本发明涉及能源经济技术领域，尤其涉及一种热网热流计算方法。
背景技术：
随着能源危机和环境污染问题的日益严重，通过多能源系统的互补和耦合实现能源利用效率的提高，受到了越来越多研究人员的关注。
其中，基于电力系统和热力系统的耦合运行，能够实现能量在电力系统和热力系统间的灵活转换和能量的梯级利用与开发，有利于提高整体能源利用效率。
在目前的电热耦合系统的研究中，大多数研究仅仅将热力系统建模为一个供热与用热平衡的系统，并未考虑到热网的网络拓扑、管道参数及热量损耗等等一系列的因素，难以全面地反映出热网的运行特性。而实际上，城市供热系统是以供回水管道为线路、以水为传热工质构建起来的能量网络模型。因此，对于热力系统的分析必须考虑详细的网络模型，获得能量流动、损耗、温度变化等具体信息，才能对热网进行安全经济的分析和调度。
为了进行热网的经济运行调度分析，必须根据热网的详细网络模型建立起相应的最优热流模型。然而，热网的最优热流模型是一个非凸非线性的高度复杂的优化模型，现有的研究中并没有提出有效的求解方法，难以投入到工程实践中，给电热耦合系统的运行决策带来极大的不便。
技术实现要素：
本发明为解决现有技术中存在的最优热流模型难以求解的问题，提供了一种热网热流计算方法。
一方面，本发明提出一种热网热流计算方法，包括：s1，基于热负荷模型，应用所述热网中预先设定的各热负荷的消耗量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热负荷的循环水质量流量；基于热源模型，应用所述热网中各热源的供热量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热源的循环水质量流量；其中，所述各热源的供热量根据供热量最小值对各热源进行分配获取；所述供热量最小值为所述各热负荷的消耗量与热网热损耗最小值之和；所述热网热损耗最小值根据所述各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算获取；s2，基于热网流量模型，根据所述各热负荷和各热源的循环水质量流量，计算各供水管道和回水管道的循环水质量流量；s3，将所述各供水管道和回水管道的循环水质量流量和热网传热模型作为限定条件，求解热流方程对应的热流，将所述热流作为热网最优热流。
优选地，所述步骤s1中，基于热负荷模型，应用所述热网中预先设定的各热负荷的消耗量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热负荷的循环水质量流量，进一步包括：将所述热网中预先设定的各热负荷的消耗量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值代入下式：
式中，
优选地，所述步骤s1中，基于热源模型，应用所述热网中各热源的供热量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热源的循环水质量流量，进一步包括：将所述热网中各热源的供热量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值代入下式：
式中，
优选地，所述步骤s1中，热网热损耗最小值根据所述各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算获取，进一步包括：将任一管道的入口温度最小值代入下式，获取该管道的热损耗：
式中，δqb为管道b的热损耗，λb为管道b的温度损耗系数，
将各管道的热损耗之和作为热网热损耗最小值。
优选地，所述步骤s2中，所述热网流量模型包括流量连续性方程和压力降落平衡方程；所述流量连续性方程包括：
其中，
式中，
优选地，所述步骤s3中，所述热网传热模型包括热负荷模型、热源模型、温度损耗方程和温度混合方程；所述温度损耗方程包括：
式中，
式中，
优选地，所述步骤s3中，当热源为燃煤产热机组时，所述热流方程如下：
minccu
式中，
另一方面，本发明提出一种热网热流计算设备，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如前所述的方法。
又一方面，本发明提出一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如前所述的方法。
本发明提供的一种热网热流计算方法，应用固定的热网管道的循环水质量流量将热流方程约束退化为线性等式约束，简化了热网的最优热流模型，实现了最优热流模型的高效计算，有助于电网详细模型的推广和热网运行特性的全面反映。
附图说明
图1为本发明具体实施例的一种热网热流计算方法的流程示意图；
图2为本发明具体实施例的一种热网热流计算设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明具体实施例的一种热网热流计算方法的流程示意图，如图1所示，一种热网热流计算方法，包括：s1，基于热负荷模型，应用所述热网中预先设定的各热负荷的消耗量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热负荷的循环水质量流量；基于热源模型，应用所述热网中各热源的供热量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热源的循环水质量流量；其中，所述各热源的供热量根据供热量最小值对各热源进行分配获取；所述供热量最小值为所述各热负荷的消耗量与热网热损耗最小值之和；所述热网热损耗最小值根据所述各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算获取；s2，基于热网流量模型，根据所述各热负荷和各热源的循环水质量流量，计算各供水管道和回水管道的循环水质量流量；s3，将所述各供水管道和回水管道的循环水质量流量和热网传热模型作为限定条件，求解热流方程对应的热流，将所述热流作为热网最优热流。
具体地，热网模型是一个包含供回水管道、热源和热负荷等的复杂能量网络，根据其建模出来的最优热流模型是一个高度非凸非线性的优化模型，现有的商业优化软件无法进行可靠求解，难以投入到工程实践当中。本发明具体实施例中，求解热网管道的循环水质量流量，并应用固定的热网管道的循环水质量流量将热流方程约束退化为线性等式约束，以便于现有商业优化软件能够高效求解。其具体求解方法如下：
首先，基于热网模型中的热负荷模型，应用所述热网中预先设定的各热负荷的消耗量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算热网中各热负荷的循环水质量流量。此处，所述各供水管道和回水管道的入口温度最小值为所述热网中预先设定的各供水管道和回水管道的入口温度的下限。所述热负荷的循环水质量流量是指热负荷从供水管道流出到回水管道的循环水质量流量。
与此同时，基于热网模型中的热源模型，应用所述热网中各热源的供热量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算所述热网中各热源的循环水质量流量。此处，所述热源的循环水质量流量是指热源从回水管道注入供水管道的循环水质量流量。
其中，根据热网中各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算可以获取所述热网的热网热损耗最小值。所述热网的热网热损耗最小值与预先设定的各热负荷的消耗量相加，得到所述热网的供热量最小值。随后，根据能量守恒定律，在不考虑热流方程约束的条件下，以热源生产成本为目标进行热源出力的经济分配，获取各热源的供热量，并将所述各热源的供热量应用于各热源循环水质量流量的求解，即本发明具体实施例中的各热源的供热量，是依据热网的整体热损耗最小原则获取的。
其次，将上一步骤中计算获取的热网中各热负荷的循环水质量流量和各热源的循环水质量流量代入热网模型中的热网流量模型，计算热网中各供水管道和回水管道的循环水质量流量。
最后，应用上一步骤中计算获取的热网中各供水管道和回水管道的循环水质量流量替代原最优热流模型中应用热网流量模型构成的限定条件，将固定的各供水管道和回水管道的循环水质量流量和热网传热模型作为限定条件，求解热流方程中对应的热流，并将上述计算过程中获取的热流，即热流方程中生产成本最小时对应的热流作为所述热网的最优热流。
本发明具体实施例中，应用固定的热网管道的循环水质量流量将热流方程约束退化为线性等式约束，简化了热网的最优热流模型，实现了最优热流模型的高效计算，有助于电网详细模型的推广和热网运行特性的全面反映。
基于上述具体实施例，一种热网热流计算方法，所述步骤s1中，基于热负荷模型，应用所述热网中预先设定的各热负荷的消耗量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热负荷的循环水质量流量，进一步包括：将所述热网中预先设定的各热负荷的消耗量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值代入下式：
式中，
具体地，在热网中的各热负荷节点，循环水从供水管道经过换热器到达回水管道，将热量释放给各热负荷节点。上式所示的热负荷模型表示了热负荷的消耗量与热网中热负荷的循环水质量流量以及供水温度和回水温度的关系。
在应用各热负荷的消耗量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值对各热负荷的循环水质量流量进行计算时，将与任一热负荷连接的回水管道的入口温度最小值作为式中的该热负荷的回水温度，将与任一热负荷连接的供水管道的入口温度最小值作为式中的该热负荷的供水温度。
由此计算获取的各热负荷的循环水质量流量是基于热网的整体热损耗最小原则的热负荷循环水质量流量。
本发明具体实施例中，通过对热网中各热负荷的循环水质量流量的计算，为后续获取整体热损耗最小原则下的固定的管道循环水质量流量提供了条件。
基于上述任一具体实施例，一种热网热流计算方法，所述步骤s1中，基于热源模型，应用所述热网中各热源的供热量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热源的循环水质量流量，进一步包括：将所述热网中各热源的供热量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值代入下式：
式中，
具体地，在热网中，热源通过换热器加热循环水，为热网提供热量。上式所示的热源模型表示了热源的供热量与热网中热源的循环水质量流量以及供水温度和回水温度的关系。
在应用各热源的供热量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值对各热源的循环水质量流量进行计算时，将与任一热源连接的回水管道的入口温度最小值作为式中的该热源的回水温度，将与任一热源连接的供水管道的入口温度最小值作为式中的该热源的供水温度。
由此计算获取的各热源的循环水质量流量是基于热网的整体热损耗最小原则的热源循环水质量流量。
本发明具体实施例中，通过对热网中各热源的循环水质量流量的计算，为后续获取整体热损耗最小原则下的固定的管道循环水质量流量提供了条件。
基于上述任一具体实施例，一种热网热流计算方法，所述步骤s1中，热网热损耗最小值根据所述各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算获取，进一步包括：将任一管道的入口温度最小值代入下式，获取该管道的热损耗：
式中，δqb为管道b的热损耗，λb为管道b的温度损耗系数，
具体地，在影响管道热损耗的相关因素中，温度损耗系数、管道长度和环境温度均为常数，仅管道入口温度为可变变量。由此可知，管道入口温度越低，管道热损耗越小，热网的整体热损耗也越小。
管道热损耗与管道入口温度的关系式推导过程如下：
根据能量守恒定律，热网中各热源的供热量等于各热负荷的消耗量和热损耗之和。对于热网中的任一管道，其热损耗反映在其出口温度和入口温度之差，其具体关系描述如下：
式中，δqb为管道b的热损耗，cp为水的比热容，
随后，将温度损耗方程代入上式，所述温度损耗方程如下：
式中，ta为环境温度，lb为管道b的长度，ta为环境温度。
由上得到如下公式：
通常，
本发明具体实施例中，验证了管道热损耗仅与管道入口温度有关，并通过对管道热损耗的计算，获取了通过对热网中各热源的循环水质量流量的计算，为后续获取整体热损耗最小原则下的固定的管道循环水质量流量提供了条件。
基于上述任一具体实施例，一种热网热流计算方法，所述步骤s2中，所述热网流量模型包括流量连续性方程和压力降落平衡方程；所述流量连续性方程包括：
其中，
具体地，所述流量连续性方程是基于质量守恒定律建立的。对于热网中的任一节点，注入该节点的循环水质量流量之和与流出该节点的循环水质量流量之和相等。
由上述公式可知，热网中以各节点为末端的各供水管道的循环水质量流量与各热源从回水管道注入供水管道的循环水质量流量之和等于以各节点为首端的供水管道的循环水质量流量与各热负荷从供水管道流出到回水管道的循环水质量流量之和；
热网中以各节点为末端的各回水管道的循环水质量流量与各热负荷从供水管道流出到回水管道的循环水质量流量之和等于以各节点为首端的回水管道的循环水质量流量与各热源从回水管道注入供水管道的循环水质量流量之和。
所述压力降落平衡方程包括：
式中，
具体地，由于管道摩擦的存在，循环水压在管道中发生变化，所述压力降落平衡方程分别表示了供水管道的水压降落和回水管道的水压降落，以及闭合环路中供水管道的压降平衡方程和回水管道的压降平衡方程。
其中，闭合环路中，为了满足压降平衡，其环路水压降落之和为0。
本发明具体实施例中，通过热网流量模型中的流量连续性方程和压力降落平衡方程获取了各供水管道和回水管道的循环水质量流量，为将热流方程约束退化为线性等式约束，简化热网的最优热流模型提供了条件。
基于上述任一具体实施例，一种热网热流计算方法，所述步骤s3中，所述热网传热模型包括热负荷模型、热源模型、温度损耗方程和温度混合方程；所述温度损耗方程包括：
式中，
具体地，由于管道与环境的温度差等因素，循环水在管道的流动过程中会产生热损耗，从而导致温度的变化。所述温度损耗方程用于表示管道入口温度与管道出口温度之间的关系。
所述温度混合方程包括：
式中，
具体地，所述温度混合方程是根据能量守恒定律建立的。上述四个方程中，后两个方程表示从任一节点流程的循环水温度等于该节点的混合温度。
基于上述任一具体实施例，一种热网热流计算方法，所述步骤s3中，当热源为燃煤产热机组时，所述热流方程如下：
minccu
式中，
其中，
具体地，燃煤产热机组是热网中常见的热源，其生产成本可由自变量为热流的二次函数
根据上述基于热网成本最小化的热流方程，应用上一步骤中求取的各供水管道和回水管道的循环水质量流量和热网传热模型作为限定条件，构建最优热流模型：
minccu
s.t.热网传热模型
式中，
在
为了更好地理解与应用本发明提出的一种热网热流计算方法，本发明进行以下示例，且本发明不仅局限于以下示例。
首先，建立热网的最优热流模型：
本示例中，热网模型包括供回水管道、热源和热负荷。水作为热网中的传热工质在供水管道和回水管道中循环流动，热源生产热量通过换热器加热循环水，同时热负荷通过换热器从循环水中获取热量。
热网模型分为两个部分：热网流量模型和热网传热模型。热网流量模型描述了热网中的管道循环水的质量流量、管道压力损耗的情况；热网传热模型描述了热网中热量传递过程和管道温度变化的情况。
其中，所述热网流量模型包括流量连续性方程和压力降落平衡方程：
所述流量连续性方程是基于质量守恒定律建立的。对于热网中的任一节点，注入该节点的循环水质量流量之和与流出该节点的循环水质量流量之和相等。所述流量连续性方程如下：
其中，
由于管道摩擦的存在，循环水压在管道中发生变化，所述压力降落平衡方程分别表示了供水管道的水压降落和回水管道的水压降落，以及闭合环路中供水管道的压降平衡方程和回水管道的压降平衡方程：
式中，
所述热网传热模型包括热负荷模型、热源模型、温度损耗方程和温度混合方程：
热负荷模型用于表征热负荷的消耗量与热网中热负荷的循环水质量流量以及供水温度和回水温度的关系：
式中，
热源模型用于表征热源的供热量与热网中热源的循环水质量流量以及供水温度和回水温度的关系：
式中，
所述温度损耗方程用于表示管道入口温度与管道出口温度之间的关系：
式中，
所述温度混合方程用于在不同管道的温度不同的循环水汇合在某一节点时，节点混合温度的计算：
式中，
基于上述热网流量模型和热网传热模型，建立仅含燃煤产热机组的热网最优热流模型如下：
minccu
s.t.热网传热模型
热网流量模型
式中，
目前，上述最优热流模型的目标函数是二次函数形式，属于凸函数；若将热网传热模型和热网流量模型直接联合求解，由于模型中的等式约束的非凸性较强，特别是温度损耗方程中含有复杂的指数形式约束，给模型的求解造成较大的困难，目前的商业优化软件往往无法直接求得其最优热流的结果。
在此基础上，对热网热损耗进行估算：
根据能量守恒定律，热网中各热源的供热量等于各热负荷的消耗量和热损耗之和。对于热网中的任一管道，其热损耗反映在其出口温度和入口温度之差，其具体关系描述如下：
式中，δqb为管道b的热损耗，cp为水的比热容，
随后，将温度损耗方程代入上式，所述温度损耗方程如下：
式中，ta为环境温度，lb为管道b的长度，ta为环境温度。
由上得到如下公式：
通常，
由上式可知，在影响管道热损耗的相关因素中，温度损耗系数、管道长度和环境温度均为常数，仅管道入口温度为可变变量。由此可知，管道入口温度越低，管道热损耗越小，热网的整体热损耗也越小。
因而，基于上式，应用任一管道的入口温度最小值，获取该管道的热损耗；随后，将各管道的热损耗之和作为热网热损耗最小值。
将热网热损耗最小值与预先设定的各热负荷的消耗量相加，得到所述热网的供热量最小值。随后，根据能量守恒定律，在不考虑热流方程约束的条件下，以热源生产成本为目标进行热源出力的经济分配，获取各热源的供热量。基于热网模型中的热源模型，应用所述热网中各热源的供热量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算所述热网中各热源的循环水质量流量。
与此同时，基于热网模型中的热负荷模型，应用所述热网中预先设定的各热负荷的消耗量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算热网中各热负荷的循环水质量流量。
其次，将上一步骤中计算获取的热网中各热负荷的循环水质量流量和各热源的循环水质量流量代入热网模型中的热网流量模型，计算热网中各供水管道和回水管道的循环水质量流量。
最后，应用上一步骤中计算获取的热网中各供水管道和回水管道的循环水质量流量替代原最优热流模型中应用热网流量模型构成的限定条件，将固定的各供水管道和回水管道的循环水质量流量和热网传热模型作为限定条件，根据下式求解热最优热流：
minccu
s.t.热网传热模型
式中，
在
本示例中，应用固定的热网管道的循环水质量流量将热流方程约束退化为线性等式约束，简化了热网的最优热流模型，实现了最优热流模型的高效计算，有助于电网详细模型的推广和热网运行特性的全面反映。
图2为本发明具体实施例的一种热网热流计算设备的结构示意图，如图2所示，该设备包括：至少一个处理器201；以及与所述处理器201通信连接的至少一个存储器202，其中：所述存储器202存储有可被所述处理器201执行的程序指令，所述处理器201调用所述程序指令能够执行上述各实施例所提供的热网热流计算方法，例如包括：s1，基于热负荷模型，应用所述热网中预先设定的各热负荷的消耗量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热负荷的循环水质量流量；基于热源模型，应用所述热网中各热源的供热量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热源的循环水质量流量；其中，所述各热源的供热量根据供热量最小值对各热源进行分配获取；所述供热量最小值为所述各热负荷的消耗量与热网热损耗最小值之和；所述热网热损耗最小值根据所述各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算获取；s2，基于热网流量模型，根据所述各热负荷和各热源的循环水质量流量，计算各供水管道和回水管道的循环水质量流量；s3，将所述各供水管道和回水管道的循环水质量流量和热网传热模型作为限定条件，求解热流方程对应的热流，将所述热流作为热网最优热流。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令使计算机执行对应实施例所提供的热网热流计算方法，例如包括：s1，基于热负荷模型，应用所述热网中预先设定的各热负荷的消耗量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热负荷的循环水质量流量；基于热源模型，应用所述热网中各热源的供热量和各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算各热源的循环水质量流量；其中，所述各热源的供热量根据供热量最小值对各热源进行分配获取；所述供热量最小值为所述各热负荷的消耗量与热网热损耗最小值之和；所述热网热损耗最小值根据所述各供水管道和回水管道的入口温度最小值计算获取；s2，基于热网流量模型，根据所述各热负荷和各热源的循环水质量流量，计算各供水管道和回水管道的循环水质量流量；s3，将所述各供水管道和回水管道的循环水质量流量和热网传热模型作为限定条件，求解热流方程对应的热流，将所述热流作为热网最优热流。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。