一种用于综合能源网中热力管网运行参数的动态计算方法转让专利
申请号 : CN202010307723.1
文献号 : CN111611690B
文献日 : 2021-06-22
发明人 : 胡宪法 , 张树卿 , 唐绍普 , 彭振 , 刘宁
申请人 : 清华大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于综合能源网中热力管网运行参数的动态计算方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
设定:综合能源网中热力管网中的节点总数为m,支路总数为n,热力计算步长为Δt,水力计算步长为ΔT,水力求解系数矩阵为A、流量补偿向量为B,热力求解系数矩阵为D、热力补偿向量为E,初始化系数矩阵A、D的元素及补偿向量B、E元素为0,初始化各节点压力Pi,为
0.1、节点温度Ti为20,i=1,2…m,根据设计工况初始化各支路流量wj、各支路与外界的热交换功率qj及各节点的海拔高度hi,j=1,2…n;根据综合能源网中热力管网的拓扑结构,得到二维数组AI[i][ai]和BI[i][ib],其中二维数组AI[i][ai]的行号i为节点编号,第i行的行元素为与流入节点i的支路相连的相邻节点编号,ai为与流入编号为i的节点的支路相邻的节点总数,二维数组BI[i][ib]的行号i为节点编号,第i行的行元素为与流出编号为i的节点的支路相连的相邻节点编号,ib为与流出编号为i的节点的支路相邻的节点总数;
(1)根据热力管网中任意节点i内输送介质的温度Ti和介质压力Pi,i=1,2…m,m为综合能源网中热力管网中的节点总数,利用介质不同温度对粘度的映射函数f1,根据温度、压力求介质密度的函数f2和求介质比热的函数f3,分别计算支路j中输送介质的动力粘度νj、密度ρbj以及第i号节点中的输送介质的密度ρi和比热ci;
νj=f1(Tcj)
ρbj=f2(Pcj,Tcj)
ρi=f2(Pi,Ti)
ci=f3(Pi,Ti)
cj=f3(Pcj,Tcj)
式中,j=1,2…n,n为综合能源网中热力管网中的支路总数,cj为与支路j相连的上节点编号;
(2)根据热力管网中任意支路j内输送介质的温度Tj,j=1,2…n,n为综合能源网中热力管网中的支路总数,结合步骤(1)求得的热力管网中任意支路j的流体动力黏度νj,利用下式求出支路j的最大通流系数Kvj及支路j的内容积VBj;
式中,lj为支路j的管线长度,uj为支路j的管线中输送介质的流速,dj为支路j的管线的当量直径,Rej为支路j中介质流动时的流态判断变量雷诺数,λj为支路j的管线的沿程阻力系数,ρbj为支路j中介质的密度;
(3)从调门曲线选取三个调门中间开度θ1,θ2,θ3,根据调门曲线选取的与开度θ1,θ2,θ3相对应的调门通流比例χ1,χ2,χ3,计算支路j的通流比例χ和实际通流系数Cvj:对支路j进行判断,若支路j不带有调节阀门,则将支路j的通流比例χ置为1,若支路j带有调节阀门,则采用四次多项式拟合的方法,其中,aa0,aa1,aa2,aa3,aa4分别为拟合多项式系数,对阀门通流比例χ进行多项式拟合计算:
2 3 4
χ=aa0+aa1θ+aa2θ+aa3θ+aa4θCvj=χKvj
上式中,Kvj为步骤(2)中支路j的最大通流系数,χ为调门的铜留比例,取值为0‑1,θ为调节阀门的实际开度,θ的取值范围为0‑1;
(4)根据与支路j相对应的管线内的流体质量流量wj,利用下式,计算支路j的流导Rj:上式中,ρbj为步骤(1)的支路j中流动介质的密度;
(5)根据支路j中流体质量流量wj、与支路j相连的上节点的海拔高度hcj、与支路j相连的下节点的海拔高度hdj,利用下式,计算与热力管网水力迭代计算过程中支路j相对应的流量补偿项Cj:
式中,g为重力加速度,cj为与支路j相连的上节点编号,dj为与支路j相连的下节点编号;
(6)根据步骤(4)的支路j流导Rj,利用下式,计算得到一个用于热力管网水力计算的水力求解系数矩阵A的对角元素aii以及与节点i相对应的非对角元素aik,aki:aik=aki=Rjio
式中,二维数组AI[i][ai]的行号i为节点编号,第i行的行元素为与流入编号为i的节点的支路相连的相邻节点编号,ai为与流入编号为i的节点的支路相邻的节点总数,二维数组BI[i][ib]的行号i为节点编号,第i行的行元素为与流出编号为i的节点的支路相连的相邻节点编号,ib为与流出编号为i的节点的支路相邻的节点总数,下标CI[i][ai+ib]为一个二维数组,二维数组中的行号i为节点编号,第i行的行元素依次为ai个流入编号为i的节点的支路编号和ib个流出编号为i的节点的支路编号,iki为遍历流入编号为i的支路的计数变量,iki=1,2…ai,iko为遍历流出支路i的计数变量,iko=1,2…ib,jio(jio=CI[i][1],CI[i][2]…CI[i][ai+ib])为与节点i的相连的支路编号,k为与节点i相连的编号为jio的支路相连的相邻节点编号,k=AI[i][1],…AI[i][ai],BI[i][1],…BI[i][ib];
(7)根据步骤(5)求得的热力管网各支路的流量补偿项Cj,利用下式,计算得到一个流量补偿向量B,流量补偿向量B中的元素为bi,i=1,2…m:式中,iki为遍历流入编号为i的节点的支路的计数变量,iki=1,2…ai,iko为遍历流出节点i的支路的计数变量,iko=1,2…ib;
(8)根据步骤(6)和步骤(7)计算的水力求解系数矩阵A和流量补偿向量为B的元素值,得到一个热力管网水力计算的线性方程组,利用高斯‑赛德尔迭代的方法求解该线性方程t+ΔT
组,得到t至t+ΔT计算时段内热力管网中各节点压力Pi ,i=1,2…m:t+ΔT
式中,Pi 为t至t+ΔT计算时段内热力管网中节点i的压力;
(9)记录上一计算时步中热力管网内各节点压力Pi,i=1,2…m,利用下式计算在t至t+ΔT计算时段内各节点压力与t‑ΔT至t计算时段内各节点压力差ΔPi,选取所有节点压力t+ΔT
误差值中的最大值作为收敛判据ε,并将更新的各节点压力Pi 赋值给Pi:t+ΔT
ΔPi=Pi ‑Pi
ε=max{ΔP1,ΔP2…ΔPm}t+ΔT
Pi=Pi
(10)根据步骤(9)的热力管网各节点的压力Pi、步骤(4)的热力管网各支路的流导Rj及步骤(5)的各支路流量补偿项Cj(j=1,2…n),利用下式更新支路j中的介质质量流量wj;
wj=Rj(Pcj‑Pdj)‑Cj式中,cj为与支路j相连的上节点编号,dj为与支路j相连的下节点编号;
(11)设置一个热力管网的水力迭代计算阈值δ,对步骤(9)的进行判断:若ε≥δ则返回步骤(3),若|ε|<δ,则进入步骤(12);
(12)根据步骤(10)的介质质量流量wj及步骤(1)中求得的各支路中流动介质的比热cj,得到一个用于热力管网的热力计算的热力求解系数矩阵D,热力求解系数矩阵D中与节点i(i=1,2…m)相对应的非对角元素dif为:dif=wjocjoΔt
式中,jo为流出编号为i的节点的支路编号,jo=CI[i][ai+1]),CI[i][ai+2]…CI[i][ai+ib],f为与流出节点i的支路jo相连的节点编号,f=BI[i][1],…BI[i][ib];
(13)根据步骤(2)的各支路对应管线的内容积VBj、步骤(1)的各节点处流动流体的密度ρi和比热ci,i=1,2…m,利用步骤(10)的热力管网各支路流动介质质量流量wj,利用下式得到热力管网中各节点的当量容积Vi以及步骤(12)的用于热力管网的热力求解系数矩阵D的对角线元素dii:
式中,Vi为编号为i的节点的当量内容积,ikio为遍历与编号为i的节点相连的支路的计数变量,ikio=1,2…ai+ib,iki为遍历流入编号为i的节点的支路的计数变量,iki=1,2…ai:
(14)根据热力管网中各支路对外界的热功转换功率qj,j=1,2…n,以及步骤(13)的热力管网中各节点的当量容积Vi、步骤(1)的热力管网各节点处流动介质的密度ρi和比热ci,利用下式得到热力管网各节点处注入的热功率qni:并得到一个热力补偿向量为E,热力补偿向量为E中的元素ei:ei=‑Viρici+Δtqnj式中,iki为遍历流入编号为i的节点的支路的计数变量;
(15)根据步骤(12)‑(14)的热力计算系数矩阵D和热力补偿向量E的元素,得到用于热力管网热力计算的线性方程组,利用高斯‑赛德尔迭代方式求解该线性方程组,得到t至t+t+Δt
Δt计算时段内热力网络各节点处输送介质的温度Ti :t+Δt
(16)根据步骤(15)的各节点流动介质的温度Ti ,i=1,2…m,利用下式计算出热力管网热力计算的t至t+Δt计算时段内各节点中的介质温度与t‑Δt至t计算时段内各节点介质温度差ΔTi,选取所有节点介质温度误差值中的最大值作为收敛判据ε',并将更新的各t+Δt
节点温度Ti 赋值给Ti:
t+Δt
ΔTi=Ti ‑Ti
t+Δt
Ti=Ti
ε'=max{ΔT1,ΔT2…ΔTm};
(17)设置一个热力管网的节点温度的迭代计算阈值δ',对步骤(16)ε',进行判断:若|ε'|≥δ',则返回步骤(2),若|ε'|<δ',则结束计算,并将步骤(9)得到的热力管网内各节点处介质的压力Pi、步骤(10)得到的热力管网内各支路中的介质质量流量wj、步骤(16)得到的各节点出流动介质的温度Ti作为综合能源网中热力管网的运行参数,实现能源网中热力管网运行参数的动态计算。
说明书 :
一种用于综合能源网中热力管网运行参数的动态计算方法
技术领域
背景技术
越来越重要的作用。
网联立解算的时候因建模方法和数学表达不统一无法统一其算法,程序实现困难,为综合
能源系统仿真建模带来困扰。如导热油输送管网在导热油温度上升时,未考虑到导热油的
物性影响,随着温度上升,导热油因为动力粘度的变化引起流阻的变化,热水输送过程中,
未考虑因热水温度上升可能引起相变的影响,忽略了热力工况对水力工况的影响,孤立的
对待热力工况和水力工况。
发明内容
型进行统一描述和数学表达,完成综合能源系统动态仿真模型求解的算法统一和程序实
现。
热力补偿向量为E,初始化系数矩阵A、D的元素及补偿向量B、E元素为0,初始化各节点压力
Pi(i=1,2…m)为0.1、节点温度Ti为20,根据设计工况初始化各支路流量wj(j=1,2…n)、各
支路与外界的热交换功率qj及各节点的海拔高度hi;根据综合能源网中热力管网的拓扑结
构,得到二维数组AI[i][ai]和BI[i][ai],其中二维数组AI[i][ai]的行号i为节点编号,第
i行的行元素为与流入节点i的支路相连的相邻节点编号,ai为与流入编号为i的节点的支
路相邻的节点总数,二维数组BI[i][ai]的行号i为节点编号,第i行的行元素为与流出编号
为i的节点的支路相连的相邻节点编号,ib为与流出编号为i的节点的支路相邻的节点总
数;
压力求介质密度的函数f2和求介质比热的函数f3,分别计算支路j中输送介质的动力粘度
νj、密度ρbj以及第i号节点中的输送介质的密度ρi和比热ci;
用下式求出支路j的最大通流系数Kvj及支路j的内容积VBj;
阻力系数,ρbj为支路j中介质的密度;
2…n,n为综合能源网中热力管网中的支路总数:
支路j相对应的流量补偿项Cj:
aki:
维数组BI[i][ai]的行号i为节点编号,第i行的行元素为与流出编号为i的节点的支路相连
的相邻节点编号,ib为与流出编号为i的节点的支路相邻的节点总数,下标CI[i][ai+ib]为
一个二维数组,二维数组中的行号i为节点编号,第i行的行元素依次为ai个流入编号为i
的节点的支路编号和ib个流出编号为i的节点的支路编号,iki为遍历流入编号为i的支路
的计数变量,iki=1,2…ai,iko为遍历流出支路i的计数变量,iko=1,2…ib,jio(jio=CI
[i][1],CI[i][2]…CI[i][ai+ib])为与节点i的相连的支路编号,k为与节点i相连的编号
为jio的支路相连的相邻节点编号,k=AI[i][1],…AI[i][ai],BI[i][1],…BI[i][ib];
程组,得到t至t+ΔT计算时段内热力管网中各节点压力 i=1,2…m:
中的最大值作为收敛判据ε,并将更新的各节点压力 赋值给Pi:
wj;
数矩阵D中与节点i(i=1,2…m)相对应的非对角元素dif为:
下式得到热力管网中各节点的当量容积Vi以及步骤(12)的用于热力管网的热力求解系数
矩阵D的对角线元素dii,i=1,2…m:
=1,2…ai:
密度ρi和比热ci,利用下式得到热力管网各节点处注入的热功率qni:
至t+Δt计算时段内热力网络各节点处输送介质的温度 i=1,2…m:
点介质温度差ΔTi,选取所有节点介质温度误差值中的最大值作为收敛判据ε',并将更新
的各节点温度 赋值给Ti:
节点处介质的压力Pi、步骤(10)得到的热力管网内各支路中的介质质量流量wj、步骤 (16)
得到的各节点出流动介质的温度Ti作为综合能源网中热力管网的运行参数,实现能源网中
热力管网运行参数的动态计算。
对水力工况影响较小的动态过程,也能适用于导热油、蒸汽等热力工况对水力工况影响较
大的动态过程。同时,本发明方法从数学描述和表达形式上完成了统一,可实现解算方法的
统一,便于计算机编程实现,利用矩阵进行线性求解,具有很好的应用前景。
附图说明
热力补偿向量为E,初始化系数矩阵A、D的元素及补偿向量B、E元素为0,初始化各节点压力
Pi(i=1,2…m)为0.1、节点温度Ti为20,根据设计工况初始化各支路流量 wj(j=1,2…n)、
各支路与外界的热交换功率qj及各节点的海拔高度hi;根据综合能源网中热力管网的拓扑
结构,得到二维数组AI[i][ai]和BI[i][ai],其中二维数组AI[i][ai]的行号i为节点编号,
第i行的行元素为与流入节点i的支路相连的相邻节点编号,ai为与流入编号为i的节点的
支路相邻的节点总数,二维数组BI[i][ai]的行号i为节点编号,第i行的行元素为与流出编
号为i的节点的支路相连的相邻节点编号,ib为与流出编号为i的节点的支路相邻的节点总
数;
压力求介质密度的函数f2和求介质比热的函数f3,分别计算支路j中输送介质的动力粘度
νj、密度ρbj以及第i号节点中的输送介质的密度ρi和比热ci;
意支路j的流体动力黏度νj,利用下式求出支路j的最大通流系数Kvj及支路j的内容积VBj;
阻力系数,ρbj为支路j中介质的密度;
通流系数Cvj:
的流量补偿项Cj:
维数组BI[i][ai]的行号i为节点编号,第i行的行元素为与流出编号为i的节点的支路相连
的相邻节点编号,ib为与流出编号为i的节点的支路相邻的节点总数,下标CI[i][ai+ib]为
一个二维数组,二维数组中的行号i为节点编号,第i行的行元素依次为ai个流入编号为i
的节点的支路编号和ib个流出编号为i的节点的支路编号,iki为遍历流入编号为i的支路
的计数变量,iki=1,2…ai,iko为遍历流出支路i的计数变量,iko=1,2…ib, jio(jio=
CI[i][1],CI[i][2]…CI[i][ai+ib])为与节点i的相连的支路编号,k为与节点i相连的编
号为jio的支路相连的相邻节点编号,k=AI[i][1],…AI[i][ai],BI[i][1],…BI[i][ib];
程组,得到t至t+ΔT计算时段内热力管网中各节点压力 i=1,2…m:
中的最大值作为收敛判据ε,并将更新的各节点压力 赋值给Pi:
数矩阵D中与节点i相对应的非对角元素dif为:
下式得到热力管网中各节点的当量容积Vi以及步骤(12)的用于热力管网的热力求解系数
矩阵D的对角线元素dii:
=1,2…ai:
密度ρi和比热ci,利用下式得到热力管网各节点处注入的热功率qni:
至t+Δt计算时段内热力网络各节点处输送介质的温度 i=1,2…m:
点介质温度差ΔTi,选取所有节点介质温度误差值中的最大值作为收敛判据ε',并将更新
的各节点温度 赋值给Ti:
节点处介质的压力Pi、步骤(10)得到的热力管网内各支路中的介质质量流量wj、步骤 (16)
得到的各节点出流动介质的温度Ti作为综合能源网中热力管网的运行参数,实现能源网中
热力管网运行参数的动态计算。