城市智能热网仿真与控制技术-王雅然

着力打造全球领先的城市智能热网仿真天津大学建筑环境与能源应用工程系王雅然特聘研究员王雅然特聘研究员|博导|博后导师05城市热网动态热力仿真技术06城市热网全局优化调度07城市热网数字孪生技术08产品与落地应用双碳背景下的城市供热困境01双碳背景下的城市供热困境天津市中心城区供热“一张网”：总供热面积8204万平米；天津市超大规模“一张网”总供热面积8204万m2换热站2110座热源4座热电厂6座锅炉房天津市超大规模“一张网”总供热面积8204万m2换热站2110座热源4座热电厂6座锅炉房4座地热井最大供热能力横跨直线距离减碳压力下的大热网发展困境：外下一步减碳重点就在于如何寻找低碳替代方外杨柳青热电厂温军粮城热电厂陈塘庄热电厂东北郊热电厂陈塘庄热电厂tw,maxtw1tw2tw,min延续时间破局途径202破局途径几个核心问题：I.上述低碳/零碳热源除核能外，均不适宜在大型城市进行大规模）；因为大热网存在的意义就在于将集中的电厂余热输配到城市各个近10年的并网、联网布局、建设和发展是否完全白费？02破局途径可行路径：II.部分区域空间充足的条件下（如：城市远郊可建设集中式太阳能集热场+跨季节储热，充分利用空间资源及现有大热网基础设施；III.区域二级网、一级大热网均实现IV.形成：“集中式余热互补+分布式调峰/储能”的特大城市超大零碳热源关键技术303零碳热源关键技术太阳能集热场I.槽式太阳能集热器+平板型太阳能集热器阵列：可实现90~03零碳热源关键技术：地热高效利用技术创新点：首创了利用快速非稳态仿真，实现中深层地下换热过程动态优化调控，充分利用单钻孔换热过程的旋转对称性，使中深层3D换热过程的快速实时优化成为现实。取热功率(kW)0入口水温15℃入口水温18℃入口水温20℃4003002000意义与影响：研发了首套基于地下换热过程3D仿真的中深层地热能供热系统优化控制平台，并在天津学苑供热取热功率(kW)0入口水温15℃入口水温18℃入口水温20℃4003002000 - ---- 入口20℃858687888990858687888990914020模拟值相对误差地埋管换热器白天运行流量Q地埋管换热器白天运行流量Q(m/h)454035302520 搜索路径相对误差相对误差(%)总耗电量(kWh)5101015202530354045地埋管换热器夜间运行流量Q(m/h)03零碳热源关键技术：空气源热泵空气源热泵I.目前，空气源热泵技术已发展得比较成熟，“一栋一机”适宜住宅和公建。II.办公楼、学校、商场等公建的供热、供冷可采用分布式03零碳热源关键技术：空气源热泵冷凝温度冷凝温度冷凝温度冷凝温度5.5℃过冷度1740rpm压缩机转速蒸发温度(℃)功率输入容量03零碳热源关键技术：二网调峰集成方式△400 一次网 换热站空气源热泵地源热泵0锅炉房△400 一次网 换热站空气源热泵地源热泵0锅炉房04000400空气源、地源热泵△板换用户△板换用户空气源、地源热泵零碳热源关键技术：智能热网控制定义（智能热网）：具有多目标自趋优运行能力的供热系统。“多目标”的含义：供热系统能够达到：1）保证末端的负荷需求；2）输配系统水力/热力工况的实时动态优化；3）对热源进行优化调度；4）实现故障工况下快速应对；“自趋优”的含义：能够自动进行参数适应、控制、调度、故障诊断等功能。源•对负荷的快速/精确的响应；•冷/热源的预估补偿控制；•冷/热源最优分配控制；•先进冷/热源装备研发；网•稳定、健壮的输配系统水力平衡及优化技术；•动态工况的在线预测和优化控制技术；荷•建筑负荷的快速高精度识别及预测；•与用户的互动机制；•房间舒适度识别与动态调储•跨季节储热；•高性能相变蓄能、冰蓄冷；•蓄释能高效换热•蓄能系统状态估计技术•冷/热源的高效在线仿真•快速漏损诊断技术；优技术；•滚动时域优化控制技术城市热网动态水力仿真技术04城市热网动态水力仿真技术——现状分为通过静态水力分实现设计优化、运行方案制定04城市热网动态水力仿真技术——现状这种“基于运行方案离线分析”的调控模式给大热网运行带来诸多问题：1、对于大规模、复杂热网，需离线分析大量运行方案，重复工作，且不一定能涵盖全部情况；2、目前的离线分析方法均基于静态方法，缺乏动态计算模型及工具对任意拓扑结构热网均能进行高效分析的方法，无法捕捉热网的动态水力特征；3、热网的动态水力工况关乎热网的运行安全，尤其对于大型带中继泵站的复杂热网，停泵等故障引起水锤将破坏热网基础设施；4、无法实现城市级大热网水力工况的动态、自动优化控制。----------城市热网动态水力仿真技术——水力仿真分类----------热网水力分析准动态方法静态方法通过联立管网稳态下的回路压静态方法通过联立管网稳态下的回路压力平衡和节点流量平衡方程，求解管网的流量、压力分布动态方法对管网非稳态工况下的动态方法对管网非稳态工况下的管网的流量、压力分布进行实时求解的方法利用静态方法对非稳态下的管网流量、压力进行近似逐时计算r----管网规划设计管网精确仿真运行方案分析动态优化控制r---r----管网规划设计管网精确仿真运行方案分析动态优化控制管网实际运行状态的近似计算分析一直缺乏高效的热网动我们提出了两套方法：集总和分布参任意复杂度热网动态水力工况的快速仿真静态方法回--------一直缺乏高效的热网动我们提出了两套方法：集总和分布参任意复杂度热网动态水力工况的快速仿真静态方法回--------动态方法态水力分析工具热网水力分析准动态方法分布参数方法特征线方法集总参数方法线性化方法空间管网仿真分布参数方法特征线方法集总参数方法线性化方法空间管网仿真可及性分析法回路方程法节点方程法回路方程法节点方程法管段方程法管段方程法SIMPLE算法平方根法哈迪格罗斯SIMPLE算法平方根法哈迪格罗斯龙格库塔法04城市热网动态水力仿真技术——集总参数模型（又称：NSS模型）以余枝流量向量为状态变量，导出了热网动态水力特性的集总模型又称非线性状态空间模型，即：NSS,NonlinearStateSpace）：dQrT-1TdTT-1 dt=-(cfkfcf)cf(s+4)lcfQrcfQr+dQrT-1TdTT-1基于四阶Runge-Kutta积分，给出了上述模型的数值求解格式如下：K4=fQr,k+K3ΔT)fQr)T-1cfkfcf)cf(ST-1cQrdcQr+T-1cfkfcf)cfT-1热力站26流量(m3/h)热力站27流量(m3/h)热力站28流量(m3/h)27282620229823口724256542o31\热力站26流量(m3/h)热力站27流量(m3/h)热力站28流量(m3/h)27282620229823口724256542o31\热力站1流量(m3/h)热力站2流量(m3/h)热力站3流量(m3/h)热力站4流量(m3/h)200热力站1流量(m3/h)热力站2流量(m3/h)热力站3流量(m3/h)热力站4流量(m3/h)2000200热力站12流量热力站12流量(m3/h)热力站10流量(m3/h)热力站13流量(m3/h)40热力站26流量(m3/h)热力站27流量(m3/h)热力站28流量(m3/h)175.6175.4175.2174.80时间(min)厂158.8158.6158.4158.2时间(min)124.6124.8124.4时间(min)热源22728262022982123口7242554236500m热源1104城市热网动态水力仿真技术——集总参数模型（又称：NSS模型）热力站26流量(m3/h)热力站27流量(m3/h)热力站28流量(m3/h)175.6175.4175.2174.80时间(min)厂158.8158.6158.4158.2时间(min)124.6124.8124.4时间(min)热源22728262022982123口7242554236500m热源11热力站4流量(m3/h)热力站2流量(m3/h)热力站热力站4流量(m3/h)热力站2流量(m3/h)热力站5流量(m3/h)热力站3流量(m3/h)210131.5209.520920901020300102030时间(min)时间(min) 180.6厂 180.6179.6时间(min)时间(min)热力站12流量(m3/h)热力站10流量(m3/h)热力站13流量(m3/h)热力站1热力站12流量(m3/h)热力站10流量(m3/h)热力站13流量(m3/h)热力站11流量(m3/h)170.6170.4170.2169.8厂 2030103.6103.4103.20102030时间(min)厂104.8104.60102030时间(min)04城市热网动态水力仿真技术——分布参数模型（又称：WH模型）考虑管壁及热媒的弹性，流动过程中弹性势能和动能相互转化，造成管道内热媒的压力、流量波动，连续性方程和动量方程共同构成管道的动态水力过程的分布参数模型（又称水击模型，即：WH,WaterHammer）：城市热网动态水力仿真技术——分布参数模型（又称：WH模型）(Referencedheatsource)/5486/5486953Supply/returnpipeline27953Supply/returnpipeline274Cotreebranch4HeatsourceHeatsubstationFlowrate(m3/h)Pressure(kPa)FlowratFlowrate(m3/h)Pressure(kPa)Flowrate(m3/h)280260240238DPMLPM237236235234DPMLPMDPMLPMTimeTime(s)Pressure(kPa)DPMPressure(kPa)DPMLPMDPMLPMSTimeTime(s)Time(s)32号热力站阀门开度分别在60s、30s和5s内从100%调到50%后的动态水力过程模1、分布参数和集总参数模型的预测结果的趋势一致；3、调节越快，管网激起的水力波04城市热网动态水力仿真技术——分布参数模型（停泵水锤求解算法）H0+Hr((βn)2+(vn)2)(A0+A1θn)-S1Qr2(vn)2=CM2+B2QrvnF1 ((βn)2+(vn)2)(B0+B1θn)+m0-C3(β0-βn)=F1F2F2)+A1β=Hn[2β(A0+A1θ)-A1v])+B1β=2β(B0+B1θ)-B1v+C3当前时间计算步长下的无量纲转速β和无量纲流量v04城市热网动态水力仿真技术——分布参数模型（停泵水锤求解算法）创新点：巧妙利用水柱与管壁的弹性将一维流动的椭圆型方程转化为双曲型方程，使热网的高频压力、流量脉动得以用显式特征线方法进行快速时层推进。意义与影响：颠覆了既有的热网非恒定流计算性能低下的传统理念，在国际上率先开拓了复杂大热网动态水力过程快速仿真研究的新领域。Heatsource1CCHeatexchangeNSupplypipeline1ReturnpipelineN2N2HeatexchangeHeatsource1CCHeatexchangeNSupplypipeline1ReturnpipelineN2N2CCCCHeatexchangeQLeakage2,8002,6002,4002,2002,000--L=5,000m L=10,000mL=10,000m L=15,000mL=15,000mL=5,000mTime(s)2,4002,3002,4002,3002,2002,000--L=5,000m L=10,000mL=10,000m L=15,000mL=15,000mL=5,000mTime(s) !04城市热网动态水力仿真技术——分布参数模型（水锤分析）停泵-阀门耦合故障和单一故障的对比停泵-阀门耦合故障水力特征的影响因素分析（阀门位置）换热站入口流量换热站入口压力换热站入口流量换热站入口压力停泵-阀门耦合故障水力特征的影响因素分析（阀门开度）换热站入口流量换热站入口压力停泵-阀门耦合故障水力特征的影响因素分析（阀门故障发生时间）换热站入口压力换热站入口流量换热站入口压力04城市热网动态水力仿真技术——分布参数模型（水锤防护策略定制）鸡西市长输供热系统布置图中继泵站停泵故障的非稳态水力特征分析远离中继泵处的换热站压力变化趋势与临近中继泵站的类似，但振荡幅值较小、更高频。临近中继泵的换热站远离中继泵的换热站临近中继泵的换热站04城市热网动态水力仿真技术——分布参数模型（水锤防护策略定制）鸡西市长输供热系统布置图总的来说，设置旁通管与不设置旁通管相比，压力振荡的规律相似，但设置旁通管会降低压力振荡的振幅（减弱20%左是否设置旁通对系统停泵水锤强弱的影响热源中继泵出口热源临近中继泵的换热站远离中继泵的换热站临近中继泵的换热站城市热网动态热力仿真技术505城市热网动态热力仿真技术：管道输配热动态鹿华热电厂热源供水管线：9.25km隔压换热站管道内径：1.4m 供热管道隔压换热站热源处的供水温度(oC)9897969594939291热源处的供水温度(oC)989796959493929190管线流量的逐时测试值24时间(h)9.8×1039.89.79.69.79.69.59.49.39.2923时间(h)热源处供水温度的逐时测试值流量流量(m3/h)249212220012346857249212220012346857数值模型的数值模型的0特征线法误差：0.6oC以内隐式迎风误差：0.4oC以内特征线方法实测数据97896.596.505城市热网动态热力仿真技术：管道输配热动态隔压站处的供水温度(C) 隐式迎风格式--特征线方法0.09隔压站处的供水温度(C) 隐式迎风格式--特征线方法0.090.080.070.060.050.040.030.020.0105-0.4-0.3绝对误差(C).误差分布接近正态分布0特征线方法隐式迎风格式实测数据2324最佳步长下的进一步比较212220978---特征线方法 隐式迎风格式沿管道的温度分布沿管道的温度分布(C)与热源之间的管路距离与热源之间的管路距离(m)管道2015年11月15日14:30温度分布沿管道的温度分布(沿管道的温度分布(C)与热源之间的管路距离(m)管道2015年11月15日15:00温度分布 Characteristicline Implicitupwind05城市热网动态热力仿真技术：管网水力-热力耦合仿真763723745716829707702HeatsourceCHeatsourceB491创新点：首创了热网水力-热力耦合特性高性能动态仿真的“拓扑排序-隐式迎风-牛拉迭代”技术，颠覆了传统计算方法，使仿真速度提升100余倍763723745716829707702HeatsourceCHeatsourceB491革新了热网热动态仿真领域的面貌。Boostingpumpstation三个热源：陈塘燃气热电厂、长湖路中继泵站以及金谷Boostingpumpstation776陈塘热电管网建有413座热力站，共有21个环，891个管段以及871个节点（供水管网）776870HeatsourceA可实现供热面积2400万平米，2019-2020采暖计划供热面870HeatsourceA05城市热网动态热力仿真技术：管网水力-热力耦合仿真监测数据：天津城安热电管网在2018年12月13日6:00~21:00时间段内各热力站和热源的运行流量和压力0.760.740.720.700.680.660.640.62根据热力站一次供水流量0.760.740.720.700.680.660.640.620.76热力站供水压力热力站供水压力(MPa)0.720.700.680.660.64热力站供水压力热力站供水压力(MPa) 监测值计算值6912151821时间(h)热力站577 监测值计算值时间(h) 热力站608热力站614运行期间内，热力站供水压力波动范围为0.62MPa~0.76MPa，各个热力站供水压力变化趋势基本一致各个热力站的压力计算最大相对误差均在±10.0%之内热力站一次供水温度(℃)05城市热网动态热力仿真技术：热力站一次供水温度(℃)96.0热力站一次供水温度热力站一次供水温度(℃)92.076.072.0热力站一次供水温度(℃)热力站一次供水温度(℃)监测值计算值时间(h)热力站一次供水温度(℃)热力站一次供水温度(℃) 监测值计算值热力站491热力站591 计算值热力站一次供水温度热力站一次供水温度(℃) 热力站一次供水温度热力站一次供水温度(℃) 05城市热网动态热力仿真技术：管网水力-热力耦合仿真热力站一次供水温度(℃) 热力站一次供水温度(℃) 计算值热力站一次供水温度(℃)热力站一次供水温度(℃) 监测值计算值热力站供水温度在此期间波动较为显著，利用水力-热力耦合模型能够较好地描述热力站供水温度变化过程该管网主要由陈塘电厂进行供热，因而各热力站一次供水温度的变化趋势与陈塘电厂供水温度趋于一致热力站一次供水温度相对误差在±6.0%之内本次仿真计算过程中，管段遍历共进行了70次，占总运行次数的38.9%城市热网全局优化调度城市热网全局优化调度：多热源环状网快速水力优化的GRG优化算法水泵转速和阀门开度水泵转速和阀门开度但应j≤scHjWT-HjWT-Qj,rj)-Qjnj(Qjrj)热网中所有水泵的总功率!广义既约梯度负方向满足约束下降最快06城市热网全局优化调度：多热源环状网快速水力优化的GRG优化算法STEP1：给定用户流量需求Gsb,req，设定初始迭代值ro，计算各支路流量Go及热力站阀门开度STEP2：计算k工况下的既约梯度(VRWTotal)k，沿既约梯度方向的负改进热源泵转速rk+1=rk+E(-VRWT)kSTEP3：利用牛顿迭代计算当热源泵转速比为rk+1，用户流量为Gsb,req时的各热力站阀门开度k+1。若牛顿迭代收敛，则进入STEP4；若牛顿迭代次数超过50次仍未收敛，则减为原来的是否满足。若满足则输出rk+1，W+1，优化计算结束，r*=rk+1即为最优解；若不满足，则令 06城市热网全局优化调度：多热源环状网快速水力优化的GRG优化算法65%流量需求水力交汇点 65%流量需求水力交汇点 压力压力(m)40节点编号节点编号压力(m)204020节点编号85%流量需求水力交汇点压力(m)204020节点编号85%流量需求水力交汇点 70%流量需求 70%流量需求水力交汇点水力交汇点压力(m)压力(m)404020节点编号20节点编号 80%流量需求压力(m)压力(m)水力交汇点402075%流量需求75%流量需求压力(m)压力(m)水力交汇点60GRGGRG优化调度40定压差调节定压差调节压力(m)节点编号60402090%流量需求水力交汇点节点编号20压力(m)节点编号60402090%流量需求水力交汇点节点编号06城市热网全局优化调度：多热源环状网快速水力优化的GRG优化算法 2.4 2.2水泵功率(MW) 定压差 GRG21.81.6水泵功率(MW) 定压差 GRG0.流量需求90.流量需求00.650.700.650.70.7流量40.3 0.3 0.90.80.70.60.50.4水泵节能率0.2水泵节能率0.10.70.750.80.70.750.80.850.9流量需求0.65 0 0.450.3流量需求0.3流量需求水泵功率(MW)水泵节能率0.2定压差GRG00.65水泵功率(MW)水泵节能率0.2定压差GRG00.650.90.70.750.80.850.9流量需求B热源水泵功率B热源水泵节能率总输配能耗(MW) 水泵功率(MW)热网总节能水泵节能率0.70.750..9流量需求定压差GRG 0.30.40.350.30.250.20.1530.220.1GRG定压差1100.650.650.7总输配能耗(MW) 水泵功率(MW)热网总节能水泵节能率0.70.750..9流量需求定压差GRG 0.30.40.350.30.250.20.1530.220.1GRG定压差1100.650.650.70.750.80.850.9流量需求C热源水泵功率C热源水泵节能率0.70.750.9流量需求热网水泵总功率热网水泵总节能率06城市热网全局优化调度：大热网滚动时域优化调度首创基于动态水力-热力耦合仿真的大型城市级热网滚动时域优化调度方法，能够对大热网多个热60869655248606城市热网全局优化调度：换热站PID闭环震荡抑制技术FlowFlowrate(m3/h)某城市热网的某热力站的实测流量20048Time(h)0304224606城市热网全局优化调度：换热站PID闭环震荡抑制技术利用控制理论的方法分析其稳定性和控制算二次供水温度设定值+ + ,"i'一次供水M电动调节阀一次侧一次回水温度传感器二次供水二次侧二次回水板式换热器06城市热网全局优化调度：换热站PID闭环震荡抑制技术板式换热器模型结构二次流量、一次供温和二次回温到二次供温的传递函数。这些传递函数可通过有限容积法建模、简化得到。Tl,out=G(s)qh+Gd,1(s)ql+Gd,2(s)Th,in+Gd,3(s)Tl,inC(slG(S)=-C(sld,1(s)=C(sl-d,2(s)=C(sl-d,3(s)=C(sl--1B1A)-1B2A)-1B3A)-1B4扰动输入GqhqlTl,outTh,inTl,inGqhqlTl,outTh,inTl,in06城市热网全局优化调度：换热站PID闭环震荡抑制技术1100.5 1100.5 T=70CT=70C,T=40C,q=0.03m/s所有可能工况最坏情况Tl,out设定值T=70C,T=40C,q=0.03m/s所有可能工况最坏情况0.50.50.50.5温度(温度(oC)一次供温由70oC变为85oC0000虚轴坐标虚轴坐标虚轴坐标虚轴坐标-0.5-0.5-0.5-0.50 0 0.07-1.5-1.5K1K2-1.5K1K20.060.060.050.040.04퐾20.03푠0.03푠保证所有工况都满足稳定条件。0.020.0100.0100城市热网数字孪生技术707城市热网数字孪生技术：数字孪生的基本特性A.在信息系统中模拟真实物理过程/系统模拟、辨识、分析、控制是数字孪生的4个核心要素。07城市热网数字孪生技术：阻抗辨识热网阻抗辨识问题PipenumbersPipenumbers퓜퓟퓜T퓜∙푺=퓜T퓟超定问题T퓜)-1퓜T∙퓟最小二乘解퓜t矩阵퓜的（摩尔-彭罗斯）广义逆07城市热网数字孪生技术：长输管线漏点识别20km热源侧用户侧动量方程：CPNACPNAl管道发生泄漏时的示意图NS1CM2NS1CM2泄漏孔面积25430.424007城市热网数字孪生技术：管网漏点识别参459/2653热源3考热源2742474622820524490热源2/528795414热源121供/回水管道余枝管道热源换热站大型供热管网分区示意图5\ \58按照地理位置对管网中的管道进行分区，模拟各管道发生泄漏的非稳态水力过程，记录热力站的参459/2653热源3考热源2742474622820524490热源2/528795414热源121供/回水管道余枝管道热源换热站大型供热管网分区示意图5\ \58训练集数据个数测试集数据个数错误个数13203040506070809060000107城市热网数字孪生技术：热网在线仿真与优化控制软件系统实现了超大规模热网的自动建模（读取并解）；快速水力工况分析与优化；热网阻抗在线辨识与实时优化调度；TENSOK：ThermalEnerNetworkSimulation&OtimizationTENSOK：ThermalEnerNetworkSimulation&OtimizationGUI层热网调度模式控制组件优化计算执行引擎热网动态优化计算库热网模型参数辨识引擎热网动态仿真计算库数据库读写组件热网数学模型构建组件大规模稀疏矩阵计算库模型存储子系统CAD文件读取组件SCADA系统TensokTE动态版 TensokDETensokTE动态版 TensokDE设计版TensokBE教育版TensokOBE在线基础版TensokOTE在线基础版TensokOTE在线完全版基于所建立的上述理论和技术体系，自主研发了Tensok软件系统，并成功应用于石家庄、天津等城市，大幅提升热网能效，获得省部级科技进步一等奖。07城市热网数字孪生技术：楼内供暖热过程在线仿真将状态空间系数矩阵等封装并输出到求解器内核。结合建筑构造做法信息，生成热过程仿真的状态空间模型。接关系的房间拓扑图。解析为：围护结构作为“边”的无向建筑.dxf数据文件建筑.dxf数据文件!!↓↓做法相结合输出到仿真计算内核输出到仿真计算内核房间拓扑⋮07城市热网数字孪生技术：楼内供暖热过程在线仿真开始边界节点 内围护结构Room601Room602 Room603数据输入仿真开始时间τ=a结束时间b时间步长Δτ边界节点 内围护结构Room601Room602 Room603数据输入仿真开始时间τ=a结束时间b时间步长Δτ气象参数Room608Room604RoomRoom608Room604Room605Room609Room610数据输入管网的拓扑结构和阻抗参数SRoom605Room609Room610数据输入管网的拓扑结构和阻抗参数S散热器的几何和物性参数循环水泵参数c,c,c和r数据更新室外气象参数(τ)Room606Room606Room611Room501Room611Room501Room502Room502 Room503Room508气候补偿器Room Room503Room508气候补偿器Room504Room505Room510Room509Room506数据更新根据公式(2-7)、(2-8)和(2-11)Room505Room510Room509Room506数据更新根据公式(2-7)、(2-8)和(2-11)计算各管段的新阻抗值SRoom511Room401Room402Room511Room401Room402供水温度T Room403Room408数据初始化管网中各支路流量GRoom404Room405Room410Room409Room406Room407 Room403Room408数据初始化管网中各支路流量GRoom404Room405Room410Room409Room406根据公式(2-2)计算散热器内水