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报告一

作者:jnscsh   时间:2020-07-21 12:21:54   浏览次数:

 能源模型及规划方法 研究报告

  I

 目 目

 录

 1. 引言 ................................................................................................................................................. 1

 1.1 研究背景和意义 ....................................................................................................................... 1

 1.2 前期研究基础 ........................................................................................................................... 2

 1.3 研究范围和目标 ....................................................................................................................... 2

 1.4 研究思路和总体方案 ............................................................................................................... 2

 1.4.1 研究思路 ............................................................................................................................ 2

 1.4.2 总体方案 ............................................................................................................................ 5

 2. 冷/ 热/ 电负荷预测方法 ................................................................................................................... 8

 2.1 建筑冷/热负荷预测 .................................................................................................................. 8

 2.2 生活热水热负荷预测 ............................................................................................................... 9

 2.3 工业热负荷预测 ....................................................................................................................... 9

 2.4 电负荷预测 ............................................................................................................................... 9

 2.4.1 负荷密度指标法 ................................................................................................................ 9

 2.4.2 产值单位能耗法 .............................................................................................................. 10

 2.4.3 比例系数增长法 .............................................................................................................. 10

 3. 综合能源配用电系统多能流转换分析 ....................................................................................... 11

 3.1 综合能源系统能流模型 ......................................................................................................... 11

 3.1.1 电力系统潮流模型 .......................................................................................................... 11

 3.1.2 供热系统热流模型 .......................................................................................................... 11

 3.1.3 天然气网气流模型 .......................................................................................................... 13

 3.1.4 综合系统模型约束 .......................................................................................................... 13

 3.2 多能流转换模型 ..................................................................................................................... 14

 3.3 典型能源转换设备 ................................................................................................................. 17

 3.3.1 热电联产(Combined Heat and Power, CHP) .................................................................. 17

 3.3.2 热泵(Heat Pump, HP) ...................................................................................................... 19

 3.3.3 燃气锅炉(Gas Boiler, GB) ............................................................................................... 19

 4. 冷/ 热/ 气/ 电站电源规划方法 ....................................................................................................... 21

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 II

 4.1 电池储能规划 ......................................................................................................................... 21

 4.1.1 上层优化模型 .................................................................................................................. 21

 4.1.2 中间层优化模型 .............................................................................................................. 26

 4.1.3 下层优化模型 .................................................................................................................. 27

 4.1.4

 电池储能选型规划模型 ................................................................................................. 28

 4.2 综合能源站规划 ..................................................................................................................... 29

 4.3 蓄冷站系统规划 ..................................................................................................................... 30

 4.3.1 目标函数 ........................................................................................................................... 31

 4.3.2 运行约束条件 .................................................................................................................. 32

 4.4 蓄热站规划 ............................................................................................................................. 33

 4.5 光伏风电规划 ......................................................................................................................... 35

 5. 综合能源配用电系统网架与管网规 划方法 ............................................................................... 37

 5.1 配电网架规划 ......................................................................................................................... 38

 5.1.1 不确定性因素建模 .......................................................................................................... 38

 5.1.2 基于随机约束规划的网架规划模型 .............................................................................. 40

 5.1.3 改进遗传算法模型求解 .................................................................................................. 42

 5.2 蒸汽管网规划 ......................................................................................................................... 47

 5.2.1 蒸汽管网位置 .................................................................................................................. 47

 5.2.2 蒸汽管网选型 .................................................................................................................. 50

 5.3 供冷管网规划 ......................................................................................................................... 51

 6. 综合能源系统一体化规划联合建模 ........................................................................................... 53

 6.1 综合能源系统一体化规划的关键问题 ................................................................................. 54

 6.2 能源系统结构 ......................................................................................................................... 55

 6.2.1 子系统特征 ...................................................................................................................... 55

 6.2.2 耦合形态 .......................................................................................................................... 56

 6.3 能源流分析与计算 ................................................................................................................. 57

 6.3.1 电力系统潮流计算 .......................................................................................................... 58

 6.3.2 天然气系统能流计算 ...................................................................................................... 58

 6.3.3 供热/冷系统能流计算 ..................................................................................................... 59

 6.3.4 综合能源系统能流计算 .................................................................................................. 60

 6.4 多能流耦合环节建模 ............................................................................................................. 61

 6.5 综合能源一体化规划框架 ..................................................................................................... 67

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 III

 7. 算例分析 ....................................................................................................................................... 70

 7.1 参数设置 ................................................................................................................................. 70

 7.1.1 用能系统概况 .................................................................................................................. 70

 7.1.2 能源转换设备选型 .......................................................................................................... 74

 7.1.3 能源价格 .......................................................................................................................... 75

 7.1.4 网架参数 .......................................................................................................................... 75

 7.2 规划结果 ................................................................................................................................. 77

 7.2.1 规划方案概况 .................................................................................................................. 77

 7.2.2 能源枢纽(energy hub)规划结果 ................................................................................ 78

 7.2.3 电力网架规划结果 .......................................................................................................... 92

 7.2.4 冷、热、气网架规划结果 .............................................................................................. 92

 7.2.5 能源站选址规划结果 ...................................................................................................... 94

 7.2.6 综合评估结果 .................................................................................................................. 97

 参考文献 ............................................................................................................................................ 99

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  1. 引言 1.1 研究背景和意义 在考虑多能流综合的一体化规划方法方面:综合能源系统(集成的供电/供气/供暖/供冷/供氢/电气化交通等能源系统)近年来在欧美等发达国家迅速发展,成为各国新的战略竞争和合作的焦点。欧洲 ENERGIE 项目寻求多种能源(传统能源和可再生能源)协同优化和互补,以实现未来替代或减少核能使用。2007 年美国颁布能源独立和安全法,明确要求社会主要供用能环节必须开展综合能源规划。加拿大内阁能源委员会提出覆盖全国的社区综合能源系统。然而,真正意义上的多类型能源-多类型负荷系统目前尚未得到实际应用。国外研究主要聚焦于电网规划或天然气网规划,且综合能源系统组成与结构复杂,发展时间短,技术还处于发展阶段,尚未形成关于综合能源系统成熟通用的方法与共识的标准。我国已通过 973、863 研究计划,启动了多项与综合能源技术相关的科技研发项目。目前国内的研究还处于起步阶段,大多数以理论分析为主。现有能源规划模型对于电力系统过于简化处理,难以详细考虑电网运行特性、电网技术参数、投资运行成本等因素,且以电网与天然气网为主,一般未考虑到网络的结构细节,也很少将储能包含进来。

 在考虑多能流综合的一体化综合评估方法方面:目前国内外的研究一般仅从各能流自身特点出发,分别建立了电力流、天然气流、热气流和冷气流自身的评估指标和评价体系。然而,在多能流综合的一体化规划时,各能流之间将相互作用和相互影响,目前国内外尚缺少对冷/热/电/气系统间相互关联作用的详细分析和建模。因此,需对冷/热/电/气系统的联合运行特性进行研究,在此基础上建立考虑冷/热/电/气系统间相互关联作用的综合能源评价体系,从经济性、安全性、可靠性和灵活性等方面对多能流综合配用电一体化系统进行评估。

 在综合能源配用电一体化规划系统研发方面:国外针对配用电系统开发了多个仿真规划软件,如 CYME 和 DER-CAM 等。此类软件不同时具备冷/热/电/气等多能流和多类型储能基础模型,对其他能源形式的接口多采用等值化处理,难以开展源-网-荷-储及多能流一体化规划设计工作。国内开发的配用电系统规划软件,以天大求实和中国电科院开发的软件较为成熟。这些软件均面向电网,不具备其他能源形式的仿真能力及接口,不具备同时开展多能流、多储能、多网络的一体化规划设计工作的能力。

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  综上,国内外对于综合能源一体化规划设计方法与系统上存在如下问题:缺乏可再生能源资源及可开发性评估的研究;不考虑源-网-荷-储的时序耦合特性;在多类型能源电力、供热、天然气传输系统的不同时间尺度、储存以及匹配特性精确度不够,特别是缺乏冷/热/电/气负荷曲线异步性以及冷、热输运损失对综合能源系统影响的研究。因此没有真正做到多能流,未形成包含规划策略、评估方法、软件平台和设计实施的一体化方案来解决配用电系统综合能源规划问题。

 1.2 前期研究基础 在综合能源配用电一体化规划设计方法方面,广东省电力设计研究院等近年开展综合能源规划设计工作,进行规划设计方法的开发与研究,先后开展了珠海万山群岛、广州中新知识城、前海以及深圳低碳城等项目的综合能源规划设计工作。建立了一系列的综合能源规划的相应方法,然而,目前国内外对综合能源配用电一体化的设计对象尚未普遍应用,且设计过程未能全面考虑多能流间的相互作用影响,使得设计方案的综合性能指标受到一定限制。

 从上海交通大学相关研究成果来看,在电网及能源规划、可再生能源分层消纳、主动配电网规划、协调互动等方面均取得相应的成果,在能源与信息流一体化运行控制策略、主动配电网规划、分布式能源运模式研究等方法上取得了很大的成果,承担或参与“以大规模可再生能源利用为特征的智能电网综合示范工程”等国家科技支撑计划、973 和 863 课题 8 项。上海交通大学国家能源智能电网(上海)研发中心拥有国际智能电网行动网络 ISGAN 中国联络办公室和国际能源署 IEA 智能电网执行协议中国联络办公室,为开展国家示范打下良好的基础。

 1.3 研究范围和目标 提出多主体、多用户和多环节的综合能源配用电系统一体化规划和设计方法,开发规划系统。根据园区规划期内冷/热/电/气的能源需求,分析多能流功率与能量平衡,研究分布式能源及储能位置和容量、冷/热/气/电站的协调规划和配电网架与管网连接的随机规划、综合评估方法和一体化规划系统,建立园区综合能源配用电系统的规划设计流程与规范。

 1.4 研究思路和总体方案 1.4.1 研究思路

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  本项目紧密围绕“含高比例可再生能源的工业园区综合供能系统规划设计与运行控制”这一核心问题,在规划设计、互动机制、协调控制与智能调度四个层面取得技术突破,并开展示范应用。项目研究内容主要从四个方面展开,如图 1-4-1 所示。

 图 图 1-4-1 课题 一 研究内容与技术路线图 本课题设置 4 部分研究内容。其中 1.1 多能流综合的一体化规划方法是课题 1 的基础与核心,为整个课题提供基础模型与可扩展性框架。1.2 为获得综合能源配用电系统优选规划方案提供评估方法。1.3 根据 1.1 规划方法理论研究成果,开发综合能源配用电一体化规划系统。1.4 是课题 1 的系统实现,基于 1.1 规划方法以及 1.3 规划系统的研究成果,采集工业园区工程信息,建立园区综合能源配用电系统的规划设计流程与规范。

 1.4.1.1 考虑多能流综合的一体化规划方法 多能流综合的一体化规划方法的研究内容为构建满足能源与负荷供需匹配的模型,利用功率与能量平衡机理进行分布式能源、储能、变配电站、冷/热/气站与用户能源布局,建立随机规划方法构建综合配电网架与冷/热/气管网。

 建立综合能源系统电/热/气各独立网络的运行工况模型,以及所有能源转换装备的物理方程模型,建立网络的能流分析与优化模型。研究能源生产、负荷、存储环节在能源品种、品位、数量方面的优化匹配模型。进一步研究 CCHP 运行的冷/热/电/气负荷曲线异步性以及部分负荷特性。

 建立冷/热/电/气负荷预测及输运损失特性模型,基于气象预测的可再生能源生产动态模型,构建满足能源与负荷供需匹配的模型,预测能源与负荷需求。

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  根据园区规划期内冷/热/电/气负荷的能源需求和可再生能源生产预测,考虑综合能源利用效率的最优运行模式,计及三联供与储电、储冷、储热装置等的可调特性、用户侧负荷的调控手段、可再生能源与冷热电负荷匹配特性、多能源与多负荷相关性、配用电系统主动管理,研究分布式能源和储能的布点规划,合理配置可再生能源发电装机容量与储能比例,优化储冷、储热、储电、储气等配比,研究变配电站、冷/热/气站及其储能位置和容量需求的协调规划方法。

 研究冷/热/电/气不同能源系统间的耦合方式和动态特性,以及电力、热力、可再生能源系统的互补性和相互作用机理,研究电–热-可再生能源联合系统的最优能量流形式以及调控机理。通过协调规划多种能源形式,利用冷/热/电/气供给系统负荷需求的峰谷交错,实现多能流的功率与能量的实时供应与总量平衡及能源的柔性输送。

 分析综合能源系统电网、热网、天然气网、装备的多能流转换,分时段考虑光伏发电等分布式能源发电出力的不确定性及其运行风险。综合考虑园区在规划周期内的供电、供热、供气安全、经济和稳定性目标,建立综合能源配用电系统及冷/热/电/气供需匹配的随机规划方法,研究各类分布式能源不同接入位置与容量后,配电网架接线与冷/热/气管网规划。

 1.4.1.2 综合能源配用电系统一体化规划的综合评估方法 研究能源转换技术路径与负荷协调匹配的评估指标。考虑可再生能源、储能、CCHP、电动汽车接入及其与源网协调运行的综合能源配用电系统相互作用的随机多时空特性。在常规的能源系统安全性、经济性、灵活性、环保性评价方法及评价指标基础上,提出多能源系统可靠性、稳定性、能源生产与负荷需求协同互补性、能源综合利用效率等技术评价指标,分析新能源和配电网架投资成本回收周期,配电网、冷/热/气输送网络综合投资收益等经济性评价指标。对所得规划方案进行可靠性、运行效率评估、经济性及其综合评估,为获得综合能源配用电系统优选规划方案提供评估方法。

 在可靠性方面,研究可再生能源不确定性、冷/热/电/气存储主要参数对综合能源配用电系统可靠性的影响特性。在运行效率评估方面,从综合能源配用电系统的有功损耗、电压偏移、供电能力等层面分析电网的运行效率,分析可再生能源生产、CCHP与储能协调运行对提高综合能源系统能源效率的影响规律。在运行经济评估方面,考虑国家对可再生能源相关政策的影响,拟采用不确定性与考虑资金时间价值的动态评

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  价法。在灵活性评估方面,通过站内和站间负荷转移满足用户供电需求;分析外部输入电能、天然气、当地可再生能源等能源供给、能源存储在满足冷/热/电需求的可替代性及转换环节复杂性。

 1.4.1.3 综合能源配用电一体化规划系统研发 根据考虑多能流综合的一体化规划方法理论研究成果,开发综合能源配用电一体化规划系统。开展规划系统的需求分析、应用功能、硬件资源、面临问题,明确一体化规划系统功能需求,确定功能模块,研究并设计一体化规划系统整体架构,研究适用于一体化规划的数据结构和可视化展示技术,为一体化规划系统研发提供依据和基础。

 该规划系统实现如下核心功能:包括考虑需求侧管理、负荷预测、新能源与考虑削峰填谷需求的储能定址定容、考虑冷/热/电联合规划的燃气轮机组定址定容、冷/热能供应梯级利用的管网规划、考虑含新能源、储能、需求侧管理等多种新兴元素影响的变配电站定址定容和网架规划等。在规划系统中构建上述核心功能模块,将理论研究固化成一体化规划软硬件系统,实现含多种可再生能源与清洁燃料发电、储能系统、需求侧管理等多种元素并考虑冷、热、电等多种能源形式的一体化规划。

 1.4.1.4 综合能源配用电一体化规划设计方法 基于本项目一体化规划方法及系统的研究成果,采集工业园区实际工程信息,对规划研究方法和软件的各类参数与算法进行修正与完善。对规划中多能耦合比较、能源配置选址、能效评估等方面提供最新工程设计支持。以设计实例为基础对规划方法和系统的各类模型参数进行改善。同时,将规划方法的研究成果与工程实际集成结合,从规划设计范围、规划原则以及边界条件、参数选定、计算方法、分析流程等方面,构造工业园区适用的分析模型与规划设计方法。对多能协同、配网规划、经济效益评价等方法进行改善,建立园区综合能源配用电系统的规划设计流程与规范。使得规划方法结果能够用于各类园区的实际规划与设计。

 1.4.2 总体方案 综合考虑所选区域内的电、热、气能源分布情况及负荷预测情况,以规划期内的总投资运行成本最小为目标,计及新能源发电、储能、负荷和线路的不确定性,建立基于随机机会约束规划的数学优化模型,对区域内的电站位置和容量、线路型号和接线进行规划的方法。一体化规划的输入为规划区域内的现状电网和能源参数、未来新

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  能源和负荷出力的概率分布等参数,输出为新建变配电站的位置和容量、新能源和储能接入点的位置和容量、新建网架的结构和参数、总的投资和运行成本等结果。随机相关机会约束规划模型将多种不确定因素下系统的线路安全性满足概率作为约束,通过赋予不同的概率数值,得到具有不同可靠性水平的电源和网架规划结果,确保满足给定可靠性条件下实现整体经济性最优。规划模型中计及电、热、气能源在功率和能量的平衡和转化约束,考虑不同储能容量对电网投资运行成本和可靠性水平的影响,求解所建模型可得到的多个待选的优化规划方案,进而可对待选规划方案进行多指标评估,根据评估结果进一步选择最优的规划方案给后续设计使用。

 本课题建立的综合能源一体化规划架构如图 1-4-2 所示:

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  用能分析电能 热能 冷能 气能能流转换冷 热电气负荷预测电负荷 热负荷 冷负荷 气负荷电源电站位置及容量规划储能规划 冷/热/气站规划 变电站规划 分布式能源规划管网规划电网规划 冷/热/气网规划方案是否最优输出综合能源规划方案否修正规划方案规划评估和考核指标测算可靠性 安全性 经济性环保性 多源协同互补性否是灵活性能源利用效率 图 图 1-4-2 综合能源一体化规划总体方案

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  2. 冷/ 热/ 电负荷预测方法 2.1 建筑冷/热负荷预测 对于新建立的工业园区,往往缺乏建筑物结构、材料、用户信息等数据资料,因此一般采用基于指标法的负荷预测方法;当获得了建筑物的历史数据后,可以采用基于历史负荷数据的逐时能源负荷分摊比例法或神经网络预测方法。

 采用基于指标法的负荷预测方法时,对于典型工业企业,建筑冷/热负荷主要由 2部分构成:建筑围护结构环境换热、设备加工生产散热。总的建筑冷负荷为

 1 231 110n nH i hi ej j ji jQ A q P n t       

 (2-1-1)

 式中:iA ——第 i 种建筑面积,m 2 ; HQ ——热负荷,kW; hiq ——建筑采暖供冷指标或综合冷/热指标,W/m 2 ; i ——建筑类型; ejP——第 j 种设备耗电功率; jn ——第 j 种设备数量; jt——第 j 种设备的同时工作系数。

 根据上述方法可以获得建筑物最大小时冷/热负荷。若想要获得更加细致的 24 小时负荷及全年 8760 小时负荷,需要根据历史数据或者建立复杂的建筑物模型通过计算机仿真得到。对单个建筑物,采用基于历史负荷数据的负荷预测方法时,根据典型日情况,得到当日逐时冷/热负荷,再累加可得设计日总冷负荷 24 24, ,1 1C C i C i ii iQ Q P EER    

 (2-1-2)

 再根据当地气候和类似建筑物空调系统耗电数据,得出每年 100%负荷日、75%负荷日、50%负荷日、25%负荷日的天数 d 1 、d 2 、d 3 、d 4 ,则全年总冷负荷为

 , ,100% 1 ,75% 2 ,50% 3 ,25% 4 N C C C C CQ Q d Q d Q d Q d        

 (2-1-3)

 对于整个园区,采用基于历史负荷数据的逐时能源负荷分摊比例法时,根据建筑物使用功能不同,得到该气候区域内同类型建筑物单位面积的平均能耗。则总的逐时冷/热负荷为

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 , ,1kC total ni c niiQ A q 

 (2-1-4) 其中,A ni 为该类型建筑面积;q c,ni 为计算出的该类型建筑物单位面积的平均能耗。

 2.2 生活热水热负荷预测 生活热水热负荷预测方法类似于建筑负荷预测方法,可以采用热指标法或采用基于历史数据的逐时能源负荷分摊比例法或神经网络预测方法。

 采用指标法可以得到最大小时热水负荷,

 3110nS Si iiQ q A  

 (2-2-1) 式中:SQ ——生活热水热负荷,kW; Siq ——生活热水热指标,W/m 2 ; iA ——供应生活热水的各类型建筑面积,m 2 ; i ——建筑类型。

 当已知历史数据时,可以根据历史数据得到该类型园区单位面积的热水负荷,再进行总的热水负荷估算。

 2.3 工业热负荷预测 由于工业热蒸汽负荷与企业种类相关度很大,因此不能采用指标法进行预测,需要根据历史数据,对其分析后进行预测。一般认为蒸汽负荷与产量近似呈正比关系,因此最大小时工业热负荷为

 0 0/R RQ Q N N  

 (2-3-1) 式中:RQ ——蒸汽负荷,t/h;

  Q R0 ——当前峰值蒸汽负荷,t/h; N——预计产品峰值产量; N0——当前产品峰值产量。

 2.4 电负荷预测 电负荷预测主要有以下方法:

 2.4.1 负荷密度指标法 所需数据为该地区的人口数(或建筑面积,土地面积)、负荷密度估计值。适用于

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  土地规划方案较明确的功能块预测。根据规划区内各地块的用地性质,采用与其他地区类比的方式确定地块单位建筑面积负荷指标,进而对地块负荷进行预测的方法。

 2.4.2 产值单位能耗法 所需数据为产品产量估计值、产品的单位能耗量估计值。对于某些特殊工业部类比较合适。但是确定单位能耗的工作量较大,有时可能无法获得,市场经济下产品产量的变化规律难以捕捉。如何确定产量估计值及产品单位耗电量的估计值。

 2.4.3 比例系数增长法 企业对于产品的单位能耗有时会保密,此时可以根据企业以往的能耗估计未来的能耗。假定今后的负荷与过去有相同的增长比例,用历史数据求出比例系数,按比例预测未来发展。在一定的时期内可以采用同一增长率来测算,也可以采用分阶段的不同增长率来测算。

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  3. 综合能源配用电系统多能流转换分析 3.1 综合能源系统能流模型 热电联产,热泵,燃气锅炉这三种低碳能源转换装备,作为耦合机组,将电力系统、供热系统和天然气系统紧密联系起来,形成了电-热-气综合能源系统。这个综合能源系统必须要能在物理约束下正常工作。

 3.1.1 电力系统潮流模型 电力系统需要注意的变量有电压幅值   . . V pu ,电压角   rad  ,有功功率和无功功率。

 母线 i 的电压,公式如下所示:

  

 cos siniji i i i i i iV V V e V j      

  (3-1-1)

 其中,   . . V pu 是电压幅值,   rad  是电压角, j 是虚数单位。

 母线 i 的电流,公式如下所示:

 1eNi in nnI Y V 

  (3-1-2)

 其中,eN 是母线数, Y 是导纳矩阵。

 母线 i 的复功率,公式如下所示:

  **1eNi i i i i i in nnS P jQ V I V Y V   

 (3-1-3)

 其中, S 是复功率, P 是有功功率, Q 是无功功率。

 3.1.2 供热系统热流模型 (1) 液压模型 a.流的连续性 流的连续性是指流入一个节点的质量流量等于流出节点的质量流量与在节点损耗的流量。

 公式如下所示:

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 h qA m m

 (3-1-4)

 其中,hA 是热网络关联矩阵,下标 h 表示热网络。

 (kg/s) m 是每个管道的质量流量。

 (kg/s)qm 是节点的质量流量,下标 q 表示节点变量。

 b.水头损失 水头损失是指由于管道摩擦而引起的单位长度压力变化。循环压力方程是指在一个闭合的循环回路中,水头损失的总和必须等于零。

 循环压力方程公式如下所示:

 0 h fB h

 (3-1-5)

 其中,hB 是回路关联矩阵, (m)fh 是水头损失。

 每个管道的流量和水头损失之间的关系,公式如下所示:

 f hh K m m

 (3-1-6)

 其中,hK 是每个管道的阻力系数。

 (2) 热模型 热模型是用来确定每个节点的温度,有供水温度ST ,出口温度OT 和回流温度rT 。

 a.热功率 热功率与质量流率有关,公式如下所示:

 ( )p sC  q οΦ m T Τ

 (3-1-7)

 其中, (MW)  是热功率,1 1(J kg C )pC  

 是水的比热,3 1 14.18 10 J kg CpC     。

 b.管道的出口温度 管道的出口温度,计算公式如下所示:

   hpLC mend start a aT T T e T  

  (3-1-8)

 其中, ( C)startT  是管道起点温度, ( C)endT  是管道终点温度, ( C)aT  是环境温度;1 1(W m C )    是管道单位长度总传热系数; (m)hL 是管道长度;

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