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集中供热系统热力工况动态特性仿真及控制优化研究

作　者: 张峥
导　师: 林颐清
学　校: 山东大学
专　业: 工程热物理
关键词: 供热实时仿真优化
分类号: TU995
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着集中供热的大规模应用,许多学者对集中供热系统进行了大量的研究,但是目前对集中供热系统整体实时性的研究较少,本文通过构建的仿真系统对供热管网进行了实时仿真,并对供热系统的优化调节及PID自动控制进行了研究。本文首先对将供热一次网分为热源、管道、节点、加热器、水泵等子系统,并针对各子系统分别建立数学模型：根据供热管网管道的特点,将其视为一元管道,然后对管道的流动、传热建立了求解方程；热网循环水泵采用了变频水泵,对其数学模型进行了推导和求解；建立改进的节点方程,对其的动态特性进行了研究；建立板式换热器的换热模型,并求解动态响应。随后,本文将各子系统有机地结合,组成了热网的整体实时仿真系统,对不同工况下的流动和换热进行了研究,并对供热系统事故的发生进行了讨论,仿真结果表明：当某一支路的流量发生大幅度变化时,其它支路可能会发生水力失调和热力失调等现象,因此必须限制支路流量的调节在一定范围内；在不同的工况下,由于工质的流动滞后性和传热滞后性,用户出口温度会出现峰值或谷值等不同的现象；当循环水泵和蒸汽加热器发生故障,停止工作时,由于管道、水、换热器等的蓄热作用,供热系统的加热作用需要经过一段较长时间才会逐渐消失,不过这种事故将会导致汽化等现象的发生；当节点发生泄露时,泄露位置的不同,各支路用户的流量和温度会出现上升、下降等不同的变化,这对于从运行变化上发现泄露是非常有帮助的。为了实现供热系统支路的自动控制,本文设计了基于二自由度的PID一次热网支路控制器,对PID参数进行优化整定,并使用MATLAB/SIMULINK进行了控制仿真。通过与普通PID调节的对比,发现二自由度PID控制器的调节更加准确,稳定性较好。在考虑管网热损失、漏水热损失等因素的情况下,本文建立一次热网运行能耗方程,对质调节、量调节以及质量并调三种热网运行调节方式进行了经济性比较；利用遗传算法对该能耗方程进行最优求解,得到了不同运行工况下的最优供水温度及相应的循环水流量。

全文目录

中文摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-19
  1.1 课题背景及意义  12
  1.2 课题的提出  12-14
  1.3 供热系统的研究现状  14-19
    1.3.1 动态特性的研究现状  14-16
    1.3.2 集中供热系统控制与优化方面的研究现状  16-17
    1.3.4 本课题主要研究内容  17-19
第二章集中供热系统数学模型的建立及求解  19-47
  2.1 换热器模型方程的推导与数值解法的建立  19-22
    2.1.1 工程背景的讨论  19-20
    2.1.2 数学模型的建立  20-22
  2.2 流体网络的建立  22-29
    2.2.1 节点压力方程的推导  23-25
    2.2.2 支路流量方程的推导  25-27
    2.2.3 节点与支路能量方程的建立  27-29
  2.3 水泵数学模型的推导与求解  29-33
    2.3.1 数学模型的建立  30-32
    2.3.2 实际算例  32-33
  2.4 热力工况动态仿真软件的开发  33-46
    2.4.1 软件目标设计  33
    2.4.2 本软件的编制思想  33-34
    2.4.3 软件编程语言  34
    2.4.4 软件模块设计  34-35
    2.4.5 软件各模块算法结构分析  35-46
  2.5 本章小结  46-47
第三章一次热网动态特性仿真结果分析研究  47-63
  3.1 仿真系统正确性验证  47-49
  3.2 支路流通系数对系统影响分析  49-53
  3.3 循环水泵频率变化对系统影响分析  53-57
  3.4 供热系统事故分析  57-61
    3.4.1 循环水泵频率故障分析  57-58
    3.4.2 节点泄露  58-61
  3.5 本章小结  61-63
第四章基于双自由度的PID一次热网支路流量调节  63-72
  4.1 二自由度PID控制器的结构设计  64-68
  4.2 二自由度PID控制器的结构整定及仿真结果  68-71
  4.3 本章小结  71-72
第五章一次热网运行经济性分析与调节策略  72-86
  5.1 一次热网的优化模型  72-76
    5.1.1 热网运行费用的目标函数  72-74
    5.1.2 目标函数约束条件的建立  74-76
  5.2 热网调节方式分析  76-81
  5.3 遗传算法简介  81-83
    5.3.1 编码的设计  81-82
    5.3.2 适应度函数的设计  82-83
  5.4 调节方式经济性比较  83-85
  5.5 本章小结  85-86
第六章全文总结  86-88
  6.1 主要工作和结论  86-87
  6.2 主要创新  87
  6.3 主要不足  87-88
参考文献  88-91
致谢  91-92
学位论文评阅及答辩情况表  92

集中供热系统热力工况动态特性仿真及控制优化研究

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