城市智能热网仿真与控制技术

一、双碳背景下的城市供热困境

• 减碳压力: 目前城市供热主力热源均为高排碳热源，减碳重点在于寻找低碳替代方案，但大规模建设集中式低碳/零碳热源成本极高。
• 天津市中心城区供热现状: 总供热面积8204万平方米，存在4座热电厂、6座调峰锅炉房、4座地热井等，热力站2100余座，最大能力5.3 GW。

二、破局途径

• 核心问题: 热网低碳化需要进行热源替代，但大型城市不适宜大规模集中建设低碳/零碳热源，分布式建设又面临大热网何去何从的问题。
• 可行路径:
  • 少部分热电厂保留，其余燃气锅炉陆续替代、退出，代之以区域型分布式可再生热源，如空气源/能源塔热泵、地热等。
  • 部分区域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。
  • 区域二级网、一级大热网均实现弹性化、智慧化运行调控。
  • 形成“集中式余热互补 + 分布式调峰/储能”的特大城市超大热网低碳化的逐步转型路径。

三、零碳热源关键技术

• 太阳能集热场: 槽式太阳能集热器 + 平板型太阳能集热器阵列，可实现90 ~ 110°C中高温一级网供水，课题组研发了新型腔式吸热器的槽式太阳能集热器和V型波纹多通道太阳能平板集热器。
• 地热高效利用技术: 首创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，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，应用前景广阔。
• 空气源热泵: 目前技术成熟，可实现非常灵活和高效的运行，降低输配损耗，适宜住宅和公建，办公楼、学校、商场等公建的供热、供冷可采用分布式空气源热泵解决方案，能够兼顾供冷。

四、城市热网动态水力仿真技术

• 现状: 目前热网水力仿真应用多为静态方法，缺乏动态计算模型及工具，无法捕捉热网的动态水力特征，无法实现城市级大热网水力工况的动态、自动优化控制。
• 集总参数模型 (NSS 模型): 以余枝流量向量为状态变量，导出热网动态水力特性的集总模型，能够实现任意复杂度热网动态水力工况的快速仿真。
• 分布参数模型 (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。
• 停泵水锤求解算法: 基于特征线法和牛顿迭代法，实现停泵故障非稳态水力求解，颠覆了既有的热网非恒定流计算性能低下的传统理念。
• 水锤分析: 停泵-阀门耦合故障和单一故障的对比，分析水力特征的影响因素（阀门位置、阀门开度、阀门故障发生时间），为中继泵站水锤防护策略定制提供依据。

五、城市热网动态热力仿真技术

• 管道输配热动态: 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，使仿真速度提升100余倍，突破了大热网水力-热力耦合过程实时在线计算的技术瓶颈。
• 管网水力-热力耦合仿真: 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，热力站一次供水温度相对误差在±6.0%之内。

六、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: 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源、中级泵站及热力站实现全局动态优化，大幅提升热网的能效。
• 换热站 PID 闭环震荡抑制技术: 利用控制理论的方法分析热力站闭环反馈控制系统的稳定性和控制算法设计方法，解决热力站动态失稳的问题。

七、城市热网数字孪生技术

• 数字孪生的基本特性: 模拟真实物理过程/系统，利用反馈数据，辨识模型参数，使模拟更精准，实现真实物理过程/系统的分析、控制。
• 阻抗辨识: 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。
• 长输管线漏点识别: 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，记录热力站的压力信号，识别漏点。
• 楼内供暖热过程在线仿真: 从 CAD 图纸自动解析出建筑热过程数学模型，对空调自动设计至关重要。

八、产品与落地应用

• 热网动态水力-热力耦合仿真软件平台 Tensok: 实现了超大规模热网的自动建模（读取并解析 CAD 图纸）、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。
• 换热站智能边缘控制器 Dr.AiBox: 自主研发的换热站边缘控制器，实现负荷预测、供热曲线自适应学习、站内泵阀联控优化。
• 热泵机组自适应高效群控软、硬件系统: 应用成效显著，研发的群控算法以15%的节能优势击败了美国霍尼韦尔公司研发的技术，目前这套算法已授权给西门子、霍尼韦尔等工控巨头，并内嵌至其各自品牌的控制器产品中，实现规模化应用。
• 地源热泵系统仿真优化平台: 实现地埋管群三维动态换热过程快速仿真模拟模块和优化控制策略生成模块。
• 燃气锅炉高效群控关键技术: 省燃气费7%。