一种水力热力耦合仿真模型的多气源蒸汽管网计算系统

摘要

一种水力热力耦合仿真模型的多气源蒸汽管网计算系统，属于能源管网仿真计算技术领域。本发明的系统包括关系数据库、由实时数据库和数据采集子系统构成的数据采集模块、由数据录入子模块和计算结果显示子模块组成的数据结果显示模块以及由耦合仿真计算子模块和计算结果修正子模块组成的管网仿真计算模块；系统使用图论方法描述管网拓扑结构，为多气源计算提供了建模依据；耦合了水力学和热力学计算模型，使用有限元法解出模型，能在管网环境改变时触发结果修正；数据结果显示模块以可视化的方式显示在管网视图控件中。本系统的优点在于：提高状态参数计算精度，解决多气源管网模型的计算问题。

主权项

1.一种水力热力耦合仿真模型的多气源蒸汽管网计算系统，其特征在于：系统包括关系数据库、数据采集模块、数据结果显示模块以及管网仿真计算模块；数据结果显示模块和管网仿真计算模块均与关系数据库相互连接，数据结果显示模块与管网仿真计算模块相互连接，管网仿真计算模块与数据采集模块相连接；数据采集模块由实时数据库和数据采集子系统组成；采集子系统由节点传感器组成，节点传感器将采集数据传入实时数据库中，并由数据采集模块根据查询条件向管网仿真计算模块提供实时数据；数据结果显示模块由数据录入子模块和计算结果显示子模块组成；数据录入子模块实现对现有管网节点信息和管段信息的录入和组织，以便合理地利用现有的信息建立蒸汽管网的拓扑结构模型，同时把这些管网信息存储到关系数据库中，并直接把录入数据传入管网仿真计算模块进行计算；计算结果显示子模块实现以图像化的方式对计算结果的显示及数据录入情况的显示；管网仿真计算模块由耦合仿真计算子模块和计算结果修正子模块组成；耦合仿真计算子模块通过向数据采集模块获取实时的管段温度和压力信息，并根据数据录入子模块设置的环境信息，结合关系数据库中存储的管网信息，通过节点和管段信息的迭代计算，得到各节点的温度、压力以及各管段的平均流量和冷凝水产生量，最后把结果返回到计算结果显示子模块并显示出来；计算结果修正子模块是根据用户的设置，取耦合仿真计算子模块得出的数据与从数据采集模块查询来的数据进行误差比较，当误差超过用户设定的误差范围时对管网模型的阻尼系数和温降系数进行修正并存储到关系数据库中；所述的节点信息包括节点编号、节点的位置信息；所述的管段信息包括管段的起点和终点信息、管径、管长、管段材料和管段的保温材料及其厚度信息；所述的管网仿真计算模块包括多气源管网结构的建立、管网耦合仿真模型的建立、管网耦合仿真模型的解法和管网耦合仿真模型的多气源解法；所述的多气源管网结构的建立是把管网中的节点和管道抽象为图论中的点和线，定向后成为一个有向图，其中节点分为两部分：参考节点和独立节点，其中参考节点是指流量已知、温度和压力未知的节点，独立节点是指流量未知、温度和压力已知的节点；对应地将管道根据图论知识分为余树和树枝；一次管网耦合仿真计算保证有一个参考节点，当有多个参考节点时管网结构体现为一个多气源问题；对节点和管道排序，保证独立节点在前参考节点在后、树枝在前余树在后，写出有向图的关联矩阵A，并确定好参考节点、独立节点、树枝和余树将A分块为四部分；$A=\left[\begin{array}{c}{A}_I\\ A_X\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right],$A_I＝[A₁₁ A₁₂]，A_X＝[A₂₁ A₂₂]，其中A₁₁是独立节点-树枝关联矩阵，A₁₂是独立节点-余树关联矩阵，A₂₁是参考节点-树枝关联矩阵，A₂₂是参考节点-余树关联矩阵；所述的管网耦合仿真模型的建立是根据水力学和热力学计算模型、IF97国际公式以及基尔霍夫定理有ΔP＝A^TP，ΔT＝A^TT，AG＝Q，ΔP＝C_PG²，ΔT＝C_T/G，联立方程组可得到耦合计算模型AC_PA^TP＝Q，式中的P和T分别表示管段的压力和温度向量，ΔP表示管段降的压力差向量，ΔT表示管段的温度差向量，G为各管段的平均流量向量，Q为各节点的流量向量，C_P、C_T分别表示管段的阻尼系数和温降系数，管段的阻尼系数和温降系数根据流体力学中的质量守恒和热量守恒得出，有其中β表示局部摩擦阻力的当量长度系数，η为管道附件、阀门、补偿器和支座的散热损失附加系数，β和η都与管道的物理特性和周围环境相关，为常数；λ为摩擦系数；l表示管段的长度；c_p为蒸汽定压比热容，使用IF97国际公式求出；d为管段的公称直径；q_l表示蒸汽管道单位长度散热量，可由求出，式中T₀为管道或设备外表面温度，取管道内蒸汽温度，T_a为环境温度，D_o为保温层外径，D_i为保温层内径，可取管道外径，其中v为保温层外表面附近空气的流动速度，ω为保温材料及制品的导热系数；ρ为该管段蒸汽的平均密度，由IF97公式求出始末节点的密度再按比例平均，有：其中ρ₁和ρ₂分别表示管段起始节点和末节点的密度；所述的管网耦合仿真模型的解法：步骤一：设定k的最大值为k_max；步骤二：确定一个初始流量向量G₀，第一次迭代设定独立节点的压力和温度为参考点的压力P₀和温度T₀，置k＝1；步骤三：进入第k次计算，由AC_PA^TP＝Q可求出各独立节点的压力P_k；由其中求出各节点的流量G_k；再由A^TT＝C_T/G得到各节点的温度T_k；步骤四：比较G_k和G′_k-1，两者之间的误差相对值满足事前设定的要求则停止迭代转入步骤五；否则设k＝k+1，如果k＞k_max，则转入步骤二，否则修正G_k为G′_k转入到步骤三；步骤五：保存P_k，G_k，T_k，算法退出；所述的管网耦合仿真模型的多气源解法为当气源点为多个时，则参考节点数目增加，为保证方程有解，把A、G和Q按照独立节点在前、参考节点在后进行分块，$G={\left[\begin{array}{cc}{G}_I^T& G_X^T\end{array}\right]}^T,$$Q={\left[\begin{array}{cc}{Q}_I^T& Q_X^T\end{array}\right]}^T,$$A=\left[\begin{array}{c}{A}_I\\ A_X\end{array}\right],$由把方程AG＝Q分块相乘，得到该线性方程的解唯一；使用高斯消去法解得独立节点的压力后，其后的计算步骤采取和单气源点同样的方式，但在计算温度时A^TT＝C_T/G中对关联矩阵A分解为四部分，可有A₁₁是非奇异的，保证该线性方程有唯一解；所述的计算结果修正子模块包括误差识别部分和自适应修正部分；误差识别部分包括自动方法和人工确认方法；所述的自动方法是指管网耦合仿真模型计算出结果后程序会自动从实时数据库中获取对应采样点的温度压力和流量计算实际值与计算值的误差，有如果ΔT_i、ΔP_i或ΔG_i中的任何一个超过由操作人员提前根据实际需要设定的允许范围则被标识为待修正采样点，待修正采样点数据将会传递到自适应修正部分来完成修正；所述的人工确认方法是在管网耦合仿真模型计算出的结果通过计算结果显示子模块显示后，由查看人员确认该数据是否误差较大，并给出经验值以便传回自适应修正部分来进行迭代修正；自适应修正部分：在水力学模型中压力降与流量的系数在热力学模型中温度降与流量的系数其中β和η与管道的物理特性和周围环境相关；当管道环境改变时，使用最小二乘法对β和η进行修正，通过和来回归得到β^*和η^*，保存这两个变量在下次计算时使用。