Development and validation of a dynamic simulation model of a district heating system
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2020-05-18
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
83+3
Series
Abstract
The purpose of this thesis was to develop and validate a fully dynamic simulation model of the district heating (DH) system of Keski-Uusimaa (KEU) located to southern Finland and owned by Fortum Power and Heat Oy. The eventual goal was that once developed and validated the model can later be implemented to a simulation-based digital twin (DT) of the system. The DT will improve the system efficiency and subsequently decrease costs and emissions. The model was built with Apros simulation software. An automatic model generation algorithm was tested and it was verified to be able to build the model from scratch quickly with minimal manual effort. It was also observed that Apros is highly capable of simulating a detailed DH system model in terms of simulation speed. Each customer substation was modeled individually, i.e. they were not bundled together to fewer number of larger customers. Thanks to this, also the entire pipe network could be modeled in a detailed way. The model was validated by using historical customer measurement data (heat load and return water temperature) as simulation inputs and examining how well simulated mass flows, temperatures and pressures match to measured values. In some cases simulation results corresponded accurately to measured values with minimal errors, implying model validity. However, certain cases showed more significant error between simulated and measured values, and additional measurement data and validation work that was not possible in the scope of this thesis are needed. The issues to be resolved in the future are uncertainties in unmeasured flows due to water circulation directly from supply pipe to return pipe, and refinement of heat and pressure loss coefficients according to DH pipe age and structure.Tämän diplomityön tarkoitus oli kehittää ja validoida Fortum Power and Heat Oy:n omis-taman Keski-Uusimaan kaukolämpöjärjestelmän täysin dynaaminen simulointimalli. Lopullinen tavoite on käyttää mallia kyseisen kaukolämpöjärjestelmän simulaatioperus-teisessa digitaalisessa kaksosessa, kun malli on saatu kehitettyä loppuun ja validoitua. Digitaalinen kaksonen tulee parantamaan järjestelmän tehokkuutta ja sen ansiosta alen-tamaan kustannuksia ja päästöjä. Malli kehitettiin Apros-simulointiohjelmistolla. Työn aikana testattiin automaattista mallin generointialgoritmia, joka verifioitiin kykenemään nopeaan mallin luontiin tyhjästä vähällä manuaalisella työllä. Työn aikana havaittiin myös, että Apros on erittäin kyvykäs ohjelmisto simuloimaan yksityiskohtaista kaukolämpöjärjestelmämallia, kun mittarina on simulointinopeus. Kaikki järjestelmän kaukolämpökuluttajat mallinnettiin yksilöllisesti, ts. kuluttajia ei niputettu yhteen pie-nemmäksi määräksi suurempia kuluttajia. Tämän ansiosta myös koko putkiverkko voi-tiin mallintaa yksityiskohtaisesti. Mallia validoitiin siten, että historiallista kuluttajadataa (lämmönkulutus ja paluu-veden lämpötila) käytettiin simulaation sisääntuloina, ja tarkastelemalla kuinka hyvin si-muloidut virtaamat, lämpötilat ja paineet vastasivat mittaustuloksia. Osassa tapauksissa simulaatiotulokset vastasivat tarkasti mittaustuloksia vain pienin virhein, mikä implikoi mallin olevan validi. Toisaalta osassa tapauksissa mittaus- ja simulointitulosten välillä havaittiin selkeämpiä virheitä, joita ei ollut mahdollista selvittää loppuun tämän työn puitteissa. Jatkossa on analysoitava vielä tarkemmin epävarmuuksia verkoston kierto-lenkkien mittaamattomissa virtaamissa, sekä lämpö- ja painehäviökertoimia putkien iän ja rakenteen mukaan.Description
Supervisor
Lahdelma, RistoThesis advisor
Tuuri, SamiHeino, Lauri-Juhani
Keywords
district heating, dynamic simulation, first-principles modelling, Apros