（热能工程专业论文）城市集中供热系统优化研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着城市建设规模的扩大和热用户的不断增多，我国城市供热机构已越来越重视供 热管网的优化规划及改造工作。进行城市集中供热管网的优化研究，不但对节约投资， 降低供热能耗，提高企业效益等有重要意义，而且是实现供热安全可靠的重要环节。因此， 热网的优化规划具有重要社会效益，是城市供热行业函待解决的研究课题。由于供热管 网的优化在供热工程中占有重要地位。国内外学者对其进行了广泛而深入的研究，提出 了多种优化方法。 首先，本文探讨了工程中常用的优化算法。在吸取前人理论的基础上。结合实际经 验，改进了清华的优化模型，找到了一套用来解决本文工程实际的供热管网参数优化的 计算方法。同时，结合大连泰山热电公司集中供热工程实际，建立相关数学模型，并利 用m a t l a b 优化算法，分别计算了热水管网和蒸汽管网的管段最佳管径和经济保温层 厚度，从而证明了方法的可行性；第二，针对我国实际供热情况和国内外发展趋势，对 集中供热工程的运行调节方案进行了探讨，分析了各种调节方式的特点；第三，根据大 连泰山热电厂集中供热工程某热力站的运行数据，运用s i m u l i n k 对热力站控制系统 进行了模拟和仿真，为控制系统的设计和控制器参数的整定提供了依据；最后，对热力 控制系统的p i d 控制器参数进行了优化整定，取得了良好的控制效果。 关键词：管网；供热；动态特性；p i d 控制器 ! 崆! 塑立叁主堡垫墨竺垡垡婴窒 t h eo p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho fc e n t r a lh e a ts u p p l ys y s t e mi nc i t y a b s t r a c t w i t ht h ee n l a r g e m e n to ft h eu r b a nc o n s t r u c t i o ns c a l ea n dt h ei n c r e a s i n gc o n s t a n t l yo f h o t e n e r g yu e s r s ，o u rc o u n t r y su r b a nh o m i n go r g a n i z a t i o np a ym u c hm o r ea t t e n t i o nt ot h e p i p e l i n e so p t i m i z a t i o np l a n n i n ga n dt r a n s f o r m a t i o nt h a ne v e rb e f o r c a r r y i n go nt h er e s e a r c h o fo p t i m i z a t i o no ft h ec e n t r a lh e a t i n gp i p e l i n e sn e t w o r k si nt h ec i t y ，d o e sn o to m yc a ns a v e t h eo r g i n a li n v e s t m e n t ，b u ta l s oc a nr e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n a tt h es a m et i m e ，i ti st h e b a s eo f h e a ts u p p l ys y s t e ms a f er u n i n g t h u s ，t h eo p t i m i z a t i o no f h e a ts u p p l ys y s t e mm e a n sa l o tt ot h ew h o l e s o c i e t y t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r sh a v ec a r r i e do ne x t e n s i v e a n dd e e pr e s e a r c h t h e yh a v ep r o p o s e dm a n yk i n d so fo p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，b u tt h e r ei sa c e r t a i nl i m i t a t i o ni np r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h e s em e t h o d s t h e s et h e s i s e sm a k e se v e r ye f f o r t t of m daf e a s i b l em e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mo ft h eh e a t i n gp i p en e t w o r k ，t h eo v e r a l l a r r a n g e m e n to p i t m i z a t i o na n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n o nt h eb a s i so fe x i s t e dt h e o r ya n dt h ep r a c t i c a lw o r k i n ge x p e r i e n c e s ，t h i sp a p e r i m p r o v e dt h ee x i s t i n gm o d e la n ds e to b j e c t i v e sf u n c t i o n sw i t h o u tr e s t r i c t i o n a c c o r d i n gt h e p r a c t i c a lp r o j e c tc o n d t i o n so fd a l i a nt a i s h a nc e n t r a lh e a t i n gp i p e l i n e sn e t w o r k s ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h em e t h o do fh o wt oc a l c u l a t et h eo p t i m u md i a m e t e ra n dt h eo p t i m u mh e a t i n g p r e s e r v a t i o nt h i c k n e s so ft h ep i p e l i n e s a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rd i s c u s st h ec o n t r o l l i n g s c h e m e si nc e n t r v jh e a t i n gp i p e l i n e sn e t w o r k ，h a ti sm o r e , t l l i sp a p e rs i m u l a t e st h e c o n t r o l l i n gs y s t e mo fh e a t i n gs t a t i o nw i t hm a t l a bs o f t w a r e i nt h ee n d ，i nv i e wo ft h e p a r a m e t e rc o n f i r m a t i o nf o rp i dc o n t r o l l e r ，t h r e em a i np a r a m e t e r sk p ，k i ，k d ，i so p t i m i z e d w i t hm a t l a bo p t i m i z a t i o nb l o c k s e t w h i c hi sm u c hm o r eu s e f u lt od e c r e a s e _ t h ed e p e n d e n c et o s u b j e c t i v ee x p e r i e n c eo f e x p e r i m e n t e r k e yw o r d s ：p i p e l i n en e t w o r k s ；h e a ts u p p l y ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；p i dc o n t r o l l e r 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 文献综述 1 1 研究背景 取暖是寒冷地区生活的必要条件。供热行业作为对国民经济发展有着全局性，先导 性影响的基础产业，与人们的生活息息相关。由于当前能源和环保问题越来越多的受到 关注，能源节约：环境保护，经济可持续发展已成为我国的基本国策吐目前，对城市 供热的要求，已不仅仅在于规模不断扩大，而且对供热系统的合理性，经济性，特别是 供热系统的能源有效利用及供热可靠性提出了更高的要求。 集中供热这种供热模式逐渐被许多城市所接受。集中供热是指以热水或者蒸汽为热 媒，利用一个或多个通过供热管网，热交换站等，向一个城市或城市中较大区域的各个 热用户提供热能的方式。集中供热是相对于分散小联片锅炉房供热而言。 集中供热之所以得到了迅速发展，是与其自身特点分不丌的，集中供热与分散供热 比较，有很大优点： 首先：减少大气污染。用一个集中的热源一热电厂或集中供热锅炉房，代替众多的 分散锅炉：变面源污染排放为点源排放，大大减少了环境污染。 其次：大大节约能源。利用热电厂大容量，高效率锅炉，代替小容量，低效率锅炉， 达到节约能源的目的。 其三：提高供热质量。分散供热是间断供热，供一段，停一段，供热不稳定：集中 供热是连续供热，并根据负荷及时调整，无论室外如何变化，室温始终保持一定。 其四：低噪音，少扰民。分散供热热源点靠近居民区，产生的噪音直接影响周围居 民；集中供热热源点远离居民区，可以有效防止噪音对居民的影响，减少扰民。 其五：自动化程度高。集中供热的供热温度调节采用自动控制，能够适时的随室外 温度变化而自动调节供热参数，以满足用户需要，同时也可以减轻工人操作上的劳动强 度。 其六：设备故障率低。由于集中供热可选用供热专用设备，其设备质量高于一般的 工业设备，运行安全可靠，故障率低。 所以，城市集中供热是节能，环保的重要途径，是城市现代化的主要基础设施之一， 也是经济发展，改善人民群众物质生活的重要标志之一【2 1 。 1 2 我国供热事业发展现状 我国城市集中供热从5 0 年代开始起步。今年来，随着改革开放的深入，国民经济的 发展和人们生活水平的提高，人民的居住环境不断改善。我国的集中供热事业得到了迅 刘剑：城市集中供热系统优化研究 猛的发展。北京，天津，大连，沈阳等城市每年都改建和新建一些居住小区，使城市建 设水平和居民生活水平不断提高。这些小区从几万平方米到几十万平方米不等，大多采 用集中供热。随着供热事业的发展，集中供热已从大城市走向中小城镇，从机关单位， 公建普及到居民采暖【jj 。 i 近二十年来，国民经济的迅速发展，节能工作日益受到重视和开放政策的实施，使 我国集中供热事业，无论在规模和供热技术方面，都有很大发展。我国政府采取了一系 列措施，推广集中供热技术的应用。1 9 8 6 年国务院以国发( 1 9 8 6 ) 2 2 号文件转发关 于加强城市集中供热供冷管理报告以后，集中供热有了更大的发展。在其后颁布的“节 约能源管理暂行条例”第2 9 条规定，“发展集中供热，应当统一规划。对现有的分散 供热系统，必须积极采取措施，逐步淘汰低效锅炉，实行集中供热【4 】。” 到2 0 0 2 年底为止，我国热电联产的情况：年供热量1 3 9 1 5 0 万g j ，增加8 0 8 。 6 0 0 0 千瓦及以上供热机纽共1 9 3 7 台总容量达3 7 4 3 6 7 万千瓦占同容量火电装机容量 的1 4 5 8 。在运行的热电厂中，规模最大的为太原第一热电厂，装机容量1 3 8 6 万 千瓦，在北京、沈阳、吉林、长春、郑州、天津、邯郸、衡水、秦皇岛和太原这些特大 城市已有一批2 0 万千瓦、3 0 万千瓦大型抽汽冷凝两用机组在运行，星罗棋布的热电 厂不仅在中国的大江南北，长城内外迅速发展，就连黑河，海拉尔、石河子和海南岛这 些边疆城市也开花结果，区域热电厂也从城市的工业区，蔓延到了乡镇工业开发区，苏 州地区一些村镇办热电厂也在发挥着重要作用。最近几年由于市场经济的发展，一些大 中城市也开始安装大型供热机组。有些私营企业家也看好热电联产投资建设热电厂。在 负责城市集中供热的热力公司中，规模最大的为北京市热力公司，现已有供热管网5 1 4 公里。( 其中蒸汽网3 8 公里，汽管和凝结水管合计，其余全为热水网供回水管) 。供 热面积7 8 0 0 万平米。供应蒸汽1 0 5 个工业用户8 9 7 t h ，大小热力站共1 3 1 7 个。 己建成的热力管网：蒸汽管直径d n l 0 0 0 ，热水管直径d n l 4 0 0 。到2 0 0 1 年底，全国共 有6 6 2 个设市城市，其中已有2 8 6 个城市建集中供热设施，占4 2 1 8 ，2 0 0 2 年底 中国集中供热的供热能力：蒸汽8 3 3 4 6 吨时，热水1 4 8 5 7 9 兆瓦时。供热量：蒸 汽5 7 4 3 8 万c j 年。热水1 2 2 7 2 8 万c j 年。2 0 0 2 年底全国供热面积为1 5 5 5 6 7 万 平米。比上年增长6 3 1 。热力管道总长度已达蒸汽1 0 1 3 9 公里，热水4 8 6 0 1 公里， 东北、华北、西北地区，集中供热面积约占全国集中供热面积的8 0 ，热化率3 0 ， 全国集中供热从业人员共2 4 万人。在总供热量中热电联产的蒸汽占6 5 8 9 ，热水占 3 2 6 6 。城市民用建筑集中供热面积增长较快，并向过渡区发展。全国集中供热面积 中，公共建筑占3 3 1 2 ，民用建筑占5 9 。7 6 ，其它占7 1 1 ，民用建筑集中供热 有如下特点4 1 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 1 ) 三北地区集中供热以民用建筑为主，如北京市民用建筑为7 2 6 6 ，河北为 6 6 5 4 ，辽宁为6 7 5 ，山东为5 1 9 7 。 ( 2 ) 城市集中供热逐步向过渡区发展，如上海、江苏、浙江、安徽等省市均已有集中 供热，但以公共建筑和工厂为主，如上海为6 1 7 2 ，江苏为5 3 3 5 ，安徽为3 9 5 5 。 经过近5 0 年的发展，我国城市集中供热已具备一定的规模，但当前的供热系统还 存在一些缺陷。主要表现在以下三个方面【6 】： 一 热源 以煤炭为燃料的集中供热方式污染严重，初投资大。具体表现在： 1 ) 分散小，锅炉房多，浪费能源，污染环境，而国家缺乏针对发展集中供热的立 法和管理。 2 ) 特大城市和大城市现有热电厂，区域锅炉房的单机容量偏低，能源利用率低， 供热成本高； 3 ) 部门与地产的保护主义严重，在发展城市集中供热产业上不能协调一致共同发 展，致使城市集中供热比例较小。 因此必须采取有力措施加以解决： 1 ) 如何降低建设费用( 包括热源，热网和热力站的建设费用) ，使终端用户获得 单位热量所需建设费用最小： 2 ) 如何改善供热系统，提高经济性，即如何减少各个环节的能源浪费，保证供热 质量，降低成本； 3 ) 没有完善的供热法规和供热项目审批手续，造成供热项目盲目建设，出现了热 源建成后热负荷不足的大马拉小车的严重浪费现象，没有做到优化规划。 二 热用户 热用户应用技术发展是城市供热产业中最薄弱的环节，主要是由于计划经济时期福 利“包烧制”供暖制度造成的。因此，目前我国民用住宅热用户室内采暖系统绝大多数 为单管垂直串连系统，系统内垂直失调严重，高，低层冷热不均，供热质量差；采暖管 道材质均为普通碳素钢管，散热器以铸铁为主，室内系统中除了一些陈旧的关断阀f 1 ) 1 - ， 基本上没有任何调节设备及手段，也没有温度，压力，流量，热量表等设备。特别是单 管垂直系统难以实现热用户按热量计量收费，造成目前收费难，进而导致供热更难的严 重局面l ”。 在功能上，发达国家通常室内温度保持2 2 摄氏度，我国仅仅为1 6 摄氏度( 本文算 例中为1 8 摄氏度) ，且供热品质很差，室温冷热不匀，系统热效益低，用户不能自行 刘剑：城市集中供热系统优化研究 设定和调节室温，产生差距的技术原因是建筑的保温隔热和气密性能差，采暖系统相当 落后引。 三热网 1 ) 管网布局不合理。随着城市的发展，新建和翻新了许多工业和民用建筑，新增 了不少支管线。但是，这些候选用户在上供热管网时，没有进行计算，管道敷设一段一 段施工，使一些管线单一枝状延伸。甚至，为满足新用户的热负荷需求，采取加粗管道 的方法，二次网出现了热水由细管道流向粗管道的不合理现象 9 1 。 2 ) 静态运行模式。在全球能源匮乏的今天，寻找一种在确保供热品质前提下，能 有效节能的供热方式显得很有意义。目前的调节方案主要有以下几种：即质调节，量调 节，质和量并调。这几种方案都是从静态出发，忽略了供热系统的热惰性，引起能量损 耗。热网的逐日逐时总供热量应与热用户逐日逐时的总热负荷始终保持一致。否则，或 热用户平均温度偏高，造成能源浪费，或平均温度偏低，降低了用户的舒适感。、室外温 度变化时，一般来说十几个小时后房间温度才能引起变化，以上各种静态调节方法都是 假定室温在很短时间内发生变化并达到稳定，忽略了供热系统的热惰性。 3 ) 热力失调现象严型1 0 l 。由于我国的供暖系统为定流量系统，所以传统常规室外 供热系统多采用集中式热力站，有时一个小区只设一个热力站，小区热力站的规模从5 4 0 万平米不等。而集中供热发达的北欧，多采用建筑入口小型组装式热力站的形式，两 种形式相比，集中热力站投资低，便于集中管理。热力站和热机组构成的优化配置和机 组运行过程的自动控制与实时监控是今后供热产业发展的主流所在。其原因在于传统的 机组配置方式和手动控制存在自身难以解决的不足【1 1j ： ( 1 ) 传统的一段式换热机组，也即主要热交换元件为单纯的一台列管换热器或一 台板式换热器的机组，本身存在着列管式换热器热交换效率偏低和板式换热器的安全运 行温度，压力受限的不足，这在很大程度上制约了对热能的高效利用。 ( 2 ) 换热器的人工手动控制难以达到精确的控制效果，造成热能的大量浪费，无 法实现满意的供热服务，而且手动控制安全可靠性差，工作效率低，更难以满足实时控 制的要求。 ( 3 ) 从现行使用的换热机组自动控制部分的控制策略来看，多数采用单回路控制 器或简单的p i d 算法，而p i d 参数由于系统的长期运行已经偏离了最佳值，而传统的整 定方法多是靠操作人员的经验。这必将与今后工业生产过程的大型化和复杂化，系统的 非线性，时变性，大时滞，不确定性形成矛盾，无法满足生产控制的安全，平稳，优质 的要求。 。 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 集中供热管网系统模拟控制的意义 供热系统是由热源，管网，热用户构成的一个复杂的网络系统，要采用网络分析法 对系统进行分析才能满足大型热水管网系统的要求。由于热网本身是大的热惯性系统， 是多输入，多输出，多回路，非线性和大滞后的调节对象，只有采用自动化技术用计算 机实现热网动态模拟与自动控制，才能实现根据室外温度变化而不断地调节供水的流量 与温度，提供汽轮机组的抽汽参数和质量对应室外温度变化时的最佳匹配。根据热网的 预测模型，为锅炉和汽机的运行提供正确的设定参数。目前，国内已有一些城市采用了 大型热力管网自动控制系统并取得了良好的效果，国内外工程实践也表明，采用自动控 制系统进行热力站首站运行监控与全网故障诊断能显著提高供热系统的可靠性，经济效 益很可观【1 2 】【1 3 】。 由于我国供热系统管理运行跟不上供热规模的发展，绝大多数系统仍处于手工调节 阶段，从而影响了集中供热优越性的充分发挥。随着科技的发展和各学科间的交叉应用， 在企业中计算机的使用越来越广泛，热电厂要提高整体竞争力和增加经济效益，应用计 算机技术对热网进行计算机动态模拟和控制是必然的趋势。 综上，从集中供热系统的经济合理性，改善供热的水力稳定性及提高能源有效利用 率来看，热网的优化规划具有重大意义，优化改造热网的布局情况和运行情况势在必行。 热网的优化要求达到三个目的：一是系统设计合理，即在管网系统布局，管网形式，运 行模式，调节控制方案等方面达到设计合理；二是系统可靠运行，水力稳定性好：三是 适应工程实际需求，科学合理的进行供热机组的优化配置，是提高集中供热质量的基础 要求。采用现代控制理论技术，寻求先进的控制算法，合理整定控制参数，是实现机组 供热精确控制的理论保障1 1 4 】。 1 4 大连市供暖概况 1 4 1 气候条件 大连市地处辽东半岛南端，西临渤海，东临黄海，南与山东半岛隔海相望。大连市 属中温带海洋性气候，冬暖夏凉。大连市年平均气温l o c 左右，最热月平均气温2 4 1 2 左右，极端最高气温3 5 7 c 。最冷月平均气温一5 ，极端最冷月气温记录- - 2 1 1 。主 要供暖参数如下： 刘剑：城市集中供热系统优化研究 表1 1 大连市供暖条件 t a b i it h eh e a ts u p p l yc o n d i t i o n si nd a l i a n l 采暖室采暖室采暖室采暖期采暖期起冬季室夏季室最大冻冬季日冬季气压 9 b - i - g外平均内计算天数止日期外平均外平均土深度照率 l 温度温度温度风速风速 i 1 l c 1 5 1 8 1 3 6 天 1 1 1 5 3 3 15 8 m s4 3 m so 9 36 6 1 0 1 3 8 m b a r 1 4 2 供热区域 大连泰山热电有限公司热电厂供热区域为大连市城市集中供热规划划分的6 号 供热区。该供热区供热范围东至东北路河白云新村，西至由家村和马栏河，南至星海湾 会展中心，北至马栏村河西山。该供热区域一期共计6 9 4 0 5 万m 2 ，分别为西山供热区， 大起大重供热区，星月供热区，桃山供热区，孙家沟供热区；二期共计1 4 8 6 4 5 万i n 2 ， 分别为白云新村供热区，由家村高新园区供热区，星海会展中心供热区。 该供热区域现有锅炉房2 2 5 座，锅炉总台数为5 3 7 台，其中蒸汽锅炉3 2 台，7 m w 以下热水锅炉3 9 7 台，锅炉容量为l l l 2 m w ，供热面积为6 7 7 5 1 0 3 m 2 ，7 m w 以上热 水锅炉1 0 4 台，锅炉容量为8 8 2 m w ，供热面积为4 8 5 1 0 3 m 2 。2 0 0 3 年大连大发热电实 业总公司在星台小区南，台山东侧建一座2 2 9 m w ，3 5 8 m w 的热水锅炉房，作为调 峰锅炉房。 根据该供热区域内各类热用户的比例及使用特点，参考大连市的气象条件和大连市 现有集中供热管网运行情况，确定民用住宅采暖热指标为4 5 w m 2 ，公共建筑采暖热指 标为5 5w m 2 ，工业建筑采暖热指标为9 0w m 2 ，预留发展供热区域采暖热指标为5 0 w m 2 。冬季采暖最大热负荷共计为7 2 9 1 6 m w ，冬季采暖平均热负荷为4 8 7 6 4 m w ，冬 季采暖最小热负荷为3 2 2 2 4 m w 。 1 4 3 供热介质的确定“” 1 ) 对民用建筑物采暖，通风，空调及生活热水热负荷供热的城市热力网宜采用热 水作为供热介质； 2 ) 同时对生产工艺，采暖，通风，空调及其生活热水热负荷供热的城市热力网供 热介质按以下原则确定： ， 当生产工业热负荷为主要热负荷，且必须采用蒸汽供热时，应采用蒸汽作为供热介 质： 当以热水为供热介质能够满足生产工业需要，且经济技术合理时，宜采用热水为供 热介质； 6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 当采暖，通风，空调热负荷为主要负荷，生产工业又必须采用蒸汽供热，经技术经 济比较认为合理时，可采用热水和蒸汽两种供热介质。 本热网工程生产热负荷采用蒸汽网输送蒸汽，采暖热负荷采用一级热水网输送高温 水。 1 4 4 热媒参数 1 ) 一级网供，回水温度的选取 根据2 0 0 3 年由大连大发热电实业总公司新建一座2 x 2 9 m w ，3 5 8 m w 的热水锅 炉房的热网运行参数，结合北方各大城市集中供热的实际运行经验，及运行管理水平， 从降低管网投资，及管网稳定可靠运行方面考虑，确定本工程一级网的设计供回水温度 1 3 0 7 0 。 2 ) 二级网供，回水温度的选取 一级网水温参数确定时，二级水网平均水温越高，热力站换热器面积越大，但热用 户散热器的面积可减少：因而要统筹考虑，确定较经济的二级网设计供，回水温度。同 时，考虑热电厂是采用连续供热方式，冬季气温较高，确定二级网供回水温度7 5 5 5 。 3 ) 蒸汽网参数的选择 根据用户对供热的要求，厂区设减温减压器，由抽汽温度4 4 0 c 喷水减温降至2 5 0 ，供汽压力0 9 8 m p a 向外供出，热电厂蒸汽网与用户单位采用直接连接的单管供热方 式。 1 5 供热系统优化规划的研究现状 随着计算机技术的发展，七十年代一些供热技术较发达的国家开始用数学模型，优 化方法研究供热技术经济问题，从诸多供热方案中寻找最佳方案，以利决策，我国从八 十年代开始进行这方面的工作和研究，已取得了很大成果，主要集中在以下几个方面： 1 ) 给定参数的热源优化 集中供热系统的热源优化就是把热源作为一个独立的系统来研究，主要就是根据热 负荷的特性和现有设备的功率级别，确定热源内部设备的组合方式。早期提出的多热源 的静态优化模型，是一个0 一l 规划问题，每个热源都有若干个可选择的方案，一个热 源的最优方案只能从其中选择一个，在保证供热质量的前提下，使整个热源的年计算费 用最小1 6 1 。还有学者从技术经济方面对热化系列”1 的寻优进行了研究，但只给出了推荐 范围，难以得出具体值，所以不能确切地反映项目的经济性。 2 ) 热网优化 刘剑：城市集中供热系统优化研究 近2 0 多年来，国内外在应用计算机对热网的优化设计与分析方面主要使采用给水 管网优化中的方法i i ”。例如，应用狄克斯特拉距离寻优算法来解决热网的布局优化问题 1 1 9 1 ：运用经济管径法来解决热网的参数优化问题【2 0 j l ”1 。 ( 1 ) 狄克斯特拉距离寻优算法【2 2 】 狄克斯特拉算法是图论学中求解最短问题的经典算法。狄克斯特拉算法建立在抽象 的网路模型上，把路抽象为网络中的边，以边的距离来表示各路相应的参数，算法确定 了赋权网络中从某点到所有其他节点的具有最小距离的路。 ( 2 ) 经济管径法1 2 3 】【2 4 】【2 5 l 当管线材料，长度已知并且流量已确定时，可以用管径d ，管段水头损失h 表示出 所用的输水管优化设计的数学模型： 矽= ( 半+ p b d 一堋啊 ， 式中：第一项表示管网建造费用和管网基金提成费用的年折算值； 第二项表示每年所需的动力消耗费用。 w 一管网总费用： 一 p 一管网基金提出率： t 基建投资回收期( 年) ： d ，一管段直径和长度( m ) ； a d ；一水管建造费用公式，b ，a 为统计常数及指数； p ：8 7 6 p e p 1 3 一设计年限内供水能量变化系数： e 一电价 p 热水密度； t 1 一泵站总效率。一般为0 5 5 0 8 5 ； 嗍入输水管的体积总流量( m 3 s ) ； h 一管段的水头损失( m ) ，h i = k 警 k 输送l m 3 s 的水克服l m 的水阻； 大连理工大学专业学位顷士学位论文 一8 7 6 0 1 0 0 0 y c r 叩 式中：y 一计算年限内供水能量不均匀系数； 一每k w h 的电费( 元) # q t 一管段流量； 撒n 一公式的常数和指数。 对( i ，1 ) 中单根舒线求导， 令署咄得： ( 1 2 ) 署_ ( p + 睾毗旷一删纠“ ( 1 3 ) 挞理后褥经济管径的公式为： m p k ( p + 堡l ) 。b1 一盆击。南= c 砌? ，击礼t ， ，。藏2876一flepbhl00)abi s ， 。( p + 盟) 曲f p + 一目 “。7 式中：f 为经济因素，是包括多种经济指标的综合参数。 1 5 1 挟热系统优化 供热系统组成如图所示： e h _ j 三 ( 口 图i 1 供热系统组成 f i gi it h e f o r mo f h e a ts u p p l ys y s t e m 剃剑：城市檠中供热系统优化研究 有些时候需辩将热源，热例，热用户作为一个整体进行规划，使其投术和缎济指标 选到最佳。在研究时，这种方法以整个系缝的某个参数为目标进盼健化。它的数学模型； 2 2 0 r - ，z ；+ 专 f = li i l，i = 1 1 = 1j ：= m 1 “g t ) ：嚷，b 也皆。z 也) 。l o 一。 o 回 “ = 哆 j = 1 , 2 , 3 “ 宝晦s 兰审：； r i ， ：；l z ! = 0 i = l ，2 , 3 ，m i = l ，2 ，3 。m 毛2 1r = l ，2 ，3 ，n 南0 i = t ，2 ，3 mj * l ，2 3 n 式中：m , r ，h 分别是系统中可能的热源点和其中霹能方察的热用户的数珏： 口i ，c ；分别是热源i 第r 个方案的热功率和产生单位热功率和产生单位热功率 的掰羹费弼： s i t - 热源i 向j 输邋单位热功率的折算费用； 母耀户j 的热负荷： = j - - 0 ：- 1 变量，熟源i 的第r 种方案的取会； w 一连续变量，表零第i 个热源承挺震户j 的受替量。 此模搜能较好地解决多熟源点，多方案的优选，确定热源与热用户的分配关系，主 要存在的问题是算法在热源点较多时不会有效。 清华犬学最早在国内歼始研究供热系统的优化规划，提出模凝如下 2 q ； r a i n ；= 叠。) t + 嚣# ，x # ( 1 7 ) k l m 1j = i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 s t q ，2 艺如g i = l ，2 3 m ，；1 q l q m “i = l ，2 3 m 晶 乞x o 。1j = l ，2 ，3 m i = l x 口s x 0 2 0 0 r l y i 2 0o rl仁l ，2 ，3 ，一mj 5 1 , 2 ，3 ，n 1 6 本文的主要研究内容 集中供热，热电联产是热能合理利用的有效方法。在具体实施方案时，热能输送管 网的参数选择，是重要的环节之一。输送热能的载热体，在满足用户需要的条件下，当 其流速增大，管道直径就可以小些，因而降低了管网的金属耗量与散热损失，减少了投 资和散热量，然而随着载热体速度的增大，管内流动的压力损失就要增大，火用损失增 大，虽然增加热力管道保温层厚度可以减少散热损失，然而却相应地增加投资，管网管 径越小，则输送阻力越大，动力消耗的费用就越大：反之，管径越大，输送阻力越小， 动力消耗的费用越小，但基建投资就越大。所以必然存在一个最优管径，即最优管径， 在这种情况下，基建投资和动力消耗等费用的总和达到最小。确定给定布局下的管网的 最优管径问题就称为管网的参数优化。 1 ) 本文在对前人理论的进行分析基础上，结合实际研究对象，建立改进的供热管 网参数优化模型，并采用简便实用的优化计算方法； 2 ) 结合大连泰山热电公司集中供热工程实际，建立相关数学模型，并利用优化算 法，分别计算热水管网和蒸汽管网的管段最佳管径和经济保温层厚度，验证方法的可行 性。 3 ) 针对我国实际供热情况和国内外发展趋势，分析探讨现有的集中供热系统的运 行调节方式，并讨论热力站能量控制系统的设计要点和各种调节方式的特点。 4 ) 根据大连泰山热电厂集中供热工程某热力站的运行数据，对热力站控制系统进 行模拟和仿真应用研究，为控制系统的设计和控制器参数的整定提供依据。 5 ) 针对热力站首站能控系统，进行过程控制系统的模拟和仿真，对热力控制系统 的p i d 控制器参数进行优化整定，力求获得良好的控制效果。 刘剑：城市集中供热系统优化研究 热网优化的数学模型的建立 一个完整的供热系统是由热源，热网和热用户三部分组成。而热网一般包括一次蒸 汽网，二次热水网和连接二者的热力站。在热源结构，热负荷分布和大小及热力站位置 已知的情况下，供热系统的优化是热网的优化。热网优化规划的数学模型主要是从技术 经济的角度综合考虑热网的各项费用得到的。建立热网各部分费用模型的l f l 的，首先是 为系统优化提供必要的数据信息，其次为计算管网总费用进行经济性分析做准备。本章 将首先分别介绍热水网，蒸汽网的费用模型，最终根据具体问题确定热网优化规划的目 标函数【2 8 1 。 7 2 1 热网优化算法介绍 系统的优化设计，首先要建立研究对象的目标函数f ( x ) ，使其在某一组设计变量 ( x l , x 2 、x n ) 时达到最大值，如效率最高，或达到最小值，如能耗最小。由于最大值的求 解可以转化为最小值的求解，因此优化中一般统一归结为最小值的求解。 目标函数f ) 中的设计变量( x l ，x 2 、x n ) 是不能任意的，他们必须满足一定的关系和 要求，描述这些关系和要求的方程为约束方程。这些方程可以是等式，也可以为不等式。 采用小于号的不等式，通过两边加负号，可以转化为采用大于号的不等式，因此不等式 一般统一采用大于号的不等式。 上述数学问题的数学描述形式如下： 目标函数：m i n f ( x ) 约束条件：h i ( x ) = o i = l ，2 ，m 自( x ) 0j 2 l ，2 。，n 2 1 1 最优化问题分类哪! + 1 ) 线性规划 若f ( x ) ，g i ( x ) ，h i ( x ) 都是x 的线性函数，则上述问题成为线性规划。 2 ) 二次规划 若g i ( x ) ( i = l ，2 ，m ) ，h i ( x ) ( i = m + i ，p ) 都是x 的线性函数，而f 【x ) 是x 的二次函数， 则上述问题称为二次规划问题。 3 ) 非线性规划 若函数f ( x ) ，g i ( x ) 中至少有一个是x 的非线性函数，则上述问题称为非线性规划问题。 显然二次规划是最简单的一种非线性规划。一般的非线性规划问题根据约束条件的情况 可分为： “ 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 1 ) 无约束非线性规划问题，即没有任何约束条件限制的非线性规划问题。 ( 2 ) 约束非线性规划问题，即在上述优化模型中至少有一个非线性约束条件。 4 ) 多目标规划 在上述优化模型中，若目标函数f ( x ) = ( f l ( x ) ，f 2 ( x ) ，f g x ) ) 。驴- - 2 ，即f 是x 的一个 向量函数，则称问题为多目标规划问题。 一 2 1 2 优化算法 随着社会的发展，现实世界中出现了大量难以解决的综合优化问题。在过去3 0 年 里，学术研究一直所聚焦的那些传统求解方法，远远满足不了工程的要求，对工程、经 济和科学领域的一些重要应用问题也不能提供任何成功解决的希望。现在，优化问题的 求解研究成为许多领域共同关注的课题，这主要是由于计算机及相关技术在各个行业的 广泛应用，使许多问题的优化求解成为可能，同时也变得更加必要了：同许多其它领域 一样，换热网络的许多研究也都可以归结为求解一些形式比较复杂的综合优化问题。这 些问题通常都是非线性的、非凸的，存在多个局部最优解，如何求得全局最优解一直是 换热网络研究中的最大困难之一。 求解全局优化问题的方法可分为两类，一是确定型方法，如分支界限法、广义 b e n d e r s 分解法和外近似法等。这类方法是基于确定型的求解策略，在目标函数以及约 束方程满足特定限制条件时对全局最优解提供确定的保证。但是许多综合优化问题被证 明是不可能求到精确解的，即精确求解所需要的时间与问题的规模成指数增长，因此确 定型方法一般用于求解规模不太大的问题。 另一类为非确定型方法，主要是启发法和一些随机型方法，这些方法能够在较短 时间内求得问题的近似最优解。启发法是依照一定的启发规则搜索问题的最优解，它通 常对问题的依赖性较大。随机型方法实际上也是一类启发法，它在搜索策略中引入了随 机因素，对目标函数一般不需要特殊的限制条件，具有比较广泛的适用性。模拟算法 ( s i m u l a t i o n a l g o r i t h m ，s a ) 和遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，g a ) 是研究的比较充分的 随机型算法。禁忌搜索法( t a b us e a r c h ，简称t s ) 作为一种有效的启发式搜索算法与s a ， g a 一起被c o m m i t t e eo nt h en e x td e c a d eo f o p e r a t i o nr e s e a r c h 称作未来实际应用中极具 希望的优化算法【3 0 1 。 搜索法的基本思想是：在给出极小点位置的一个初始估计x ( o ) 后，计算一系列的x ， 希望点列x ( 。) 的极限x 就是f ( x ) 的极小点。有了迭代点x ( ，过点x o 。沿方向d ( k ) 搜索到x 时n ， 二者之差就是一个向量，就是x ( o ) 指向x ( k + 1 ) 的向量，而一个向量总是由方向和长度决定， 即可以写作：x 恤“) 一x ( o = 丑d o ) v 刘剑：城市集中供热系统优化研究 其中d 为一个向量，妒为步长。如果得出的迭代点x ( 。不是最优解，我们建立一套 规律以产生方向d ( ，使目标函数“x ) 从x ( k 出发，沿方向d ( 。可以找到x n 。检验新的 迭代点 x ( 是否为最优解，若0 可y g “占，则x = x 。各种方法的区别在于得出d 的方向不同。 各种搜索方法： 1 ) 最速下降法 最速下降法的搜索方向为：d = 一w g ) ( 2 1 ) 特点：具有整体收敛性；当x ( 的距离最优点较远时，速度快，而接近最优点时，速 度下降。 2 ) 共轭梯度法 共轭剃度法主要是针对形如以下二次函数的一种解法。 厂g ) = 尹1 缈+ 以+ c 冲- x 2 一：x n ) t ( 2 2 ) 3 ) 牛坝法 牛顿法的基本思想是：在迭代点附近用二阶泰勒公式来近似目标函数的函数舷) ， 进而求出极小点的估计值。 设f ( x ) - - - 删，取f f x ) ex 。点附件的二阶t a y l o r 近似函数： ，( x ) “q k ( x ) = ，g ) + w r g ( ) r g x “) + 三g x ( o ) t v 2 厂c c 恤) ) g x 恤) ) ( 2 3 ) 当v 2 厂g 恤) 正定时，则q k ( x ) 存在唯一极小点。 即求驻点：v 吼g ) = 可丁g _ ) + v 2 ，0 ( h x o ) = 0 ( 2 4 ) 得出： x ( ) = x 0 。一p 2 ，g “计可r ，g ( ) ( 2 5 ) ， 牛顿方向的搜索方向：d ( ) = 一p 2 厂g “汁1 可，g ( 。) ) ( 2 6 ) 特点：具有整体收敛性：收敛速度很快。 1 4 ，茎垄望三盔堂皇些堂垡堡主堂垡笙壅 2 2 热水网的优化模型 2 2 1 热水费用组成1 1 ) 管段l i 初投资 q 也) = 盯q b k 驴1 ，也) ，o 一 式中：0 一投资效果系数： a t ，bz 一管网造价函数回归系数。 2 ) 管段1j 的年折旧费 c 掣o ，) = r p p 。( ，汁- ，( j1 0 一。 式中：r 一管网年折旧率： p 一投资固定资产形成率。 3 ) 输送单位热负荷的动力消耗费用 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ) = 捌删 泣。， 式中：乙也) 管段b 的局部阻力当量长度( 米) ； ，7 _ 。一循环水泵效率； h 一一全年供暖小时数； 只- - r q k 用电价格( 元l ( w h ) 。 4 ) 管段散热损失费用 g 也) = k 刀4 也) ，g ) ( 1 + ) ( f 愕+ k 一2 i ) h g t e , r 1 0 圳( 2 1 0 ) 式中：k - - 传热系数。架空管道，k = l ；直埋管道，k = 0 8 ；地沟管道，k - - 0 7 ： b 一管道附件局部热损失系数。架空管道，且- - - - 0 2 ；直埋管道，b = 0 1 ；地沟管道， b = o 1 5 ：+ 一采暖期室外平均温度： 艮一热价( 元k w ) 。 因此，输送单位热负荷，热水管网部分的年计算费用： 刘剑：城市集中供热系统优化研究 吨) = 世咎幽岷 ( 2 1 1 ) f ( ，) = f ( ，一1 ) + c ( ，) t ”( o ) = 0 2 2 2 热水管网运算基本公式 d l ( lj ) ，。i ( lj ) ， c j1 ( lj ) ，c l ( lj ) ，一一一一一一一 p j f i 9 2 1n e t w o r kc h a r to f h e a tw a t e rp i p e l i n 热水管网示意图如( 2 1 ) 所示。二次热水管网中，节点i 代表热力站，节点j 代表 热用户。设热网中第j 个节点前的管段编号为b