[发明专利]基于内部守恒的蒸汽供热网络动态仿真方法

说明书

本发明涉及一种基于内部守恒的蒸汽供热网络动态仿真方法。该方法描述了一种蒸汽供热网模型，该模型将蒸汽管网假设为单相可压缩流体网络，由节点和管路组成。使用管网质量方程、动量方程和能量方程建立管网物理模型，并采用隐式欧拉算法、稀疏矩阵算法求解由物理模型所得的非线性微分方程组。以某企业蒸汽管网实际运行数据作为对照，与程序动态仿真进行对比，结果吻合较好，证明了本文提出的蒸汽管网动态仿真模型及算法具有很强工程应用价值。

技术领域

本发明属于能源系统仿真方法的技术领域，具体涉及一种基于内部守恒的蒸汽供热网络动态仿真方法。

背景技术

随着世界能源危机和环境污染问题的日益突出，升级当前能源供应系统，构建清洁、高效、可持续发展的能源“发-输-配-用”体系刻不容缓。在此背景下，综合能源系统(Integrated Energy System,IES)应运而生。综合能源系统能够协调多种能量载体(如电、热/冷、天然气和氢等)，充分发挥多能协同效应与互补作用，从而提高能源综合利用效率，促进可再生能源消纳，同时降低能源成本和排放，具有广泛的应用前景。

区域热网(District Heating Network,DHN)作为综合能源系统的重要组成部分，主要以蒸汽或热水作为介质，将热源的热量传递给负荷，实时获取区域热网的状态信息对于整个系统的安全分析与运行控制至关重要。区域热网的动态仿真可以看作是在给定激励下，定义一组状态变量来描述系统行为，通过对系统的物理机理进行分析从而获得系统演化规律的过程。

获取热网动态演化过程的难点在于如何建立一个充分精确的物理模型，并设计相应的高效求解方法，从而满足在线动态仿真需求。为了克服这一难题，国内外研究人员提出了诸多针对热网的建模方法，包括特征线法、有限体积法、节点法、函数法以及其改进的变体等，在此基础上，开发了ANSYS、Modelica、Apros和IDA-ICE等专业软件，为进一步的研究和商业应用提供支撑。但是这些模型难以获取热网任意点处流量的动态变化过程，并且部分模型无法用于变流量运行工况；同时，针对蒸汽管网的动态仿真，现有算法需要将用户节点处的流量需求作为仿真模型的已知量才能求得全网状态分布，但是在实际应用中，实时获取用户节点处的流量需求需要在用户处加装具备实时通信能力的流量表，这将极大地增加热网运行监测的成本，在大规模热网中根本难以实现。

发明内容

本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种基于内部守恒的蒸汽供热网络动态仿真方法。，首先建立热水供热网络的动态仿真数学模型，确定动态仿真模型的输入量和输出量；然后建立可行的差分格式，将描述管道压力动态变化特性的偏微分方程差分为代数方程组；最后输入系统设备、网络和负荷参数，设置全网流量初值与各用户处流量初值，通过内部守恒的关系迭代求取并输出全网状态信息。本方法适用于变流量运行热网的动态仿真，且无需已知用户处流量分布，可通过内部的水力与热力守恒关系经迭代获得更为精确的热网动态信息。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于内部守恒的蒸汽供热网络动态仿真方法，包括以下步骤：

S1，建立蒸汽供热网络的动态仿真模型：所述动态仿真模型包括蒸汽网络的质量模型、动量模型和能量模型，确定动态仿真模型的输入量和输出量；

S2，建立可行的差分格式：将步骤S1建立的动态仿真模型中的偏微分方程差分为代数方程组；

S3，输入系统设备、网络和负荷参数，设置全网压力、流量初值和各用户处初值，通过三个守恒方程迭代求取并输出全网状态信息，实现蒸汽供热网络的动态仿真。

作为本发明的一种改进，所述步骤S1中蒸汽网络的动态仿真模型为：

其中，三个方程从上到下分别为蒸汽管网的质量守恒方程(连续性方程)、动量方程、能量方程。