一种综合能源系统供热管网动态耦合模型建立方法与流程

本发明涉及供热管网领域，尤其涉及一种综合能源系统供热管网动态耦合模型建立方法。

背景技术：

1、区域供热网络是综合能源系统中最关键、最敏感的组成部分。相较于基于温度的质调节模式，基于流量的量调节模式具有更好的设备运行条件。在以往对综合能源系统供热管网的模拟研究中，基于稳态水力特性的水热力耦合模型更为普遍，尚未考虑水热力耦合动态特性。文章提出一种考虑水力动态特性和热力动态特性的综合能源系统供热管网耦合计算模型，采用改进的前向反馈迭代法内嵌特征线法和前向迎风差分进行模型求解。所提出的动态耦合模型体现综合能源系统供热管网水力瞬态过程以及其对供热管网热力传输的耦合影响。

2、综合能源系统将多种类型的能源以及能源的生产、传输、转换、利用结合起来，进行能源的统一协调调度，有效提高可再生能源的消纳率。区域供热管网连接多种能源转换设备，在系统运行中承受高温高压的运行工况，是综合能源系统中最不稳定的组成成分。基于流量的量调节模式和基于温度的质调节模式是dhs中主要的两种调节方式。质调节具有稳定的水力工况，但温度变化剧烈。量调节具有较小的温度变化范围，但由于负荷侧的变化和管道组件的启停会具有不稳定的水力过渡过程。大范围的温度变化会引起设备运行条件的变化，从而增加运行成本，缩短运行寿命。如果可以对量调节引起的水力过渡过程进行模拟计算，并加以抑制或调节，量调节在ies热能流传输方面将优于质调节。然而，在以往的ies供热网络量调节研究中，稳态水力模型常被用来简化水力动态过程，导致动态水力热力耦合计算方面的研究缺失。

3、以往对ies中dhs的研究主要分为两种类型。第一种类型忽略了供热网络中水力参数和热力参数之间的耦合特性。通过忽略水力和热力过程来简化ies，运用简单的模型进行系统实时灵活性的研究。采用了忽略电网和热网的ies简化模型。在ies的调度过程中考虑了动态过程，但忽略了水力工况的反馈效应。第二种类型虽然考虑了水力热力之间的耦合特性，但忽略了dhs中量调节引起的水力瞬态特性。利用稳态的水力热力耦合模型，在一个模拟周期中保持水力参数和热力参数不变，忽略了动态传输过程。建立了一个准稳态模型，考虑了热力动态传输过程，忽略了水力瞬态特性。利用准稳态模型进行模拟计算，将水力瞬态特性视为一个后评估过程，以判断ies中调度方法的安全性。综上所述，以往的研究缺失一个考虑水力热力耦合特性和水力瞬态特性的精确的ies供热管网计算模型。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种综合能源系统供热管网动态耦合模型建立方法。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种综合能源系统供热管网动态耦合模型建立方法，所述建立方法包括：

3、建立动态水力模型；

4、建立动态热力模型；

5、mfbi考虑了水力热力参数时间尺度上的差异，在一个热力计算周期中，采用特征线法计算多个水力步长下的瞬变流变化，在一个热力周期中，水力过程是连续变化的；

6、根据负荷曲线，热力计算将误差反映成节点流量反馈到当前热力循环中最后一个水力循环的初始时刻，修改水力计算的初始条件，直到迭代收敛，完成一次热力计算周期内的水力热力耦合计算。

7、可选的，所述建立动态水力模型具体包括：

8、由于负荷变动和设备启停，瞬变流以纵波的形式在dhs中发生、传播、反射和干扰；

9、基于流体的连续性方程和运动方程，dhs的动态水力模型如公式(1)所示：

10、

11、式中：hc为流体微团的水头；vf为流体流速；a为水锤纵波的传播速度；z为流体微团的相对高度；fi为管道i的摩阻系数；di为管道i的内径。

12、可选的，所述建立动态热力模型具体包括：

13、在管道轴向热传递模型中，长度为δx的有限元在一维平面上延轴向离散，每个离散元中相应的管道热力参数被设定为保持不变。将管道径向热损失模型和管道轴向热传递模型相结合，建立了dhs的动态传热模型，并建立了管道-保温层-保护层-土壤-空气的传热过程。根据流体的能量守恒方程，各管段热水轴向流动引起的温度变化由轴向输入和输出有限元的流量之间的焓差以及各管段的径向热损失体现，由此推导出单位长度管道的动态热力模型如下：

14、

15、式中：∑ic和∑ir分别为管道i的总热容和总热阻；为供热管网t时刻x位置处的水力分布；tipipe(x,t)为供热管网t时刻x位置处的热力分布；ta(x,t)为t时刻x位置处的环境温度。

16、可选的，所述mfbi考虑了水力热力参数时间尺度上的差异，在一个热力计算周期中，采用特征线法计算多个水力步长下的瞬变流变化具体包括：

17、由于初始节点流量是通过预测给水温度和负荷需求来计算的，因此它不是负荷节点的实际流量；

18、通过水力步长取值、管网拓扑结构重组、管道分层计算三个步骤来获取dhs准确的水力分布和热力分布。

19、可选的，所述通过水力步长取值、管网拓扑结构重组、管道分层计算三个步骤来获取dhs准确的水力分布和热力分布具体包括：

20、通过短管波速调整法来进行水力步长取值，如式(5)所示；

21、管网拓扑结构重组保证了具有反向流动的管道在热力计算中具有正确的边界条件；管道分层计算的意义在于确保热力计算中每根管道都能满足传热方程的边界条件，具体分层如式(6)所示；

22、在负荷节点处根据式(7)计算更新后的节点流量矩阵；

23、

24、

25、

26、其中，δth为水力步长；lj为管道j的长度；aj为管道j的水锤波波速；kj为管道i在水力计算中的分段数；ψj为波速调整系数；layeri为管道i在计算顺序中的排序层数；asource为热源节点构成的集合；和分别为管道i的起始节点和末尾节点；wi(t)是节点i在t时刻的负荷需求；是t时刻流入节点i的流量；tinode(t)和tr,node分别为节点温度和回水温度。

27、可选的，所述水力计算方法包括：

28、dhs非定常流动的控制方程组是拟线性双曲型偏微分方程组，直接求解较为困难；

29、通过特征线法可以将偏微分方程组转化为如式8-10所示的相容性线性方程组，适用于编程计算；

30、

31、

32、

33、其中，分别为点p，a，b的水头；分别为点p，a，b的流量；

34、可选的，所述热力计算方法具体包括：

35、热力计算模型的基础是管道传热方程和节点温度混合方程；

36、前者描述了热量在管道中传播的动态过程和时滞效应，利用前向迎风差分简化方程；

37、后者将管道连接在管网之中，是计算每个单根管道温度分布的边界条件之一；

38、根据前向迎风差分法，将温度函数分别在时间和空间向进行差分，如式(11)-(12)所示，原本的偏微分方程式4被转化为线性代数方程式(13)；

39、

40、

41、

42、式中δtt和δxt分别为热力步长和水力步长；

43、如果初始温度条件tipipe(x,t-δtt)，边界温度条件tipipe(x-δxt,t)以及管道的水力参数已知，则下一时刻的温度函数tipipe(x,t)就通过数值求解获得管道中每个截面各个时间节点上的热力参数值；

44、节点温度混合方程表示节点混合温度为流向对应节点各个管道水温的加权平均值，如下所示：

45、

46、式中ψ为流量节点j的所有管道i的集合；为管道i的末尾位置。

47、本发明提供的一种综合能源系统供热管网动态耦合模型建立方法，所述建立方法包括：建立动态水力模型；建立动态热力模型；mfbi考虑了水力热力参数时间尺度上的差异，在一个热力计算周期中，采用特征线法计算多个水力步长下的瞬变流变化，在一个热力周期中，水力过程是连续变化的；根据负荷曲线，热力计算将误差反映成节点流量反馈到当前热力循环中最后一个水力循环的初始时刻，修改水力计算的初始条件，直到迭代收敛，完成一次热力计算周期内的水力热力耦合计算。采用改进的前向反馈迭代法内嵌特征线法和前向迎风差分进行模型求解。

48、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。