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環境系統特性暖通工程師關于集中供熱管網的動態特性及其控制策略研究

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  集中供熱系統能夠節約能源、保護環境,近年來在我國北方發展迅速。但是由于缺乏先進合理的調節措施和控制算法,使得當前的集中供熱系統對其優勢不能夠充分發揮。因此,集中供熱系統的整體節能協調控制策略及相應控制算法的研究與應用意義重大。選擇搭建管網仿真試驗臺,將管網劃分為水力工況計算、管道、換熱器三個組成部分,分別建立各自數學模型,應用MATLAB/SIMUUNK軟件搭建各自仿真模型,最后將各部分按模型的連接方式進行模型連接,完成對仿真試驗臺的搭建,在此平臺上對管網進行動態特性的測試,這兩方面的準備為調節策略與控制算法的驗證和試用做好鋪墊工作。

竞博JBO  作為一個集中供熱管網,由于其組成部分種類較多,針對不同的研究目的,對其進行相應的簡化,而突出其研究范圍的主要部分,進而進行數學抽象、試驗研究及仿真研究等各項工作,這是進行科學研究的一個重要手段。

竞博JBO  供熱管網動態特性的研究,對于控制的研究有著不可忽視的作用,但由于其自身結構與組成成分的復雜性,又使得對粉網的動態特性的研究存在著一定的困難,縱觀各種測試方法,包括實際管網的測試,利用實際數據進行辨識的方法,利用數學建模的進行仿真測試的方法等,他們主要有:德國學者Glueck, Bemd研究了利用熱網中的水進行蓄熱的方法,并給出了相應的數學模。在模型中,作了以下假設:任意給定初始條件,換熱站熱負荷已知,忽略管道熱損失,將供水和回水所有管道的水、管壁相加的熱容定義為供水、回水管網的總熱容。通過簡化模型從理論上指出了可利用的蓄熱的最大容量,達到了通過熱網蓄熱來減少熱源設計容量的目的。德國學者Oeljeklaus G指出妨礙熱電聯產經濟性運行的一大要素是電熱負荷間的藕合,而在一定的短時間內通過不同形式蓄熱可以解除熱電禍合。石兆玉指出由于供熱系統設備和建筑物有很大的熱惰性,室外氣溫、日照和供水溫度、流量等參數的變化對用戶室溫地影響并不是立刻發生的,而是滯后一段時間。因此,為保證用戶室溫地設計要求,熱源當天地供熱量,不但與當天地室外氣溫、供回水溫度、流量、日照、風速有關,而且和幾天前的上述參數都有關。付林[5]指出,對于一個以質調節方式運行的熱網供熱系統,從系統辨識的角度看,其輸入參數為熱網供水溫度和室外溫度,輸出參數為熱網回水溫度和建筑物室溫,以AMRA時間序列模型表示輸出參數與輸入參數之間的關系,公式中各項系數及階次取決于供熱系統的特性,由實際熱網運行數據確定。

  集中供熱系統的供熱網是一種流體網絡,與電網絡類似,基本原理遵從基爾霍夫定律。在流體網絡中支路流量、壓降和管路阻力特性系數可以類比于點網絡中的支路電流、電壓和電阻。圖1所示即為一個有三個熱用戶的供熱管網的流體網絡模型圖。

  本文按圖1的管網作為研究對象,從3個熱用戶的管網開始其動態特性及其控制策略的研究符合一般地由易而難的推證思路和邏輯思維方式。對于圖1所示3個熱用戶的管網,將方程組展開來寫如下式所示:

竞博JBO  對于管網供水管段上的節點,其流入溫度值等于流出節點流體的溫度值;而對于回水管段上的節點,則由于流入節點的流體溫度值不同在節點處進行了接觸換熱,節點輸出流體的溫度滿足混合流方程:

  在本節中的假設前提下,分析了供熱管道特點,提出了一種能夠在流量時變的情況下傳輸水溫的方法,即分段積分法,求出各小段管道水量平均溫度值,再對流速進行實時積分,計算得出當到該段水量流過整個管道時,輸出該段水溫值,實現管道對供回水溫度的輸送。文中同時給出供熱管道仿真模型并進行了斜坡和正弦兩種輸入波形下的仿真分析,得出分段數越多,無論是延遲時間還是曲線的吻合程度以及它們的合理程度都將越接近實際的結論,但在仿真環境中其計算時間也將明顯減慢,因此要取其合適值來仿真應用,視仿真要求而定。

  假設:(1)換熱器中介質為不可壓縮流體,其密度可視為不變;(2)介質的比熱近似為常數;(3)忽略換熱器中的壓降(取換熱器中壓力保持不變)及動量的變化。

  集總參數形式的分段線性化方法對于換熱器模型的仿真,對于不同的換熱器,其效果是不同的。比如逆流管式換熱器熱側入口溫度擾動對于冷側出水溫度的延遲環節的沒有影響,但對其慣性環節的影響較大,而對熱側出口溫度則既影響了它的延遲環節,也影響了其慣性環節。對于不同的擾動通道,其效果也是不同的(由于流量擾動對換熱器擾動產生的同時性,其與溫度擾動通道產生的影響必定是不同的)。

  我們針對不同擾動因素分別推導出分段線性化的傳遞函數,并證明當分段數量趨于無窮大時,傳遞函數的極值與分布參數模型的解析解完全一致。在此基礎上,將該方法進行推廣至集總參數形式的分段線性化方法,來逼近分布參數模型,從數學和物理模型量方面分析了該方法的可行性。仿真實驗表明,分段線性化可明顯改善計算結果。

竞博JBO  試驗研究的局限性在于無法排除自然界復雜繁多的干擾因素,也在于無法實現絕對理想的測量手段,因而無法避免客觀因素帶來的誤差。數值解法是我們使實際問題趨于理想化的重要手段。數值計算是以嚴格的數學邏輯為基礎的,用數值代替客觀的現象是科學研究的必然結果,是高于現象自身的。管網動態特性仿真結果及其分析:

  假設:管網啟動過程中熱源處供熱量不變,啟動時各站流量為:1, 2, 3三站側是20t/h, 14t/h, l0t/h;二次側分別是l0t/h, 12t/h, 20t/h。啟動時首站和各熱力站一次側入口溫度均為零攝氏度,次側入日溫度為40℃,45℃,55℃。

  通過三個換熱站的一次網側熱水進口溫度變化來看,由于總站離各換熱站的距離不同而產生了不同的延遲,這一點從圖中三條曲線可以得到很好的證明。從換熱站的二次側出口溫度的變化來看,在流量變化之后,3號換熱站的出水溫度立刻發生變化;總站由于總流量的降低而產生了與3號站相反的變化,溫度立刻上升;而對于1號和2號兩站來說其自身的流量并沒有改變,因此繼續保持了一段時間的平穩,這一過程一直保持到總站出口溫度上升的變化在分別經過了不同的時間延遲之后才開始在這兩站的二次出口溫度上反映出來,表現為隨供水溫度的升高而升高的趨勢。在一次網總流量變化之后延遲了一段時間后才一開始溫度的下降,這是由于3號站的一次網的熱水出口溫度降低了,而且其溫度變化的滯后時間即為3號站到總站的溫度傳輸的所用時間,之后存1號和2號換熱站上升的水溫到時才逐漸回升。在總站的熱水出口溫度曲線中一開始是隨流量而變化,而之后當進口降低的水溫到來時,綜合流量通道的變化在1.04一1.06萬秒時有一小段的溫度回落,但之后隨著總站入口溫度的升高又開始逐步升溫,直到最后的穩定。

  通過各換熱站的一次側熱水進口溫度,同樣顯示了管道的延遲特性。從各二級站的二次側出水溫度變化曲線號站冷側流量上調之后,其冷側出口溫度最先開始下降,這一變化經由管道傳到總站入口后,總站出口溫度也開始下降,這便是由于2站的二次側流量變化引起的總站出水溫度的變化情況。隨后總站出水溫度逐步傳遞到各換熱站熱側進口,使得各站冷熱兩側出水溫度均開始下降,而2號站則反映為二次側流量和一次側入口溫度同時變化時的情況。這樣整個供熱管網的溫度變化就由2號換熱站的冷側流量變化通過流量通道反映在2號站的熱側出口,轉而通過溫度通道傳遞到J兌站,而后各二級站。

  對于二次網回水溫度的擾動響應,同二次網側流量擾動的影響相類似,它首先影響該站的熱側出水溫度,然后通過回水管道傳遞至總站,在由總站將這一影響伴隨著溫度的變化通過供水管道傳遞至各熱力站,從而引起各站冷側出水溫度變化,進而傳至用戶,改變室溫。這一過程。這里與二次網側流量擾動所帶來的影響不同的是換熱器不同、擾動因素不同所帶來的延遲環節和慣性環節不同,而這對于管網來說這兩個環節的影響是微乎其微的。

竞博JBO  本研究在連接成的小型枝狀管網上對供熱管網進行了實例仿真,分析了對于管網中多種可能出現的工況,利用階躍響應從溫度動態曲線的角度對管網的各個換熱站的熱交換影響情況進行了詳細分析,結果符合邏輯分析。從動態特性曲線中我們可以得知集中供熱系統是一個復雜得多輸入多輸出系統,由于管道輸送的延遲特性,使供熱系統具有很大的時滯,而用戶室溫隨室外氣溫的變化而變化以及換熱器本身一些參數隨流量和水溫的變化而改變,使得供熱系統又具有時變性,再加上各換熱站之間是通過水管相連,一個站改變了流量就會使得其他的站隨之改變,反之亦然。

竞博JBO  本文是用來測定管網動態特性,并為集中供熱系統管網整體協調節能控制策略的研究與實施提供各種管網仿真平臺(體現在其搭建方法的方便上),在這些平臺上可以應用各種控制算法對管網進行控制驗證、比較,取其優者,達到管網協調節能控制、整體優化的目的。從本實驗建模過程中得到的一些結論:

  首次將模擬分析法應用到管網仿真模型中水力工況的模擬,使得輸出閥門開度值,進而調節流量成為了可能;引進分段線性化處理方法,推廣至適用于大擾動全工況范圍,使得換熱器的模擬更趨于分布參數特性。換熱器大擾動全工況模擬的實現,為管網的大擾動全工況的模擬做好了準備;提出對管道分段積分的方法,求取每段水溫平均值,按流速逐段傳送水溫,為流速時變情況下模擬管道對水溫的傳遞打下了基礎;在MATLAB/SIMUL工NK軟件中很方便的就可以連成各種結構與規模的管網,并分析了其動態特性。搭建好了仿真試驗臺,測取了控制對象管網的固有特性,為整體協調節能控制策略的實施做好了準備。

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