基于上述目的，一种热力网络动态仿真装置的技术方案如下：包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述热力网络动态仿真方法中的步骤。上述两个技术方案的有益效果是：本专利技术通过建立热力网络的水力工况模型和热力工况模型，在水力工况模型的管路特性方程中，将密度这一物性参数作为变量处理，通过密度与温度、压力的关系来确定当前温度和压力下的密度，体现了在热网介质温度变化的状态下，密度这一物性参数对水力工况的影响；在热力工况模型的能量方程中，将密度和比热容这两个物性参数作为变量处理，其中通过密度与温度、压力的关系来确定当前温度和压力下的密度，通过比热容与温度、压力的函数关系来确定当前温度和压力下的比热容，体现在热网介质温度变化的状态下，密度和比热容这两个物性参数对热力工况的影响。本专利技术的水力工况模型和热力工况模型计算出的温度结果更接近实际温度，误差小，可靠性高。并且，通过能量方程中作为变化量的比热容，充分考虑了热力管网输送能量过程中管网中存量工质的储能效果，可以真实有效的反应出热力管网能量输送过程中的动态特征。供热管网的流动动力学与温度变化动力学比较，是比较次要的影响因素，因此在建立热水供热管网热力工况的动态模型时，先计算供热管网的水力工况，即认为水力扰动对管网的影响瞬间达到稳态，然后在该稳态水力工况的基础上，进行热力工况的动态计算，从而建立热水集中供热管网热力工况的准动态模型，保证在计算结果精度的基础上，化简了动态模型，提高了计算效率。具体的，所述阻力特性系数的计算式如下：式中，S为阻力特性系数，λ1为常系数，K为管壁的当量绝对粗糙度，ρ是所述管段内流体介质在当前温度和压力下的密度，d为管道内径，l为管段的长度，ld为管段的局部阻力当量长度，Re为雷诺数，u为流体在管线内的流速，υ为流体运动粘度。在水力工况模型中，所述方程的计算式如下：其中，第一个公式为当流体介质在管段内为紊流状态时的管路特性方程，第二公式为当流体介质在管段内为层流状态时的管路特性方程；ΔP为管段的流体压降，G为管段的体积流量，S为阻力特性系数，Re为雷诺数，u为流体在管线内的流速，υ为流体运动粘度。本专利技术结合了实际热力管网能量输送过程中的参数特性，对管路特性进行了建模，能更加准确的计算小流量层流状态下的水力特性。考虑到环境温度变化对热力管网能量输送过程中的耗散特征，在所述能量方程中，所述管段内流体介质的温度变化与管段内单位表面积的热量正相关，所述管段内单位表面积的热量计算式如下：q＝-K1(T-TW)式中，q为所述管段内单位表面积的热量，K1为流体与管壁间的传热系数，T为管段内的当前温度，TW为管壁温度；MW为单位长度管道质量；cW为管道金属的比热容；D为管径；q0为管道单位外表面积的散热损失。具体的，所述水力工况模型中的方程组如下：式中，A为根据基尔霍夫电流定律确定热力网络的关联矩阵，G为各管段的流量，Q为，Bf为根据基尔霍夫电压定律确定热力网络的基本回路矩阵，ΔH为各管段的阻力压降，S为所述阻力特性系数，Z为位置高度，DH为水泵的扬程。...

【技术保护点】
1.一种热力网络动态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：/n在热力网络的水力工况模型达到稳态的基础上，按照热力工况模型进行动态计算，从而建立热水集中供热管网的热力工况动态模型，以完成仿真；/n其中，所述水力工况模型包括：/n第一关系方程，用于表征热力网络的关联矩阵、各管段的流量与节点净出流量的关系，所述热力网络的关联矩阵根据基尔霍夫电流定律确定；/n第二关系方程，用于表征热力网络的基本回路矩阵与各管段的压差的关系，所述热力网络的基本回路矩阵根据基尔霍夫电压定律确定；/n管道中任意两个断面之间的不可压缩流体流动的伯努利方程；/n热力网络中各管段的流体压降、流量和阻力特性系数的管路特性方程，所述阻力特性系数与管段内流体介质在当前温度和压力下的密度负相关，所述介质在当前温度和压力下的密度是根据密度与当前温度、压力的关系得到的；/n所述热力工况模型包括：/n热力网络中各管段内体积流量的连续性方程；/n各管段内热水微元体的动量方程，所述动量方程是根据热力网络中各管段内热水微元体所受的表面力和质量力得到的；/n根据热力网络中各管段内的流体总能量变化率、流体介质的温度变化、热水微元体所受的表面力和质量力建立的能量方程，所述能量方程中，管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的密度负相关，所述管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的比热容负相关；所述介质在当前温度和压力下的比热容是根据比热容与当前温度、压力的关系得到的。/n...

【技术特征摘要】
1.一种热力网络动态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
在热力网络的水力工况模型达到稳态的基础上，按照热力工况模型进行动态计算，从而建立热水集中供热管网的热力工况动态模型，以完成仿真；
其中，所述水力工况模型包括：
第一关系方程，用于表征热力网络的关联矩阵、各管段的流量与节点净出流量的关系，所述热力网络的关联矩阵根据基尔霍夫电流定律确定；
第二关系方程，用于表征热力网络的基本回路矩阵与各管段的压差的关系，所述热力网络的基本回路矩阵根据基尔霍夫电压定律确定；
管道中任意两个断面之间的不可压缩流体流动的伯努利方程；
热力网络中各管段的流体压降、流量和阻力特性系数的管路特性方程，所述阻力特性系数与管段内流体介质在当前温度和压力下的密度负相关，所述介质在当前温度和压力下的密度是根据密度与当前温度、压力的关系得到的；
所述热力工况模型包括：
热力网络中各管段内体积流量的连续性方程；
各管段内热水微元体的动量方程，所述动量方程是根据热力网络中各管段内热水微元体所受的表面力和质量力得到的；
根据热力网络中各管段内的流体总能量变化率、流体介质的温度变化、热水微元体所受的表面力和质量力建立的能量方程，所述能量方程中，管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的密度负相关，所述管段内流体介质的温度变化与当前温度和压力下的比热容负相关；所述介质在当前温度和压力下的比热容是根据比热容与当前温度、压力的关系得到的。


2.根据权利要求1所述的热力网络动态仿真方法，其特征在于，所述阻力特性系数的计算式如下：



式中，S为阻力特性系数，λ1为常系数，K为管壁的当量绝对粗糙度，ρ是所述管段内流体介质在当前温度和压力下的密度，d为管道内径，l为管段的长度，ld为管段的局部阻力当量长度，Re为雷诺数，u为流体在管线内的流速，υ为流体运动粘度。


3.根据权利要求1或2所述的热力网络动态仿真方法，其特征在于，所述水力工况模型中，当流体介质在管段内为层流状态时，所述管路特性方程的计算式如下：



其中，第一个公式为当流体介质在管段内为紊流状态时的管路特性方程，第二公式为当流体介质在管段内为层流状态时的管路特性方程；ΔP为管段的流体压降，G为管段的体积流量，S为阻力特性系数，Re为雷诺数，u为流体在管线内的流速，υ为流体运动粘度。


4.根据权利要求1所述的热力网络动态仿真方法，其特征在于，所述能量方程中，所述管段内流体介质的温度变化与管段内单位表面积的热量正相关，所述管段内单位表面积的热量计算式如下：
q＝-K1(T-TW)



式中，q为所述管段内单位表面积的热量，K1为流体与管壁间...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴迪，毛建容，傅美平，张树卿，唐绍普，胡宪法，李广磊，杨鑫，杨振宇，徐征，袁森，袁帅，李笋，李贞，赵鹏，
申请(专利权)人：许继集团有限公司，国网山东省电力公司电力科学研究院，清华大学，许继电气股份有限公司，许昌许继软件技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41