基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于城市大气扩散过程模拟预测的多热源供热系统负荷调度分配方法和系统，该方法包括如下步骤：步骤S1，建立各热源污染物排放模型；步骤S2，建立供热网络模型及热源侧负荷约束、热网输配能力约束和热网解列模型，确定多热源负荷分配可行域；步骤S3，以多层地域模拟气象数据和污染物清单作为边界条件导入大气质量预估模型系统，生成污染物浓度时空分布，对模型进行验证；步骤S4，建立大气质量评价体系；步骤S5，构建最低大气污染的目标函数，通过在线执行多方案比较，实现在特定时期内保障重点区域大气质量达到标准，获得最佳多热源供热系统负荷调度分配方案。本发明专利技术的方法和系统可有效解决重大活动期间空气质量保障问题。

【技术实现步骤摘要】
基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法和系统
本专利技术涉及一种基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法和系统，属于多热源供热负荷调度领域。
技术介绍
我国部分城市一直承担着举办各类大型体育赛事、纪念活动、论坛峰会的重要职责。重大活动期间的空气质量保障措施一直受到多领域研究人员的关注，这类措施具有阶段性、临时性、全面性和力度大的特点。通过高强度的污染减排措施能明显、有效改善环境空气质量，保障活动、会议的顺利开展和进行。同时，随着城市环境压力不断增加，高能源利用率的集中供热系统已经成为我国北方城市供热的重要支撑。而多热源的城市供热系统具有能源利用率高，供热质量高，运行安全性、可靠性、灵活性高的特征，正日益受到大家的关注。目前城市供热系统的环境影响评价仅考虑设备特征、热网约束等条件，结合气象特征、热网输配能力的研究欠缺，未涉及负荷调度及区域微气象模拟。事实上，多热源城市供热系统对环境的影响与热源污染物形式和其扩散有很大关联，而污染物的扩散又与气象因素，如风速、风向等相关性较强。结合区域微气象模拟对多热源城市供热系统进行运行调度优化，能够实现重大活动期间空气质量保障问题，使得管控措施合理有效。但是，目前对重大活动期间空气质量保障措施仅通过气象预测分析污染特征污染规律，“一刀切”式关闭重点保障区域内所有产生污染的供热源。未考虑在气象作用下其他区域的热源污染存在扩散至重点保障区域的可能及热网解列、输配能力约束，易导致重点保障区域内热源关闭后供热不足现象。为了解决重大活动期间空气质量保障和供热保障问题，本专利技术提出了基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法和系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法和系统，通过微气象的数据和模拟，结合热网输配能力和热网解列方法的约束，优化多热能供热负荷调度分配方案，减少重点城市重点区域大气污染物浓度，保障重大活动期间的空气质量，满足供热需求。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于城市大气扩散过程模拟预测的多热源供热系统负荷调度分配方法，包括如下步骤：步骤S1，选取合适的污染物指标体系，针对多热源供热系统建立各热源的污染物排放模型；多热源的城市供热系统相比于单热源具有能源利用率高，供热质量高，运行安全性、可靠性、灵活性高的特征，因此正日益受到大家的关注。步骤S2，建立供热网络模型及热源侧负荷约束、热网输配能力约束和热网解列模型，并确定多热源间的负荷分配可行域或组合关系范围；步骤S3，以多层地域模拟气象数据和污染源清单(包括人为源和自然源)作为边界条件导入大气质量预估模型系统(如光化学模型CMAQ、扩散模型Amermod等)，形成污染物浓度时空分布，对模型进行验证；步骤S4，建立城市范围内大气质量评价体系；步骤S5，构建重点保障区域内空气质量保障目标函数，对目标函数求解以获得最优多热源供热系统负荷调度分配方案。上述技术方案中，进一步地，步骤S1中建立各热源污染物排放模型具体为：步骤S11，选取气象观测站监测数据中的常规污染物二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10)作为污染物指标；步骤S12，建立热源污染物排放模型，根据不同热源的能源消耗量及能源对应污染物排放因子计算污染物排放量Q＝R×δi上式中，R：能源消耗量，t；δi：第i种污染物的排放因子，kg/t。进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：步骤S21，根据图论将热网结构图中的各个部件抽象成节点和区段两种元素，分别对节点、区段和环路进行描述。步骤S22，用关联矩阵A、B分别表示任意节点与区段间连接关系和任意区段与基本环路间的从属关系；流量分布、节点净质量流量和区段压降分布分别由向量G、g、ΔP表示，压降主要由流体流动产生的流动阻力(包括沿程阻力和局部阻力)引起。根据民用热水的特征，这里忽略高度差产生的重力压降和工质相变动量变化产生的动力压降。步骤S23，根据基尔霍夫定律求解热网流动状态，用节点流量守恒方程和基本环路动量守恒方程描述AGT＝g,BΔPT＝0步骤S24，建立热负荷平衡约束、热负荷变化范围约束(包括热电联产机组抽汽供热能力范围约束)、机组升降负荷速率约束，以保障能源供应的安全性和稳定性。步骤S25，建立热网输配能力约束，维持全网各处热水流速在一定范围内，以保证热网内热水流动满足技术要求，用户端供热参数满足用户要求。首先定义管网流速偏差系数Δef＝ΣΔfj上式中，Δfj：各区段内热水流速和正常流速的偏差，用下式描述上式中，kf：流速偏差在供热品质计算中的惩罚系数。热网输配能力约束描述为热网各处流速偏差不超过规定偏差范围Δef≤Δef,maxΔfj≤δfi步骤S26，建立热网解列方案约束，即阀门解列方案的拓扑连通性判断和供热负荷平衡性判断。阀门解列方案的拓扑连通性判断意为排除热源或用户有流量但进口阀关闭的方案以及节点流量不守恒的方案，即排除某一独立区未实现供热时，其他热源处连接的支线干线阀门已被关闭的情况；供热负荷平衡性判断意为排除热网区域内供给负荷小于用热负荷的方案，同时排出网损率过大的方案，具体表现为关闭部分阀门后使热负荷超过热源供应能力的情况；步骤S27，根据上述步骤S24～S26中的五种约束，基于供热模型确定多热源间的负荷分配可行域。进一步地，步骤S3具体为：步骤S31，利用气象模拟应用WRF模型获取多层地域模拟气象数据，所述的多层地域模拟气象数据包括气温、相对湿度和风速风向等；多层地域模拟气象数据具有6h时间分辨率和1°×1°空间分辨率。多层地域模拟气象数据通过四维同化插值到WRF模式网格结点上，模拟本地气象场，并转化为所需网格化气象资料。步骤S32，污染源清单中自然源排放数据利用自然源气体及气溶胶排放模型MEGAN估算，土地覆盖数据区域分辨率可达300m；大气质量预估模型的人为污染源清单采用热源排放模型作为排放信息输入，以量化分析在微气象条件下各个热源排放对重点区域空气质量的影响；步骤S33，将污染源清单中的污染源格栅化纳入0.5°×0.5°分辨率的数据库，将多层地域模拟气象数据和污染源清单作为边界条件输入大气质量预估模型系统，结合朗伯投影坐标系对重点保障区域内各污染物扩散情况进行时空模拟。大气质量预估模型采用3层嵌套网格技术：第1层覆盖全中国；第2层覆盖重点保障区域所属地域，分为东北、华北、西北、华中、华东、华南；第3层覆盖重点保障区域。最终形成的污染物浓度分布结果涉及时间、空间两个变量，即可模拟规定时间段内网格点的平均浓度，并用下式表示上式中，Sm：模拟区域面积，即重点保障区域面积；ρt,i(x,y)：点(x,y)处大气污染物i的质量浓度；...

【技术保护点】
1.一种基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤S1，选取合适的污染物指标体系，建立多热源城市供热系统各热源污染物排放模型；/n步骤S2，建立供热网络模型及热源侧负荷约束、热网输配能力约束和热网解列模型，并确定多热源间的负荷分配可行域或组合关系范围；/n步骤S3，以多层地域模拟气象数据和污染源清单作为边界条件导入大气质量预估模型系统，生成污染物浓度时空分布，对模型进行验证；所述的污染源清单包括人为源和自然源；/n步骤S4，建立城市范围内大气质量评价体系；/n步骤S5，构建重点保障区域内空气质量保障目标函数，对目标函数求解以获得最优多热源供热系统负荷调度分配方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，选取合适的污染物指标体系，建立多热源城市供热系统各热源污染物排放模型；
步骤S2，建立供热网络模型及热源侧负荷约束、热网输配能力约束和热网解列模型，并确定多热源间的负荷分配可行域或组合关系范围；
步骤S3，以多层地域模拟气象数据和污染源清单作为边界条件导入大气质量预估模型系统，生成污染物浓度时空分布，对模型进行验证；所述的污染源清单包括人为源和自然源；
步骤S4，建立城市范围内大气质量评价体系；
步骤S5，构建重点保障区域内空气质量保障目标函数，对目标函数求解以获得最优多热源供热系统负荷调度分配方案。


2.根据权利要求1所述的基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11，选取气象观测站监测数据中的常规污染物二氧化氮、二氧化硫、细颗粒物PM2.5和可吸入颗粒物PM10作为污染物指标；
步骤S12，建立热源污染物排放模型，根据不同热源的能源消耗量及能源对应污染物排放因子计算污染物排放量
Q＝R×δi
上式中，
R：能源消耗量，t；
δi：第i种污染物的排放因子，kg/t。


3.根据权利要求1所述的基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21，将热网结构图中的各个部件抽象成节点和区段两种元素，分别对节点、区段和环路进行描述；
步骤S22，用关联矩阵A、B分别表示任意节点与区段间连接关系和任意区段与基本环路间的从属关系；流量分布、节点净质量流量和区段压降分布分别由向量G、g、ΔP表示，压降由流体流动产生的流动阻力引起，所述的流动阻力包括沿程阻力和局部阻力；
步骤S23，根据基尔霍夫定律求解热网流动状态，用节点流量守恒方程和基本环路动量守恒方程描述
AGT＝g,BΔPT＝0
步骤S24，建立热负荷平衡约束、热负荷变化范围约束、机组升降负荷速率约束，以保障能源供应的安全性和稳定性；
步骤S25，建立热网输配能力约束，以保证热网内热水流动满足技术要求，用户端供热参数满足用户要求；首先定义管网流速偏差系数
Δef＝ΣΔfj
上式中，
Δfj：各区段内热水流速和正常流速的偏差，用下式描述



上式中，
kf：流速偏差在供热品质计算中的惩罚系数；
热网输配能力约束描述为热网各处流速偏差不超过规定偏差范围
Δef≤Δef,max
Δfj≤δfi
步骤S26，建立热网解列方案约束，即阀门解列方案的拓扑连通性判断和供热负荷平衡性判断；所述的阀门解列方案的拓扑连通性判断为排除热源或用户有流量但进口阀关闭的方案以及节点流量不守恒的方案；所述的阀门解列方案的供热负荷平衡性判断为排除热网区域内供给负荷小于用热负荷的方案，同时排除网损率过大的方案；
步骤S27，根据上述步骤S24～S26中的五种约束，基于供热模型确定多热源间的负荷分配可行域。


4.根据权利要求1所述的基于城市大气扩散过程模拟预测多热源供热系统负荷调度分配方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31，利用气象模拟应用WRF模型获取多层地域模拟气象数据，所述的多层地域模拟气象数据具有6h时间分辨率和1°×1°空间分辨率，数据通过四维同化插值到WRF模式网格结点上，模拟本地气象场，并转化为所需网格化气象资料；
步骤S32，利用自然源气体及气溶胶排放模型MEGAN估算污染源清单中自然源排放数据；将热源排放模型作为污染源清单中人为源的排放信息输入，以量化分析在微气象条件下各个热源排放对重点区域空气质量的影响；
步骤S33，将污染物清单中的污染源格栅化纳入0.5°×0.5°分辨率的数据库，将多层地域模拟气象数据和污染物清单作为边界条件输入大气质量预估模型，结合朗伯投影坐标系对重点保障区域内各污染物扩散情况进行时空模拟；所述的大气质量预估模型采用3层嵌套网格技术：第1层覆盖全中国；第2层覆盖重点保障区域所属地域，分为东北、华北、西北、华中、华东、华南；第3层覆盖重点保障区域；
最终形成的污染物浓度分布结果涉及时间、空间两个变量，即可模拟规定时间段内网格点的平均浓度，并用下式表示



上式中，
Sm：模拟区域面积，即重点保障区域面积；
ρt,i(x,y)：点(x,y)处大气污染物i的质量浓度；
步骤S34，利用气象观测站数据验证模型计算结果，评价指标为分数偏差均值B和分数误差均值E，当模拟结果B≤±30％，E≤±50％时，认为该大气模型精确度较高；

【专利技术属性】
技术研发人员：钟崴，张淑婷，周懿，吴燕玲，罗坤，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33