一种蒸汽热网建立、优化及改造方法与流程 专利技术说明

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术1.本发明涉及智慧供热技术领域，更具体地，涉及一种模型与量化指标结合的蒸汽热网建立、优化及改造方法。背景技术：2.蒸汽供热系统的输送距离长、内容积大，热网运行调节的耦合性、滞后性强，容易部分用户供热品质部分不达标，不能满足用户的用热需求的问题。同时，蒸汽热网的运行调控过程普遍粗放，缺乏量化指标对运行过程进行评估。3.目前，对蒸汽热网的改造一般是为了满足部分重点用户的用汽参数要求，改造管道的选取也是针对重点用户做出抉择，难以兼顾其他用户，同时，对于改造之后的热网运行状况缺乏有效的预先评估，也使得实际情况下管网的改造难以实施。技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种模型与量化指标结合的蒸汽热网建立、优化及改造方法，通过机理模型仿真计算不同改造方案下的热网运行状态，并提出效益量化指标综合考虑所有用户用汽参数的满足情况以及考量管网改造带来的成本提升，科学而有效地选择管网改造方案。5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：6.一种模型与量化指标结合的蒸汽热网的建立方法，包括以下步骤：7.对蒸汽管网建立节点处的水力平衡方程；8.建立热平衡方程，求得管线段的压降和温降；9.联立上述水力平衡及热力平衡方程，即可求解多热源联合供热的闭合式蒸汽热网模型。10.优选的，所述水力平衡方程是针对含有l个节点、m条管段、n个闭环回路的蒸汽管网，由基尔霍夫第一定律建立节点处的流量守恒方程：11.lr＝qꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(1)12.其中：l为节点管道关联阵；r为各个管道内的流量向量，r＝[r1,r2,…,rm]t；q为各节点净质量流量的向量，q＝[q1,q2,…,ql]，流入该节点为正值，流出该节点为负值。[0013]优选的，所述管线段的压降公式为[0014]δh＝ε|r|r+δz-pꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(2)[0015]式中：p为闭合回路中管网水泵的压力降矩阵，不存在水泵时，取p＝0；ε为管线段的阻力修正系数；△z为管线段地理标高最大值与最小值的差值。[0016]优选的，所述管线段的温降与管线段的焓降和散热量有关，所述焓降的计算式为[0017][0018]其中：hin，hout为管段进、出口焓值；vin，vout为管段进、出口流速；q1为管线段的热损失；q为管线段的质量流量；[0019]所述散热量所述单位长度管线段的热损失q1的计算式为[0020]ql＝kπdo(tm-ta)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(4)[0021]式(6)中，管线段的外径do与换热系数k计算式分别为式(7)和(8)：[0022]do＝dm2δp+2δisu1+2δisu2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(5)[0023][0024]其中：tm为蒸汽温度；ta为环境温度；dm为管道内径；δp为管壁厚度；δisu1，δisu2分别为内、外层保温层厚度；λp，λisu1，λisu2分别为管道管壁导热系数、内层保温层导热系数与外层保温层导热系数；hm为蒸汽和管壁的对流换热表面传热系数；ha为管道外保温层和外界环境的对流换热表面传热系数；hr为管道外保温层与外界环境的辐射传热系数。[0025]一种模型与量化指标结合的蒸汽热网的优化方法，还包括以下步骤：[0026]设定可用管道集，构建蒸汽热网管道组成向量；[0027]设定评估热网运行效益的量化指标。[0028]优选的，所述可用管道集为当前热网所有管道类型与改造可选管道类型的集合；所述蒸汽热网管道组成向量为在管道数量为m的热网中，改造前的管道组成向量为a＝[a1,a2,...,am]，其中ai∈stube，改造后的管道组成向量为β＝[b1,b2,...,bm]，其中bi∈stube。[0029]优选的，所述效益的量化指标δ包括达标系数f和成本系数c，所述效益量化指标表达式如下：[0030]δ＝fxcyꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(7)[0031]式中：f为达标系数，c为成本系数。[0032]优选的，所述达标系数f表达式如下：[0033][0034][0035]其中：pi为热网上用户i的计算压力；ti为热网上用户i的计算温度；tli，thi为用户i的合同值温度的上下限；pli，phi为用户i的合同值压力的上下限；n为用户个数。[0036]优选的，所述成本系数c表达式为[0037]c＝(ct+c0)/c0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(10)[0038]其中：c0为热网的运营成本，ct为热网的改造成本；[0039]所述成本系数考虑热网的运营成本以及改造成本，其中运营成本c0由热网运营方提供，在同一供汽状态下保持不变；改造成本考虑更换管道带来的成本，其表达式如下：[0040][0041][0042]其中：m为热网管道数量，ai为改造前的管道组成向量a中元素，bi为改造后的管道组成向量b中元素，sigmoid(a,b)为判断管道是否需要改造的激活函数，g(bi)为将一条管道改造为bi所需成本。[0043]一种模型与量化指标结合的蒸汽热网的改造方法，包括以下步骤：[0044]建立热网优化改造方案约束；[0045]建立以效益指标最大化为核心的优化函数，利用算法对函数进行求解，选择最佳改造方案。[0046]优选的，所述热网优化改造方案约束为固定热源的供汽参数不变，供汽参数包括蒸汽流量为qs、蒸汽温度为ts和蒸汽压力为ps。[0047]优选的，所述以效益指标最大化为核心的优化函数，其表达式为[0048][0049]优选的，所述利用算法对函数进行求解方法包括以下步骤：[0050]随机生成多个管道组成向量b；[0051]根据所生成的b利用机理模型仿真得各个用户的用汽参数，计算其达标系数进而计算效益指标；[0052]依据效益指标的高低选择作为父母，效益指标高的管道组合被选中的概率更高；[0053]用被选为父母的管道组合按照一定方法进行交叉，生成子代；[0054]对子代的管道组合进行随机的变异，直到最优管道组合的产生。[0055]采用上述技术方案，本发明具有以下优点：[0056]本发明公开了提供一种模型与量化指标结合的蒸汽热网建立、优化及改造方法，能够根据蒸汽热网的机理模型计算管网内各用户的用汽状态，并提出效益量化指标以对不同改造方案进行评估，结合上述两部分再通过优化算法求解目标函数，可以得出科学的管网改造方案。附图说明[0057]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。[0058]图1是本发明的一种蒸汽热网的建立方法的结构流程示意图；[0059]图2是本发明的一种蒸汽热网的优化方法的结构流程示意图；[0060]图3是本发明的一种蒸汽热网的改造方法的结构流程示意图。具体实施方式[0061]以下结合说明书附图对本发明的技术方案进行具体说明，在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。[0062]图1示出了本发明的一种模型与量化指标结合的蒸汽热网的建立方法的结构流程示意图，一种模型与量化指标结合的蒸汽热网的建立方法，包括下步骤具体如图1所示，：[0063]对蒸汽管网建立节点处的水力平衡方程；[0064]建立热平衡方程，求得管线段的压降和温降；[0065]联立上述水力平衡及热力平衡方程，即可求解多热源联合供热的闭合式蒸汽热网模型。[0066]在一个实施例中，针对含有l个节点、m条管段、n个闭环回路的蒸汽管网，由基尔霍夫第一定律建立节点处的水力平衡方程即流量守恒方程：[0067]lr＝qꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(1)[0068]式中：l为节点管道关联阵；r为各个管道内的流量向量，r＝[r1,r2,…,rm]t；q为各节点净质量流量的向量，q＝[q1,q2,…,ql]，一般取流入该节点为正值，流出该节点为负值。[0069]建立热平衡方程，求得管线段的压降和温降由基尔霍夫第二定律可知，在闭合回路中的压降和温降等于零：[0070]bδh＝0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(2)[0071]bδt＝0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(3)[0072]式中：b为闭合回路关联矩阵；△h为闭合回路的管段压降矩阵，△h＝[△h1,△h2,…,△hm]t；△t为闭合回路的温度降矩阵△t＝[△t1,△t2,…,△tm]t。[0073]由流体力学相关方程可求得管线段的压力降：[0074]δh＝ε|r|r+δz-pꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(4)[0075]式中：p为闭合回路中管网水泵的压力降矩阵，不存在水泵时，取p＝0；ε为管线段的阻力修正系数；△z为管线段地理标高最大值与最小值的差值。[0076]管线段的温降与该管线段的焓降和散热量有关，焓降的计算式为：[0077][0078]式中：hin，hout为管段进、出口焓值；vin，vout为管段进、出口流速；q1为管线段的热损失；q为管线段的质量流量。[0079]单位长度管线段的热损失q1的计算式为：[0080]ql＝kπdo(tm-ta)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(6)[0081]上式中，管线段的外径do与换热系数k计算式分别为式(7)和(8)：[0082]do＝dm2δp+2δisu1+2δisu2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(7)[0083][0084]式中：tm为蒸汽温度；ta为环境温度；dm为管道内径；δp为管壁厚度；δisu1，δisu2分别为内、外层保温层厚度；λp，λisu1，λisu2分别为管道管壁导热系数、内层保温层导热系数与外层保温层导热系数；hm为蒸汽和管壁的对流换热表面传热系数；ha为管道外保温层和外界环境的对流换热表面传热系数；hr为管道外保温层与外界环境的辐射传热系数。[0085]通过联立上述水力平衡及热力平衡方程，即可求解多热源联合供热的闭合式蒸汽热网模型。[0086]在又一个实施例中，图2示出了本发明的一种蒸汽热网的优化方法的结构流程示意图；一种模型与量化指标结合的蒸汽热网的优化方法，包括以下步骤具体如图2所示：[0087]设定可用管道集，构建蒸汽热网管道组成向量；[0088]设定评估热网运行效益的量化指标。[0089]其中：可用管道集stube为当前热网所有管道类型与改造可选管道类型的集合；所述蒸汽热网管道组成向量，在管道数量为m的热网中，改造前的管道组成向量为a＝[a1,a2,...,am]，其中ai∈stube，改造后的管道组成向量为β＝[b1,b2,...,bm]，其中bi∈stube。[0090]效益量化指标δ由达标系数f和成本系数c组成。[0091]所述达标系数考虑当前供汽状态下用户的合同满足情况，表达式如下：[0092][0093][0094]式中：pi为热网上用户i的计算压力；ti为热网上用户i的计算温度；tli，thi为用户i的合同值温度的上下限；pli，phi为用户i的合同值压力的上下限；n为用户个数；[0095]成本系数考虑热网的运营成本以及改造成本，其中运营成本c0由热网运营方提供，在同一供汽状态下保持不变；改造成本考虑更换管道带来的成本，其表达式如下：[0096][0097][0098]式中：m为热网管道数量，ai为改造前的管道组成向量a中元素，bi为改造后的管道组成向量b中元素，sigmoid(a,b)为判断管道是否需要改造的激活函数，g(bi)为将一条管道改造为bi所需成本；[0099]成本系数表达式如下：[0100]c＝(ct+c0)/c0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(13)[0101]式中：c0为计算工况的运营成本，ct为优化工况的改造成本。[0102]所述效益量化指标表达式如下：[0103]δ＝fxcyꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(14)[0104]式中：f为达标系数，c为成本系数。[0105]在又一实施例中，图3示出了本发明的一种蒸汽热网的改造方法的结构流程示意图，公开了一种模型与量化指标结合的蒸汽热网的改造方法，包括以下步骤具体如图3所示，[0106]建立热网优化改造方案约束；[0107]建立以效益指标最大化为核心的优化函数，利用算法对函数进行求解，选择最佳改造方案。[0108]热网优化改造方案约束为固定热源的供汽参数不变，具体为所供蒸汽流量为qs，所供蒸汽温度为ts，所供蒸汽压力为ps。[0109]以效益指标最大化为核心的优化函数，此处以fc-1进行说明，其表达式为：[0110][0111]在优化求解过程中，根据当前步骤优化方案的管道组成向量b，修改s1中的机理模型后进行仿真计算，根据其仿真结果进行达标系数f的计算。[0112]在一个实施例中，以遗传算法为例说明对该优化函数进行求解的过程，其包括以下步骤：[0113]一、随机生成多个管道组成向量b；二、根据所生成的b利用机理模型仿真得各个用户的用汽参数，从而计算其达标系数进而计算效益指标；三、依据效益指标的高低选择作为父母，效益指标高的管道组合被选中的概率更高；四、用被选为父母的管道组合按照一定方法进行交叉，生成子代即新的管道组合；五、对子代的管道组合进行随机的变异；返回第二步，直到最优管道组合的产生，即无法得到效益指标更高的管道组合为止。[0114]最后，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下还可以作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。









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