一种基于模型预测的供热系统水力平衡调节方法和系统与流程

一种基于模型预测的供热系统水力平衡调节方法和系统
【技术领域】
1.本发明属于能源工程技术领域，尤其涉及一种基于模型预测的供热系统水力平衡调节方法和系统。


背景技术：

2.供热系统水力调节方法主要有比例法、补偿法、模拟分析法等。比例法的调节原理是，两个用户之间的流量比仅取决于上游用户(按供热水流动方向)之后管段的阻抗，而与上游用户和热源之间的阻抗无关，也就是说，对系统上游用户流量的调节将会引起该系统下游用户之间的流量成比例的变化。比例法原理比较简单，也有比较好的调节效果，但操作过程中需要将所有楼门处热力入口开至最大后再逐个进行调节，不仅操作量大，而且对于往年调节过流量的系统，会完全打破已经接近于平衡的状态，额外增加了工作量。补偿法也是一种能获得较为准确结果的方法，该方法通过调节热网上游端的平衡阀，改善下游端因调节引起的阻力变化。补偿法只需要对每个用户管段的平衡阀调节一次，但是补偿法同时需要二套测量仪表，并且要求三组测量人员同时在调节现场观察调节，在调节过程中三组测量人员需要同时知道对方管段的情况。因此其弊端是需要较多参与人员，不适用于调节面积大、人员有限的情况。与其它调节方法相比，采用模拟分析法调节时，投资较少并且比较容易操作。模拟分析法主要以流体网络为基础，通过计算机模拟供热管网的运行情况，根据管网的网络拓扑结构实现各管段的相互关联与制约，快速准确的预测各管段水力失调的情况，然后计算得出各管段达到水力平衡时的理想阻力系数值，进而得出相应的流量和压降值，即最终的调节方案。对于大型管网，这种方法可以提高初调节的效率，对管网一次调节就能达到合理的流量分配。但该方法具有计算量大的缺点，因为其主要依靠计算机进行编程计算，且需要调节人员具有较高的识别网路特性的能力。针对上述问题，本发充分考虑来自环境和热力系统的所有可收集数据，通过热力系统的负荷预测模块和参数校核模块对最优化模型提供优化参数，将仿真结果直接下发到各地mpc控制器来控制调节阀/水泵。不再采用pid类反馈控制方式，而是有学习设备性能功能的直接控制器。由于无需反馈，这种控制方式从机理上避免了发生水力振荡现象。而且，无需添加反馈模块，控制器学习曲线直接来自上层控制平台，控制器的成本降低。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种基于模型预测的供热系统水力平衡调节方法和系统，所述方法包含：
4.步骤s1：数据采集及模型建立；
5.步骤s2：管网模型的参数校核；
6.步骤s3：进行管网模型的水力校核；
7.步骤s4：基于换热器模型进行动态平衡控制。
8.进一步的，所述步骤s4具体为：进行一次侧调节阀开度控制；和进行二次侧循环水
泵的频率控制。
9.进一步的，所述步骤s1具体为：首先，对当前管网模型参数的合理性进行校核，包括对拓扑连通性、管道粗糙度、管道直径、管道高度，进行校核；然后，基于历史数据来校核调整管网中各个元件的属性参数。
10.进一步的，所述步骤s2还包括：对管网模型中的设备进行校核测试以得到符合设备投入实际使用后的各项性能参数。
11.进一步的，所述对管网模型中的设备进行校核测试以得到符合设备投入实际使用后的各项性能参数，具体为：
12.步骤sa1:对调节阀进行特性测试，对厂家提供的调节阀参数进行修正，使当前调节阀参数更符合实际运行时调节阀参数；基于所述调节阀参数和调节阀文本资料设置调节阀模型；首先，根据各个热力站调节阀型号及厂商提供的文本资料，获取对应各个热力站的调节阀参数；然后，设置调节阀开度与管路流量、压差的关系如下述公式2和公式3所示；接着，根据实际历史数据，测试各调节阀在不同开度下，实际管路流量、压差数据与通过公式2和3计算得到的管路流量、压差数据之间的偏差，根据偏差调整公式2和3中的调节阀参数；
[0013][0014][0015]
其中：
[0016]
δp
v
：调节阀两端压差，pa；
[0017]
m：流过调节阀的质量流量，kg/s；
[0018]
a
100
：连接管道的流通面积，m2；
[0019]
k
f
：局部阻力系数，与调节阀本身的特性有关；
[0020]
ρ：水的密度，kg/m3；
[0021]
k
vs
：调节阀对介质的流通能力(m3/h)，调节阀全开，调节阀两端压差
△
p＝100kpa时，常温的水(20℃)通过调节阀的流量为qv，单位为m3/h，则流通能力kvs值为qv；
[0022]
r
v
：调节阀可调节的最大流量和最小流量的比值；
[0023]
φ：此时的调节阀开度；
[0024]
a
v
：调节阀接口面积，m2；
[0025]
步骤sa2：对循环水泵进行特性测试，对厂家提供的循环水泵性能曲线进行修正，使当前拟合系数更符合循环水泵实际运行情况；基于所述循环水泵参数和循环水泵文本资料设置循环水泵模型；
[0026]
首先，根据提供的各个热力站循环水泵型号参数及厂商提供的文本资料，对应得到各个热力站二次网侧循环水泵的参数；然后，根据厂商提供的循环水泵性能曲线，拟合离心泵的流量
‑
扬程曲线(q
‑
h)，表达形式如公式4所示，从而得到拟合系数a0、a1、a2。接着，根据实际历史数据，测试循环水泵在不同频率/转速条件下，实际流量、压差与通过公式4拟合计算得到的流量、压差的偏差，根据偏差调整公式4中的拟合系数；
[0027]
[0028]
其中，q的单位为m/s；h的单位为pa；n为运行频率；n0为额定频率。
[0029]
一种基于模型预测的供热系统水力平衡调节系统，其特征在于，所述系统包含服务器和客户端；通过客户端访问服务器以获取水力平衡调节数据；所述客户端将所获取的水利平衡调节数据发送给基于模型预测的供热系统水力平衡调节系统以进行系统中的循环水泵以及调节阀的控制。
[0030]
进一步的，系统可以采用“云平台”实现。
[0031]
进一步的，所述系统包含一个或者多个热力站。
[0032]
进一步的，服务器为一个或多个。
[0033]
进一步的，所述客户端为权限客户端。
[0034]
本发明的有益效果包括：(1)将仿真结果直接下发到各地mpc控制器来控制调节阀/水泵。不再采用pid类反馈控制方式，而是有学习设备性能功能的直接控制器。由于无需反馈，这种控制方式从机理上避免了发生水力振荡现象；(2)通过实际运行情况和历史数据的不断模拟计算以及计算校核，建立符合热力站实际运行情况的一侧和二测换热器模型进行热负荷的预测，从而获取符合实际运行情况的科学计算数据来调整调节阀以及水泵参数，通过参数调节使得整个水力平衡调节系统在符合实际运行情况的基础上，提高初调节的效率，对管网一次调节就能达到合理的流量分配。
【附图说明】
[0035]
此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
[0036]
图1为本发明的基于模型预测的供热系统水力平衡调节系统架构示意图。
[0037]
图2为本发明的热力站组态模型示意图。
[0038]
图3为本发明的一次网侧调节阀开度控制方法示意图。
[0039]
图4为本发明的二次网侧水泵频率控制方法示意图。
【具体实施方式】
[0040]
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0041]
如附图1所示，本发明涉及的模型预测的供热系统水力平衡调节系统能够进行负荷预测，以及建立符合实际情况的最优化模型，其中管网模型中内含设备性能曲线，可通过仿真结果直接给出调节阀开度和水泵变频频率。所述系统可以采用“云平台”实现。这样，对应企业每年管网规模增长，均可灵活配置算例和硬件，支持手机终端，大幅降低服务部署和升级成本。
[0042]
本发明中管网拓扑信息由热力公司提供，根据供热管网分布cad图或已有的gis系统导入，建立管网模型；环境和设备数据信息从供热云平台数据中台或scada系统中获取。结合以上搜集到的信息将各个热力站组态图抽象成换热器模型，通过对模型的仿真计算对一次网侧调节阀和二次网侧水泵进行控制。如附图2所示。
[0043]
如附图1所示，本发明所涉及的一种基于模型预测的供热系统水力平衡调节方法，包括如下步骤：
[0044]
步骤s1：数据采集及模型建立；具体的：获取管网拓扑信息、环境和设备数据信息，基于所述拓扑信息、环境和设备数据信息建立管网模型；
[0045]
步骤2：管网模型的参数校核；具体的：首先，对当前管网模型参数的合理性进行校核，包括对拓扑连通性、管道粗糙度、管道直径、管道高度等指标进行校核；然后，基于历史数据来校核调整管网中各个元件的属性参数，主要包括对管网中调节阀和循环水泵各参数的校核。
[0046]
所述步骤s2还包括：对管网模型中的设备进行校核测试以得到符合设备投入实际使用后的各项性能参数，具体为：
[0047]
步骤sa1:对调节阀进行特性测试，对厂家提供的调节阀参数进行修正，使当前调节阀参数更符合实际运行时调节阀参数；基于所述调节阀参数和调节阀文本资料设置调节阀模型。首先，根据各个热力站调节阀型号及厂商提供的文本资料，获取对应各个热力站的调节阀参数；然后，设置调节阀开度与管路流量、压差的关系如下述公式2和公式3所示；接着，根据实际历史数据，测试各调节阀在不同开度下，实际管路流量、压差数据与通过公式2和3计算得到的管路流量、压差数据之间的偏差，根据偏差调整公式2和3中的调节阀参数。
[0048][0049][0050]
其中：
[0051]
δp
v
：调节阀两端压差，pa；
[0052]
m：流过调节阀的质量流量，kg/s；
[0053]
a
100
：连接管道的流通面积，m2；
[0054]
k
f
：局部阻力系数，与调节阀本身的特性有关；
[0055]
ρ：水的密度，kg/m3；
[0056]
k
vs
：调节阀对介质的流通能力(m3/h)，调节阀全开，调节阀两端压差
△
p＝100kpa时，常温的水(20℃)通过调节阀的流量为qv，单位为m3/h，则流通能力kvs值为qv；
[0057]
r
v
：调节阀可调节的最大流量和最小流量的比值；
[0058]
φ：此时的调节阀开度；
[0059]
a
v
：调节阀接口面积，m2；
[0060]
步骤sa2：对循环水泵进行特性测试，对厂家提供的循环水泵性能曲线进行修正，使当前拟合系数更符合循环水泵实际运行情况；基于所述循环水泵参数和循环水泵文本资料设置循环水泵模型。
[0061]
首先，根据提供的各个热力站循环水泵型号参数及厂商提供的文本资料，对应得到各个热力站二次网侧循环水泵的参数。然后，根据厂商提供的循环水泵性能曲线，拟合离心泵的流量
‑
扬程曲线(q
‑
h)，表达形式如公式4所示，从而得到拟合系数a0、a1、a2。接着，根据实际历史数据，测试循环水泵在不同频率/转速条件下，实际流量、压差与通过公式4拟合计算得到的流量、压差的偏差，根据偏差调整公式4中的拟合系数。
[0062]
[0063]
其中，q的单位为m/s；h的单位为pa；n为运行频率；n0为额定频率。
[0064]
步骤s3：进行管网模型的水力校核；具体的：将管网模型基于管网历史数据进行稳态水力计算，通过实际历史数据提供的流量和压差数据，进行管网模型的校核。更具体的：管网模型在进行水力计算时的输入值为管网模型的拓扑信息、热力站流量值、用户侧流量值，输出值为热力站两端的压差。用经过管网模型计算得到的压差与实际历史数据提供的压差数据进行对比以得到偏差，基于该偏差进行管网模型校核；
[0065]
优选的：选取数据平台提供的过去15天的流量和压力数据进行水力校核。
[0066]
优选的：对校核出的问题数据进行人工校验；所述人工校验包括：实地勘查，对仪器仪表及设备计量、调控进行排查等。
[0067]
优选的：所述管网历史数据包括；压力、流量、温度等数据；
[0068]
步骤s4：基于换热器模型进行动态平衡控制；具体包含如下步骤：进行一次侧调节阀开度控制；和进行二次侧循环水泵的频率控制；
[0069]
所述进行一次侧调节阀开度控制，具体为：
[0070]
步骤sb1：建立换热器模型；所述换热器模型基于方程组1建立；其中：t1、t3、m1为上个时刻读入scada系统的实时一次供水温度、二次回水温度、一次侧流量，t2、t4、m2代表下个时刻的预测一次回水温度、二次供水温度、二次侧流量，q1为一次网热负荷，q2为预测热负荷，a为换热面积，η为换热效率，δt
′
温差较大的一侧温差，δt"温差较小的一侧温差；通过输入t1、m2、t3、q2来计算得到m1和一次网供回水温差t1
‑
t2。
[0071][0072]
步骤sb2：对管网模型进行水力计算，输入值为管网模型拓扑信息、一次侧流量m1和一次网供回水温差t1
‑
t2，输出值为热力站一次网压差p1
‑
p2。
[0073]
步骤sb3：基于调节阀模型，根据公式5和公式6，通过输入调节阀两端压差δp
v
和一次网流量m1，可以计算得到调节阀的开度φ。其中，调节阀两端压差δp
v
为热力站一次网压差减去换热器阻力后得到。
[0074][0075][0076]
步骤sb4：对求解的各个热力站调节阀开度值作约束判断，约束条件为调节阀开度处于0ˉ100％之间，在其中一个最不利末端的热力站开度值为100％时，计算出热源侧水泵需提供的最小运行压差，对一次热网的循环水泵进行调频实现能耗最优目标；此时当计算所得到的各热力站一网侧调节阀开度的最大值大于100％时，通过提高热源侧循环水泵频率来调大热源处压差；当计算所得到的各热力站一网侧调节阀开度的最大值小于100％时，通过降低热源侧循环水泵频率来调小热源处压差。每个热力站对应一个水利平衡调节控制器，分别反馈出此时各热力站的二次侧调节阀开度。具体流程示意图如附图3所示。
[0077]
步骤sb5：将经过约束判断的计算得到调节阀的开度φ进行一次侧调节阀开度控制；
[0078]
所述进行二次侧水泵频率控制。具体的：
[0079]
步骤sc1：基于如下方程组2建立换热器模型，其中：t1、t3、m1代表上个时刻读入scada系统的实时一次供水温度、二次回水温度、一次侧流量，t2、t4、m2代表下个时刻的预测一次回水温度、二次供水温度、二次侧流量，q1为一网热负荷，q2为预测热负荷，a为换热面积，η为换热效率，δt
′
温差较大的一侧温差，δt"温差较小的一侧温差。此时，通过输入t1、m1、t3、q2来计算得到m2和二次网供回水温差t4
‑
t3。
[0080][0081]
步骤sc2：对管网模型进行水力计算，输入值为管网模型拓扑信息、二次侧流量m2和二次网供回水温差t4
‑
t3，输出值为热力站二次网压差p3
‑
p4。
[0082]
步骤sc3：基于调节阀模型，根据公式7，通过输入循环水泵两端的压差δp
p
和二次网流量m2，可以计算出循环水泵的运行频率n。其中，循环水泵两端压差δp
p
为热力站二次网压差加上换热器阻力后得到。循环水泵循环水泵
[0083][0084]
步骤sc4：基于计算出循环水泵的运行频率n进行二网侧水泵频率控制；
[0085]
通过上述步骤，使得模型能够进行各个热力站的热负荷预测，从而进行二网侧水泵频率控制。优选的：每个热力站对应一个模型预测控制器，分别反馈出此时各热力站的二次侧循环水泵频率。具体流程示意图如图4所示。
[0086]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0087]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0088]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0089]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0090]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
[0091]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0092]
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0093]
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：rom/ram、磁碟、光盘等。
[0094]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。