[發(fā)明專利]考慮區(qū)域熱網(wǎng)暫態(tài)傳熱特性的多能流系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711459115.7
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108599137B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚帥;顧偉;陸帥;吳晨雨
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/32;H02J3/38;G06Q10/06;G06Q50/06
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

1.一種考慮區(qū)域熱網(wǎng)暫態(tài)傳熱特性的多能流系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法，其特征在于，該運(yùn)行方法包括以下步驟：

步驟1)：基于圖論建立考慮回水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管段溫度變化動態(tài)過程和管段傳輸時延的區(qū)域熱網(wǎng)暫態(tài)傳熱特性模型，該模型包括六個方面內(nèi)容：熱源特性、熱負(fù)荷特性、節(jié)點流量平衡、節(jié)點功率融合特性、管段傳熱特性和管段暫或穩(wěn)態(tài)傳熱特性判據(jù)；

步驟2)：建立多能流系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型，以系統(tǒng)一個滾動周期內(nèi)的運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)該滿足的運(yùn)行約束條件，確定多能流系統(tǒng)中各設(shè)備的實時出力、熱網(wǎng)各熱源的實時供回水溫度，實現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化運(yùn)行。

2.按照權(quán)利要求1所述的考慮區(qū)域熱網(wǎng)暫態(tài)傳熱特性的多能流系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法，其特征在于：所述的步驟1)中，將熱水管網(wǎng)看作流體網(wǎng)絡(luò)，每根管道為一條支路，熱源、熱負(fù)荷和管道的連接點為節(jié)點；建立區(qū)域熱網(wǎng)暫態(tài)傳熱特性模型的過程為：

步驟101)考慮熱源特性：

設(shè)T_SO和T_SI分別為熱源的供、回水溫度，為了保證熱源的正常供熱，需要對熱源的供回水溫度進(jìn)行限制，如式(1)所示：

式中，T_SO,max和T_SO,min分別表示熱源供水溫度的上、下限；T_SI,max和T_SI,min分別表示熱源回水溫度的上、下限；另一方面，熱源均由物理設(shè)備構(gòu)成，應(yīng)滿足功率爬坡約束，如式(2)所示：

式中，Q_s(t)表示當(dāng)前調(diào)度時刻點熱源的輸出熱功率；Q_s(t+Δt)表示下一個調(diào)度時刻點熱源的輸出熱功率；Δt表示調(diào)度周期；和分別表示熱源爬坡熱功率的上、下限；

步驟102)考慮熱負(fù)荷特性：

對于包含熱負(fù)荷的熱網(wǎng)支路，供、回水管道的溫度與熱負(fù)荷的取用功率滿足式(3)：

式中：T_LI和T_LO分別為所有熱負(fù)荷處的供水溫度和回水溫度構(gòu)成的列向量；c為熱媒比熱容，取4.2kJ/(kg·℃)；ρ為熱媒密度，取934.667kg/m³；η_HX為熱網(wǎng)負(fù)荷端各換熱設(shè)備的平均效率；Q_L/F為所有熱負(fù)荷的取用功率與管道流量組成的列向量，如式(4)所示：

Q_L/F＝[Q_L1/f_L1,Q_L2/f_L2,…Q_Lk/f_Lk]^T 式(3)

式中：Q_Li和f_Li分別表示第i個負(fù)荷取用的功率和其所在管道的運(yùn)行流量，i＝1,2,…,k，k為負(fù)荷總數(shù)；

為了保證熱負(fù)荷的供熱質(zhì)量，需要對熱負(fù)荷處的供回水溫度進(jìn)行限制，如式(5)所示：

式中，T_LI和T_LO分別為熱負(fù)荷處的供、回水溫度；T_LI,max和T_LI,min分別表示熱負(fù)荷供水溫度的上、下限；T_LO,max和T_LO,min分別表示熱負(fù)荷回水溫度的上、下限；

步驟103)考慮節(jié)點流量平衡：

對于熱網(wǎng)中任一節(jié)點，流入的熱媒流量之和等于流出的熱媒流量之和，即:

式中，和分別表示熱網(wǎng)的上、下關(guān)聯(lián)矩陣；F為流量列向量，上、下關(guān)聯(lián)矩陣的定義如式(7)所示：

熱網(wǎng)流量列向量的定義如式(8)所示：

F＝[f₁,f₂,…,f_b]^T 式(7)

式中：f_i表示第i條支路的熱媒流量，i＝1,2,…,b，b為支路總數(shù)，n為節(jié)點總數(shù)；

步驟104)考慮節(jié)點功率融合特性：

由能量守恒定律可知，對于熱網(wǎng)中的任一節(jié)點，流入的功率之和等于流出的功率之和，即：

式中：T_SF和T_EF是由管段始、末溫度和流量組成的列向量，定義如式(10)：

式中：T_si和T_ei分別表示第i根管道的起始溫度和末端溫度；

節(jié)點處發(fā)生功率融合后，該節(jié)點的溫度與流出該節(jié)點的熱媒溫度相等，即：

T_ni＝T_s1,i＝T_s2,i＝…＝T_sk,i 式(10)

式中：T_ni為第i個節(jié)點的溫度；T_s1,i,T_s2,i,…,T_sk,i為所有與第i個節(jié)點直接相連，并且熱媒流出該節(jié)點的管道的起始溫度；

步驟105)考慮管段傳熱特性，當(dāng)管段的傳輸時延遠(yuǎn)小于系統(tǒng)調(diào)度周期時，在每個調(diào)度時刻點處，熱網(wǎng)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，使用穩(wěn)態(tài)傳熱公式描述熱網(wǎng)的傳熱特性；而當(dāng)管段的傳輸時延與系統(tǒng)調(diào)度周期相當(dāng)時，使用暫態(tài)傳熱公式描述熱網(wǎng)的傳熱特性，以保證調(diào)度策略的精確性；具體包括步驟1051)～1052)：

步驟1051)管段穩(wěn)態(tài)傳熱特性：

對于一維管道，由傅里葉定律知：傳導(dǎo)的熱功率與溫度梯度和傳熱面積成正比，即：

式中：Q_loss代表管道的熱功率損失，λ表示管道的熱導(dǎo)率；A表示傳熱的正對面積；T表示溫度；δ表示厚度；等號右邊的負(fù)號表示熱流方向總是與溫度梯度方向相反；

流體在管道內(nèi)的熱功率損失采用多層圓筒壁熱傳導(dǎo)模型計算：

式中：T_a為外界環(huán)境溫度，r為圓筒的半徑，r_i為第i層圓筒的半徑，λ_i為第i層材料的熱導(dǎo)率，dl為管道微元的長度，N為圓筒壁材料的總層數(shù)；

記管道單位長度熱阻R為：

則單位長度管道內(nèi)流體損失的熱功率為：

對于一根管段，其首端的熱功率為：

Q₀＝cρf(T_s-T_r) 式(15)

式中：c表示熱媒的比熱容；ρ表示熱媒的密度；f表示熱媒的運(yùn)行流量；T_s表示熱源的供水溫度；T_r表示回水溫度；

距離首端x處的熱網(wǎng)傳輸熱功率等于熱源處熱功率與熱網(wǎng)傳輸損失功率之差，即：

解得管道內(nèi)流體溫度隨管長分布為：

考慮到式(18)中指數(shù)項x的系數(shù)接近于零，將其泰勒展開并略去二次項及更高次項，得到線性化后的形式：

將式(19)改成矩陣形式：

T_E'＝ηT_s' 式(19)

式中：T_E'和T_s'分別是由管段首端溫度、x處溫度和外界溫度構(gòu)成的等效管段起始溫度列向量和等效管段末端溫度列向量；η是由管段參數(shù)構(gòu)成的矩陣：

T_S'＝[T_a-T_s1,T_a-T_s2,…,T_a-T_sb]^T

T_E'＝[T_e1-T_s1,T_e2-T_s2,…,T_eb-T_sb]^T

步驟1052)管段暫態(tài)傳熱特性：

取管段內(nèi)長度為dl的流體微元進(jìn)行分析，不計流體微元之間的相互作用，僅考慮流體微元通過管壁對外界散失熱量H_loss，由傅里葉定律可知：

式中：T(t)表示該流體微元在t時刻的溫度；

初始時刻，該流體微元剛從熱源處發(fā)出，具有的能量為：

式中：d為管段的內(nèi)徑；

t時刻該流體微元具有的能量等于初始能量減去散失的熱量，即：

聯(lián)立式(23)和(24)可以解得管段內(nèi)該流體微元的溫度隨時間的變化關(guān)系，如式(25)所示：

若該流體微元經(jīng)過時間t后到達(dá)管段x處，則：

將式(26)代入式(25)可得此時流體微元的溫度為：

此溫度即為管段x處的穩(wěn)態(tài)溫度，見式(18)，即經(jīng)過時間t后，管道x處的溫度恰好達(dá)到穩(wěn)態(tài)；

對于一維管道，其傳熱特性可由γ₁、γ₂兩個參數(shù)近似刻畫；若記熱媒微元從管段首端流入到管段末端流出需要的時間是臨界時長t_c，即：

式中：l表示管段的長度；

則當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度周期Δt≥γ₂t_c時，在每個調(diào)度時刻點t_i流出管段末端的熱媒溫度T(l,t_i)都將達(dá)到穩(wěn)態(tài)，因此T(l,t_i)可由式(29)求得：

式中：T_s(t_i-1)表示在第i-1個調(diào)度時刻點流入管段始端的熱媒溫度；

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度周期滿足γ₁t_c≤Δt≤γ₂t_c時，在每個調(diào)度時刻點t_i流出管段末端的熱媒溫度T(l,t_i)都將處于上升狀態(tài)，T(l,t_i)的上升過程可用線性模型近似刻畫，因此可由式(30)求得：

式中：T_p[T_s(t_i-1)]表示在第i-1個調(diào)度時刻點流入管段始端熱媒的穩(wěn)態(tài)溫度；

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度周期相對較小，滿足0≤Δt≤γ₁t_c時，在每個調(diào)度時刻點t_i流出管段末端的熱媒溫度T(l,t_i)用傳輸延時模型近似刻畫，可由式(31)求得：

式中：t₀表示在初始調(diào)度時刻點；k的定義如式(32)所示：

k＝INT[γ₂t_c/Δt]+1 式(32)

式中：INT[·]表示向下取整函數(shù)；

步驟106)考慮管段暫或穩(wěn)態(tài)傳熱特性判據(jù)：

由式(26)可知，從一根管段首端流入的熱媒微元經(jīng)一個調(diào)度周期Δt后，若未到達(dá)該管段的末端，則該管段存在暫態(tài)傳熱特性，即：

式(33)即為熱網(wǎng)管段暫或穩(wěn)態(tài)傳熱特性判據(jù)。