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利用LabVIEW实现区域供热变电站系统实时建模的新方法
SlaCana Lazarevic, Velimir Congradac ,Aleksandar S. AnCelkovic, Darko Capko,Zeljko Kanovic
摘要
本文介绍了变电站的数学模型，它是区域供热系统的重要组成部分。区域供热变电站系统的主要组成部分，从自动控制的角度来看，本文所观察到的是换热器和三通阀。提出了数学模型，因此它可以实时运行，因为新控制技术和优化算法的开发，部署和测试的关键方面是它们在真实系统上的准确验证。但是，实际系统的可访问性通常是不可能的。与此相对应，另一种选择是存在正确的过程数学模型，具有实时操作的能力。首先，将所提出的区域供热变电站数学模型分解为其主要元素的简单模型，以便通过数值模拟分析模型性能的各种参数。其次，在LabVIEW软件包中开发实时模型，并将其部署在嵌入式控制器上，并将实时处理器作为三层应用程序， 实现数据采集和与可编程控制器的通信。
关键词：热力点、实时模型、三通阀、热交换器。
1.介绍
由于预测增长的世界人口超过50％生活在城市地区，近年来区域 供热系统（DH）越来越受欢迎。它们经济，高效且环保。此外，它们的部署实现了对CO2 减排和可再生能源比例增加的非常严格的规定。因此，DH建模和模拟的程序引起了相当大的兴趣，因为有效的控制系 统设计需要精确可靠的DH设施模型（Wiltshire，2015）。因此考虑到不同的DH建模和模拟技术，发表了许多研究。
DH系统的物理模型，考虑到所有系统元素的尺寸，性质和特殊分布等材料特性，对计算要求非常高，如（Larsen et al。，2002）所示，其中一个新的，提出了简化的建模程序，以减少总的模拟时间。然而，这些方法可能导 致一些系统误差，这会降低模型精度。在（Larsen等，2004）中，比较了两种不同的简化模型，称为“丹麦方法”和“德国方法”。测试结果表明，例如，管道数量可以从原来的44减少到只有3，而在关键的模拟结果中 没有明显的错误。然而，这种建模技术存在一些重大缺陷。首先，他们需要经验丰富的专家参与，他们必须手动减少模型尺寸。另一方面，这些方法不适用于具有循环结构的真实DH网络。为了克服这些缺陷， Vesterlund等人。（Vesterlund和Dahl，2015）提出了一种新的DH建模 集成方法，可以研究循环和瓶颈对系统行为的影响。然而，该建模技术 未能获得系统的详细液压和热条件。在（ Stevanovic等， 2009 ）和（Stevanovic等，2007）中，提出了一种模拟热瞬态条件的数值程序，提高了复杂模拟的数值效率，但仅限于一些典型的变电站类型和因此它不适用于各种现有的DH系统类型。在（Wang，2010）和（Li， 2011）中，Wang和Lee发表了一种基于DH系统矩阵模型的模拟技术。然而他们使用专家经验来估计降温系数，这也不能推广并应用于任何类型的真实DH系统。在（Gabrielaitiene，2011）中，讨论了基于平方根法的DH系统求解线性方程组的数值模拟。然而当观察不同的模拟条件时，在结果中获得了相当大的波动。
在（Gabrielaitiene等，2008）中，考虑了DH管道中温度波传播建模的两种不同方法，即伪瞬态方法和节点方法。结果表明，两者都需要对湍流特性进行详细建模，以提高仿真结果的质量和可靠性， 这意味着非常复杂的实施要求。在（Kicsiny等，2014）中，提出了一种基于常微分方程的建模方法，该方法应用于包含太阳能集热器， 热交换器，存储和管道的太阳能加热系统。考虑了管道的物理特性， 例如其热和延迟效应。可以进一步扩展这种类型的模型来描述DH系统的行为，考虑到如果考虑更复杂的系统，则需要进行一些进一步的研究。
当整个系统被认为是黑盒子时，DH系统也会使用整体方法（Coss等人， 2018）和（Paredes-S#39;nchez等人，2018）建模，并且忽略了各个组件。然后使用传递函数方法或人工智能技术对系统进行建模。
另一组DH系统建模技术基于准稳态模型。这些方法的灵感来自于 水分配建模技术，它们非常常见，甚至可以集成到许多开源和商业 模拟软件包中（ Application for Modeling ， 2017 ） 和（ Water Distribution Analys）。这些模型基于能量和质量平衡方程，它们在给定的时间内按顺序求解，以这种方式获得在某个指定时间段内 系统行为的信息。在（Sartor等人，2014）中，进行了准稳态DH系 统模型，将多维非稳态传热转换为稳态二维传导对流问题。在（Li et al。，2015）中，使用Ebsilon软件形成CHP装置，热消耗者和DH 网络的多尺度模拟模型，尽管仅考虑了简单的DH系统。在先前的研 究中得出结论，模拟结果的准确性极大地依赖于校准程序（Savic等 人，2009; Udomsri等人，2011; Kuosa等人，2013; Lingireddy和Ormsbee，2002）。通常，文献中存在两种模型校准方法。显式校准 是求解稳态平衡方程组的过程，获得系统参数的值。这种类型的校 准可以得到非常准确的结果，但它需要许多测量数据，这些数据通 常是不可用的（Boulos和Ormsbee，1991）。另一方面，隐式校准基于参数调整的迭代试错过程，其中需要测量的数据要少得多（Walski,1983）和（Bhave，1988）。这些程序可以结合液压求解器和全局优化算法（如遗传算法，粒子群优化，禁忌搜索等）实现， 确保模拟结果的高效率和准确性（Ormsbee，1989）。传统的DH系统效率低，因为它们数量很大。
配电系统中的热量损失。最近，这些不经济的系统正在被低温区域 供热（LTDH）系统所取代，其中供应温度尽可能地降低。基于能量的数值模型。（ Brand 等人， 2012 ） 提出了LTDH 的平衡方程。 Gustafsson 在（Gustafsson等，2008）中给出了另一种方法。LTDH系统作为物理热 力学模型给出，作为基于无线传感器网络的DH系统的新控制方法的测试和评估的平台。在（Elmegaard等人，2016）中进行了在不同操作 温度下的常规DH系统的研究和效率的比较，以减少管道的热损失。（Wangetal，2016）中的模型代表了大型DH系统的整体结构，其配置被分解为分支和节点。该模型以矩阵的形式给出，作为源自热平衡的线性方程组。热平衡和能量平衡方程最常被用作热变电站和DH系统的数学建模的基础。分析了DH系统热量不均衡分布的能量平衡模型。 Brajsic和Bobic介绍无辅助能量系统的变电站数值模拟的数学模型。除了平衡方程之外，它们是唯一考虑作为二阶微分方程给出的阀门的数学模型的人。
在（Wang和sipila,2016）中Wang考虑了DH的模拟用于设计变电站和网络的系统，以改善从中国集团变电站到建筑变电站的转换。仿真模型基于对数平均温差（LMTD）方法。使用仿真软件TRNSYS 17对（Paulus和Papillon，2014）中的分散式太阳能区域供热和供热变电站进行建模。
在这项研究中，提出了一个使用LabVIEW软件包开发为硬件在环（HIL）系统的变电站的数学模型。许多论文已在文献中发表，涉及使用不同方法和技术的变电站建模。本文使用了一些众所周知的技术， 并介绍了该系统的一些新程序和要素。然而，所提出的论文的主要新颖之处在于所描述的模型被设计为实时操作，因此它可以应用于研究和开发目的，以测试许多最近的过程控制技术和程序。此外，所描述的模型可以与真实系统同时运行，从而能够更可靠地控制和检测系统操作中可能的故障和故障。根据作者的最佳知识，这实际上是DH系统建模的新方法，到目前为止尚未在文献中发表。
本文的结构如下：第2节解释了数学模型实现和仿真的基础知识。第3节给出了LabVIEW中HIL系统的实现，第4节包含了使用实时模型获 得的实验结果。第5节总结了论文。
- 变电站仿真模型
本文提出的变电站仿真模型在Simulinkreg;中实现。变电站的关键部 件是热交换器，泵和不同类型的阀门（例如流量控制，混合，安全等），但从自动控制的角度来看，最重要的是使用三通（混合）阀门。用于混合两个不同温度的水流，以分配给感兴趣的的建筑物中的最终用户（即地板采暖，散热器加热，风机盘管单元等）。同心管板式 换热器是加热变电站中最常见的。换热器有两个通常称为初级侧和次级侧的入口。根据流体在热交换器内的分布方式，流量可以平行，反向或交叉流动方式排列。初级方面变电站中的热交换器最常连接到DH系统，因此主要流体温度由政府法规或变电站所在地理位置的天气条件（即基于外部空气温度） 预先确定。相反，热交换器中的热交换器的二次流体温度更频繁地变化，因为它们取决于建筑物中的最终用户对热水的消耗。
然而加热变电站中的热交换器的主入口也可以连接到加热泵或用于制备建筑物加热的热水的其他系统。在这种情况下，三通阀的目的是通过节省热能来减弱，因为例如，它可以影响加热泵的运行时间，并且如果消耗的话，它不会经常打开和关闭建筑物中的热水很低。另一方面，如果阀塞的位置是可控变量，则最有效地实现从最终用户请求的期望水温。
本文的仿真模型将考虑一个水 - 水热交换器和一个三通阀，因此它只服务于一种终端用户（即地板采暖，散热器加热，风机盘管单元等）。由于假设二次侧的流量恒定，因此省略了泵模型。可以注意到， 对于一个三通阀，建筑物中只有一种类型的最终用户将被供应适当温度的水，但考虑到该模型被拆卸成几个部件，如将在本文的下一部分中所示，可以容易地提供具有相同类型的附加元件的模型的扩展。变电站的基本方案如图1所示。
T22
m2
T21
T
图1.加热变电站方案
-
- 换热器型号
在确定通过热交换器的流体之间的热传递时，最基本的方法是基于能量守恒定律（Bergman等，2011）：
(1)
其中m1和m 2是一次和二次质量流量，cp1 和cp2 是一次侧和二次侧流体的质量热容，T11 和T12 是进料和返回水温在初级侧，T21 和T22 是初级侧的返回和给水温度，所有这些都是回顾性的。但是在解决这个等式时存在一些问题。首先，至少四个流体温度必须知道它们中的三个才能求解方程式（1）。通常，温度T11 和T12 的值由温度传感器测量，因此可以通过迭代求解方程（1）来确定其他两个温度。其次，它假设没有任何热量损失的理想条件，因此它不 能真实地代表系统的行为。
计算热换器传热率的常用方法是能量平衡，如(Brand et al.,2012)和（Wang and Sipil,2016）,(Gustatsson et al.,2008)中的LMTD（对数平均温差），（Silaililla等，2017）和ε-NTU（有效性e转移单位数）方法和（Paulsen等，2008）。LMTD方法可用于设计设性能目的。
性能设计有一个共同的问题，如前一段所述的方法：过程必须是迭代的。然而，ε-NTU方法的代数公式在计算上要求不高，当然实现简单。在（Bergman等人，2011）中详细描述的ε-NTU方法中，热交换器 的有效性从属于热容比Cr 和转移单元数NTU。换热器结构和流动布置的类型也影响数学方法的有效性。一些热交换器类型的有效性在下面给出热容比Cr 定义为C分 和C最大的比率：
Cr =Cmin/Cmax (2)
Cmin = min{Chot; Ccold} (3)
Cmax =max{Chot;Ccold} (4)
Chot是初级侧的热容率，c冷 是次级侧的热容率：
Chot=m1Cp1 (5)
Ccold=m2Cp2 (6)
转移单元的数量考虑交换器的几何形状和结构材料:
NTU1/4=UA/Cmin (7)
其中热交换表面积和U是总传热系数。确定热交换器的总传热系数通 常很复杂，并且它是建模过程中最不确定的信息之一。即使在正常操作状态下，热交换器的接触表面也会暴露于流体中的杂质，生锈和其他因素，这些因素会改变热交换器的耐热性，因此会降低U值。从热到冷流体的实际传热率可以计算如下：
由于该方法代表静态模型并给出最大可能的热交换率，因此两侧的实际输出温度计算如下：
其中t是定义换热器稳定时间的时间常数响应。这个时间常数的影响显示在上面对于三种不同的情况，关于设定为0.5小时，1小时或2小时。不同的换热器在不同的时间段内达到稳态值，引入t有助于推广换 热器的数学模型。
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- 三通阀
三通阀，其横截面如图3所示，具有两个入口A和B，一个出口通常表示为AB，但是在我们实施的标签之后，它被标记为二次流m_2（绿色）。在这种情况下，A入口适用于压力为pa （红色）的高温水T22 ， 入口B适用于压力为pb 的低温水T21 （蓝色） ）。
如果三通阀两个入口处的水压pa 和pb 相同，则出水口的混合水温应为：
图2.二次侧T22的给水温度的稳定时间。
图3.三通阀
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资料编号：[969]
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