一種水力熱力耦合仿真模型的多氣源蒸汽管網計算系統的製作方法
2024-01-28 01:48:15
專利名稱：一種水力熱力耦合仿真模型的多氣源蒸汽管網計算系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於能源管網仿真計算技術領域，提供了一種較為精確和快速的計算蒸汽 管網各節點溫度、壓力和流量等狀態量以及生成冷凝水量的計算系統。該系統使用管網仿 真計算模塊解決了多氣源蒸汽管網的建模問題，使模型更具普適性，並使用計算結果修正 子模塊提出的一種修正管網模型參數的方法對模型結果進行修正，使模型具有自適應性。
背景技術：
蒸汽作為生產過程中的主要攜能工質和輔助工藝物流，被廣泛用於煉油、化工、鋼 鐵、輕工、熱電、區域集中供熱等各個領域。隨著生產規模的漸進發展，蒸汽管網系統變得龐 大複雜，不僅難以管理調度，而且浪費驚人。在管道輸送過程中隨著過熱或飽和蒸汽的流 動，由於管壁散熱和摩擦等因素，溫度和壓力不斷降低，會造成密度、比熱和動力黏度等狀 態參數的變化，增加了蒸汽管網計算分析的不確定性因素。同時在蒸汽流動時會發生相變， 產生冷凝水損失大量的熱量，並會使狀態參數的變化更加劇烈。蒸汽管網凝水損失大、狀態 參數變化大決定了蒸汽管網的水力熱力計算過程複雜，要比熱水管網或其他一些可壓縮流 體管網的難度大得多。之前蒸汽管網水力計算主要依靠人工查閱計算手冊或計算圖表完成的，效率低下 且誤差較大。目前國內外已有一些蒸汽管網的計算方法，但大多只選擇水力工況的計算，而 忽略蒸汽水力工況與熱力工況之間的相互影響，對於狀態參數的計算往往只考慮壓力的變 化而忽略溫度的變化，使得水力計算結果與實際運行數據誤差較大，精度難以滿足工程需 要。目前對水力計算模型有三種解法一是解環方程法，二是解節點方程法，包括有限元節 點法和聯立節點法(也叫牛頓-拉普森法)，三是解管段方程法；而且多用圖論知識輸入管 網結構，然後建立水力計算模型並根據實際情況選擇一定的解法解出結果。本發明將綜合考慮蒸汽的可壓縮性、狀態變化、摩擦和傳熱等多種因素的作用，建 立蒸汽流動過程中的水力熱力耦合計算模型，並以此為計算依據構建管網仿真計算系統， 通過數據結果顯示模塊準確描述蒸汽輸送過程中溫度和壓力變化關係，從而解決目前水力 計算和熱力計算分別考慮所產生較大誤差的問題。
發明內容
本發明的目的有四點一是提供一種耦合計算方法，在運算時能綜合考慮到溫度 和壓力的變化，以便提高狀態參數的計算精度；二是提供一種多氣源的計算模型，能夠解決 在多氣源條件下的管網計算情況；三是提供一種管網模型修正自適應的算法，使管網模型 能夠自動調整參數來適應管網環境的變化；四是提出一種管網耦合仿真的計算系統，使管 網計算的數據提取、分析和顯示三個模塊自治且相互聯繫。本質上前三點都是為了提高管 網模型的計算精確度，模型建立後計算得出的溫度、壓力和流量數據能有效指導調度人員 提高對蒸汽的優化利用和管理水平，對蒸汽系統的技術改造提供數據支持，並可實現軟儀 表技術以及結合現有測量數據進行數據偵破和數據協調。
本發明的系統在硬體上包括客戶端PC、應用伺服器、關係資料庫伺服器、實時數據 庫伺服器等。在應用模塊上包括關係資料庫、由實時資料庫和數據採集子系統構成的數據 採集模塊、由數據錄入子模塊和計算結果顯示子模塊組成的數據結果顯示模塊以及由耦合 仿真計算子模塊和計算結果修正子模塊組成的管網仿真計算模塊。其中數據結果顯示模塊 部署在客戶端，管網仿真計算模塊部署在應用伺服器，關係資料庫部署在關係資料庫服務 器，數據採集模塊部署在實時資料庫伺服器；數據結果顯示模塊和管網仿真計算模塊均與關係資料庫相互連接，數據結果顯示 模塊與管網仿真計算模塊相互連接，管網仿真計算模塊與數據採集模塊相連接； 關係資料庫關係資料庫用於存儲用戶錄入的信息，如管段、節點、管網、材料等信息。眷數據採集模塊數據採集模塊由實時資料庫和數據採集子系統組成；採集子系統由節點傳感器組 成，節點傳感器將採集數據傳入實時資料庫中，並由數據採集模塊根據查詢條件向管網仿 真計算模塊提供實時數據。 數據結果顯示模塊(1)數據錄入子模塊主要包括現有管網各種形式的原始數據、圖紙信息的錄入、 存儲、傳輸和組織，以便合理地利用現有的信息建立蒸汽管網的數字模型信息。錄入的信息 包括節點信息、管段信息以及環境信息。節點信息包括節點編號、節點的位置信息；管段信 息包括管段的起點和終點信息、管徑、管長、管段材料和管段的保溫材料及其厚度等信息； 環境信息包括當前的溫度、大氣壓強和風速。(2)計算結果顯示子模塊實現以圖像化的方式對計算結果的顯示及數據錄入情 況的顯示，並能提供接口為外部系統如GIS系統調用並顯示。 管網仿真計算模塊(1)耦合仿真計算子模塊它包括多氣源管網結構的建立、管網耦合仿真模型的 建立、管網耦合仿真模型的解法、管網耦合仿真模型的多氣源解法等四部分。多氣源管網結構的建立把管網中的節點和管道抽象中圖論中的點和線，定向後 成為一個有向圖。其中節點分為兩部分參考節點和獨立節點，其中參考節點是指流量已 知、溫度和壓力未知的節點，獨立節點是指流量未知、溫度和壓力已知的節點；對應地將管 道根據圖論知識分為餘樹和樹枝。當有多個參考點時管網結構體現為一個多氣源問題。對 節點和管道排序，保證獨立點在前參考點在後，樹枝在前餘樹在後，寫出有向圖的關聯矩陣
A，並確定好參考點、獨立節點、樹枝和餘樹將A分塊為四部分，即Z 二
"4"Ai AiΛ.
'A1
=[A11 A12]，Ax = [A21 A22]，其中A11是獨立節點-樹枝關聯矩陣，A12是獨立節點-餘樹關 聯矩陣，A21是參考節點-樹枝關聯矩陣，A22是參考節點-餘樹關聯矩陣。。
管網耦合仿真模型的建立根據水力學和熱力學計算模型、IF97國際公式以及基 爾霍夫定理有ΔΡ = ATP, AT = AtT, AG = Q, AP = CpG2, AT = CT/G，聯立方程組可得到 耦合計算模型ACpAtP = Q。式中的P和T分別表示管段的壓力和溫度向量，ΔΡ表示管段 降的壓力差向量，ΔΤ表示管段的溫度差向量，G為各管段的平均流量向量，Q為各節點的 流量向量。Cp，Ct分別表示管段的阻尼係數和溫降係數，可根據流體力學中的質量守恆和熱量守恆得出，即有丨,Ct - q^fl，其中β表示局部摩擦阻力的當量
長度係數，η為管道附件、閥門、補償器、支座等的散熱損失附加係數，它們都與管道的物理 特性和周圍環境相關，為常數；λ為摩擦係數；1表示管段的長度；Cp為蒸汽定壓比熱容， 使用IF97國際公式可求出；d為管段的公稱直徑；qi表示蒸汽管道單位長度散熱量，可由
q - H_
1 1 lnDp ！ 1 求出，式中Ttl為管道或設備外表面溫度，取管道內蒸汽溫度，Ta為環 2πω Di nD0aw
境溫度，D。為保溫層外徑,Di為保溫層內徑，可取管道外徑，=11.6 + 7^，其中ν為保溫層 外表面附近空氣的流動速度，ω為保溫材料及製品的導熱係數；P為該管段蒸汽的平均密
度，由IF97公式求出始末節點的密度再按比例平均，有廣=^^·，其中P1* P2分別
表示管段起始節點和末節點的密度；管網耦合仿真模型的解法首先假定一個初始流量，一般而言通過遍歷各節點的 最小的流量作為初始流量，計算導納矩陣，分別聯立水力學方程和熱力學方程得到流量、 壓力和溫度，比較所求流量是否與假設流量之間的相對誤差在允許範圍內，若滿足則退出 輸出結果，否則則修正所求流量，用所求的溫度和壓力再次計算導納矩陣進入下一輪迭代， 直至結果滿足收斂條件為止。具體步驟如下步驟一設定k的最大值為kmax ；步驟二確定一個初始流量向量(V第一次迭代設定獨立節點的壓力和溫度為參 考點的壓力Pq和溫度T。，置k = 1 ；步驟三進入第k次計算，由ACPATP = Q可求出各獨立節點的壓力Pk ；由 G 二 A· AP 二 C;· ΔΡ，其中C；； = A，求出各節點的流量;再由Αττ = cT/G得到各節點 的溫度Tk ；步驟四比較(ik和G' η，兩者之間的誤差相對值滿足事前設定的要求則停止迭 代轉入步驟五；否則設k = k+Ι，如果k > kmax，則轉入步驟二，否則修正為G' k轉入到
步驟三；步驟五保存Pk，Gk, Tk，算法退出；具體如圖3。管網耦合仿真模型的多氣源解法當氣源點為多個時，參考節點數目增加，為保證 方程有解，把A、G和Q等按照獨立節點在前、參考節點在後進行分塊，如G = [G] G]]'，
Q = [Qj達]7'" A 二 A'，由G = ^rAF = G-AP把方程AG = Q分塊相乘，以便實現已
LAv」(I7)Cj
知量和所求量的分離，可以得到4,=Q1 -A1CtpArxPx，可證明該線性方程的解唯一。 使用高斯消去法解得獨立節點的壓力後，其後的計算步驟採取和單氣源點同樣的方式。但 在計算溫度時AtT = CT/G中對關聯矩陣A分解為四部分，可有成7； =ΔΓ_4^，可以證明 A11是非奇異的，保證該線性方程有唯一解。(2)自適應修正算法子模塊它包括誤差識別部分和自適應修正部分。
誤差識別部分包括自動方法和人工確認方法。自動方法是指管網耦合仿真模型 計算出結果後程序會自動從實時資料庫中獲取對應採樣點的溫度7；、壓力藎和流量《，計 算實際值與計算值的誤差，即有八7；=7；-7；，間』=乃-<込( 二0,.-《，如果Δ Ti、八卩1或 AGi中的任何一個超過由操作人員提前根據實際需要設定的範圍則被標識為待修正採樣 點，這些數據將會傳遞到自適應修正部分來完成修正。人工確認方法是在管網耦合仿真模 型計算出的結果被展示後，由查看人員確認該數據是否誤差較大，並給出經驗值以便傳回 自適應修正部分來進行迭代修正。自適應修正部分在水力學模型中壓力降與流量的係數Q，
π d ρ
9/(1 + η)1
在熱力學模型中溫度降與流量的係數& 二 jOQOc ，其中β和η與管道的物理特性
和周圍環境相關，1表示管段的長度，cp為蒸汽定壓比熱容，d為管段的公稱直徑，P為 蒸汽的平均密度。當管道環境改變時，使用最小二乘法對β和η進行修正，即通過
min|](Cr/Gi-Δ7；)2和InintccpG12-間)2來回歸得到新的 β*和 η*。
i=\ /=1本發明的優點在於系統的管網仿真計算模塊在管網建模時針對管段的已知量和 所求量進行分類，為多氣源計算提供了建模依據；使用IF97國際計算公式，並耦合了水力 學和熱力學計算模型，提高了狀態參數計算的精度，使計算結果更加精確；把管段中的已知 量和未知量分離，很好地解決了多氣源管網模型的計算問題。系統的數據結果顯示模塊則 提供了靈活的數據組織形式，把管網數據以C/S架構的方式提取和存儲。系統的計算結果 修正子模塊則是使用最小二乘法對管網計算結果自動識別誤差和自適應修正，能在管網環 境改變時觸髮結果修正。
圖1是本發明的系統與模塊關係。圖2是本發明的管網仿真模型執行過程流程圖。圖3是本發明的耦合計算迭代過程圖。
具體實施例方式圖1為本發明的系統與模塊關係圖。由圖可以看出，本系統主要包括關係資料庫、 由實時資料庫和數據採集子系統構成的數據採集模塊、由數據錄入子模塊和計算結果顯示 子模塊組成的數據結果顯示模塊以及由耦合仿真計算子模塊和計算結果修正子模塊組成 的管網仿真計算模塊。其中數據結果顯示模塊部署在客戶端，管網仿真計算模塊部署在應 用伺服器，關係資料庫部署在關係資料庫伺服器，數據採集模塊部署在實時資料庫伺服器。圖2為管網仿真模型的執行過程流程圖。若不是第一次執行，則首先從數據源提 取基本的管網信息數據，包括管網的節點和管道信息，其中管道的信息包括公稱直徑、長 度、管道材料、敷設方式、保溫材料等，若是第一次執行則提供一個數據畫面讓用戶輸入這 些基礎數據。管網的基礎信息數據獲得後，開始執行耦合計算，迭代完成達到滿意精度。當 有實時數據或手動確認自動修正時將觸發驗證計算結果，如果計算結果不正確會進入到模型自適應修正模塊執行新的計算，該計算將會修正了模型的一些參數，並開始新一輪的迭 代計算，直到結果滿意為止。 圖3為管網耦合計算迭代過程圖。首先從資料庫提取管網基本信息，然後對節點 和管段按照已知量和未知量進行分類，寫出關聯矩陣並分塊，保證已知量和未知量的分離； 然後假定一個初始流量，一般而言通過遍歷各節點的最小的流量作為初始流量，計算導納 矩陣，分別聯立水力學方程和熱力學方程得到流量、壓力和溫度，比較所求流量是否與假設 流量之間的相對誤差在允許範圍內，若滿足則退出輸出結果，否則則修正所求流量，用所求 的溫度和壓力再次計算導納矩陣進入下一輪迭代，直至結果滿足收斂條件為止。
權利要求
1.一種水力熱力耦合仿真模型的多氣源蒸汽管網計算系統，其特徵在於系統包括關 係數據庫、數據採集模塊、數據結果顯示模塊以及管網仿真計算模塊；數據結果顯示模塊和管網仿真計算模塊均與關係資料庫相互連接，數據結果顯示模塊 與管網仿真計算模塊相互連接，管網仿真計算模塊與數據採集模塊相連接；數據採集模塊由實時資料庫和數據採集子系統組成；採集子系統由節點傳感器組成， 節點傳感器將採集數據傳入實時資料庫中，並由數據採集模塊根據查詢條件向管網仿真計 算模塊提供實時數據；數據結果顯示模塊由數據錄入子模塊和計算結果顯示子模塊組成；數據錄入子模塊實 現對現有管網節點信息和管段信息的錄入和組織，以便合理地利用現有的信息建立蒸汽管 網的拓撲結構模型，同時把這些管網信息存儲到關係資料庫中，並直接把錄入數據傳入管 網仿真計算模塊進行計算；計算結果顯示子模塊實現以圖像化的方式對計算結果的顯示及 數據錄入情況的顯示；管網仿真計算模塊由耦合仿真計算子模塊和計算結果修正子模塊組成；耦合仿真計算 子模塊通過向數據採集模塊獲取實時的管段溫度和壓力信息，並根據數據錄入子模塊設置 的環境信息，結合關係資料庫中存儲的管網信息，通過節點和管段信息的迭代計算，得到各 節點的溫度、壓力以及各管段的平均流量和冷凝水產生量，最後把結果返回到計算結果顯 示子模塊並顯示出來；計算結果修正子模塊是根據用戶的設置，取耦合仿真計算子模塊得出的數據與從數據 採集模塊查詢來的數據進行誤差比較，當誤差超過用戶設定的誤差範圍時對管網模型的阻 尼係數和溫降係數進行修正並存儲到關係資料庫中；
2.如權利要求1所述的計算系統，其特徵在於所述的節點信息包括節點編號、節點的 位置信息；所述的管段信息包括管段的起點和終點信息、管徑、管長、管段材料和管段的 保 溫材料及其厚度信息；
3.如權利要求1所述的計算系統，其特徵在於所述的管網仿真計算模塊包括多氣源 管網結構的建立、管網耦合仿真模型的建立、管網耦合仿真模型的解法和管網耦合仿真模 型的多氣源解法；所述的多氣源管網結構的建立是把管網中的節點和管道抽象為圖論中的點和線，定向 後成為一個有向圖，其中節點分為兩部分參考節點和獨立節點，其中參考節點是指流量已 知、溫度和壓力未知的節點，獨立節點是指流量未知、溫度和壓力已知的節點；對應地將管 道根據圖論知識分為餘樹和樹枝；一次管網耦合仿真計算保證有一個參考節點，當有多個 參考節點時管網結構體現為一個多氣源問題；對節點和管道排序，保證獨立節點在前參考 節點在後、樹枝在前餘樹在後，寫出有向圖的關聯矩陣A，並確定好參考節點、獨立節點、樹枝和餘樹將A分塊為四部分^ = A1= [A11 A12LAX= [A21 A22],其中 A是獨立節點-樹枝關聯矩陣，A12是獨立節點-餘樹關聯矩陣，A21是參考節點-樹枝關聯矩 陣，A22是參考節點-餘樹關聯矩陣；所述的管網耦合仿真模型的建立是根據水力學和熱力學計算模型、IF97國際公式以及 基爾霍夫定理有ΔΡ = ATP, AT = AtTjAG = QjAP = CpG2, AT = CT/G，聯立方程組可得到 耦合計算模型ACpAtP = Q，式中的P和T分別表示管段的壓力和溫度向量，ΔΡ表示管段降的壓力差向量，ΔΤ表示管段的溫度差向量，G為各管段的平均流量向量，Q為各節點的流量 向量，CP、Ct分別表示管段的阻尼係數和溫降係數，管段的阻尼係數和溫降係數根據流體力學中的質量守恆和熱量守恆得出，有
4.如權利要求1所述的計算系統，其特徵在於所述的計算結果修正子模塊包括誤差 識別部分和自適應修正部分；誤差識別部分包括自動方法和人工確認方法；所述的自動方法是指管網耦合仿真模型計算出結果後程序會自動從實時資料庫中獲取對應採樣點的溫度廠、壓力Zf和流量，計算實際值與計算值的誤差，有Δ7. =7.-7；， ^Ρ； =Pi-P; AG = Gl-GtlM^八Ti、八卩1或AGi中的任何一個超過由操作人員提前根據 實際需要設定的允許範圍則被標識為待修正採樣點，待修正採樣點數據將會傳遞到自適應 修正部分來完成修正；所述的人工確認方法是在管網耦合仿真模型計算出的結果通過計算結果顯示子模塊 顯示後，由查看人員確認該數據是否誤差較大，並給出經驗值以便傳回自適應修正部分來 進行迭代修正；自適應修正部分在水力學模型中壓力降與流量的係數
全文摘要
一種水力熱力耦合仿真模型的多氣源蒸汽管網計算系統，屬於能源管網仿真計算技術領域。本發明的系統包括關係資料庫、由實時資料庫和數據採集子系統構成的數據採集模塊、由數據錄入子模塊和計算結果顯示子模塊組成的數據結果顯示模塊以及由耦合仿真計算子模塊和計算結果修正子模塊組成的管網仿真計算模塊；系統使用圖論方法描述管網拓撲結構，為多氣源計算提供了建模依據；耦合了水力學和熱力學計算模型，使用有限元法解出模型，能在管網環境改變時觸髮結果修正；數據結果顯示模塊以可視化的方式顯示在管網視圖控制項中。本系統的優點在於提高狀態參數計算精度，解決多氣源管網模型的計算問題。
文檔編號G06F19/00GK102063566SQ20101060606
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月15日 優先權日2010年12月15日
發明者餘志剛, 盧春苗, 徐化巖, 李勇, 王麗娜, 趙博 申請人:冶金自動化研究設計院