[发明专利]考虑区域热网暂态传热特性的多能流系统优化运行方法

权利要求书

1.一种考虑区域热网暂态传热特性的多能流系统优化运行方法，其特征在于，该运行方法包括以下步骤：

步骤1)：基于图论建立考虑回水管网拓扑结构、管段温度变化动态过程和管段传输时延的区域热网暂态传热特性模型，该模型包括六个方面内容：热源特性、热负荷特性、节点流量平衡、节点功率融合特性、管段传热特性和管段暂或稳态传热特性判据；

步骤2)：建立多能流系统运行优化模型，以系统一个滚动周期内的运行成本最低为目标函数，结合系统应该满足的运行约束条件，确定多能流系统中各设备的实时出力、热网各热源的实时供回水温度，实现系统的统一调度和优化运行。

2.按照权利要求1所述的考虑区域热网暂态传热特性的多能流系统优化运行方法，其特征在于：所述的步骤1)中，将热水管网看作流体网络，每根管道为一条支路，热源、热负荷和管道的连接点为节点；建立区域热网暂态传热特性模型的过程为：

步骤101)考虑热源特性：

设T_SO和T_SI分别为热源的供、回水温度，为了保证热源的正常供热，需要对热源的供回水温度进行限制，如式(1)所示：

式中，T_SO,max和T_SO,min分别表示热源供水温度的上、下限；T_SI,max和T_SI,min分别表示热源回水温度的上、下限；另一方面，热源均由物理设备构成，应满足功率爬坡约束，如式(2)所示：

式中，Q_s(t)表示当前调度时刻点热源的输出热功率；Q_s(t+Δt)表示下一个调度时刻点热源的输出热功率；Δt表示调度周期；和分别表示热源爬坡热功率的上、下限；

步骤102)考虑热负荷特性：

对于包含热负荷的热网支路，供、回水管道的温度与热负荷的取用功率满足式(3)：

式中：T_LI和T_LO分别为所有热负荷处的供水温度和回水温度构成的列向量；c为热媒比热容，取4.2kJ/(kg·℃)；ρ为热媒密度，取934.667kg/m³；η_HX为热网负荷端各换热设备的平均效率；Q_L/F为所有热负荷的取用功率与管道流量组成的列向量，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分别表示第i个负荷取用的功率和其所在管道的运行流量，i＝1,2,…,k，k为负荷总数；

为了保证热负荷的供热质量，需要对热负荷处的供回水温度进行限制，如式(5)所示：

式中，T_LI和T_LO分别为热负荷处的供、回水温度；T_LI,max和T_LI,min分别表示热负荷供水温度的上、下限；T_LO,max和T_LO,min分别表示热负荷回水温度的上、下限；

步骤103)考虑节点流量平衡：

对于热网中任一节点，流入的热媒流量之和等于流出的热媒流量之和，即:

式中，和分别表示热网的上、下关联矩阵；F为流量列向量，上、下关联矩阵的定义如式(7)所示：

热网流量列向量的定义如式(8)所示：

F＝[f₁,f₂,…,f_b]^T 式(7)

式中：f_i表示第i条支路的热媒流量，i＝1,2,…,b，b为支路总数，n为节点总数；

步骤104)考虑节点功率融合特性：

由能量守恒定律可知，对于热网中的任一节点，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、末温度和流量组成的列向量，定义如式(10)：

式中：T_si和T_ei分别表示第i根管道的起始温度和末端温度；

节点处发生功率融合后，该节点的温度与流出该节点的热媒温度相等，即：

T_ni＝T_s1,i＝T_s2,i＝…＝T_sk,i 式(10)

式中：T_ni为第i个节点的温度；T_s1,i,T_s2,i,…,T_sk,i为所有与第i个节点直接相连，并且热媒流出该节点的管道的起始温度；

步骤105)考虑管段传热特性，当管段的传输时延远小于系统调度周期时，在每个调度时刻点处，热网已经达到稳态，使用稳态传热公式描述热网的传热特性；而当管段的传输时延与系统调度周期相当时，使用暂态传热公式描述热网的传热特性，以保证调度策略的精确性；具体包括步骤1051)～1052)：

步骤1051)管段稳态传热特性：

对于一维管道，由傅里叶定律知：传导的热功率与温度梯度和传热面积成正比，即：

式中：Q_loss代表管道的热功率损失，λ表示管道的热导率；A表示传热的正对面积；T表示温度；δ表示厚度；等号右边的负号表示热流方向总是与温度梯度方向相反；

流体在管道内的热功率损失采用多层圆筒壁热传导模型计算：

式中：T_a为外界环境温度，r为圆筒的半径，r_i为第i层圆筒的半径，λ_i为第i层材料的热导率，dl为管道微元的长度，N为圆筒壁材料的总层数；

记管道单位长度热阻R为：

则单位长度管道内流体损失的热功率为：

对于一根管段，其首端的热功率为：

Q₀＝cρf(T_s-T_r) 式(15)

式中：c表示热媒的比热容；ρ表示热媒的密度；f表示热媒的运行流量；T_s表示热源的供水温度；T_r表示回水温度；

距离首端x处的热网传输热功率等于热源处热功率与热网传输损失功率之差，即：

解得管道内流体温度随管长分布为：

考虑到式(18)中指数项x的系数接近于零，将其泰勒展开并略去二次项及更高次项，得到线性化后的形式：

将式(19)改成矩阵形式：

T_E'＝ηT_s' 式(19)

式中：T_E'和T_s'分别是由管段首端温度、x处温度和外界温度构成的等效管段起始温度列向量和等效管段末端温度列向量；η是由管段参数构成的矩阵：

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

步骤1052)管段暂态传热特性：

取管段内长度为dl的流体微元进行分析，不计流体微元之间的相互作用，仅考虑流体微元通过管壁对外界散失热量H_loss，由傅里叶定律可知：

式中：T(t)表示该流体微元在t时刻的温度；

初始时刻，该流体微元刚从热源处发出，具有的能量为：

式中：d为管段的内径；

t时刻该流体微元具有的能量等于初始能量减去散失的热量，即：

联立式(23)和(24)可以解得管段内该流体微元的温度随时间的变化关系，如式(25)所示：

若该流体微元经过时间t后到达管段x处，则：

将式(26)代入式(25)可得此时流体微元的温度为：

此温度即为管段x处的稳态温度，见式(18)，即经过时间t后，管道x处的温度恰好达到稳态；

对于一维管道，其传热特性可由γ₁、γ₂两个参数近似刻画；若记热媒微元从管段首端流入到管段末端流出需要的时间是临界时长t_c，即：

式中：l表示管段的长度；

则当系统调度周期Δt≥γ₂t_c时，在每个调度时刻点t_i流出管段末端的热媒温度T(l,t_i)都将达到稳态，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个调度时刻点流入管段始端的热媒温度；

当系统调度周期满足γ₁t_c≤Δt≤γ₂t_c时，在每个调度时刻点t_i流出管段末端的热媒温度T(l,t_i)都将处于上升状态，T(l,t_i)的上升过程可用线性模型近似刻画，因此可由式(30)求得：

式中：T_p[T_s(t_i-1)]表示在第i-1个调度时刻点流入管段始端热媒的稳态温度；

当系统调度周期相对较小，满足0≤Δt≤γ₁t_c时，在每个调度时刻点t_i流出管段末端的热媒温度T(l,t_i)用传输延时模型近似刻画，可由式(31)求得：

式中：t₀表示在初始调度时刻点；k的定义如式(32)所示：

k＝INT[γ₂t_c/Δt]+1 式(32)

式中：INT[·]表示向下取整函数；

步骤106)考虑管段暂或稳态传热特性判据：

由式(26)可知，从一根管段首端流入的热媒微元经一个调度周期Δt后，若未到达该管段的末端，则该管段存在暂态传热特性，即：

式(33)即为热网管段暂或稳态传热特性判据。