（控制理论与控制工程专业论文）遗传算法控制器在热网流量调节中的研究.pdf

大连理：j ：大学硕士学位论文 摘要 随着城市建设的迅速发展，集中供热成为我国北方地区城市现代化建设所必须的步 骤之一。伴随供热系统的不断扩大，如何有效地控制和管理整个热力系统，提高热力系 统的经济效益和社会效益，成为各供热企业急需解决的重要课题。集中供热网的运行调 节和控制策略也一直是供暖和控制专家们研究的课题。 本文以实验室热网实验装置的控制为基础，旨在对集中供热网的运行调节和控制方 法进行研究，主要进行了以下几个方面的工作： 针对目前大中型集中供热网现有的调节和控制方法，在分析和总结已有方案的基础 上，按照按需供热和均匀供热的方式进行了深入的阐述。 系统地讨论了集中供热系统流量调节的遗传算法优化策略，并针对集中供热网这种 具有大滞后、大惯性、非线性、强耦合特性的系统，提出了基于遗传算法的多变量非线 性约束优化控制器，并随后深入探讨了该控制器的特性和具体的设计思想。 详细介绍了实验室热网系统硬件装置的组成、实时热网监控系统软件平台的设计开 发、遗传算法控制器的具体实现。将遗传算法热网流量调节控制器应用到实验室热网的 实际控制中去，通过调节一次网侧的流量来实现对各用户二次网供回水平均温度的控 制。理论仿真和物理仿真的结果表明，该控制器能够合理的分配各热力子站一次网侧的 流量，使各用户二次网供回水平均温度趋于一致，进而实现全网内热量的合理分配，提 高供热网的供热质量，达到稳定供热和均匀供热，最终能为用户创造舒适的生活环境。 关键词：集中供热网；按需供热；均匀供热；遗传算法 大连理r ：人学硕十学位论文 r e s e a r c ho fg e n e r i ca l g o r i t h mc o n t r o l l e ro nf l o wd i s t r i b u t i o no fd i s t r i c t h e a t i n gn e t w o r k s a b s t r a c t t h ec e n t r a lh e a t i n gh a sb e c o m eo n eo fn e c e s s a r ys t e p sf o rc i t ym o d e r n i z a t i o ni nt h e n o r t ho fc h i n a w i t ht h eh e a t i n gs y s t e me n l a r g i n gg r a d u a l l y ，h o wt oc o n t r o la n dm a n a g et h e w h o l eh e a t i n gs y s t e mi ne f f e c t i v ea n ds c i e n t i f i cw a y st oi m p r o v et h ee c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t sh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt o p i cw h i c hh e a t i n gs u p p l ye n t e r p r i s e sn e e dt os o l v e u r g e n t l y a n dt h ea d j u s t m e n ta n dc o n t r o lm e t h o d so fi th a v ea l s ob e e ng o o dt o p i c sf o rh e a t i n g a n dc o n t r o ls p e c i a l i s t s o nt h eb a s i so fl a b o r a t o r y s c a l eh e a t i n gs y s t e mc o n t r o l ，t h i sp a p e ra i m sa tt h er e s e a r c h o fr u n n i n ga d j u s t m e n ta n dc o n t r o lm e t h o d sf o rd i s t r i c th e a t i n gn e t w o r k ，i n c l u d e s ： t h ea d j u s t m e n ta n dc o n t r o lm e t h o d sf o rt h es m a l l - - s i z e da n dl a r g e - s i z e dh e a t i n g n e t w o r ka v a i l a b l ea tp r e s e n ta r et h o r o u g h l yd i s c u s s e da f t e ra n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gi n t w oa s p e c t s ：n e e d b a s e dh e a t i n gm e t h o da n de v e nd i s t r i b u t i o nh e a t i n gm e t h o d i ts y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e st h ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mt od i s t r i c t h e a t i n gs y s t e mt oa d j u s tt h ef l u x i na c c o r d a n c ew i t ht h ed i s t r i c th e a t i n gs y s t e mh a v i n g l a r g ed e l a y ，n o n l i n e a ra n ds t r o n gc o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t h i sp a p e rp r e s e n t san o n l i n e a r c o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o nc o n t r o l l e rb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ，a n dt h e na l s od i s c u s s e st h e c h a r a c t e r i s t i ca n dd e s i g ni d e ao ft h ec o n t r o l l e rt h o r o u g h l y i ti n t r o d u c e st h ec o m p o s i n go ft h el a b o r a t o r y - s c a l eh e a t i n gs y s t e m ，t h ed e s i g no ft h e r e a lt i m em o n i t o r i n gs o f t w a r ep l a t f o r ma n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eg e n e t i ca l g o r i t h m c o n t r o l l e ri nd e t a i l t h e na p p l y i n gt h i sc o n t r o l l e rt ot h ea c t u a lc o n t r o la n dm a n a g e m e n to ft h e l a b o r a t o r y - s c a l eh e a t i n gs y s t e mi sd i s s c u s e d b ya d j u s t i n gt h ef l o wo ft h ep r i m a r yp i p e n e t w o r kt h eu s e r sa v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h es u p p l y i n gw a t e ra n dr e t u r nw a t e ro fs e c o n d a r y p i p en e t w o r kc a n b ec o n t r o l l e d s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s r e s u l t ss h o wt h a tt h i sc o n t r o l l e r c a nr a t i o n a l l yd i s t r i b u t e st h ef l o wo ft h ep r i m a r yp i p en e t w o r ki ne v e r ys u b s t a t i o n ，m a k et h e a v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h es u p p l y i n gw a t e ra n dr e t u r nw a t e rt e n d st ob ee q u a l f u r t h e r m o r e ，i t c a nm a k ew e l l p r o p o r t i o n e dh e a td i s t r i b u t i o ni nt h ew h o l eh e a t i n gn e t w o r k ，w h i c hi m p r o v e s h e a t i n gq u a l i t ya n da c h i e v e ss t a b i l i z a t i o nh e a t i n ga n de v e nd i s t r i b u t i o nh e a t i n g m e a n w h i l e ，a c o m f o r t a b l el i v i n ge n v i r o n m e n tc a nb ec r e a t e di np e o p l e 。sd a i l yl i f e k e yw o r d s ：d i s t r i c th e a t i n gn e t w o r k ：n e e d - b a s e dh e a t i n g ；e v e nd i s t r i b u t i o nh e a t i n g ； g e n e t i ca l g o r i t h m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：龟场 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 牲 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 随着城市建设飞速发展，节能、降耗及环保意识的增强，城市集中供热成为城市尤 其是北方城市供热的大势所趋。通常一个城市有几个区域供热网，一个区域供热网有几 十个到上百个换热站。集中供热系统有时是一个十分复杂的多变量控制系统，供热面积 大，影响因素多，内部关联性强，滞后时间长，非线性严重i ”。近年来，我国集中供热 技术水平不断提高，采用了许多新技术、新设备，运行管理水平也有所提高，但从整体 上来说，目前技术力量还比较薄弱。热网运行管理水平参差不齐，经常采用大流量、小 温差的运行模式，过热用户室温严重超标，过冷用户室温不达标的严重失调状况普遍存 在。这些情况恶化了熟网运行指标，不但严重影响供热质量，而且大大增加了运行费用， 降低了供热的经济性，浪费了能源 2 1 。因此如何及时了解各换热站的工作状况及有关信 息，并根据这些信息和室外温度对各换热站及时调节，使整个集中供热系统处于一个良 好的、高效的运行状态，从而获得良好的经济效益和社会效益，成为供热控制系统必须 解决的问题，也是一个供热企业所追求的目标。采用计算机监控系统进行智能控制的方 案可以有效解决传统控制的缺陷，对提高供热系统的可靠性和运行管理水平，进一步改 善供热效果、提高供热效能、降低运行费用和增强科学化的管理水平等具有重大的意义。 1 2 国内外集中供热系统现状 集中供热是以热水或蒸汽作为热媒，集中向一个具有多种热用户( 供暖、通风、热 水供应、生产工艺等热用户) 的较大区域供应热能的系统。集中供热系统由热源、热力 网和热用户三部分组成。热源是指在区域锅炉房或热电厂内，利用燃料燃烧所产生的热 能，加热供热系统热媒( 水蒸气或热水) 的供热设备。热力网是指将热源产生的热媒输送 到热用户的管路系统及其输送设备。热用户用热系统指的是热用户内的采暖系统、生活 用水供应系统和生产用熟系统及用热设备。 1 2 1 国外现状 俄罗斯、丹麦、芬兰等欧洲发达国家集中供热发展很快，从设备、技术、管理等诸 方面都居世界领先水平。 在俄罗斯集中供热已经发展了8 0 多年，占全国总需热量的7 0 ，其中一半来自热电 联产，供热机组的单台容量随着区域供热事业的发展而不断发展扩大。莫斯科的集中供 热率接近1 0 0 ，它拥有世界最大的热网，最大直径的热力管道，最大功率的热电厂【3 】。 遗传算法控制器在热网流量调节中的研究 集中供热是丹麦能源政策的基石，现担负着全国几乎6 0 建筑面积的供暖任务。在 丹麦集中供热作为城市基础设施的组成部分，与电力、电话、燃气、给排水系统等受到 同等重视和发展。他们按大、小城市不同规模因地制宜，大城市建设了世界上大型高效 热电联产、集中供热系统；在小城市迅速发展小型热电联产、区域供热系统【“。 芬兰集中供热占总需求热量的4 9 ，其中热电联产占7 7 。芬兰7 0 的燃料能源依 赖进口，因此，对能源的经济使用和运输政策特别重视。集中供热的能源：煤占3 1 ， 天然气3 4 ，泥炭2 0 ，油7 ，木材小角料7 ，其他2 。首都赫尔辛基集中供热率已 达9 0 以上。 在亚洲，韩国发展城市集中供热的历史与我国相当，但2 0 世纪8 0 年代中期进入快速 发展阶段，令人刮目相看。韩国集中供热的规模、设计、施工、运行、管理全面引进芬 兰供热先进技术，从实际出发扬长避短，使供热系统更先进、完善。近年来日本集中供 热系统发展比较快，将实施集中供热作为改善城市环境的有效方法，特别是防止大气污 染效果显著。系统以小规模居多，并用于办公楼等商务设施，用于住宅的仅为1 0 n 。 从节约能源和减少污染的目标出发，国外发达国家集中供热都是以多种能源为热 源，煤的比重逐渐在减少，取而代之的是低污染的垃圾焚烧、生物能焚烧和天然气，及 因地制宜发展的热泵；在锅炉尾部安装电除尘器，布袋除尘器；安装喷雾干燥脱硫装置； 采用减少空气量，控制炉内温度等措施降低氮氧化合物排放量，达到城市环保要求。集 中供热系统设计合理，采用多热源联网系统，热电厂负责基底负荷，常年运行；气( 油) 锅炉房调峰，调峰热源有较多的备用富裕量，可根据用户的要求和室外气候条件的变化， 自动启停，无人值守。热网采用间接连接，水质要求严格，热网寿命长；循环水泵变频 调速运行，节约能源；换热器采用板式换热器，生活热水采用容积式换热器；输水管路 采用隔热和防泄漏效果好的新型泡沫聚合材料1 6 j 。 从高效、可靠和降低运行成本的目标出发，国外发达国家采用中央监测和控制。监 测和控制的内容包括热源厂、热网控制点、热力站的流量、温度、压力、热量和报警等 在采暖用户入口安装温控阀，自主调节室内温度；中央控制室监测热网和热力站运行参 数，通过不利点用户压差控制和调节变速泵，实施变流量运行1 7 1 。 在热网监控方面，瑞典的f r e d r i kw e r n s t e d t 等人提出用代理人技术来实时了解各热 力站运行状态，提高供热质量旧 在熟网维护方面，m b o j i c 等人将各二次网水力阻抗、散热器的传热系数、建筑物 的散热系数的实际值与标准值比较，通过在相应支路加入水泵、改进换熟器等方法来提 高供热质型9 1 由于国外一直是市场经济体制，热网的设计和调节都是以单户计量为目的的，所以 大连理工大学硕= r 学位论文 他们对于用户自调节的控制理论己经非常成熟。主要表现在： ( 1 ) 计算机管理水平普遍较高，软件功能齐全，具有热用户及热源厂结算的计量管理、 故障分析与报警、热网的控制与调度、热力站的无人值守、热源的控制与调度等功能， 热网管理人员少，像丹麦的v e k s 这样的大热力公司，管理、运行人员仅有4 4 人1 1 0 l 。 ( 2 ) 计算机控制系统广泛采用集散式控制系统，主要特点是分散控制为主，集中控制 为辅，在灵活性、可靠性、可扩展性上有很强的优势。 ( 3 ) 供热系统采用先进的新技术、薪设备和新材料，硬件质量好，基本上不存在漏水 现象，计量设备准确，执行机构动作可靠，为计算机管理和调节提供可靠的信息来源， 普遍采用自力式流量控制器等来解决水力失调问题，效果很好。 ( 4 ) 用户的暖气设备进出口都安装温控阀，用户可以自行调节，基本上可以做到按需 供热。 1 2 2 国内现状 我国集中供热是在解放后才开始的。经过几十年的发展，目前集中供热已经成为我 国北方供熟的一种主要形式，据统计1 9 9 6 至4 2 0 0 1 年，供热面积由7 3 4 3 3 万平方米发展到 1 4 6 3 2 9 万平方米；集中供热总量由：蒸汽1 7 6 1 9 g j 发展到3 7 6 5 5 g j ；热水5 6 3 0 r 7 g j 发展到 1 0 0 1 9 2 g j ；热电联产供热站供热总量的3 4 2 ；供热管道由3 3 5 8 9 k m 发展n 5 3 1 0 9 i , ：m t l l 】。 到2 0 0 5 年城市的集中供热普及率要达到2 5 3 0 ，重点城市达到4 5 ，即达到国外发达 国家8 0 年代初期水平。 我国传统的集中供热主要采取热电联产、区域联合供热和小区锅炉房供暖等几种方 式。近6 0 年的发展历史大致分为四个阶段：单纯利用阶段一单纯管理阶段基础建设阶 段一综合发展阶段。2 0 世纪8 0 年代以前，从北方采瑷地区大城市来看，以分散锅炉房供 暖比重最大。8 0 年代后，进入到综合发展阶段，热电联产、热交换站以及相配套的尖峰 锅炉房等集中供热系统在许多城市相继建成，这种多热源共网技术，有效的降低了成本， 保护了环境。像北京、沈阳等集中供热系统较发达的城市，已经实现初级多热源并网运 行【1 2 1 。 不同于国外的控制模式，国内的控制模式分热源和热网两部分：对于热源，控制总 供水温度和总循环流量，保证按需供热并均匀分配总供热量至各热力站，使供热效果达 到一致，但它不涉及具体的供热指标。而热网总需热量是透过对热负荷的动态预测，并 对热源部分直接调节而实现的；对于热网，各热力站之间的热量分配是通过各站自己独 立的控制单元实现的，即通过室外温度来确定二次侧供回水温度值，通过改变一次侧流 量来保证二次侧供回水平均温度为设定值。在热源供热充足的情况下，每个热力站都可 遗传算法控制器在热同流量调节中的研究 通过自身的自动调节满足热负荷的要求变化；热源供热不足时，各站的自力式差压流量 限制阀就会起到限制各站的最大流量的作用，从而限制各站的用热量，实现均匀分摊热 量不足的作用。 我国己建的很多热网都是在用户用热不计费的情况下设计的。因此我国热网的整套 控制调节方法和管理方法还很不成熟。计算机控制热网起步较晚，虽然也有一些热网采 用计算机控制，但是效果不好，主要表现在： ( 1 ) 缺乏合理可靠的调节手段，绝大多数系统仍处于手工操作阶段，司炉看天烧火， 经验调节，易造成“大流量，低温差”的不节能运行工况，据统计，热网水力失调造成 的热损失约为l0 9 6 【1 3 l 。 ( 2 ) 现阶段实现计算机管理的热网还不多，即使上了计算机系统，由于各种原因，有 许多系统处于瘫痪或半瘫痪状态【埘，或仅仅停留在数据采集的水平上。特别表现在：缺 少全面的参数测量手段，无法对系统的运行工况进行系统分析判断；系统工况失调难以 消除，造成用户冷热不均；故障发生时，不能及时诊断、报警、排除，影响系统的可靠 运行；供热参数未能在最佳工况下运行，传热量与需热量不匹配；数据不全，难以量化 管理等，导致运行和管理人员庞大。 ( 3 ) 硬件水平不过关，经常出现阀门漏水现象；测量设备的精度低，测量数据不可靠， 执行机构动作不可靠。 ( 4 ) 远程通讯技术不过关，常常出现中央控制室根本接收不到热力站或热源传来的数 据。 ( 5 ) 热用户缺乏有效的调节手段，当居室无人时无法调节室温，使热量白白浪费，由 于节能意识不强造成的热损失约为5 i 。 ( 6 ) 热网运行管理人员专业水平不高。 1 3 课题研究的目的、意义及内容 1 3 1 课题研究的目的和意义 随着城市建设的迅速发展，集中供热成为我国北方地区城市现代化建设所必须的步 骤之一我国目前的采暖系统相对落后，普遍在低负荷、低效率下运行，供暖耗煤量是 发达国家的2 - 3 倍1 1 5 】，冬季采暖用能十分浪费伴随供热系统的不断扩大，如何有效 地控制和管理整个热力系统，提高热力系统的经济效益和社会效益，成为各供热企业急 需解决的重要课题。 集中供热网本身是一个典型的大滞后、大惯性、非线性、强耦合的网络，局部用户 支路的流量变化会引起全网压力分布的变化，进而导致其他支路的流量发生变化，从而 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 影响温度。其精确数学模型不容易建立，用常规的控制手段很难得到理想的控制效果。 调节不当会造成热用户水平失调及垂直失调，致使温度冷热不均，给人们的生产生活带 来很大的不便。集中供热网的运行调节和控制策略也一直是供暖和控制专家们研究的课 题。 为了解决上述集中供热系统出现的问题，充分发挥集中供热优越性，需要对集中供 热系统采用不基于模型的智能控制方案和整体控制方案来实现均匀供热，使全网的运行 状态优、供热质量好、成本低，提高集中供热网的经济效益和社会效益。 1 3 2 课题研究的主要内容 遗传算法作为一种优化搜索算法被广泛应用于许多优化问题中【1 6 】，【切。这种算法只 对参数的编码进行操作，因而对问题的依赖较小；它从许多初始点开始并行操作，可以 有效地防止搜索过程收敛于局部最优：它采用一种启发式搜索，其搜索效率往往优于其 它方法；它对于待寻优函数基本无限制，既不要求函数连续，也不要求可微；另外它具 有并行计算的特点【1 8 l ，因而可通过大规模并行计算来提高计算速度。因此遗传算法的应 用范围较广。 要解决集中供热网冷热不均的问题，实现均匀供热，要求根据热源的总热量合理分 配供热网一次网侧流向各个热力子站的流量，使二次网侧的供回水平均温度趋于一致， 这个问题可以视为一个函数优化问题。本论文试图通过应用遗传算法来解决上述函数优 化问题。围绕这个思想，本文主要做了以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 从按需供热和均匀供热两种供热方式介绍了目前大中型集中供热网现有的调节 和控制方法。 ( 2 ) 介绍了遗传算法的基本原理和大型集中供热网的基本概况。 ( 3 ) 基于对热网对象特征的分析，提出了一种基于遗传算法的多变量非线性约束优化 控制器，给出了控制器结构及其具体算法的实现，对控制系统进行仿真研究和控制结果 分析。 ( 4 ) 介绍了实验室热网系统硬件装置的组成、实时热网监控系统软件平台的设计开 发。将遗传算法热网流量调节控制器应用到实验室热网的实际控制中。分析了实际的控 制效果。 ( 5 ) 最后对于所作的工作进行了总结，并对后续工作进行了展望。 遗传算法控制器在热网流量调节中的研究 2 集中供热网的总体控制方案 2 1 集中供热系统的特性 集中供热网是复杂的分布式大系统，由于供热系统设备和建筑物都有很大的热惯 性，介质的传输和散热器也有一定的滞后，这就使整个生产过程具有大惯性、大滞后的 特性；由于复杂的气象条件和地理环境能够引起负荷的变化，使对象具有时变性；由于 流量调节阀、散热器等设备具有非线性的特性，使得整个集中供热系统也是一个非线性 的网络；再有热用户不是孤立存在的，各个热用户之间相互关联，使热网系统存在着强 耦合性。 集中供热网的上述特性决定供热系统的调节是有条件的。热网的稳定性差，开大一 个回路的阀门以加大其流量，就不可避免地改变了其它支路的流量；热网的可调性差， 流量和温度不能实现准确调节，流量不可能过于频繁调节，以免引起振荡，这就造成供 热调节根本无法准确跟踪环境气象条件的变化，因此精确的控制几乎不可能。但是另一 方面热力系统本身又是一个大的热容系统，环境、气象条件的急剧变化会被热力系统吸 收，再加上人体的适应能力，热力系统又具有极强的自适应性和宽松的控制要求。 集中供热的控制要求主要体现在以下三个方面【l 川： 稳定供热。不论气象条件如何变化，热用户室内温度始终保持在一定的范围内。 均匀供热。不论离热源远近的热用户，都能保证室内温度均衡一致，特别是在气 候条件特别恶劣且热源不足时，各个热用户的室内温度也应是一致的。 按需供热。保证在室外温度或热用户负荷发生变化时，热源总供热量与用户需热 量相匹配，以达到保证供热质量、降低成本、节约能源的要求。 2 2 集中供热系统控制的基本方法 本文主要讨论两级问连式供热网结构：热源产生高温热水经一次管网送至各热力 站，高温热水再经过子站水一水换热器形成供热热水送至各个热用户。目前大部分热网 采用的控制方式是各热力站依据二次网供回水平均温度制定控制计划来对其一次侧高 温热水流量进行独立的闭环控制。当系统稳定性差，水力耦合强时，各热力站问水力、 热力工况相互影响，难以同时满足供热指标，甚至会引起振荡。较好的方法是综合考虑 全网整体供热效果的两步控制方案：一是随着外界环境的变化，对供热负荷做出预测来 调整热源的总供热量和总供水温度。一次网采用分阶段质一量并调的方法( 质调节指在 热网运行期间，供热系统循环流量始终保持设计值不变，只调节系统供回水温度的调节 方式；量调节是指供热系统在运行期间供水温度始终保持设计值，只改变循环流量的调 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 节方式) ，根据室外温度及供热负荷的变化启停一、两台主循环泵，在每个阶段内通过 调节供回水温度，从热源上进行调节来实现按需供热：二是根据各个热力站二次网供水 温度之间的差异，以及每个热力站的二次网供水温度实际值和设定值的差，通过调节各 个热力站内一次网侧流量，对整个热网的流量分配做出调整，来实现稳定供热和均匀供 热。二次网采取质调节方式，循环水量保持不变。下面从按需供热和均匀供热两个方面 进行阐述。 2 2 1 按需供热 ( 1 ) 热力工况的稳态调节 供热系统中温度、供热量、散热量的分布状况被称为供热系统的热力工况，它可以 直观的表明供热效果。 在供热系统稳定工况下，系统供热量、散热器敬热量与建筑物耗热量( 热负荷) 必须 相等。可以得到稳态条件下随室外温度变化的二次网供回水温度t 加1 ： 铲+ 揖+ 乞刮- l r 麓t - tj l y o + b ) + 壶( 。引隐】 ( 2 1 ) + 私心巩) 障r 一如一t 1 1 i t - t w 】 由以上两式可得到二次网供回水平均温度1 2 1 i ： f 2 p _ 学咿扣厶一矾) 睫】删 ( 2 3 ) 以上方程式中： 、乞：二次网供水温度及其设计温度，； 、c ：用户室内温度及其计算温度，； k 、f 二：二次网回水温度及其设计温度，； t w 、c ：室外温度及室外计算温度，； b ：散热器传热系数； g ：二次网运行工况下对设计工况下循环水的相对流量 t 2 。：二次网供回水平均温度，； 在进行质调节时，只改变热网系统的供水温度，而用户的循环水量保持不变，即 g - - - - i 。系统采用问接连接式，一次网与二次网之间通过水一水换热器连接，采用分阶 遗传算法控制器在热网流量调节中的研究 段质调节，若二次网运行时的循环水量等与设计的循环水量 热量的热平衡方程式有： 五。j 4 ；巧孕阜 t k t nt k t n 即瓦= l 。根据网络供给 ( 2 4 ) 蚕。竺。坠兰害蚓亟兰出必( 2 5 ) l i t i n 堑玉l n 垒d 、 t l l l t m t 0 一t 0 式中毛。，缸，q ，g 1 分别为一次网供回水温度，相对供暖热负荷比，一次网循环流量 比。在某一室外温度下，q ，t ，乇，f 之，f 二均为己知值，t ：，匕也可以求得，每一 阶段的g 1 可求，只有，缸未知，从( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式中可以求出。 以上得到了稳态条件下，保证按需供热一次网所需的供回水温度。但供回水温度的 得出是有条件的。二次网运行时，即使是工作在质调节下，也很难保证循环水流量等于 设计条件下的流量值。即g ，一1 。那么，各二次网计算得到的供水或回水温度调节曲线 不可能相同，这样由不同二次网的供回水温度曲线得到的一次网供回水温度曲线就会不 同，然而一次网供回水温度曲线只能有一条，所以，得到的一次网供回水温度，只是稳 态条件下，各二次网循环水量皆等于设计工况下循环水流量时的理想结论。另外由式( 2 3 ) 可知各二次网供回水平均温度与相对流量无关，在相同室外温度下，各二次网供回水平 均温度只与室内温度有关。 ( 2 ) 热力工况的动态调节 前面讨论的是供热系统在稳态状态下的热力工况，即系统供热量与散热器散热量和 建筑物耗热量完全相等时的热力工况。这是一种理想工况。但是在实际运行中，由于建 筑物的热惰性、室外气温的周期性变化以及日照影响等因素，完全稳定的热力工况难以 实现。为了更好地实现按需供热，必须用动态方法分析热力工况，并用预测参数的方法 对供热系统进行动态调节 由于供热系统设备和建筑物有很大的热惯性，室外气温、日照、供水温度、流量等 参数的变化对用户室内温度的影响并不是立刻发生，而是滞后一段时间。因此，为保证 用户室温的设计要求，热源当天的供热量，不但与当天的室外气温、供水温度、流量、 日照、风速有关，而且和几天前的上述参数有关。为了对这种动态工况进行动态调节， 必须首先对供热系统的热特性进行识别，了解供热系统热惰性的大小、延滞的快慢，进 而得到预测的参数 反映供热系统上述参数之间的动态过程，可用下列方程表示阎： 一8 一 大连理一亡大学硕士学位论文 。纠半卜砉肛 q 。毫识( 半卜骞俐，。 q ，；1 1 6 3 c g l ，( f l j ，- t r y ) x 1 0 3 ( 2 8 ) q - ( 等 r “ 式中下标“f ”，“f 1 ”，“r - j ”分别代表当天、昨天，前i 几 天的有关供热系数。 q ：供热系统每天的供热量，w d ； g ：供热系统循环流量，伽； k ：当地每天平均综合外温，： c ：供热系统热媒比热，k j ( k g c ) ： 口，芦，妒，妒分别为供热系统特性系数； 综合外温o ，考虑室外温度与太阳日照的综合影响。k 可表示为室外温度加上太 阳辐射热量折算成的外温增量，即 t 。一t w + q 墨( 2 1 0 ) 式中： q 一太阳辐射强度，k j ( m 2 d ) ； 墨一日照折算系数，l d ( m 2 d c ) ； 时间序列模型中的热特性系数口，芦，妒，d p 根据热网实测参数动态辨识得到。拟合时 问一般不小1 5 2 0 天。综合外温可以通过建立相应的时间序列模型加以辨识和预测， 粗略的情况下可由平均室外温度代替。根据得到的系统的时间序列模型，即可通过以前 的数据预测未来一天的供热负荷、一次网供回水温度。 这种基于热力工况的动态调节，由于综合考虑了太阳辐射、散热器类型和安装数量 的不同以及建筑物结构不同等多种因素，因而能比较准确地实现按需供热，对于改善供 热效果、节约能源有很大实际意义。 2 2 2 均匀供热 供热系统水力失调即流量分配的不均匀性会引起用户水平方向和垂直方向的室温 偏差，称之为供热系统的热力失调。热用户实际室温与平均室温的偏差，反映了供热系 遗传算法控制器在热网流量调节中的研究 统热力工况的失调程度。追求热力工况的稳定，既不发生水平失调( 各热用户间或立管 问) 也不出现垂直失调( 同一立管问) ，供暖房间室温均匀一致，这是供热系统重要的控制 目标之一。为了提高供热效果，克服热力工况失调现象，日前国内常采用“大流量、小 温差”的运行方式，它靠换大水泵、增加水泵并联台数或增设加压泵等方式提高系统循 环流量。这种“大流量”的运行方式在一定程度上能够缓解热力工况的失调，因此得到 广泛应用。但是“大流量”必然造成大热源、大能耗，加大了供热量的浪费，降低了系 统的可调性，应该逐渐摒弃这种落后的还行方式。热力系统热力失调的根本原因是水力 失调即流量分配不均所致。因此，消除系统热力失调、实现热力工况稳定最有效、最经 济的方法是进行系统的流量均匀调节( 初调节) ，亦即根据当前热用户的特性、负荷、热 量的供给情况等，对全网的流量在各个二次网之间进行统一合理分配，保证各用户的室 内温度稳定在一定范围内，同时保证各热力站之间供热效果的均衡一致。 以往，用手工进行初调节己有多种方法，如阻力系数法、预定计划法等。但由于计 算量大或实地调节工作量大，只适用于小型系统。近年来，为了解决热力工况失调问题， 出现了比例法、补偿法( 这两种方法国外通常采用) ，有模型的模拟分析法、模拟阻力 法，无模型的温度调节法等。下面将对供热系统的流量调节方法逐一介绍，最后重点介 绍温度调节法。 ( 1 ) 阻力系数法 阻力系数法的基本原理是一定阻力系数的供热系统必须对应一定的流量分配。依据 公式： s 等 ( 2 1 1 ) g 2 、 式中：g 一热用户的理想流量，m 3 h ； a h 一热用户局部系统的压力降，1 1 h 2 0 | 实际操作中，系统阻力系数靠流量g 、压力降a 日的直接测量后间接计算，要把热 用户局部系统的阻力系数调到理想值，必须反复测量其流量和压力降，反复调节有关阀 门才能实现。这种调节方法属于试凑法，操作繁琐、费时，实用性不大 ( 2 ) 预定计划法 调节前，将供热系统所有热用户入口阀门关死，然后按照一定顺序，根据预先计算 的启动流量，逐个开启热用户入口阀门但是这种方法工作量大，且不适合运行过程中 进行调节 ( 3 ) 比例法 比例法的基本原理是当各用户系统阻力系数一定时，系统上游端的调节，将引起各 大连理工大学硕士学位论文 个热用户流量成比例的变化。调节方法是先使系统中的所有平衡阀全开，计算各支线实 际流量与理想流量的比值，以比值小的作为参考，从比值大到小依次调节，使其比值为 1 。 ( 补偿法 补偿法是靠供热系统上游端平衡阀的调节，来补偿下游端因调节而引起的系统阻力 的变化。调节方法是任意确定调节支线，找到该支线中局部系统阻力最大的热用户，计 算出该用户的平衡阀在理想流量下的压降值，根据它和设计流量求出平衡阀的特性系数 ( 与阻力系数本质相同) ，根据参考资料确定平衡阀开度来进行调节，然后再进行下 一个用户的调节，同时用一台智能仪表实时监督已经调好的平衡阀，使其流量始终保持 在设定值。支路上的用户调节好了以后，按照上述方法调节各支线，各支线、各区段调 节后，初调节就进行完毕了。 比例法和补偿法是国外通常采用的调节方法，不足是需要平衡阀、智能仪表做依托， 设备昂贵，不适合国情。 ( 5 ) 模拟分析法 和电网络类似，由管道、阀门、水泵等部件连接构成输送热水的供热网满足基尔霍 夫第一和第二定律l 捌。根据基尔霍夫第一定律，对于任何一个集中供热系统，所有流入 或流出任一个节点的流量，其代数和为零，对于一个有m 条支路、n 个节点的封闭循环 管网，有： a g 一0 r 2 1 2 ) 上式中：a 为热网关联矩阵0 肌) ，代表热网的拓扑结构，其秩r a ) 一万一1 。元素 4 。，满足以下规则： f1 节点i 的流体直接进入支踟 4 j ，- 一1 ，支路j 的流体直接流向节点i io ，支路j 与节点i 不直接连接 其中i = 1 , 2 ，3 n j = 1 2 ，3 m ；g 一( g 1 ，g 2 ，q ，g 曩) r 为热网管段流量向量。元 素g 为热网第i 管段的流量( 如3 h ) 。 根据基尔霍夫第二定律，对于任何一个集中供热系统，任意一个回路，管段的压降 代数和为零，对于一个有m 条支路、n 个节点的封闭循环管网，有： b a hi l l s 0 ( 2 1 3 ) 上式中：口为热网基本回路矩阵( 七x m ) ，基本回路数k m 一一+ 1 ，其秩r p ) - k 。 元素岛，满足以下规则： 遗传算法控制器在热网流量调节中的研究 f 1 ，支路j 在基本回路冲，且与基本回路方向一致 旦，一 1 ，支路j 在基本回路冲，且与摹本回路方向相反 10 ，支路j 不在基本回路冲 其中i 一1 , 2 ，3 k ；j = 1 ，2 ，3 m ；a h = ( a h 。，h ：，a 日。) 1 为热网管段压力降向量，元 素a h 为热网第i 管段的压力降 。,(kva) 由于热网内的水流处于阻力平方区，因而稳态下，a h 可以表示成： a h s l g l c d h ( 2 1 4 ) 式中：g 是支路流量的n 阶列向量：s 是以各支路阻力系数为元素的n 阶列向量； d h 是以各支路上泵的扬程为元素的n 阶列向量，支路上无泵时，相应的元素为0 。 将( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 三式联立可以得到未知数和方程数相同的方程组，从而得出 任何一个供热系统，其流量分配即水力工况唯一决定于系统管段的阻力状况，系统阻力 状况一定，其流量分配状况也一定。因此任何流量分配状况的改变，必须首先改变系统 的阻力状沉，阀门的调节就是为实现这一目的。 模拟分析法就是事先通过预测，计算出调节过程中的过渡流量( 或压力) ，然后在现 场实施调节的力法。 首先确定实际工况，根据( 2 a 1 ) 式，通过实际测量的流量g 和支路的压力降计 算出各支路的实际阻力系数s 。 然后计算理想工况，把各支路的实际阻力系数和热用户的理想流量带入到上述讨论 的联立方程中，求出热用户理想的阻力系数。 最后，进行流量调节，使各用户的阻力系数等于理想值。 ( 6 ) 模拟阻力法 模拟阻力法的基本原理是在现场测试管网的实际阻力系数例，由计算机直接计算出 待 调用户的理想阻力系数和相应调配阀的理想开度，直接在现场调节阀门开度即可。 首先测出各热用户的流量、压降、各节点的表压值，算出系统的阻力系数。 然后再把各用户要求的理想流量输入到计算机内，由已编制好的计算软件直接确定 出调节方案。 最后，一次将调节阀调节到理想开度。 和模拟分析法比较，这种方法由于各节点静压相互抵消所以可不必考虑位置高度的 影响，由计算机确定调节方案，把调节阀的理想阻力系数直接换算为开度，无需通过流 量( 或压力) 来间接判断调节阀的阻力系数大小，这样可大大减少现场测量的工作量和调 大连理工大学硕士学位论文 节的工序。但是这种方法需要在每个节点都安装可能不止一个压力表，且需要专用的调 节阀和专用的计算软件。 ( 7 ) 温度调节法 温度调节法的原理 供热就是为了创造一个适合人们生活、工作和生产的室内温度环境，因此室温的高 低是衡量供热效果和进行热力工况分析、计算的最重要参数。温度调节法就是基于系统 的热力工况特性的一种方法，它简单易行，调节过程测量参数单一，只有温度一种类型 参数，不必进行流量、压力的测量，因此需要的测量仪表较少，调节费用相对较低，比 较适合我国的国情。但是在控制上存在一定的问题。温度调节法是以各个热力站的二次 网供回水温度或供回水平均温度一致为标准，根据实际供热的运行状态，调节各热力站 的用户流量，以实现各热用户室内温度稳定和均衡一致的目的。 由式( 2 3 ) 可知，对于同一供热系统，当室内散热器选择完全按设计条件进行时，二 次网供回水平均温度t 。可视为室内温度f 。的函数，即： t 2 p 一旦 一+ ，以) ( 2 1 5 ) 二 从该式可以看出：供热房间的室内温度与供热系统的供回水平均温度f ：。，存在简 单的对应关系。为实现均匀供热，即各二次网的室内温度 。相等，只要保证各二次网的 供回水平均温度相等即可。对于采用一、二次网间接连接的热网，可以通过调节各热力 站一次网侧流量阀的开度来控制二次网的供回水平均温度，通过调节二次网供回水平均 温度并使之相等，保证各二次网之间均匀供热。 基准平均温度的选取 在采用温度调节法时，如何选取基准的平均温度十分重要。当热源总供给热量大于 或等于热用户总需求热量时，基准温度应取自温度调节曲线中与室外温度相对应的二次 网供回水平均温度；当热源的总供给热量小于用户总需求热量时，各用户的供回水平均 温度不可能达到上述基准温度，这时可粗略地把热源的总供回水平均温度作为基准温 度。 一次网流量设定值的确定 为了实现热网的动态控制，需要了解各热力站用户及换热器的热工特性参数。在此 基础上给出调节目标设定值并使控制系统实现这个目标。通常的方法是从设计参数出发 确定调节目标，一般都以各热力站的供热面积作为特性参数，按照供热面积分配各热力 站所应达到的目标流量。但是可能由于建筑物及散热形式的不同，采暖面积统计不准确 遗传算法控制器在热网流量调节中的研究 以及用户采暖面积变动等原因，按照设计面积进行调整，难以达到满意的效果。在采用 计算机对热网进行监测