一种水力热力耦合仿真模型的多气源蒸汽管网计算系统技术方案

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能源管网仿真计算
，提供了一种较为精确和快速的计算蒸汽 管网各节点温度、压力和流量等状态量以及生成冷凝水量的计算系统。该系统使用管网仿 真计算模块解决了多气源蒸汽管网的建模问题，使模型更具普适性，并使用计算结果修正 子模块提出的一种修正管网模型参数的方法对模型结果进行修正，使模型具有自适应性。
技术介绍
蒸汽作为生产过程中的主要携能工质和辅助工艺物流，被广泛用于炼油、化工、钢 铁、轻工、热电、区域集中供热等各个领域。随着生产规模的渐进发展，蒸汽管网系统变得庞 大复杂，不仅难以管理调度，而且浪费惊人。在管道输送过程中随着过热或饱和蒸汽的流 动，由于管壁散热和摩擦等因素，温度和压力不断降低，会造成密度、比热和动力黏度等状 态参数的变化，增加了蒸汽管网计算分析的不确定性因素。同时在蒸汽流动时会发生相变， 产生冷凝水损失大量的热量，并会使状态参数的变化更加剧烈。蒸汽管网凝水损失大、状态 参数变化大决定了蒸汽管网的水力热力计算过程复杂，要比热水管网或其他一些可压缩流 体管网的难度大得多。之前蒸汽管网水力计算主要依靠人工查阅计算手册或计算图表完成的，效率低下 且误差较大。目前国内外已有一些蒸汽管网的计算方法，但大多只选择水力工况的计算，而 忽略蒸汽水力工况与热力工况之间的相互影响，对于状态参数的计算往往只考虑压力的变 化而忽略温度的变化，使得水力计算结果与实际运行数据误差较大，精度难以满足工程需 要。目前对水力计算模型有三种解法一是解环方程法，二是解节点方程法，包括有限元节 点法和联立节点法(也叫牛顿-拉普森法)，三是解管段方程法；而且多用图论知识输入管 网结构，然后建立水力计算模型并根据实际情况选择一定的解法解出结果。本专利技术将综合考虑蒸汽的可压缩性、状态变化、摩擦和传热等多种因素的作用，建 立蒸汽流动过程中的水力热力耦合计算模型，并以此为计算依据构建管网仿真计算系统， 通过数据结果显示模块准确描述蒸汽输送过程中温度和压力变化关系，从而解决目前水力 计算和热力计算分别考虑所产生较大误差的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的有四点一是提供一种耦合计算方法，在运算时能综合考虑到温度 和压力的变化，以便提高状态参数的计算精度；二是提供一种多气源的计算模型，能够解决 在多气源条件下的管网计算情况；三是提供一种管网模型修正自适应的算法，使管网模型 能够自动调整参数来适应管网环境的变化；四是提出一种管网耦合仿真的计算系统，使管 网计算的数据提取、分析和显示三个模块自治且相互联系。本质上前三点都是为了提高管 网模型的计算精确度，模型建立后计算得出的温度、压力和流量数据能有效指导调度人员 提高对蒸汽的优化利用和管理水平，对蒸汽系统的技术改造提供数据支持，并可实现软仪 表技术以及结合现有测量数据进行数据侦破和数据协调。本专利技术的系统在硬件上包括客户端PC、应用服务器、关系数据库服务器、实时数据 库服务器等。在应用模块上包括关系数据库、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。其中数据结果显示模块 部署在客户端，管网仿真计算模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务 器，数据采集模块部署在实时数据库服务器；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； 关系数据库关系数据库用于存储用户录入的信息，如管段、节点、管网、材料等信息。眷数据采集模块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(1)数据录入子模块主要包括现有管网各种形式的原始数据、图纸信息的录入、 存储、传输和组织，以便合理地利用现有的信息建立蒸汽管网的数字模型信息。录入的信息 包括节点信息、管段信息以及环境信息。节点信息包括节点编号、节点的位置信息；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等信息； 环境信息包括当前的温度、大气压强和风速。(2)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，并能提供接口为外部系统如GIS系统调用并显示。 管网仿真计算模块(1)耦合仿真计算子模块它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、管网耦合仿真模型的多气源解法等四部分。多气源管网结构的建立把管网中的节点和管道抽象中图论中的点和线，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。当有多个参考点时管网结构体现为一个多气源问题。对 节点和管道排序，保证独立点在前参考点在后，树枝在前余树在后，写出有向图的关联矩阵A，并确定好参考点、独立节点、树枝和余树将A分块为四部分，即Z 二"4"Ai AiΛ.'A1=，Ax = ，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。。 管网耦合仿真模型的建立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ΔΡ = ATP, AT = AtT, AG = Q, AP = CpG2, AT = CT/G，联立方程组可得到 耦合计算模型ACpAtP = Q。式中的P和T分别表示管段的压力和温度向量，ΔΡ表示管段 降的压力差向量，ΔΤ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。Cp，Ct分别表示管段的阻尼系数和温降系数，可根据流体力学中的质量守恒和热量守恒得出，即有丨,Ct - q^fl，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、支座等的散热损失附加系数，它们都与管道的物理 特性和周围环境相关，为常数；λ为摩擦系数；1表示管段的长度；Cp为蒸汽定压比热容， 使用IF97国际公式可求出；d为管段的公称直径；qi表示蒸汽管道单位长度散热量，可由q - H_1 1 lnDp ！ 1 求出，式中Ttl为管道或设备外表面温度，取管道内蒸汽温度，Ta为环 2πω Di nD0aw境温度，D。为保温层外径,Di为保温层内径，可取管道外径，=11.6 + 7^，其中ν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；P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，有广=^^·，其中P1* P2分别表示管段起始节点和末节点的密度；管网耦合仿真模型的解法首先假定一个初始流量，一般而言通过遍历各节点的 最小的流量作为初始流量，计算导纳矩阵，分别联立水力学方程和热力学方程得到流量、 压力和温度，比较所求流量是否与假设流量之间的相对误差在允许范围内，若满足则退出 输出结果，否则则修正所求流量，用所求的温度和压力再次计算导纳矩阵进入下一轮迭代， 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余志刚，徐化岩，赵博，李勇，王丽娜，卢春苗，
申请(专利权)人：冶金自动化研究设计院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]