（管理科学与工程专业论文）集中供热管网运行优化设计.pdf

摘要 随着基础建设规模的扩大和工程投资的不断增加，供热管网的优化设计越来 越受到人们的重视。进行集中供热管网的优化设计研究，不但对节约工程投资、 降低供热能耗、提高企业效益等有着重要的意义，而且也是实现供热可靠和安全 运行的重要保证。由于供热管网的优化设计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，提出了多种优化设计方法，但这些方法在实 际应用中均存在一定的局限性。本论文力求在解决集中供热管网的布局优化和参 数优化通用问题上作以探索性的研究。 本文以集中供热室外管网系统为研究对象，结合热网设计时面临的技术、节 能和经济这三种特点，采用热经济理论、系统工程等原理和方法，建立了集中供 热管网参数优化设计数学模型和以年度总费用最小为目标函数的供热管网布局 优化设计模型，使所设计的热网，具有初期投资及年度火用损失费用等综合费 用最小，而且具有优良的技术性能。成功地解决了集中供热管网系统布局结构优 化与参数优化之间的藕合问题。给出了数学模型中各参数确定的理论依据及方 法，采用预先确定流量与经济管径、经济保温层厚度的关系，回避了在布局优化 之时还需进行参数优化的关键问题，较好的解决了热网综合优化设计的问题。 关键词：供热管网；优化设计；年度费用；热经济理论 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p 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 di n c r e a s i n gt h e i n v e s t m e n to f e n g i n e e r i n gp r o j e c t s ，p e o p l ep a ym o f ea n dm o r ea t t e n t i o no n o 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 no fh e a t i n gs u p p l yp i p e l i n en e t w o r k c a r r y i n go nt h er e s e a r c ho 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 gs u p p l yp i p e l i n e n e t w o r ki nt h ec i t y ，n o to n l yh a v ei m p o r t a n tm e a n i n gt om a k et h ei n v e s t m e n ti n p r a c t i c i n gt h r i f t ，r e d u c eh e a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n di m p r o v ee n t e r p r i s e sb e n e f i t e t c ，b u ta l s ol e tp e o p l er e a l i z et h ei m p o r t a n tl i n kw i t hs a f ea n dr e l i a b l eh e a t i n g o p t i m i z i n ga n dp l 砌i n go ft h ec e n t r a lh e a t i n gn e t w o r kh a v ei m p o r t a n ts o c i a lb e n e f i t s t h ed o m e s t i ca n dt h ei 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 ea n dd e e p r e s e a r c h ，b e c a u s et h eo p t i m i z a t i o no ft h eh e a t i n gs u p p l yp i p e l i n en e t w o r ko c c u p i e s 卸 i m p o r t a n tp o s i t i o n i nt h eh e a t i n gp r o j e c t t h e yh a v ep r o p o s e dm a n yk i n d so f o p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，b u tt h e r ei sc 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 e m e t h o d s t h i sp a p e rt a k e st h eo u t d o o rc e n t r a lh e a t i n gp i p e l i n en e t w o r ka st h eo b j e c t ，a i m s a tt h ec h a r a c t e ro ft e c h n i q u e ，s a v i n ge n e r g ya n de c o n o m yo fh e a t i n gd e s i g n u s i n g t h e r m o c c o n o m i c s ，s y s t e me n g i n e e r i n ga n dg r a p ht h e o r y ，e s t a b l i s h e dt h ep a r a m e t e r s o p t i m a ld e s i g nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc e n t r a lh e a t i n gp i p e l i n en e t w o r ka n dt h em o d e l o fm i n i m a la n n u a lt o t a lc o s to fh e a t i n gp i p e l i n e sl a y o u to p t i m i z a t i o na n do b t a i nt h e m i n i m u mo ft h eo r i g i n a li n v e s t m e n ta n dt h ea n n u a lc o s to fe x e r g yl o s s a tt h es a m e t i m e ，i tm a k e st h eh e a t i n gs u p p l yp i p e l i n en e t w o r kh a sav e r yw e l lt e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c i t s u c c e s s f u l l ys o l v e st h ec o u p l ep r o b l e mb e t w e e nt h ep a r a m e t e r o p t i m a ld e s i g na n dt h el a y o u to p t i m i z a t i o n o f f e r e dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h e p a r a m e t e ro ft h em a t h e m a t i c a lm o d e la n de s t a b l i s h e dt h es o f t w a r eo fo p t i m a ld e s i g n u s i n gt h ew a yo fp r e d e t e r m i n e dt h ef l o w w i t ht h ee c o n o m i cp i p ed i a m e t e ra n dt h e e c o n o m i ci n s u l a t i o nt h i c k n e s s ，a v o i d i n gt h ep r o b l e mo ft h ep a r a m e t e ro p t i m a ld e s i g n w h i l em a k i n gl a y o u to p t i m i z a t i o n f i n do u tac o n v e n i e n tw a yf o ro p t i m i z a t i o no f c e n t r a lh e a t i n gs u p p l ys y s t e m k e yw o r d s ：h e a ts u p p l yn e t w o r k ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；a n n u a lc o s t ；t h e r m o e c o n o m i c s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谓 之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名谤辉签字腓驴7 年 2 月膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞显王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：李蹿 导师签 签字日期：纱7 年2 月必日 学位论文的主要创新点 根据传热学的基本理论，建立了管道保温模型，对供热管道 热损失的影响因素作了系统分析，说明了供回水水温、供回水温差、 保温层厚度、保温材料的热导率、埋深等因素是影响供热管道热损失 的主要因素。 二、采用系统工程原理和方法，建立了集中供热管网参数优化设 计数学模型，阐述了数学模型中各参数确定的理论依据及方法，采用 预先确定流量与经济管径、经济保温层厚度的关系，回避了在布局优 化之时还需进行参数优化的关键问题，为解决热网综合优化设计的问 题提供了新的思路。 三、以图论为基础，建立了以年费用最小为目标函数的供热管网 布局优化设计模型，成功地解决了集中供热管网系统布局结构优化与 参数优化之间的藕合问题。采用此设计方法，不仅使设计的热网具有 初期投资及年度火用损失费用等综合费用最小，而且具有优良的技术 性能。 第誊绪沦 第一章绪论 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。由于当前能源和坏保问题 越来越多地受到关注，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。目前，对城市供热的要求，己不仅仅在于规模的不断扩大，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率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为许多城市所接受。集中供热是指以热水或蒸汽 作为热媒，利用一个或多个热源通过供热管网、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 热而言的。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 1 1 国内外供热事业的发展及存在的问题 1 1 1 我国集中供热事业的发展 我国城市集中供热从上世纪5 0 年代开始起步。近年来，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猛发展。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，无论在规模还是在供热技 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”1 7 3 j 。 到1 9 9 9 年底，我国城市集中供热面移 为4 2 8 3 2 万m 2 ，供热管网总长5 3 0 0 k m ， 但集中供热普及率仅为8 9 2 ，我围供热事业最为发达的东北、华北、西北地区， 城市集中供热普及率也比较低，仅为1 8 ，与供热事业发达的国家相比还是处于 落后状念。如俄岁斯早在1 9 8 0 年城市集中供热普及率就达剑6 0 。1 9 9 9 年，北 京市集r f l 供热普及率为5 0 ，而典斯科f 1 则达到l o o 。 2 0 0 0 印我h 集r f i 供热髀及牢哒1 5 ，尔北、华北、i j q 北地i x 达2 0 3 0 ， 天；bf 业人学顺卜学位论殳 经济发达的丌放城市达到4 5 - - 5 0 ，根据北京市中长期规划目标，2 0 1 0 年北京 市集中供热普及率将上升到7 0 。另掘初步估算，到2 0 1 0 年，我国需要增加热 电机组容量约5 4 0 0 0 m w ，而根据我国实际国情，仅能实现新增供热机组1 2 0 0 0 - - , 1 8 0 0 0 m w ，这表明我国供热事业急待进一步发展。 1 1 2 国外集中供热事业的发展 1 9 世纪初期，在欧洲开始出现了以蒸汽或热水作为热媒的集中供热系统。 集中供热方式始于1 8 9 7 年，当时在美国纽约，建成了第一个区域锅炉房向附近 1 4 家用户供热。2 0 世纪初期，一些工业发达的国家，开始利用发电厂内汽轮机 的排气，供给生产和生活用热，其后逐渐成为现代化的热电厂。特别是第二次世 界大战以后，城镇集中供热得到较迅速发展。目前，欧洲国家特别是北欧和西欧 各国，城市集中供热发展己处于世界前列，集中供热热化率已达到6 0 以上。西 方国家的集中供热技术已比较成熟，基本实现了温度的自动调节和控制及热计量 管理【2 捌。 俄罗斯、丹麦、芬兰、瑞典、德国等国是集中供热发展很快的国家，从设备、 技术、管理等诸方面都居世界领先的水平。集中供热技术的发展，各国因具体情 况不同而各具特点。 前苏联和东欧国家的集中供热事业，长时期来是以积极发展热电厂作为主要 技术发展政策。前苏联集中供热规模，居世界首位。1 9 8 0 年前苏联的热电厂总 装机容量为9 6 0 0 万k w 。全国工业与民用的年总供热量中，7 0 由集中供热方式 热电厂和区域锅炉房供热。全国热电厂的年总供热量约为5 5 亿g j 。由于热 电联产，单就前苏联能源电力部所属的热电厂( 占全国热电厂总装机容量的 8 6 ) ，就节约了6 8 0 0 万吨标煤。莫斯科的集中供热系统是世界上规模最大的供 热系统。据1 9 8 0 年资料，市区有1 4 座热电厂，供热机组7 8 台，总容量为5 8 5 万k w ，供热能力为4 5 2 0 0 g j h 。在室外温度较低时，投入系统运行的高峰热水 锅炉共有7 1 台，供热能力为4 1 1 0 0 g j h 。热网干线长达3 0 0 0 多k m ，向5 0 0 多 个工业企业和四力j 多座建筑供热。热电厂供热系统供热量占全市用热量的6 0 ， 其余由区域锅炉房供热。城市的集中供热普及率高达1 0 0 ，是全世界集中供热 规模最大的城市。 地处寒冷气候的北欧幽家，如瑞典、月麦、芬兰等国家，在第二次世界大战 以后，集中供热事业发展迅速，城市的集中供热普及率都较高。在月麦，集中供 热作为城市基础设施的组成部分，与电j 、通信、燃气、给排水系统等受到同等 的重视和发展。1 9 7 9 年丹麦议会通过了“供热法”，该法要求各城市政府在分析 本市能源供应的尽础上制定供热总体规划，积极推进集c f i 供热，并最人可能地发 展热l 乜联j 把。他们拨人、小城i 、f 】- 小川恢l h i 地i i j ：。人城i i j 幺砹了越 ：界- 人型i 寄 2 第章绪论 效热电联产、集中供热系统。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4 1 ，天然气占2 5 ，泥 煤2 0 ，石油9 ，其他5 。首都赫尔辛基集中供热率己达9 0 以上。瑞典集 中供热占全国总需求热量的3 4 ，集中供热热力网总长6 5 0 0 k i n 。德国集中供热 总热量为1 9 6 1 万g j ，其中西德地区热电联产占6 7 ，原东德地区热电联产占 4 1 。因此，德国也是集中供热发展较好的国家之一。韩国发展城市集中供热的 历史与我国相当，也是始于上世纪七十年代末，上世纪八十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 从技术方面来看，国外，特别是在北欧国家，从2 0 世纪7 0 年代能源危机以 来，十分重视供热系统节能工作，并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措 施。国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统，其调节与控制技术先 进，控制手段完善，设备质量高。通常一次管网所提供的热量在热力站交换成二 次采暖热水和民用生活热水。在热力站的二次水系统中均安装有变频调速的水 泵，压差控制器、电动调节阀、气温补偿器以及回水温度限制器等设备己经具 备了一整套成熟的供热系统运行模式。集中采暖按热量计费是世界各国发展的趋 势，也是各国家节能环保的一项基本措施。目前除西方发达国家己采用这一措施 外，东欧各国及原苏联地区国家正逐步推广。与此同时，集中采暖按热量计费的 相应技术也进一步发展，采暖系统的动态调节更加先进，计费技术更加可靠和准 确，整个采暖热量计费装置向小型化、计算机化发展1 4 j 。 1 1 3 供热系统存在的问题 供热系统组成如图所示： 幽1 - 1 供热系统示意图 经过2 0 年的努力，我国城市集中供热己具备一定的规模，但当i ，j 的供热系 统还存在一定的缺陷。主要表现在热源、热用户和热网三个方面： 1 、热源 以煤炭为燃料的集中供热方式污染t 旷重，初投资大。具体表现在【5 】： ( 1 ) 分散小锅炉虏较多，浪费能源，污染环境，而吲家缺乏针对发展集中供 3 入津i j 业人：# 坝卜学位论爻 热立法和强制政策措施； f 2 1 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，热能浪费严重，供热成本高： ( 3 ) 部门与地区的保护主义严重，在发展城市集中供热产业上不能协调一致 致使城市集中供热所占比重较小。 2 、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联系统，系统内垂直失调严重，高、低层冷热不均； 采暖管道材质均为普通碳素钢管，散热器以粗笨的铸铁为主，室内系统中除了有 一些陈旧的关断阀门外，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分户按热量计量收费， 造成目前收费难，进而导致供热更难的严重局面。 在功能上，发达国家通常室内保证温度是2 2 ，我国仅为1 6 ，且供热品 质很差，室温冷热不匀，系统热效益低，用户不能自行设定和调节室温等 3 、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，这些后续用户在上供热管网时，大多没有进行计算， 管道的敷设一段一段地施工，使一些管线呈单一枝状延伸。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。 ( 2 ) 静态运行模式。在全球能源匮乏的当今，寻找一种在确保供热品质前提 下，能有效节能的供热系统运行方案就显得很有意义。目前的调节方案主要有以 下几种：即质调节，量调节，质、量并调。这几种调节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m 】。 0 ) 热力失调现象严重l 剐。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 力m 2 不等。而在集中供热发达的北欧，多采用建筑入口设小型 组装式热力站的形式。两种形式相比较，集中式热力站初投资低、便于集中管理。 综上，从集中供热系统的经济合理一盹、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，优化改进热网的布局情况和运行 情况势存必行。 4 第一章绪沦 1 2 集中供热系统优化设计的研究与进展 清华大学最早在国内丌始研究供热系统的优化规划，提出的模型如下 3 3 - 3 4 l ： 商n z 4 善厂f ( q f ) 。i + 善善x 耵 ( 1 1 ) s t q j 善如。q j沁，聊，朋 qs 卯 yx 豇一1 台 i l 2 ，3 ，册 _ | s 啦，3 ，力 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 其中： q j 是用户j 的热负荷； q j ，q 分别是热源i 输出的实际热功率和可能输出的最大功率； 毛( o i ) 是热源向外输出o i 热功率的年计算费用函数； b “表示热源i 承担用户的全部热负荷q i 的热网年输送费用； x i j 为0 - 1 变量，条件( 1 4 ) 表示每个用户的热负荷只能由一个热源承担。 该模型的运用要求预先安排好各热源中设备的组合顺序，使设备选型受到了 人为的限制。为了进一步完善供热系统的优化研究，国内的学者在清华模型的基 础上，进一步深化，得到了下面的模型1 3 5 4 3 1 ： m i n z 2 善肛r + 善荟厶+ 善荟荟荟荟c a 驴x 蜘 6 ， 善荟z 蜥。q 扩 f l ，j a j 斥r ( 1 7 ) 善荟墨石膻咖ss 膳k i ，足k ， ( 1 8 ) 罗圪sq 1 ie i ( 1 9 ) 艨 罗ks 只z i iel( 1 1 0 ) 恩 z ，一0 ，1 工 ，h 20 ( 1 11 ) 5 m 以 她郊 l 1 i i 仃h v b u噶删川 x x 珞 灭津t 。业人：学n f ! l j 位论文 冥中： ， 1 ，2 ，3 ，m 是待选热源点的集合： k ， k 血。，k m ：，k m 3 ) ，k 叫是单供采暖负荷设备的集合；k m ：是单供工业用 气的设备集合；k m ，是兼供两种热负荷设备的集合； 工一 1 ，2 ，负荷种类； ，一 l 2 ，3 以) 是系统中热用户集合； r 一仙2 ，3 是热负荷曲线分成的负荷段集合； 允是开办第i 热源点的年固定折算费用； 厶是在热源点i 内安装第k 种设备的年固定折算费用； c 脚，是热源点i 内第k 种设备承担用户j 的第r 负荷段的第l 种单位热负荷 所花的年可变生产输送费用： c 嘶一+ 蜘，是单位热负荷的年可变生产费用： f i l d j r 是单位热负荷的年输送费用； 纵是热用户j 第l 种热负荷第r 负荷段的大小； s 让是热源点i 内第k 种供热设备的最大供热能力； x i m j r 是连续变量； 比是m 1 变量，若k = 1 ，表示要在热源点i 内安装供热设备k ，若圪= 0 ， 则不安装； z 。也是0 - 1 变量，若z j = 1 ，表示要开启热源i ，否则关闭。 上述模型是一个0 - 1 混合规划模型，它将供热系统优化问题归纳为多地点、 多设备、有产量约束、不同原料、同一产品的工厂选址和其中设备的最优配置问 题。其建模的产品种类比较齐全，考虑了资会的时川价值，此模型应用非常广泛。 王志幽( 2 0 0 3 ) 、黄文( 2 0 0 5 ) 等人将热源、热网、热用户作为一个整体进 行规划，实践证明町以取得令人满意的结果。i ，j 者提出了适用于供热系统的两级 优化舰划方法，即：第一级的布局优化和第一：级管网的多目标优化方法进行最优 解的水解。后省是以投资货h 、热f l j 耗为| 1 怀两数的l j ：i 叫系统多h 标优化模型。 6 第一章绪论 采用动态规划的原理、方法进行求解。优化模型可以在供热管网的整体设计、初 调节、管网的技术改造和管网实时运行指导中发挥作用1 4 4 4 7 l 。 1 3 论文的主要内容 鉴于以上存在的问题和不足，本论文针对城市集中供热管网的优化规划进行 理论研究，力图提出一套更符合实际的计算方法。因此，本论文的主要任务是： ( 1 ) 热网热力计算与保温结构分析； ( 2 ) 构造出供热管网优化设计数学模型、提出可行的解法； ( 3 ) 以天津工业大学主校区供热管网为例，进行优化规划计算并进行结果 分析，给出指导性结论； ( 4 ) 力求得到解决城市集中供热管网优化问题的理论及方法。 7 第一：章热j 管道输热系统分析 第二章热力管道输热系统分析 管道保温的主要目的在于减少热媒在输送过程中的热损失，节约燃料，保证 热介质的出口温度。保温结构一般由防腐层、绝热层、防水层及保护层组成。保 温效果的关键是保温材料的选择及保温层厚度的计算。因此，根据系统对管道保 温的要求，合理确定保温管道散热损失、外表面温度、保温层厚度、沿程温降等 是节约能源、保证生产以及保护土壤周围环境的关键。本章简单阐述了传热学的 基本理论，建立了管道保温模型并重点研究了供热管道热损失分析 2 1 热力管道传热分析 2 1 1 保温管道传热过程 保温管道内的流体是借助保温结构而与外界环境隔开，但保温管道在实际的 使用过程中其内部的热力系统要受到管外介质湿度、温度、太阳辐射强度、风向、 风速等外扰因素的影响，这些因素通过热交换方式影响管内的热力状态。外扰通 过保温结构的热传递过程，不论是以导热还是以辐射形式进行，不论是立即影响 到管内还是逐渐影响到管内，都是首先作用到保温结构的内表面使其温度发生变 化，然后再咀对流形式与管内水发生热交换，从而影响管内的热环境。 2 1 2 保温管道传热方式 热量传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。实际的热量传递过程 都是这三种基本方式的不同组合【甜9 1 。 2 2 管道保温结构数学模型 供热管道保温结构热阻由管内热水至地面空气之间的传热热阻，即热水与钢 管内表面放热热阻、钢管导热热阻、保温层导热热阻、外保护套管导热热阻、土 壤导热热阻、地面与空气的放热热阻组成。土壤导热热阻、保温材料热阻等采用 文献热能 ：程设计手册中的理论公式。 2 2 1 供热保温管道单位长度热损失计算 供热保温管道单管单位长度热损尖按照一r 弋( 2 1 ) ；- t 。算： 9 人i 仁i 。业人! 学坝i 学f t 沦丑 口= 生r b - 量r ! 式中：曰单位长度管道热损失( w m ) ； z 管道内热媒温度( ) ： 瓦室外空气温度( ) ； 毛保温层热阻( m c w ) ： ( 2 1 ) r 土壤热阻( m w ) a 供热保温管道双管单位长度热损失按照式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 计算 q li l l 譬兰婴掣墨掣 ( 2 2 ) - - - - - - - - - - - - 二：- - - - - - - - - - - 二二一i ，7 ， 佩。+ r ，) ( r ：+ 足：) 一 ”墼兰孥型掣 ( 2 3 ) ( j k + r ，) i ( 凡：+ r ：) 一r 孑 式中：q l , q ：单位长度供回水管热损失( w m ) ； l ，瓦供回水管热媒温度( ) ； 乜。，r ：供回水管保温热阻( m c w ) ； r 。，r ：供回水管土壤热阻( m c w ) ； 墨附加热阻( m c w ) 。 管道单位长度表面积热损失留( w m 2 ) 的计算： 小去 ( 2 4 ) 在由保温层厚度计算出的管道单位长度表面积散热损失后，要与国家规定的 允许热损失进行比较，即要求q i _ 一 n _ 寸f - 1or 、r i 寸 、一 d _ 一一一 ho 一 h 一 凸 l f , ioov 、 o o o 、 寸 - n 口 o 。c o _ 一 0 f 一 九：z c ，： 0 ， o r lrjnr t寸 样眯好饕精剥辎扑轻砖魁甚8籁孤匿扯壤毯廿涨n-c僻 餐求球隧咔好齄*副辎朴瓢基啷芒s搽椎匮洫蒸述七b蝶寸n“ 钗秘掣扑书隧扑k爿h转帐 卜n 口 h 寸on n mv 、西 o口r 、口v 、 口- _ i ni n 寸n口寸nmn昏 芝是 h 寸 、o 夏 卜n n m寸l n v u 、 号 。 啕尊 寸t r寸寸寸寸寸寸 摹苫口苫苫 寸 o口口口口口口口 凸 n n 寸i ni 卜西 昏口 昏口西 q龟 a 龟 寸寸 寸寸寸 苫夏 寸 苫西西西西西a o n 宝舄8昌 量 芝 ：2 昌 基 o 篁：2 n瓮 n 口 卜n卜卜 _ 寸- n h i n卜ah- n昏 g ! o卜 h也 西 h hh h r 寸 n饥 h _ 苫 nn h n n卜卜nn 是 f 吨on 葛西 h hh h i nn卜a n昏 l n口口卜 n 暑 口 n n n m寸寸 卜 矗小o n n n 卜卜西 卜 a 1 n龠hh _ 吨i 西 o n 鲁 o & on昌n n 篱 i n n西 h h 苫 l nn hn 0 0n nhn o n 葛。小 h hh 寸 卜昏n凸 - n hi nn nm寸寸口口卜 试 卜卜 n nn交 a o n n 瓮 喜 g h _ h - - 詈器 h n 寸 _ h 昏卜 吨 nh h n n 磊 口_ h n - n oi n 。n 寸 西寸 寸 i n d h n 靶 口 昏 t 曩n寸口 卜 导 n 寸 n h- nh h 口hl nh n n a 寮 o西n hi n h n n h n n hn o n卜 口l n 葛 口i nn 寸 n h_n a 西 l ，1 口 芝 n n - 寸 崞 西 h n n寸 a口 宕 卜a n寸口 t n 寸 卜 一 “ 吨 小n hl n h r 、 nn 寸 导 雩 葛 、o- nn 葛 o o n h 譬 hn 寸 i n 卜 西西 西 i n _ i n 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在一定范围内变化时，最小的年度化成 本对应的保温层厚度d 不变。例如，管径为1 0 0 m m ( 公称直径) ，流量为3 0 、 3 5 、4 0 、4 5 伽时，各自最小的年度化成本对应相同的保温层厚度，均为3 1 r a m 。 3 8 第【q 章集中供热锆：刚市_ | r | j 优化i 5 2 i 第四章集中供热管网布局优化设计 在热网设计的综合优化中，布局优化与参数优化是紧密相关的。在第3 章的 基础上，本章提出采用年度总费用最小的方法对供热管网进行优化设计，考虑了 供热管网布局优化设计的同时，也考虑了供热管网的参数优化设计，回避了在布 局优化之时还需进行参数优化的关键问题，找到了解决热网综合优化设计的便捷 途径。 4 1 室外供热管网布置原则 供热管网布置原则是应在城市建设规划的指导下；考虑热负荷分布，热源位 置，与各种地上、地下管道及构筑物、园林绿地的关系和水文、地质条件等多种 因素。供热管线平面位置的确定应遵守如下基本原则1 2 - 3 l ： l 、经济上合理 主干线力求最直，主干线尽量走热负荷集中区。 2 、技术上可靠 线路应尽可能走过地势平坦、土质好、水位低的地区。尽量避开土质松软地 区、地震断裂带、滑坡危险地带以及地下水位高等不利地段。 3 、对周围环境影响少而协调 管线应少穿主要交通线。一般平行于道路中心线并尽量铺设在车行道以外的 地方。供热管道与各种管道、构筑物应协调安排，相互之间的距离，应能保证运 行安全、施工及检修方便。 4 2 供热管网布局优化设计的最短路法 4 2 1 最短路问题 最短路问题是网络理论中运用最广泛的问题之一，如设备更新、管道铺设、 线路安排等。最短路可以是求网络中某指定点剑其余所有点的最短路，或求网络 中任意两点i h j 的最短路。最短路问题的一般提法是： 在图g - ( v ，e ) 中，给定“始点”v ，和“终点”v 。对每条i 力_ l v 。，v 。】相应的有一个权 w i i o 设p 是g 中从v 。到v 。的条路，定义路p 的权是p 中j 听有边的权之和，汁 为w ( p ) 。鼓魁蹄m 题制p f h ：比ii 婴m 所l j 从v 、剑v 。f j 踏l i 求条权城小| ，i ：j 路，i ：! i j 求 8 9 一条从v 。到v 。的路p o ，使 w ( p o ) zm i n w ( p ) ( 4 1 ) 则p o 即为v 。到v ，的最短路。路p 0 的权称为从v 。到v t 的距离，记为d ( v 。，v 。) 。 4 2 2 求最短路问题的d i j k s t r a 算法 d i j k s t r a 算法可用于求解指定两点v 。和v 。i b j 的最短路和指定点v 。到其余各点 的最短路。d i j k s t r a 算法基本思路是：若序列( v 。，v l ，v 2 ，v n - i , v 。) 是从v 。到v n 的最 短路，则序列( v 。，v 1 ，v 2 ，v ，。) 必为从v s 到v r 。的最短路。具体做法是，对所有的 点采用两种标号，即t 标号和p 标号。给v i 一个p 标号，用p ( v i ) 表示，是指从 v l 到v i 的最短路权，v i 的标号即不再改变。给v i 一个t 标号，用t ( v i ) 表示，是 指从v ，到v i 点估计的最短路权的一个上界，是一种临时性标号，凡是没有得到p 标号的点都有t 标号。算法的每一步都把某一点的t 标号改为p 标号，当终点 v n 得到p 标号时，全部计算结束。对于有n 个定点的图，最多经过n 1 步计算， 就可以得到从始点到终点和其余各点的最短路 供热管网的布局优化设计时，将连通图中各边的长度( 距离) 作为各边的权， 采用d i j k s t r a 算法求解出指定点( 热源) 到其余各点( 热用户) 的最短路。计算 出这个最短路各边的流量后，采用第三章供热管网参数优化设计数学模型，即可 求解各边的年度最小费用对应的经济管径、经济保温层厚度，这样就完成了供热 管网总的优化设计。但是，采用这种热网的优化设计方法由于仅将各边的长度作 为权，所得的结果只能说比较接近最优结果。下面介绍将年度费用作为连通图各 边的权来求解供热管网的最优化设计，这一方法求解出来的结果将更接近供热管 网的最优化设计这一目标。 4 3 供热管网布局优化的年度总费用最小法 图4 - 1 表示一个用来选择布局最优树状热水管网的连通图，由于这个连通图 中各边的权还未知，所以把它称作非赋权连通图。 4 0 第四章集【 i 供热爸旧布“优化设计 图4 1 热网连通示意图 口- 热源 o一热j l jj ! - 将年度费用( 年度初投资与年度娴损失费用之和) 作为图4 2 中的各边的 权，即式( 3 1 9 ) 中的f 值为图4 2 中各边的权。由第三章分析可知f 值与管段 的长度、管径、保温层厚度、热水流量、炯单价等因素有关，当从连通图中挑 出任意一个满足条件( 可以实现向各个热用户输送热能目的) 的树，并完成该树 状热水管网的设计后，该树中各边的权就可以计算出来，将各边的权相加求和即 得到这种热网布局的年度总费用。所以寻求最优热网布局的问题就是在求得各种 热网布局的年度总费用后，年度总费用最小的热网布局即为最优的热网布局。算 法流程如图4 2 所示： 4 1 灭汁tq k 人! 倒! f ! j 位论文 i 地j 髟、鬟j fj ，：i ：i 溺i 麓条f ，i7 i - j 度j 生通降f 在连姬l 纠c f | 找出满足条什的任意个树 ( 1 个埘即为。种热网竹逆伽 j ) 计算该树各边( 管段) 的流量( q ) 符边( 管段) | l l 流域( g ，) 、锊跃( z 。) 以及参数优化设计数学 模型计算出各边( 管段) 的经济管径( 4 ) 、经济保温层厚度( 4 ) 各边( 管段) 的年度费用千日加计算出 该树( 布局) 的年度总赞用( 堕) 是否还肯其它的树? 计算最小的年度总费用( 。= m i n f j 总 ) 乜最小的布局即为最优布局 图4 2 供热管网布局优化年度总费刚最小法流程图 由上面分析可知，采用年度总费用最小的方法对供热管网进行优化设计，考 虑了供热管网布局优化设计的同时也考虑了供热管网的参数优化设计，这样求解 出来的结果更接近供热管网的最优化设计这一目标。 4 2 第h 阜爻例验址与分析 第五章实例验证与分析 5 1 天津工业大学河东校区简介 天津工业大学河东校区位于天津市河东区程林庄路旁，占地面积3 5 0 亩，采 暖面积1 4 万平方米。 5 1 1 供暖热负荷的确定 供暖设计热负荷的概算可采用体积热指标法和面积热指标法等。 1 、体积热指标法 建筑物的供暖设计热负荷用式( 5 1 ) 概算： q - q ，( t - - l w t ) x l o 。 ( 5 1 ) 式中：q 建筑物的供暖设计热负荷，k w ； 建筑物的外围体积，1 1 1 3 ： f 。供暖室内计算温度，； l 。供暖室外计算温度，； 吼建筑物的供暖体积热指标，w ( m 3 ) ；它表示各类建筑在室 内外温差1 时，每1 m 3 建筑物外围体积的供暖设计热负荷。 2 、面积热指标法 建筑物的供暖设计热负荷，也可用式( 5 2 ) 进行概算： a q ，f x l o 。 ( 5 2 ) 式中：q 建筑物的供暖设计热负荷，k w ； f 建筑物的建筑而积，m 2 ； 、q r 建筑物供暖面积热指杯，w m 2 ；它表示每l m ：建抄r - a 。- 叫- 协| 的供暖设计 热负倚。 3 、城i 再热指标法 对每个城市新f x | 供热舰划改汁，符类型的建筑i 自f 平j 尚术具体落实时，叮用城 市规划指标束估镎移个新【的供暖设汁热负衙。 4 3 根据城市规划指标，首先确定该区的居住人数，然后根据街区规划的人均建 筑面积、街区住宅与公共建筑的建筑比例指标，来估算该街区的综合供暖热指标。 本文采