城市智能热网仿真与控制技术

城市智能热网仿真与控制技术 DynamicSimulation andControlTechniques ofUrban District Heating Network 天津大学建筑环境与能源应用工程系 王雅然特聘研究员|博导|博后导师 CONTENTS 双碳背景下的城市供热困境01破局途径02零碳热源关键技术03城市热网动态水力仿真技术04城市热网动态热力仿真技术05城市热网全局优化调度06城市热网数字孪生技术07产品与落地应用08智能热网的AI融合技术展望09 PART ONE 双碳背景下的城市供热困境 双碳背景下的城市供热困境 01 减碳压力下的大热网发展困境： 天津市中心城区供热“一张网”： ü主力热源均为高排碳热源； ü总供热面积8204万平米；ü4座热电厂，6座调峰锅炉房，4座地热井；ü热力站2100余座，最大能力5.3 GW； ü下一步减碳重点就在于如何寻找低碳替代方案，但为了保证特大城市供热需求，大规模建设集中式低碳/零碳热源成本极高。 破局途径 破局途径 几个核心问题： 热网低碳化势必意味着需要进行热源替代，根据地区资源形势和禀赋，太阳能、地热、空气源热泵、地源热泵、核能供热等均为有力候选者； 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集中建设，而核能安全性要求高（福岛后，我国全面停止核能新项目审批，目前已重启开始）；II.如果采用分布式建设的热源替代方式，那么大热网又将何去何从？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角落，未来热电厂逐步削减，甚至退出，大热网究竟还是否必要？近10年的并网、联网布局、建设和发展是否完全白费？ 从电网安全稳定的角度，热电厂应作为备用容量保留一部分，这部分电厂供热出力变为被动热源 破局途径 可行路径： I.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，例如：空气源/能源塔热泵、地热（取水、中深层），小区级别的系统为佳；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、一级大热网均实现弹性化、智慧化运行调控；IV.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，充分发挥。 从实现步骤来看，应逐步增大分布式热泵、太阳能、地热的占比，逐步提升大热网的调节灵活性 PART THREE 零碳热源关键技术 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 ~110℃中高温一级网供水。II.课题组研发了：“具有新型腔式吸热器的槽式太阳能集热器”、“V型波纹多通道太阳能平板集热器”，可实现上述零碳方案。 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。 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，并在天津学苑供热站落地应用，节省热泵和循环泵电耗达15%，应用前景极为广阔。 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”配置，可实现非常灵活和高效的运行，且降低输配损耗，适宜住宅和公建。II.办公楼、学校、商场等公建的供热、供冷可采用分布式空气源热泵解决方案，能够兼顾供冷。 零碳热源关键技术：空气源热泵 实践表明，单级压缩热泵，相同冷凝温度下，随着室外气温的下降： •供热能力迅速下降，平均供热量衰减率：室外气温每降5℃，供热量下降10~25%。 •性能系数也迅速下降，平均COP衰减率：室外气温每下降5℃，COP下降15~30% 但由于，室外温度降低，负荷随之提高，空气源供热能力不足问题凸显，室外气温低于-20℃时，空气源热泵供热能力不足额定供热量的35%。当室外温度过低，压缩机的压缩比过大，一般会采用喷气（液）增焓、双级压缩等技术。 零碳热源关键技术：二网调峰集成方式 03 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。 荷 源 储 网 •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•滚动时域优化控制技术 •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；•快速漏损诊断技术； •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优技术； •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；•冷/热源的高效在线仿真 调度 城市热网动态水力仿真技术 城市热网动态水力仿真技术——现状 目前，我国的热网水力仿真的应用，大部分为通过静态水力分析软件进行离线计算，实现设计优化、运行方案制定 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 城市热网动态水力仿真技术——水力仿真现状 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）： 基于四阶Runge-Kutta积分，给出了上述模型的数值求解格式如下： 城市热网动态水力仿真技术——集总参数模型（又称：NSS模型） 城市热网动态水力仿真技术——集总参数模型（又称：NSS模型） 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） Supply/ ret urn pipelineCot reebranchHeat sourceHeat subst at ion 城市热网动态水力仿真技术——分布参数模型（又称：WH模型） 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拟结果： 1、分布参数和集总参数模型的预测结果的趋势一致；2、分布参数能预测更高频的动态。3、调节越快，管网激起的水力波动越剧烈。 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） 04 基于特征线法和牛顿迭代法的停泵故障非稳态水力求解 非热源处，采用特征线法求解；热源处，采用牛顿迭代法求解. 无旁通管的停泵故障边界条件的离散形式： 当前时间计算步长下的无量纲转速β和无量纲流量v 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） 04 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。 Fault typerecognition part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。 城市热网动态水力仿真技术——分布参数模型（水锤分析） 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） 04 ü中继泵出入口压力瞬时变化相反，入口压力高于出口压力；ü热源出口压力瞬间升高，振荡后稳定；ü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。 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） 04 ü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%左右），并降低压力最终稳定时的水平。 城市热网动态热力仿真技术 城市热网动态热力仿真技术：管道输配热动态 05 城市热网动态热力仿真技术：管道输配热动态 05 城市热网动态热力仿真技术：管网水力-热力耦合仿真 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，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。 意义与影响：颠覆了城市级热网只能实现稳态计算的认知，革新了热网热动态仿真领域的面貌。 Ø三个热源：陈塘燃气热电厂、长湖路中继泵站以及金谷园锅炉房Ø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）Ø可实现供热面积2400万平米，2019-2020采暖计划供热面积1842万平米，供热区域为河西区和西青区 城市热网动态热力仿真技术：管网水力-热力耦合仿真 05 ü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 ü根据热力站一次供水流量，结合管网的拓扑结构，计算热力站一次供压 Ø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 Ø各个热力站的压力计算最大相对误差均在±10.0%之内 城市热网动态热力仿真技术：管网水力-热力耦合仿真 城市热网动态热力仿真技术：管网水力-热力耦合仿真 05 Ø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 Ø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 Ø热力站一次供水温度相对误差在±6.0%之内 Ø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 约束条件： 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 STEP 1：给定用户流量需求￿￿,￿￿￿，设定初始迭代值￿，计算各支路流量￿及热力站阀门开度￿，令，进入STEP 2； STEP 2：计算工况下的既约梯度￿￿￿￿￿￿￿，沿既约梯度方向的负改进热源泵转速￿￿￿￿￿￿￿，进入STEP3； STEP 3：利用牛顿迭代计算当热源泵转速比为￿￿￿，用户流量为￿￿,￿￿￿时的各热力站阀门开度￿￿￿。若牛顿迭代收敛，则进入STEP 4；若牛顿迭代次数超过50次仍未收敛，则减为原来的一半，重新进入STEP 3； 是否满足。若满足则输出￿￿￿，￿￿￿￿，优化计算结束，∗￿￿￿即为最优解；若不满足，则令，进入STEP 2。 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 06 1、优化调度下供回水压差降低；2、水力交汇点在优化调度下发生了移动。 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 1、低负荷时节能量显著，65%流量需求时，节能量达20%；2、随着负荷增加，节能效果逐渐减弱。