集中供热网的可行性分析72961.docx

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1、n集中供热网网的可及性性分析来源： 互互联网 | 作者： | 22007-10-226| 编编辑： aadminn1引言集集中供热与与传统的分分散供热相相比，具有有减少环境境污染、节节约能源等等优点。因因此，在我我国获得了了广泛的应应用。集中中供热网作作为连接所所有用户和和热源的桥桥梁，担负负着输送和和分配热量量的任务。集集中供热管管网的投资资非常可观观，由于许许多热网辐辐射半径很很大，其动动力消耗也也占有很大大的比重，因因此对它的的研究具有有非常重要要的意义。近近年来，为为了提高系系统运行的的可靠性、经经济性及灵灵活性，一一些城市纷纷纷建立了了多热源环环形网的供供热格局。但但由于运行行管理水

2、平平相对较低低，对多热热源的协调调运行缺乏乏了解，对对环形网的的运行认识识不足，在在运行时却却不得不将将各热源解裂，甚甚至将各环环切断，采采用环状状管网，枝枝状运行的模式，没没有充分发发挥系统的的能力。目目前国内已已有少数地地方采用了了环状运行行的模式，也也看到了环环状运行在在提高管网网的输送能能力、改善善系统的水水力工况方方面的好处处。但往往往简单地认认为将干管管上所有的的阀门打开开即可得到到最佳的工工况，对特特定的系统统到底应该该如何运行行缺乏研究究，对于实实际的运行行工况也不不能做到心中有数数，没有有系统的理理论指导，因因此对于环环形网的认认识也必然然是片面的的、不准确确的。实实际上，正

3、正是多热源源环形网的的不断推广广应用，使使得对于集集中供热网网的可及性性研究显得得更为迫切切。不同于于模拟问题题，可及性性分析是指指在给定的的用户流量量的情况下下，分析管管网能否达达到该流量量分布，以以及应该如如何达到。对对于环形管管网，就是是要分析干干管上阀门门应该如何何配置和调调节，才能能达到最优优运行工况况，从而满满足各用户户的要求，而而且运行泵泵耗最小。本本文首次提提出了可及及性分析的的概念。文文中将集中中供热网分分为枝状网网、多热源源、环形网网几个部分分，分别进进行研究，探探讨了数学学模型的建建立以及具具体的分析析方法。可可及性分析析对管网的的设计，改改造、扩容容以及实际际的运行调调

4、度都有重重要的指导导意义，文文中最后针针对我国东东北的一个个热网进行行了具体分分析。2集中供供热网的数数学描述为为便于说明明问题，同同时也为了了减小问题题的规模，我我们将集中中供热分为为供水干管管、回水干干管以及热热源与用户户三个部分分。对于串串联系统的的管网以及及其它特殊殊管网，可可在此基础础上另行分分析。供供回水干管管系统的特特点是，它它与热源及及用户相连连的节点都都是源或汇汇，其进、出出流量即为为相应用户户或热源的的流量。下下面以供水水侧管网为为例进行讨讨论。根根据基尔霍霍夫定律可可以得到以以下关系式式：AAG=Q （1）AATPd= S|G|G+Zd-Hp（2）其其中A为关关联矩阵，若

5、若该管网的的节点数为为N+1，支支路数为BB，则A为为NB维的矩矩阵，各元元素按下式式规定：GG=（G11，G2，GB）T，为各支支路的流量量向量，QQ=（Q11，Q2，QN）T为各节点点的流量向向量，入流流为正，出出流为负。PPd=（Pd1，Pdd2，PdN）TZZd=（Zd1，Zd2，ZdN）T分分别是各节节点相对于于参考节点点的压力差差和高差向向量，若已已知参考节节点的压力力和高度，由由此就可确确定各节点点的压力和和高度。HHP为各支路路的水泵扬扬程向量，可可以认为第第i支路的的水泵扬程程Hpi=ai+biGi+ ciGi2。若该支支路没有水水泵，则HHdi=0SS=diaag(S11,

6、S2,SB)|G| = diaag (|G1|,| G2|,| GGB|)若若将所有支支路分为树树支和链支支两个部分分，则式（11）可转化化为GG1= A1-1Q- A1-1A2G2（3）其其中，A=（A1A2），A1，A2分别是树树支矩阵和和链支矩阵阵，G1，G2分别是树树支流量向向量和链支支流量向量量。由由式（3）可可以看出，只只有链支流流量向量是是独立变量量。对对于可及性性问题，根根据各用户户的流量要要求可以确确定Q向量量，若为枝枝状管网，则则没有链支支，可以证证明A矩阵阵为方阵，并并且是可逆逆的，支路路流量向量量可由下式式表出：GG= A-1Q。若若为多环管管网，则环环的个数即即为链支

7、流流量向量的的维数，所所有支路的的流量由该该链支流量量向量唯一一确定。回回水侧管网网同样满足足以上各式式。3枝状网网的分析方方法可可及性分析析与模拟分分析问题不不同，它是是在已知各各用户流量量分配要求求的情况下下，分析系系统能否满满足这一要要求，若能能满足，应应该如何运运行、调节节才最省能能。分别考考察供、回回水侧干管管管网，根根据第2节节中的基本本方程程可可以得出：各各支路的流流量为：GG= A-1Q （44）各各节点与参参才节点的的压力之差差为：PPd=（A-11）T（S|GG|G + Zd- Hp） (55)若若参考节点点的压力为为p0，则各节节点的压力力为PP= Pdd+ p0l （6

8、6）其其中l为单单位向量。331 单单热源枝状状网一一简单单热热源管网及及其供、回回水侧管网网网络图如如图1所示示。图1 某一一单热源枝枝状网示意意图及供、回回水侧的干干管网络图图当当水泵已选选定，且转转速已定时时，根据总总循环水量量，可以确确定主循环环泵的扬程程Hp0，假定泵泵入口为定定压点，压压力Hr0为，则供供、回水干干管网络参参考点压力力可以确定定。供供水侧p00= ps0=pr0+ Hp0回回水侧p00= pr0代代入式（44）（66）即可求求得供、回回水侧各节节点的压力力psi，pri，各用户户的资用压压头等于供供、回水侧侧对应节点点的压力之之差：pi= pis- pir。若pip

9、in（pin为用户所所需压头）对对所有用户户皆成立，我我们就说该该网络对于于该工况是是可及的，否否则，可据据此找到最最不利的用用户，进而而确定解决决的方案，如如局部管段段加粗、添添加用户加加压泵等。若若主循环泵泵未选定，可可及性分析析就转化为为确定主循循环泵所需需用的最小小扬程。此此时回水侧侧面参考节节点压力仍仍为p0= pr0，代入式式（4）（6）即即可求得回回水侧面各各节点的压压力pri，若各用用户要求压压力为pin，可得到到供水侧面面各用户节节点所需最最小压力pplsi= pir+pin。另外，供供水侧各节节点压力可可以表达为为主循环泵泵扬程的HHp0函数。PPs=（A-11）T（S|G

10、G|G）+l(prr0+ Hp0)(7)要要使pisplsi对所有供供水侧用户户节点都成成立，可以以得到满足足以上所有有不等式的的主循环泵泵最小扬程程 （88）332 多多热源枝状状网若若采用多热热源并网运运行，其定定压点也只只能是一个个，假定定定压点在第第1个热源源的循环泵泵入口处，压压力为p0r。第第1个热源源的水泵已已定，因其其扬程H1p已定时，依依照3.11我们可以以得到供、回回水侧参考考点的压力力，进而可可以计算出出各节点的的压力piis、pir。考察其其它热源循循环泵，若若pjs- pjr Hjp(Hjp为j 个个热源循环环泵扬程，jj2)，表表明第j个个热源的循循环泵扬程程偏小，

11、系系统不可及及，需作调调整；若某某一热源处处，pjs- pjrHjp,则可调调整串在水水泵所在支支路的阀门门或调节该该水泵的转转速，从而而达到系统统特定的工工况。这时时，如果不不作调整，显显然该热源源的流量将将会比设定定的流量大大，导致各各热源出力力的均衡。对对于各用户户的考察与与3.1所所述完全一一致，在此此不再赘述述。4环形网网的分析方方法441 环环形网可及及性分析数数学模型的的建立这这里所说的的环针针对供、回回水干管而而言的。以以供水侧干干管网络为为例，若网网络的节点点数为N+1，支路路数为B，则则环的个数数为B - N。可可采用破破圈法等等确定B - N个个链支支路路，剩下的的N个支

12、路路形成树树。此时时，树支流流量与链支支流量有如如下关系GG1= A1-1Q- A1-1A2G2（3）参参照式（55），干管管上的各点点压力可表表示为PPd=（A-1）T（S1|G1|G1+ Zd 1- Hp1） (9)对对各链支支支路，有AA2TPd=S2|G2|G2+ Zd2- Hp22亦亦即AA2T（A-1）T（S1|G1|G1+ Zd 1- Hp1）= S2|G2|G2+ Zd2-Hp2(110)式式（10）即即构成了环环路平衡方方程。对对于环形网网，我们可可以得到几几个重要的的结论。下下面结合图图2进行说说明。结结论1 当当管网结构构、参数不不变且干管管上阀门等等调节部件件不作调整整

13、时，则要要实现对各各用户及热热源的特定定流量分配配，干管上上流量是唯唯一的。由由式（3）可可以看出网网络中只有有G2的流量是是独立的，独独立变量共共B-N个个，而环路路平衡方程程组程的个个数是相等等的，方程程组封闭，可可以证明该该方程组的的解是唯一一的。从该该式同时可可以看出，改改变环网干干管参数，将将使环网上上管路的流流量分配发发生变化，但但同样可以以满足各用用户和热源源的特定流流量要求。结结论2 对对某一确定定的热源、用用户流量分分配，适当当关小环上上干管的阀阀门，可以以提高/降降低部分节节点的压力力。如如图2所示示，假设干干管阀门全全开时的汇汇交点在44，则若在在3-4支支路上设阀阀门，

14、关小小后由于11-2-33支路上通通过的流量量减小，导导致R1，RR2节点的的压力升高高，同时由由于1-55-4支路路和上的流流量增加，RR3，R44的压力将将会降低。图2 某一一单环供热热网的供水水侧面干管管网络结构构由由此可以看看出，对于于环形网对对应特定的的用户流量量分配要求求，可以通通过适当地地调整环上上部分干管管支路的阀阀门来改变变各节点的的压力分布布，从而有有可能提高高部分用户户的资用压压头，达到到提高管网网输送能力力和节能的的目的。如如何装配和和调节干管管上的阀门门成为环形形网可及性性分析要的的主要问题题。结结论3 当当用户及热热源要求的的流量不变变，且要实实现同一种种G2，即使

15、得得干管上的的流量分配配固定不变变时，对于于供（回）水水侧面管网网，阀门安安装在环上上与汇交点点（分流点点）相连的的支路最有有利，并且且每个环上上最多只需需调节一个个阀门。实实际上，为为达到某一一特定的干干管流量分分配，环路路上的阀门门可以安装装在环上的的不同位置置，而且也也可以安装装不止一个个阀门。例例如图2中中将阀门安安装在1-2或2-3支路上上都可以，但但安装在11-2支路路上将使RR1，R22的压力也也降低，安安装在2-3支路将将使R2的的压力降低低。进一步步可以证明明，若采用用上述结论论中的方式式安装和调调节阀门得得到的各用用户节点压压力为p0i，采用其其它方式加加阀得到的的各用户节

16、节点压力为为pi，则对对供水侧干干管网络，pp0ipi对对回水侧干干管网络，pp0ipi对对所有用户户均成立。也也就是说采采用此种安安装和调节节方式得到到的各用户户资用压力力头最大，因因而是最有有利的。以以上3个结结论是进行行环形网可可及性分析析的基础。根根据以上结结论，在求求解时就可可以首先假假定G2，根据式式（3），（110）和以以上结论确确定环上阀阀门安装位位置及阀门门阻力，进进而就可确确定各节点点的压力。可可及性分析析的目标，就就是要求解解网上剩余余压头最小小的用户的的最大剩余余压头值为为多少，从从而可以判判断系统是是否可及，或或确定各循循环泵的最最小扬程。若若各用户所所需的资用用压头

17、为p0n，则该最最优化问题题可表述为为，对供水水侧干管网网络，对回水水侧干管网网络约约束条件为为GG1= A1-1Q- A1-1A2G2AA2T（A-1）T（S1|G1|G1+ Zd 1- Hp1）= S2|G2|G2+ Zd2-Hp2442 环环形网可及及性分析的的具体算法法通通过4.11的分析，很很自然地可可以确定解解决的基本本思路（以以供水侧干干管网络为为例）： 首先确确定链支支支路，假定定一组链支支支路的流流量为G22； 根据式式（3）计计算出全部部管段的流流量G，根根据其方向向确定各环环的水力汇汇交点； 根据式式（10）和和结论3确确定各环上上要安装的的阀门位置置及要满足足G2阀门应

18、有的的阻力； 根据的结果修修正S1，然后由由式（9）计计算出各节节点的压力力； 计算目目标函数值值； 若目标标最优，此此过程结束束，否则根根据一定的的规则修正正G2，返回。该该问题是一一复杂的非非线性最优优化问题，若若采用一般般的直接搜搜索方法，由由于问题的的复杂度较较高，收敛敛的速度非非常慢，效效率很低，更更重要的是是由于通常常的非线性性最优化方方法都是单单点搜索算算法，容易易陷入局部部最优解，而而难以得到到全局最优优的解。为为此，本文文采用效果果较好的混混合遗传算算法来解。遗遗传算法是是一种利用用随机化技技术来指导导对一个被被编码的参参数空间进进行高效搜搜索的方法法，相对其其他优化算算法，

19、遗传传算法具有有简单通用用、鲁棒性性很强的优优点，可以以对问题空空间进行全全局的搜索索，它的55个基本要要素即参数数编码、初初始群体的的设定、适适应度函数数的设计、遗遗传操作设设计以及控控制参数的的设计，构构成了遗传传算法的核核心内容。但但遗传算法法也有其不不足之处，概概要地说就就是全局搜搜索能力有有余而局部部搜索能力力不足，特特别是当快快接近总是是的最优解解时搜索的的速度明显显放慢。笔笔者为此一一方面通过过在搜索过过程中不断断调整控制制参数来弥弥补，另一一方面在搜搜索的后期期引进直接接搜索的方方法，在遗遗传算法的的最优结果果的基础上上作局部的的微调，最最终达到全全局最优。这这样就形成成了一种

20、混混合遗传算算法，较好好地利用了了两种方法法的长处。在在编码一采采用了0-1机制，将将各环的水水力汇交点点（分流点点）位置和和流量分配配比作为未未知变量进进行编码。基基于以上分分析，编制制了相应的的应用软件件，该软件件可以对各各种供热网网络（包括括枝状网、环环形网及多多热源并网网运行的管管网等）进进行可及性性分析。该该软件采用用图形化的的用户界面面，界面友友好，操作作简便，结结果形象、直直观。下面面级出一个个具体算例例。图图3是东北北某集中供供热网的拓拓扑结构图图。随着供供热负荷的的增大以及及对系统可可靠性等方方面的要求求，该热网网在原来单单热源枝状状网的基础础上已发展展成为两热热源二环管管网

21、。全网网运行方式式为质调节节，各热力力站为间边边换热站。根根据用户负负荷和热源源情况确定定用户总流流量为59900t/h。其中中热源1负负担49000t/hh，热源22负担10000t/h。各热热力站需资资用压力头头5m，各各热源内部部压降为110m。热热源1的循循环水泵在在设计流量量下的扬程程为7 77m，热源源2水泵扬扬程为555 m。现现在的问题题是，对于于该热网，若若采用现有有水泵，系系统能否满满足各用户户的流量要要求，若能能满足，应应该如何调调节？图3 东北北某集中供供热网拓扑扑结构示意意图现现利用可及及性分析方方法来处理理这个问题题。由于供供加水侧完完全对称，我我们可以只只分析供水

22、水侧，由此此即可推及及回水侧的的对应结果果。供水侧侧共2个环环，大环有有37个节节点，汇交交点位置用用6位二进进制数表示示；小环有有22个节节点，用55位二进制制数表示；每个环上上的汇交点点流量分配配比用6位位二进制数数表示。这这样问题染染色体的长长度为6+5+6+6=233。需要注注意的是，汇汇交点位置置的编码有有冗余，通通常的处理理方法是将将冗余的基基因作为致致死基因（即即适应度函函数值为00）。但大大量冗余的的存在将严严重影响遗遗传算法的的有效应用用。为此，将将冗余部分分进行重新新映射，若若汇交点位位置编码为为n位，某某一冗余编编码值为，则认为为该编码对对应的值为为2n-11，这样处处理

23、就保证证了冗余编编码除最高高位外都是是有效的。确确定群体规规模为644，初始群群体在随机机制基础上上产生，若若随机产生生的染色体体适值大小小0，则吸吸收它为初初始个体。在在设计适应应度函数时时，需要考考虑到除主主热源外其其它热源能能够提供的的压头。可可以将其作作为惩罚项项加到相就就原函数中中去，转化化为对无约约束问题的的求解。遗遗传算法采采用保留最最优值的VVCGA方方法，选择择操作采用用适应度比比例选择策策略。交叉叉操作采用用单点交叉叉，变异操操作为单点点置换。选选择概率取取0.8，变变异概率起起始时取00.0011，以后逐逐渐加大至至0.00088。限限定遗传操操作热行到到第1200代时终

24、止止，转为对对最优个体体的局部最最优直接搜搜索，在遗遗传算法最最优结果的的基础上进进行局部微微调，最终终得到用户户最小剩余余压头可以以达到3.28m，目目标值大于于0，因此此系统是可可及的。剩剩余压头最最小的用户户为V。对对应参数如如下：环编号水力汇交点点位置流量分配比比阀门所在支支路对应支路的的流量阀门阻力SSv1B0AB0+2M1MN0+对对应该工况况热源2循循环水泵的的扬程需达达到41mm，因此原原有的循环环水泵完全全可以满足足要求。若若将干管上上阀门全部部打开，环环状运行，则则其中的两两个汇交点点为E，LL，剩余压压头最小的的用户仍为为V，其值值为-6.09m，目目标值小于于0，系统统

25、是不可及及的。由由上可见，单单纯考察系系统的水力力工况，不不能简单是是判定环状状运行和枝枝状运行孰孰优孰劣，而而应针对特特定的系统统进行深入入的分析。分分析表明，在在环上干管管的合理位位置装配和和调节阀门门有利于系系统工况的的改善。以以上述两个个工况为例例，若采用用国内现在在通常采用用的将环上上阀门全部部打开的方方式运行，系系统是不可可及的，可可是通过进进行可及性性分析，在在AB和MMN支路上上安装阀门门并将其全全关后系统统却是可及及的。如果果热源循环环泵采用变变速泵，则则为满足同同样的用户户、热源流流量要求，进进行可及性性分析后主主循环泵的的扬程可以以下调6.09+33.28=9.377m，

26、节能能效果也是是非常显著著的。其其实这是在在直观上也也是可以解解释的。如如图3阀门门全开时，大大环的汇交交点在L，用用户V处在在一个较长长的分支上上，是最不不利用户。当当MN上装装阀且关断断时，热源源1下面的的分支通过过的流量变变小，因此此该分支上上各节点的的压力都上上升，由这这段环上引引出的用户户V的压力力也随之上上升，因此此V的资用用压头变大大。当然，在在这同时热热源1上面面的分支各各点的压力力将会因管管段流量的的增大而减减小，与之之相连的各各用户的资资用压头将将减小。但但由于全开开时这些用用户的剩余余压头很大大，即使因因MN切断断而使得资资用压头减减小，仍比比用户V的的资用压头头大，实际

27、际上AB管管段上阀门门的关断对对提高这些些用户的资资用压头也也是有益的的。这样，从从整个系统统而言，虽虽然用户资资用压头有有升有降，但但网上最不不利用户的的工况却大大大改善了了。在环上上装阀实际际上就通过过控制环上上各管段的的流量、流流向从而使使各用户在在额定流量量下的资用用压头趋于于均匀，从从而达到改改善工况的的目的。6结语随随着多热源源环形网在在国内集中中供热领域域的不断发发展，必须须建立相应应的理论分分析方法。本本文通过引引入可及性性分析的要要领以及遗遗传算法中中其中的应应用，为网网络水力况况的分析提提供了一个个有力的工工具，为集集中供热网网的设计、改改造及运行行调节奠定定了必要的的基础

28、。当当然，本文文只是对集集中供热系系统可及性性分析的初初步研究，由由于实际系系统是形形形色色的，对对于多泵系系统以及采采用变频泵泵调节方式式的系统必必须进一步步结合经济济性进行分分析，可及及性的研究究必须进一一步深入和和完善。对对于空调水水系统，随随着大型系系统的不断断涌现，系系统复杂程程度的提高高以及VWWV的应用用。也需要要探讨可及及性分析在在这些系统统中的应用用；对于空空调通风系系统，随着着环形风道道以及VAAV 的应应用，系统统的工况也也更加复杂杂，将可及及性分析 方法应用用其中，对对于系统的的设计与运运行分析，对对于确定合合理的控制制方案都会会收到较好好的效果。7 参考文文献11 陈

29、兆祥祥，蔡启林林，线性规规划法在热热网初调方方案中的应应用，清华华大学学报报（自然科科学版），11989，229（s22）。22 倪安林林，李榕，许许群和，给给水管网几几种常用平平差方法的的定量比较较，给水排排水，19989，（66）：177-21。33 Holllandd J HH. Addaptiion iin Naaturaalandd Arttificcial Systtems. Uniiverssity of MMichiigan Presss. 11975.44 陈国良良，遗传算算法及其应应用，北京京：人民邮邮电出版社社，19996。55 Golldberrg D E. GGenettic AAlgorrithmmsin Searrch, Optiimizaationn andd Macchinee Leaaningg. Reeadinng, MA: AAddisson-WWeselly, 11989.