周 揚(yáng), 王海超, 王 海, 王向偉,龐印成, 郎 輝, 王海鴻, 邢 軍

(1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116024;2．同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200092; 3.承德熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北 承德 067000;4.黃驊市蘭天熱力投資有限公司,河北 黃驊 061100;5.北京市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100000;6.賽拓信息技術(shù)有限公司,遼寧 大連 116024)

1 概述

近年來(lái),我國(guó)城鎮(zhèn)化高速發(fā)展,建筑面積迅速增大,供暖能耗及碳排放日益增加,2020年城鎮(zhèn)建筑能耗以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)為10.6×108t,其中北方城鎮(zhèn)供暖能耗以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)為2.67×108t,占建筑能耗的1/4[1]。為響應(yīng)國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和號(hào)召,在滿足建筑舒適性的前提下進(jìn)行節(jié)能減排已經(jīng)成當(dāng)務(wù)之急。

區(qū)域供熱的發(fā)展存在以下特點(diǎn)[2]。

① 由單一熱源供熱向多熱源發(fā)展

城市能源網(wǎng)連接多種熱源,各熱源之間如何協(xié)同配合成為研究熱點(diǎn)。

② 熱媒溫度越來(lái)越低

依據(jù)GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》,散熱器集中供暖系統(tǒng)宜按75、50 ℃連續(xù)供暖進(jìn)行設(shè)計(jì),且供水溫度不宜大于85 ℃,供回水溫差不宜小于20 ℃。說(shuō)明提倡中低溫供暖,利用低品位能源達(dá)到熱舒適性要求。利用低品位能源可以提高能源利用效率,但如何加大供熱低品位能源占比仍然是當(dāng)今的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

③ 供熱網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜化、智能化

供熱網(wǎng)絡(luò)日益趨向于全網(wǎng)分布式,對(duì)熱網(wǎng)的控制更趨近于智能化,在大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)基礎(chǔ)上搭建、監(jiān)測(cè)、調(diào)控?zé)峋W(wǎng)成為發(fā)展趨勢(shì)。利用互聯(lián)網(wǎng)思維+智慧能源改造傳統(tǒng)能源行業(yè)已成為主要發(fā)展方向[3]。

總體而言,傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)仍然處于大流量、小溫差供熱模式,運(yùn)行能耗高、能源利用率低,經(jīng)常出現(xiàn)冷熱不均、水力失調(diào)、熱力失調(diào)等,管網(wǎng)安全性低,故障檢測(cè)不夠及時(shí)精準(zhǔn)。主要是由于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)缺乏對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及熱負(fù)荷科學(xué)預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)方法,無(wú)法找到最佳供熱方式。另外,傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)缺乏快速準(zhǔn)確水力計(jì)算方法,往往采用設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行調(diào)節(jié)策略進(jìn)行控制,只適用于單一工況,對(duì)于多熱源的系統(tǒng)無(wú)法找到最優(yōu)控制方式。

解決當(dāng)前問(wèn)題,一方面,需要掌握供熱介質(zhì)在供熱管道內(nèi)的運(yùn)行規(guī)律,分析并處理管道的事故工況,合理設(shè)計(jì)供熱系統(tǒng)的管網(wǎng)布置方式。另一方面,供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況直接影響系統(tǒng)的效率及能耗。因此人們對(duì)供熱管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理要求越來(lái)越高,管網(wǎng)仿真技術(shù)越來(lái)越重要。

由于供熱介質(zhì)受到設(shè)備故障、水泵啟停等影響,壓力、流量、溫度等沿管道時(shí)刻改變。為實(shí)現(xiàn)供熱管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度,需首先保證供熱管網(wǎng)水力熱力計(jì)算準(zhǔn)確,得到供熱系統(tǒng)運(yùn)行特性,進(jìn)而確定最優(yōu)調(diào)節(jié)方法,實(shí)現(xiàn)供熱管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度。因此對(duì)供熱管網(wǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的水力計(jì)算、熱力計(jì)算尤為重要。而在計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)高速發(fā)展的今天,利用先進(jìn)技術(shù)對(duì)供熱管網(wǎng)的水力熱力進(jìn)行求解,能極大提高效率。以下對(duì)供熱管網(wǎng)的水力熱力仿真方法進(jìn)行綜述,分析當(dāng)前水力、熱力仿真算法的發(fā)展趨勢(shì)。

2 水力仿真求解

2.1 穩(wěn)態(tài)水力仿真求解

國(guó)外最早對(duì)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)水力工況仿真模擬的研究是由Hardy[4]提出的,他提出將基爾霍夫定律及圖論理論應(yīng)用到水力計(jì)算中,基于基爾霍夫第一、第二定律,分別提出了兩種水力計(jì)算方法:第1種是保證各節(jié)點(diǎn)的流量和等于0,通過(guò)調(diào)整各管段流量使環(huán)網(wǎng)壓頭和等于0;第2種是保證環(huán)網(wǎng)壓頭和等于0,通過(guò)調(diào)整各管段流量使各節(jié)點(diǎn)的流量和等于0。這兩種方法成為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)仿真模擬的指導(dǎo)思想。但對(duì)于大型管網(wǎng),存在過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算量大的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展,Martin等人[5]將Newton-Rophson算法應(yīng)用到供熱管網(wǎng)水力計(jì)算求解中,這種方法對(duì)上述缺陷進(jìn)行了一定改善,計(jì)算程序得到簡(jiǎn)化,適用于較大規(guī)模管網(wǎng),但受早期計(jì)算機(jī)限制,計(jì)算收斂速度較慢。為進(jìn)一步提高計(jì)算收斂速度,在運(yùn)用Newton-Rophson算法求解管網(wǎng)水力工況的基礎(chǔ)上,Wood等人[6]將線性化理論應(yīng)用于供熱管網(wǎng)水力計(jì)算中,極大改善了算法收斂性。

國(guó)內(nèi)對(duì)管網(wǎng)水力工況仿真模擬的研究最早出現(xiàn)在1988年,石兆玉等人[7]將基本回路法與節(jié)點(diǎn)分析法相結(jié)合,對(duì)管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)水力工況進(jìn)行求解。隨著計(jì)算機(jī)水平的提高,利用計(jì)算機(jī)對(duì)大型管網(wǎng)進(jìn)行水力工況模擬仿真越來(lái)越成為一種經(jīng)濟(jì)可行的方法[8]。為了提高計(jì)算速度,石兆玉等人[9]將管網(wǎng)水力計(jì)算方法編寫成HXW程序。隨后,一些學(xué)者[10-11]提出采用最小平方和法和節(jié)點(diǎn)壓力法進(jìn)行水力工況模擬仿真,并編寫相關(guān)程序,結(jié)果表明,兩種方法均能計(jì)算出設(shè)計(jì)工況下管網(wǎng)水力參數(shù)。

傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)仿真模型雖然具有計(jì)算簡(jiǎn)單、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn),但由于對(duì)供熱系統(tǒng)邊界條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化,當(dāng)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí),需要根據(jù)改變后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和邊界條件,重新聯(lián)立方程組求解,在實(shí)際工程上應(yīng)用具有局限性。

相對(duì)于穩(wěn)態(tài)水力仿真而言,動(dòng)態(tài)水力仿真雖然在模型構(gòu)建時(shí)較為繁瑣,計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜,計(jì)算速度較慢,但充分考慮了時(shí)間對(duì)系統(tǒng)水力工況的影響,計(jì)算精度較高,能夠充分考慮管網(wǎng)水錘的影響,有助于提升管網(wǎng)安全性。

2.2 動(dòng)態(tài)水力仿真求解

文獻(xiàn)[12]指出,動(dòng)態(tài)水力仿真最早在1913年由Allive提出,由于未在仿真計(jì)算中考慮能量方程,計(jì)算誤差大,雖然無(wú)法真正投入實(shí)際應(yīng)用,但為后來(lái)的相關(guān)理論研究提供了思路。直到1974年,Wylie等人[13]在此基礎(chǔ)上提出隱式差分法求解管網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真問(wèn)題,計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確,至此動(dòng)態(tài)水力仿真開始被引入實(shí)際管網(wǎng)水力計(jì)算中。

近些年,應(yīng)用到動(dòng)態(tài)水力物理模型求解方法主要包括有限體積法、節(jié)點(diǎn)法、有限元法、活塞流法、特征線法、函數(shù)法等及其相關(guān)變形優(yōu)化方法。

1980年,Lappus等人[14]提出可以采用有限差分法求解動(dòng)態(tài)流動(dòng)的偏微分方程。1993年,Kentfield[15]簡(jiǎn)化了動(dòng)量方程中的慣性項(xiàng),采用特征線法求解管網(wǎng)一維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng),該簡(jiǎn)化在減小了計(jì)算量的同時(shí)降低了計(jì)算精度。在此基礎(chǔ)上,1995年,Zhou等人[16]在考慮動(dòng)量方程的慣性項(xiàng)的基礎(chǔ)上修正算法,分別模擬了管壁粗糙度等拓?fù)鋮?shù)及流體流速等水力參數(shù)各不相同的8種工況,模擬結(jié)果與實(shí)際情況較為接近。1999年,Faille等人[17]采用有限體積法求解控制方程,結(jié)果表明該方法精度較高。2000年,Dukhovnaya等人[18]采用雙流體模型,利用二階精確總變差遞減(TVD)方案求解控制方程組,結(jié)果表明該方案精度較高,可以充分保留激波,分散效應(yīng)很小,發(fā)現(xiàn)獲得的結(jié)果具有定量描述性,然而,由于缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),它們無(wú)法量化。2002年,Greyvenstein[19]充分考慮了動(dòng)量方程中的對(duì)流加速度項(xiàng)對(duì)問(wèn)題求解的影響,提出利用一種隱式有限差分法求解系統(tǒng)控制方程,該方法在求解包括快速和慢速瞬態(tài)在內(nèi)的一系列問(wèn)題上的求解速度、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和靈活性得到明顯提高。除此之外,國(guó)外學(xué)者為求解管網(wǎng)瞬態(tài)流動(dòng),相繼提出了諸多其他研究方法,如運(yùn)用正交配置法求解偏微分方程[20]等。

國(guó)內(nèi)對(duì)于管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力仿真的研究較少。華靖等人[21]分析了長(zhǎng)輸管道的水擊動(dòng)態(tài)特性,提出了水擊防范措施。由世俊等人[22]通過(guò)建立管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力仿真模型,分析了閥門開度和水泵功率調(diào)節(jié)對(duì)流量的影響。該模型可以用于大型管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)水力計(jì)算,但隨著管網(wǎng)復(fù)雜程度增加,模型求解速度及計(jì)算精度明顯降低。

近些年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,編程思想得到了一定的普及,少量學(xué)者將面向?qū)ο缶幊痰乃枷胍牍芫W(wǎng)仿真計(jì)算中,并以此描述管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[23-24]。楊懷磊等人[23]在三維煤氣管網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入面向?qū)ο缶幊趟枷?。郭勇等人[25]利用面向?qū)ο蠓椒枋龉峁芫W(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。趙冬泉等人[26]、郝興[27]在開發(fā)排水管網(wǎng)、油氣管網(wǎng)仿真軟件時(shí)也用到了面向?qū)ο蠓椒ā５延形墨I(xiàn)采用面向?qū)ο蠓椒ǖ淖罱K目的都是為了提高軟件開發(fā)效率[28]或是方便管理管網(wǎng)GIS信息[29]。這些文獻(xiàn)致力于改善對(duì)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的表達(dá),但并沒(méi)有將面向?qū)ο蠓椒ㄖ苯討?yīng)用到水力計(jì)算中。

針對(duì)上述問(wèn)題,王海等人[30-31]將面向?qū)ο缶幊趟枷霊?yīng)用到管網(wǎng)的水力計(jì)算中?；凇熬W(wǎng)絡(luò)元”的思想進(jìn)行建模求解,將管網(wǎng)結(jié)構(gòu)解析成為各類元件對(duì)象的集合。將元件抽象為具體的類,一個(gè)具體的類由屬性、方法、事件3部分組成。屬性表示類的物理參數(shù),方法表示類所能實(shí)現(xiàn)的功能,事件則表示類的一些變化。經(jīng)驗(yàn)證,該方法可以快速求解水力工況。該方法同樣適用于三維非對(duì)稱非規(guī)則管網(wǎng)的水力計(jì)算[32]。同時(shí),該方法也適用于對(duì)管網(wǎng)堵塞、泄漏等特殊情況的計(jì)算[33]。

3 熱力仿真求解

3.1 穩(wěn)態(tài)熱力仿真求解

對(duì)于供熱管網(wǎng)而言,對(duì)熱力特性的研究與對(duì)水力計(jì)算的研究同等重要,實(shí)際上,水力特性研究的目的還是進(jìn)行熱力特性的分析。在水力仿真計(jì)算出現(xiàn)一段時(shí)間后,熱力仿真計(jì)算的研究熱潮也隨之而來(lái)。由于求解管網(wǎng)熱力特性往往需要系統(tǒng)水力特性作基礎(chǔ),因而管網(wǎng)熱力工況與水力工況息息相關(guān)。

國(guó)外最早對(duì)穩(wěn)態(tài)熱力工況仿真的研究是Patankar[34]1980年基于熱力計(jì)算方程組和管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系建立的有限體積模型,求解了供熱管網(wǎng)的溫度分布及各管段熱損失,但該種方法只能求解固定供回水溫差下的管網(wǎng)熱損失。為解決這一問(wèn)題,2001年Dahm[35]采用拉格朗日方法建立供熱管網(wǎng)模型,設(shè)定管道徑向流速分布均勻,成功求解出不同供回水溫差下管道各處的熱損失。

除此之外,國(guó)外學(xué)者也將諸多分析方法應(yīng)用到穩(wěn)態(tài)熱力工況問(wèn)題的求解中。Dai[36]為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,將半無(wú)限土壤介質(zhì)轉(zhuǎn)化為有限解域進(jìn)而數(shù)值求解土壤中的傳熱,該簡(jiǎn)化減小了計(jì)算量但使得解析解與實(shí)際情況存在明顯偏差。為提高該算法的精度,Wang等人[37]和Hong等人[38]分別考慮流體物性隨流體溫度和摩擦熱變化的規(guī)律,采用辛普森求積法求解,求解結(jié)果可滿足一般工程要求。Danielewicz等人[39]的研究表明穩(wěn)態(tài)熱力工況分析僅代表在某些條件下發(fā)生的狀態(tài),不能反映集中供熱熱網(wǎng)的實(shí)際工作情況。

與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱力工況仿真模擬的研究起步比較晚。鄒平華等人[40]通過(guò)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行熱力計(jì)算,分析了供熱系統(tǒng)未進(jìn)行初調(diào)節(jié)、用戶散熱器面積偏離設(shè)計(jì)值及用戶實(shí)際熱負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)熱負(fù)荷3種工況下熱力失調(diào)的特點(diǎn)。薛宏文等人[41]通過(guò)計(jì)算管網(wǎng)的熱力工況,對(duì)管網(wǎng)的流量與溫度進(jìn)行了優(yōu)化。賀平等人[42]分析了直接連接和間接連接供熱系統(tǒng)的熱力工況,根據(jù)分析結(jié)果提出了優(yōu)化措施。王思瑩等人[43]聯(lián)立了供熱管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、管段熱平衡方程,得到了管網(wǎng)熱力工況的變化過(guò)程。

3.2 動(dòng)態(tài)熱力仿真求解

國(guó)外最早動(dòng)態(tài)熱力工況仿真模擬的研究是由Benonysson[44]于1991年提出的節(jié)點(diǎn)法結(jié)合有限元法建立的模型,將水力工況視作穩(wěn)態(tài),但由于水的熱量和壓力波傳播速度不同,故將熱力工況視為瞬態(tài)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,1997年Elmqvist等人[45]提出Modelica語(yǔ)言,該語(yǔ)言可用于仿真模型的二次開發(fā),后來(lái)開發(fā)的Dymola、SimulationX等模擬仿真軟件便是以此為基礎(chǔ)而搭建的。2009年,Stevanovic等人[46]對(duì)管道進(jìn)行離散化,采用特征線法將傳熱方程轉(zhuǎn)化為常微分方程進(jìn)行求解,求解速度得到提升。2012年,Jie等人[47]采用函數(shù)法求得溫度傳播方程的解析解,并在實(shí)際工程中得到驗(yàn)證。Sartor等人[48]將活塞流法與體積模型法進(jìn)行對(duì)比分析,得出在空間離散程度較高時(shí),二者精度相差不大,但對(duì)于長(zhǎng)管道活塞流法的穩(wěn)定性更好。Heijde等人[49]在Dymola軟件中利用Modelica語(yǔ)言搭建了一種基于活塞流法的模型,模型仿真結(jié)果也驗(yàn)證了上述結(jié)論。Gabrielaitiene等人[50]將有限元法與節(jié)點(diǎn)法進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明有限元法對(duì)溫度峰值的預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確,而節(jié)點(diǎn)法對(duì)預(yù)測(cè)溫度變化速度方面較為準(zhǔn)確。Zheng等人[51]以傅里葉級(jí)數(shù)為基礎(chǔ),采用函數(shù)法求解控制方程,并與節(jié)點(diǎn)法進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)函數(shù)法的平均誤差、穩(wěn)定性及計(jì)算速度均優(yōu)于節(jié)點(diǎn)法。

國(guó)內(nèi)對(duì)于管網(wǎng)動(dòng)態(tài)熱力仿真的研究較少,且起步較晚。王海等人[52]采用面向?qū)ο蠓椒ń⑷S管網(wǎng)仿真模型進(jìn)行水力、熱力計(jì)算,并與基于圖論理論搜索基本回路進(jìn)行建模運(yùn)算的傳統(tǒng)方法對(duì)比,結(jié)果表明該方法精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法。丁超[53]提出可以利用一階隱式迎風(fēng)方法求解管網(wǎng)熱力特性。王娜[54]利用二階隱式迎風(fēng)方法建立集中供熱管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)水力、熱力工況耦合數(shù)值計(jì)算方法,結(jié)果表明該種方法可以較好描述管網(wǎng)熱動(dòng)態(tài)特性。

4 仿真在數(shù)字孿生背景下應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 仿真在數(shù)字孿生背景下的應(yīng)用

近些年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展,各行各業(yè)與數(shù)字孿生的結(jié)合研究越來(lái)越多。數(shù)字孿生技術(shù)以物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)搭建高精度仿真模型,進(jìn)行仿真并提供智慧化決策。Grieves等人[55]將數(shù)字孿生定義為將物理系統(tǒng)作為一個(gè)實(shí)體的數(shù)字信息構(gòu)造。在這種情況下,孿生意味著該數(shù)字信息將在其整個(gè)生命周期中與物理系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。數(shù)字孿生和物理系統(tǒng)進(jìn)行雙向信息交互,數(shù)字孿生根據(jù)物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)及修正,而數(shù)字孿生模型產(chǎn)生的決策又會(huì)反作用于物理系統(tǒng),使物理系統(tǒng)能夠按設(shè)計(jì)最優(yōu)化運(yùn)行。

將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到供熱領(lǐng)域形成智慧供熱系統(tǒng),能明顯改善傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的不足。智慧供熱系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)通常包括物理設(shè)備層、感知調(diào)控層和智慧決策層[56]。物理設(shè)備層由熱源、熱網(wǎng)、負(fù)荷及儲(chǔ)熱系統(tǒng)組成。感知調(diào)控層則由熱源監(jiān)控與控制系統(tǒng)、熱力站監(jiān)控與控制系統(tǒng)、負(fù)荷監(jiān)控與控制系統(tǒng)及儲(chǔ)熱系統(tǒng)監(jiān)控與控制系統(tǒng)組成。智慧決策層則為供熱系統(tǒng)數(shù)字孿生模型。感知調(diào)控層對(duì)物理設(shè)備層進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,將實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果傳輸給智慧決策層,智慧決策層經(jīng)處理后得出智慧決策傳輸給感知調(diào)控層,感知調(diào)控層再根據(jù)智慧決策對(duì)物理設(shè)備層進(jìn)行調(diào)控以達(dá)到供熱系統(tǒng)最優(yōu)化運(yùn)行的目的。

數(shù)字孿生技術(shù)在智慧供熱領(lǐng)域的應(yīng)用較多。Tong等人[57]建立了單一經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)的非線性優(yōu)化模型,并采用粒子群優(yōu)化算法設(shè)計(jì)供水管網(wǎng)。Savic等人[58]建立了以供水管道流速、壓力和損失為約束條件的供水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多目標(biāo)函數(shù),利用遺傳算法求解該多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,取得了較好的效果。除此之外,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法還廣泛應(yīng)用于建筑能耗及室內(nèi)溫度等相關(guān)的預(yù)測(cè),具體文獻(xiàn)見表1。

表1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法一些相關(guān)應(yīng)用文獻(xiàn)

4.2 水力熱力仿真發(fā)展趨勢(shì)

上述數(shù)字孿生技術(shù)在智慧供熱領(lǐng)域的應(yīng)用主要在于建立并校準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型、對(duì)熱負(fù)荷等進(jìn)行預(yù)測(cè)及對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。水力熱力仿真的發(fā)展趨勢(shì)如下。

① 基于管網(wǎng)實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、物理屬性及邊界條件建立準(zhǔn)確的水力仿真模型,全面接入供熱系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)流量、溫度、壓力等參數(shù),通過(guò)反饋調(diào)節(jié)對(duì)仿真模型進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

② 通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時(shí)間序列預(yù)測(cè)等數(shù)值模擬方法產(chǎn)生大量虛擬數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí),或預(yù)測(cè)供熱系統(tǒng)當(dāng)前或未來(lái)的狀態(tài)及性能。通過(guò)預(yù)測(cè)得到熱負(fù)荷等數(shù)據(jù),按需精準(zhǔn)分配熱網(wǎng)各環(huán)路的實(shí)時(shí)流量。

③ 基于數(shù)字孿生模型,實(shí)現(xiàn)供熱管網(wǎng)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度、故障檢測(cè)、運(yùn)行調(diào)節(jié)等。利用智能算法模型尋找城市集中供熱系統(tǒng)最低運(yùn)行成本的最優(yōu)化運(yùn)行方式,降低供熱系統(tǒng)能耗及運(yùn)行成本,提高能源利用效率,助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)。

④ 采用精細(xì)化控制手段,通過(guò)自動(dòng)控制改善大型供熱管網(wǎng)水力失調(diào)、熱力失調(diào)問(wèn)題,提高熱用戶的滿意度。

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然在目前的供熱管網(wǎng)仿真技術(shù)研究中,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)管道穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行了大量研究和完善,并提出了多種求解方法,且對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。管網(wǎng)仿真計(jì)算也與計(jì)算機(jī)技術(shù)接軌,較大程度地提高了計(jì)算速率。但是大部分研究還是以圖論理論為基礎(chǔ)進(jìn)行水力熱力計(jì)算,且很少考慮管道中非管元件的動(dòng)作。因此,我國(guó)在管道在線控制系統(tǒng)仿真方面以及管網(wǎng)故障預(yù)測(cè)診斷方面的研究工作還很薄弱,是今后的重點(diǎn)研究方向。