(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111494760.9 (22)申请日 2021.12.08 (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南 开区卫津路9 2号 (72)发明人 王雅然　齐智猛　由世俊　张欢　 郑雪晶　王叶明　刘素洁　 (74)专利代理 机构 天津市北洋 有限责任专利代 理事务所 12 201 代理人 吴学颖 (51)Int.Cl. G06F 30/18(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/14(2020.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种考虑凝结 水的蒸汽管网动态仿真方法 (57)摘要 本发明公开了一种考虑凝结水的蒸汽管网 动态仿真方法： 考虑蒸汽在管道中会产生凝结 水， 根据质量守恒方程、 动量守恒方程、 能量守恒 方程建立蒸汽在管道中运行的数学模 型； 将蒸汽 管道离散成控制体， 然后将数学模 型中的偏微分 方程在空间上以一阶迎风格式， 在时间上以隐式 格式， 离散成代数方程； 将蒸汽管网抽象为拓扑 结构， 将蒸汽管网已知的几何参数， 包括管径、 管 长， 和测得的运行参数， 包括热源出口温度、 压 力、 流量代入离散后的代数方程； 根据输入参数， 对蒸汽管网进行模拟仿真， 迭代 求解并输出全网 状态信息， 实现蒸 汽供热管网的动态仿真。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 114239199 A 2022.03.25 CN 114239199 A 1.一种考虑凝结 水的蒸汽管网动态仿真方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1， 建立蒸汽管网的数 学模型 考虑蒸汽在管道中会产生凝结水， 根据质量守恒方程、 动量守恒方程、 能量守恒方程建 立蒸汽在管道中运行的数学模型， 该数学模型是一组偏微分方程， 引入蒸汽状态方程， 使偏 微分方程组封闭； S2， 数学模型的离 散 首先将蒸汽管道离散成控制体， 然后将步骤S1中的偏微分方程在空间上以一阶迎风格 式， 在时间上以隐式格式， 离 散成代数 方程； S3， 几何参数和边界条件的输入 将蒸汽管网抽象为便于以数学方式描述的拓扑结构， 然后将蒸汽管网已知的几何参 数， 包括管径、 管长， 和测得的运行参数， 包括热源处的蒸汽温度T_Source、 热源处的蒸汽压 力P_Source、 热用户处的蒸汽流量G_Consumer输入该动态仿真算法， 即代入步骤S2离散后 的代数方程； S4， 根据输入参数， 对蒸汽管网进行模拟仿真， 迭代求解并输出全网状态信息， 实现蒸 汽供热管网的动态仿真。 2.根据权利要求1所述的考虑凝结水的蒸汽管网动态仿真方法， 其特征在于， 步骤S1中 蒸汽管网的数 学模型为： ρ ＝ρ(P,T) 式中， A为管道的截面面积， 单位为m2； x为沿坐标轴的方向； g为重力加速度， 单位为m/ s2； ρ 表示蒸汽的密度， 单位为Kg/m3； τ表示时间， 单位为s； v表示蒸汽在管道中流动的速度， 单位为m/s； mc表示凝结水量， 单位为Kg/s； P表示蒸汽的压力， 单位为MPa； f表示蒸汽在管道 中流动的摩擦阻力系数； D表示蒸汽管道的管径， 单位为m； θ表示管道的坡度； E表示蒸汽的 总能， 包括内能U和机械能Ek， 单位为J； k2表示蒸汽的换热系数； T表示蒸汽的温度， 单位为 K； Ta表示环境温度， 单位 为K； hc表示凝结 水的焓值， 单位 为J； 上述数学模型中， 第一个方程是质量守恒方程， 等号右边表示的是由于凝结水的排出 所导致的质量损失； 第二个方程是动量守恒方程， 等号右边 的mc/Adx表示由于凝结水的排 出导致的蒸汽的动量的损失； 第三个方程 是能量守恒方程， 等号右边的mchc/Adx表示由于凝 结水排出导致的蒸汽的能量的损失； 由于蒸汽不属于理想气体， 故不能够使用理想气体状 态方程， 采用IAPWS所提供的计算公式对蒸汽密度进行计算， 如第四个方程所示。 3.根据权利要求1所述的考虑凝结水的蒸汽管网动态仿真方法， 其特征在于， 步骤S2 中， 对偏微分方程组在空间上和时间上进 行离散； 空间上离散采用的是一阶迎风格式， 为了 避免棋盘格式计算结果的出现， 使物性节点和速度节点分别布置在交错的网格上， 时间上 离散采用的是隐式格式； 离 散得到的代数 方程为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114239199 A 2式中： 分别代表动量守恒方程的系数， 代表动量守恒方程的源项， vi,vi‑1,vi +1分别代表动量守恒方程中不同位置的速度值； 分别代表压力修正方程的系数， 代表压力修正方程的源项， P ′I,P′I‑1,P′I+1分别代表压力修正方程中不同位置的压力修正 值； 分别代表能量守恒方程的系数， 代表能量守恒方程的源项， EI,EI‑1,EI+1分别 代表能量守恒方程中不同位置的能量 值； 其中， 为了将质量守恒方程和动量守恒方程联立求解， 对质量守恒方程进行了一定的 变化， 将其变量处 理为压力修 正项P’， 使质量守恒方程变为压力修 正方程。 4.根据权利要求1所述的考虑凝结水的蒸汽管网动态仿真方法， 其特征在于， 步骤S3 中， 该动态仿 真算法的输入量为： 蒸汽 管网的拓扑结构及管道信息； 蒸汽管网热源处的蒸汽 温度T_Source、 蒸汽压力P_Source和蒸汽流量G_Con sumer； 蒸汽管网的初始运行参数， 包括 各个管道和节点的流 量、 温度T0、 压力P0。 5.根据权利要求1所述的考虑凝结水的蒸汽管网动态仿真方法， 其特征在于， 步骤S3 中， 该动态仿真算法的边界条件为： 动量守恒方程和能量守恒方程的入口的值设为 Dirichlet边界条件， 入口流量值和温度值分别储存在i＝1和I＝2节 点上； 入口边界条件对 质量守恒方程的影响主要体现在压力修正方程上， 在入口体积流量已知的情况下， 设置入 口边界条件为 Neumann边界条件； 出口边界的设置稍有不同， 对动量守恒方程和能量守恒方程， 采用局部单向化假设， 即 将出口处变量的系数， 记作0， 认 为出口处的值对 上游的值不产生影响； 对于质量守恒方程， 使用已知的出口压力值作为Diric hlet边界条件。 6.根据权利要求1所述的考虑凝结水的蒸汽管网动态仿真方法， 其特征在于， 步骤S4 中， 对蒸汽管网进行模拟仿真的第一步是对管道进行模拟仿真， 对管道进行模拟仿真采用 的是改进的SIMPLE算法， 包括以下步骤： (1)根据管道的运行情况、 管道长度、 管径估计一个合理的凝结 水量mc0； (2)输入管道入口的蒸汽参数， 包括管道入口处蒸汽的温度、 压力、 流量， 采用SIMPLE算 法对该管道的蒸汽参数进 行计算， 得到管道各个位置处的蒸汽参数和整个管道的总热量损 失Q； (3)根据步骤(2)计算得到的管道的总热量损失Q， 计算由于蒸汽凝结导致的潜热损失 Qc； (4)根据潜热损失Qc， 计算损失的凝结 水量mc； (5)比较凝结水估计值mc0和计算得到的凝结水量mc， 若差值小于10‑3， 则停止计算， 输出 mc， 即为该管道在此运行工况下的凝结水量， 计算得到 的管道的蒸汽参数即为最终的蒸汽 参数； (6)若mc与mc0差值大于或等于10‑3， 则把计算得到的mc作为凝结水估计值mc0， 重复步骤 (2)至(6)， 开始下一轮 计算， 直至二 者差值小于10‑3。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114239199 A 3