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基于管网动态模型的城市集中供热系统参数预测及运行优化研究

周守军  
【摘要】:集中供热在国内的发展非常迅速,无论是供热规模、供热半径还是供热管网型式,都发生了巨大的变化。为了进一步提高集中供热系统的能源利用率,更好地发挥其节能减排的特点,本文提出了一种基于管网动态模型的城市集中供热系统运行参数预测及优化运行方法,并对其进行了系统的研究,验证了所提出的动态模型与算法的有效性与准确性。结果表明,该方法对推动集中供热系统运行调节与优化控制技术的发展,促进城市集中供热系统运行管理水平的提高具有指导意义。 首先,基于网络图论及基尔霍夫定律,建立了集中供热管网水力模型,采用改进平方根法进行求解。针对水泵扬程取定值与采用拟合公式两种管网定压方式,对模拟一次管网进行了水力工况建模分析,结果表明初调节是保证管网水力平衡的重要前提。 其次,根据能量守恒方程,推导出热水供热管道热力工况动态模型。针对该双曲型方程,采用特征线法建立其特征线方程。然后采用逆步进法、一阶泰勒级数展开及向前显式差分格式,沿特征线建立该方程对应的有限差分方程;提出采用最小二乘法拟合出不同管径、不同保温材料的供热管道散热损失与供水温度的线性方程,以便热力工况动态模型调用;基于以上内容,分别推导出单独考虑管道散热效应的热力模型,称为“散热模型”,以及同时考虑散热与蓄热的热力模型,称为“蓄热模型”。 然后,分别建立了模拟一次管网的“散热模型”与“蓄热模型”。采用散热模型对某工况进行模拟,分析了不同误差限、不同空间步长以及不同初值对模拟结果的影响。为了保证差分格式的收敛,采用各计算节点两次迭代温度差与当前时间步长的比值,即温度梯度代替温度差,作为判断程序是否收敛的条件,效果良好;分别采用散热模型与蓄热模型对2种不同运行工况进行模拟,发现由于管网散热,导致远端用户入口温度降低,进一步加剧了远端用户与近端用户的热力失调,增加了管网运行调节的难度。蓄热效应使得管网在任何扰动下,趋于稳定的延迟时间增大,从而对确定管网进行调节的最佳时间产生重要影响。因此,建议在需要着重考虑管网稳定延迟时间时,采用蓄热模型;对于一般情况,应首先选用模型相对简单、收敛快的散热模型。 针对集中供热管网节点泄露故障,采用模拟管网对3种不同泄露工况的流量与压力分布进行了仿真,即泄露点在供水管、泄露点在回水管以及供水管两点泄露,并对不同泄漏量进行了比较;针对第一种泄露工况进行了热力工况动态模拟,总结了管网泄漏时各点压力、流量及温度的变化规律,为管网泄露故障及泄露点位置的诊断提供相应的参考。 建立了包含一、二次管网的间接连接联合管网动态模型。该模型包括1个一次模拟管网、10个二级换热站及二次网,每个二次管网包含10个,共计100个建筑用户(采用散热器模型整体描述)。采用该联合管网模型,对热计量下,用户自主调节阀门,控制室内温度情况进行模拟,模型良好地反映了用户处自主调节对室内温度、用户负荷以及一二次网运行工况的影响;选取某城市集中供热系统部分管网,采用散热模型建模。然后选择其中6个换热站半小时内的一次侧供水温度与供水压力监测数据平均值作为验证数据,与模型仿真数据进行比较。结果发现,除了1个小区换热站供水温度与供水压力相对误差超过3%以外,其余5个站的相对误差均在2%范围以内,验证了本文所提出的模型及算法的有效性与准确性。 针对集中供热系统质量并调运行优化问题,提出建立以供热系统运行能耗费用最低为优化目标,以供水温度和供水流量为变量的集中供热系统一次网运行能耗费用方程。然后,根据非线性规划理论,应用一般约束乘子法将约束问题变为无约束问题,采用共轭梯度法,结合线性搜索,建立了该优化模型的求解算法及流程。最后,针对某城市集中供热系统一次网,将提出的非线性规划方法与逐步长搜索法相比较,结果证明该方法效率更高,结果更准确;应用本文提出的运行优化方法指导管网质量并调,与传统的质调节相比,节能效益明显,进一步验证了该方法的有效性。


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