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1、n集中供热网网的可及及性分析析来源： 互互联网 | 作作者： | 220077-100-266| 编编辑： admmin1引言集集中供热热与传统统的分散散供热相相比，具具有减少少环境污污染、节节约能源源等优点点。因此此，在我我国获得得了广泛泛的应用用。集中中供热网网作为连连接所有有用户和和热源的的桥梁，担担负着输输送和分分配热量量的任务务。集中中供热管管网的投投资非常常可观，由由于许多多热网辐辐射半径径很大，其其动力消消耗也占占有很大大的比重重，因此此对它的的研究具具有非常常重要的的意义。近近年来，为为了提高高系统运运行的可可靠性、经经济性及及灵活性性，一些些城市纷纷纷建立立了多热热源环形形网
2、的供供热格局局。但由由于运行行管理水水平相对对较低，对对多热源源的协调调运行缺缺乏了解解，对环环形网的的运行认认识不足足，在运运行时却却不得不不将各热热源解解裂，甚甚至将各各环切断断，采用用环状状管网，枝枝状运行行的模模式，没没有充分分发挥系系统的能能力。目目前国内内已有少少数地方方采用了了环状运运行的模模式，也也看到了了环状运运行在提提高管网网的输送送能力、改改善系统统的水力力工况方方面的好好处。但但往往简简单地认认为将干干管上所所有的阀阀门打开开即可得得到最佳佳的工况况，对特特定的系系统到底底应该如如何运行行缺乏研研究，对对于实际际的运行行工况也也不能做做到心心中有数数，没没有系统统的理论
3、论指导，因因此对于于环形网网的认识识也必然然是片面面的、不不准确的的。实实际上，正正是多热热源环形形网的不不断推广广应用，使使得对于于集中供供热网的的可及性性研究显显得更为为迫切。不不同于模模拟问题题，可及及性分析析是指在在给定的的用户流流量的情情况下，分分析管网网能否达达到该流流量分布布，以及及应该如如何达到到。对于于环形管管网，就就是要分分析干管管上阀门门应该如如何配置置和调节节，才能能达到最最优运行行工况，从从而满足足各用户户的要求求，而且且运行泵泵耗最小小。本本文首次次提出了了可及性性分析的的概念。文文中将集集中供热热网分为为枝状网网、多热热源、环环形网几几个部分分，分别别进行研研究，
4、探探讨了数数学模型型的建立立以及具具体的分分析方法法。可及及性分析析对管网网的设计计，改造造、扩容容以及实实际的运运行调度度都有重重要的指指导意义义，文中中最后针针对我国国东北的的一个热热网进行行了具体体分析。2集中供供热网的的数学描描述为为便于说说明问题题，同时时也为了了减小问问题的规规模，我我们将集集中供热热分为供供水干管管、回水水干管以以及热源源与用户户三个部部分。对对于串联联系统的的管网以以及其它它特殊管管网，可可在此基基础上另另行分析析。供供回水干干管系统统的特点点是，它它与热源源及用户户相连的的节点都都是源或或汇，其其进、出出流量即即为相应应用户或或热源的的流量。下下面以供供水侧管
5、管网为例例进行讨讨论。根根据基尔尔霍夫定定律可以以得到以以下关系系式：AAG=QQ （11）AATPd= SS|G|G+ZZd-Hp（2）其其中A为为关联矩矩阵，若若该管网网的节点点数为NN+1，支支路数为为B，则则A为NNB维的的矩阵，各各元素按按下式规规定：GG=（GG1，G2，GB）T，为各各支路的的流量向向量，QQ=（QQ1，Q2，QN）T为各节节点的流流量向量量，入流流为正，出出流为负负。PPd=（PPd11，Pdd2，PdN）TZZd=（ZZd1，Zd2，ZdN）T分分别是各各节点相相对于参参考节点点的压力力差和高高差向量量，若已已知参考考节点的的压力和和高度，由由此就可可确定各各
6、节点的的压力和和高度。HHP为各支支路的水水泵扬程程向量，可可以认为为第i支支路的水水泵扬程程Hpi=ai+biGi+ cciGi2。若该该支路没没有水泵泵，则HHdi=0SS=diiag(S1,S2,SB)|G| = ddiagg (|G1|,| G22|,| GB|)若若将所有有支路分分为树支支和链支支两个部部分，则则式（11）可转转化为GG1= AA1-1Q- A11-1A2G2（3）其其中，AA=（AA1A2），AA1，A2分别是是树支矩矩阵和链链支矩阵阵，G11，G2分别是是树支流流量向量量和链支支流量向向量。由由式（33）可以以看出，只只有链支支流量向向量是独独立变量量。对对于可及
7、及性问题题，根据据各用户户的流量量要求可可以确定定Q向量量，若为为枝状管管网，则则没有链链支，可可以证明明A矩阵阵为方阵阵，并且且是可逆逆的，支支路流量量向量可可由下式式表出：G= A-11Q。若若为多环环管网，则则环的个个数即为为链支流流量向量量的维数数，所有有支路的的流量由由该链支支流量向向量唯一一确定。回回水侧管管网同样样满足以以上各式式。3枝状网网的分析析方法可可及性分分析与模模拟分析析问题不不同，它它是在已已知各用用户流量量分配要要求的情情况下，分分析系统统能否满满足这一一要求，若若能满足足，应该该如何运运行、调调节才最最省能。分分别考察察供、回回水侧干干管管网网，根据据第2节节中的
8、基基本方程程程可以以得出：各各支路的的流量为为：GG= AA-1Q （4）各各节点与与参才节节点的压压力之差差为：PPd=（AA-1）T（S|G|GG + Zd- HHp） (5)若若参考节节点的压压力为pp0，则各各节点的的压力为为PP= PPd+ p0l （66）其其中l为为单位向向量。331 单热源源枝状网网一一简单单单热源管管网及其其供、回回水侧管管网网络络图如图图1所示示。图1 某一一单热源源枝状网网示意图图及供、回回水侧的的干管网网络图当当水泵已已选定，且且转速已已定时，根根据总循循环水量量，可以以确定主主循环泵泵的扬程程Hp0，假定定泵入口口为定压压点，压压力Hrr0为，则则供、
9、回回水干管管网络参参考点压压力可以以确定。供供水侧pp0= pps0=pr0+ HHp0回回水侧pp0= ppr0代代入式（44）（66）即可可求得供供、回水水侧各节节点的压压力pssi，pri，各用用户的资资用压头头等于供供、回水水侧对应应节点的的压力之之差：pi= ppis- ppir。若pipin（pin为用户户所需压压头）对对所有用用户皆成成立，我我们就说说该网络络对于该该工况是是可及的的，否则则，可据据此找到到最不利利的用户户，进而而确定解解决的方方案，如如局部管管段加粗粗、添加加用户加加压泵等等。若若主循环环泵未选选定，可可及性分分析就转转化为确确定主循循环泵所所需用的的最小扬扬程
10、。此此时回水水侧面参参考节点点压力仍仍为p00= ppr0，代入入式（44）（66）即可可求得回回水侧面面各节点点的压力力pri，若各各用户要要求压力力为pin，可得得到供水水侧面各各用户节节点所需需最小压压力pllsi= ppir+pin。另外外，供水水侧各节节点压力力可以表表达为主主循环泵泵扬程的的Hp0函数。PPs=（AA-1）T（S|G|GG）+ll(prr0+ Hp0)(77)要要使pisplsi对所有有供水侧侧用户节节点都成成立，可可以得到到满足以以上所有有不等式式的主循循环泵最最小扬程程 （88）332 多热源源枝状网网若若采用多多热源并并网运行行，其定定压点也也只能是是一个，假
11、假定定压压点在第第1个热热源的循循环泵入入口处，压压力为pp0r。第第1个热热源的水水泵已定定，因其其扬程HH1p已定时时，依照照3.11我们可可以得到到供、回回水侧参参考点的的压力，进进而可以以计算出出各节点点的压力力pis、pir。考察察其它热热源循环环泵，若若pjs- ppjr HHjp(Hjp为j 个热源源循环泵泵扬程，jj2)，表表明第jj个热源源的循环环泵扬程程偏小，系系统不可可及，需需作调整整；若某某一热源源处，ppjs- ppjrHjp,则可可调整串串在水泵泵所在支支路的阀阀门或调调节该水水泵的转转速，从从而达到到系统特特定的工工况。这这时，如如果不作作调整，显显然该热热源的流
12、流量将会会比设定定的流量量大，导导致各热热源出力力的均衡衡。对对于各用用户的考考察与33.1所所述完全全一致，在在此不再再赘述。4环形网网的分析析方法441 环形网网可及性性分析数数学模型型的建立立这这里所说说的环环针对对供、回回水干管管而言的的。以供供水侧干干管网络络为例，若若网络的的节点数数为N+1，支支路数为为B，则则环的个个数为BB - N。可可采用破圈法法等确确定B - NN个链支支支路，剩剩下的NN个支路路形成树。此此时，树树支流量量与链支支流量有有如下关关系GG1= AA1-1Q- A11-1A2G2（33）参参照式（55），干干管上的的各点压压力可表表示为PPd=（A-1）T（
13、S1|G1|G1+ ZZd 11- HHp1） (99)对对各链支支支路，有有AA2TPd=S2|G2|G2+ ZZd2- HHp2亦亦即AA2T（A-11）T（S1|G1|G1+ ZZd 11- HHp1）= S22|G2|G2+ ZZd2-Hp22(10)式式（100）即构构成了环环路平衡衡方程。对对于环形形网，我我们可以以得到几几个重要要的结论论。下面面结合图图2进行行说明。结结论1 当管网网结构、参参数不变变且干管管上阀门门等调节节部件不不作调整整时，则则要实现现对各用用户及热热源的特特定流量量分配，干干管上流流量是唯唯一的。由由式（33）可以以看出网网络中只只有G22的流量量是独立立
14、的，独独立变量量共B-N个，而而环路平平衡方程程组程的的个数是是相等的的，方程程组封闭闭，可以以证明该该方程组组的解是是唯一的的。从该该式同时时可以看看出，改改变环网网干管参参数，将将使环网网上管路路的流量量分配发发生变化化，但同同样可以以满足各各用户和和热源的的特定流流量要求求。结结论2 对某一一确定的的热源、用用户流量量分配，适适当关小小环上干干管的阀阀门，可可以提高高/降低低部分节节点的压压力。如如图2所所示，假假设干管管阀门全全开时的的汇交点点在4，则则若在33-4支支路上设设阀门，关关小后由由于1-2-33支路上上通过的的流量减减小，导导致R11，R22节点的的压力升升高，同同时由于
15、于1-55-4支支路和上上的流量量增加，RR3，RR4的压压力将会会降低。图2 某一一单环供供热网的的供水侧侧面干管管网络结结构由由此可以以看出，对对于环形形网对应应特定的的用户流流量分配配要求，可可以通过过适当地地调整环环上部分分干管支支路的阀阀门来改改变各节节点的压压力分布布，从而而有可能能提高部部分用户户的资用用压头，达达到提高高管网输输送能力力和节能能的目的的。如何何装配和和调节干干管上的的阀门成成为环形形网可及及性分析析要的主主要问题题。结结论3 当用户户及热源源要求的的流量不不变，且且要实现现同一种种G2，即使使得干管管上的流流量分配配固定不不变时，对对于供（回回）水侧侧面管网网，
16、阀门门安装在在环上与与汇交点点（分流流点）相相连的支支路最有有利，并并且每个个环上最最多只需需调节一一个阀门门。实实际上，为为达到某某一特定定的干管管流量分分配，环环路上的的阀门可可以安装装在环上上的不同同位置，而而且也可可以安装装不止一一个阀门门。例如如图2中中将阀门门安装在在1-22或2-3支路路上都可可以，但但安装在在1-22支路上上将使RR1，RR2的压压力也降降低，安安装在22-3支支路将使使R2的的压力降降低。进进一步可可以证明明，若采采用上述述结论中中的方式式安装和和调节阀阀门得到到的各用用户节点点压力为为p0i，采用用其它方方式加阀阀得到的的各用户户节点压压力为ppi，则对对供
17、水侧侧干管网网络，pp0ipi对对回水侧侧干管网网络，pp0ipi对对所有用用户均成成立。也也就是说说采用此此种安装装和调节节方式得得到的各各用户资资用压力力头最大大，因而而是最有有利的。以以上3个个结论是是进行环环形网可可及性分分析的基基础。根根据以上上结论，在在求解时时就可以以首先假假定G22，根据据式（33），（110）和和以上结结论确定定环上阀阀门安装装位置及及阀门阻阻力，进进而就可可确定各各节点的的压力。可可及性分分析的目目标，就就是要求求解网上上剩余压压头最小小的用户户的最大大剩余压压头值为为多少，从从而可以以判断系系统是否否可及，或或确定各各循环泵泵的最小小扬程。若若各用户户所需
18、的的资用压压头为p0n，则该该最优化化问题可可表述为为，对供供水侧干干管网络络，对回回水侧干干管网络络约约束条件件为GG1= AA1-1Q- A11-1A2G2AA2T（A-11）T（S1|G1|G1+ ZZd 11- HHp1）= S22|G2|G2+ ZZd2-Hp22442 环形网网可及性性分析的的具体算算法通通过4.1的分分析，很很自然地地可以确确定解决决的基本本思路（以以供水侧侧干管网网络为例例）： 首先先确定链链支支路路，假定定一组链链支支路路的流量量为G22； 根据据式（33）计算算出全部部管段的的流量GG，根据据其方向向确定各各环的水水力汇交交点； 根据据式（110）和和结论3
19、3确定各各环上要要安装的的阀门位位置及要要满足GG2阀门应有有的阻力力； 根据据的结果果修正SS1，然后后由式（99）计算算出各节节点的压压力； 计算算目标函函数值； 若目目标最优优，此过过程结束束，否则则根据一一定的规规则修正正G2，返回回。该该问题是是一复杂杂的非线线性最优优化问题题，若采采用一般般的直接接搜索方方法，由由于问题题的复杂杂度较高高，收敛敛的速度度非常慢慢，效率率很低，更更重要的的是由于于通常的的非线性性最优化化方法都都是单点点搜索算算法，容容易陷入入局部最最优解，而而难以得得到全局局最优的的解。为为此，本本文采用用效果较较好的混混合遗传传算法来来解。遗遗传算法法是一种种利用
20、随随机化技技术来指指导对一一个被编编码的参参数空间间进行高高效搜索索的方法法，相对对其他优优化算法法，遗传传算法具具有简单单通用、鲁鲁棒性很很强的优优点，可可以对问问题空间间进行全全局的搜搜索，它它的5个个基本要要素即参参数编码码、初始始群体的的设定、适适应度函函数的设设计、遗遗传操作作设计以以及控制制参数的的设计，构构成了遗遗传算法法的核心心内容。但但遗传算算法也有有其不足足之处，概概要地说说就是全全局搜索索能力有有余而局局部搜索索能力不不足，特特别是当当快接近近总是的的最优解解时搜索索的速度度明显放放慢。笔笔者为此此一方面面通过在在搜索过过程中不不断调整整控制参参数来弥弥补，另另一方面面在
21、搜索索的后期期引进直直接搜索索的方法法，在遗遗传算法法的最优优结果的的基础上上作局部部的微调调，最终终达到全全局最优优。这样样就形成成了一种种混合遗遗传算法法，较好好地利用用了两种种方法的的长处。在在编码一一采用了了0-11机制，将将各环的的水力汇汇交点（分分流点）位位置和流流量分配配比作为为未知变变量进行行编码。基基于以上上分析，编编制了相相应的应应用软件件，该软软件可以以对各种种供热网网络（包包括枝状状网、环环形网及及多热源源并网运运行的管管网等）进进行可及及性分析析。该软软件采用用图形化化的用户户界面，界界面友好好，操作作简便，结结果形象象、直观观。下面面级出一一个具体体算例。图图3是东
22、东北某集集中供热热网的拓拓扑结构构图。随随着供热热负荷的的增大以以及对系系统可靠靠性等方方面的要要求，该该热网在在原来单单热源枝枝状网的的基础上上已发展展成为两两热源二二环管网网。全网网运行方方式为质质调节，各各热力站站为间边边换热站站。根据据用户负负荷和热热源情况况确定用用户总流流量为559000t/hh。其中中热源11负担449000t/hh，热源源2负担担10000t/h。各各热力站站需资用用压力头头5m，各各热源内内部压降降为100m。热热源1的的循环水水泵在设设计流量量下的扬扬程为77 7mm，热源源2水泵泵扬程为为55 m。现现在的问问题是，对对于该热热网，若若采用现现有水泵泵，系
23、统统能否满满足各用用户的流流量要求求，若能能满足，应应该如何何调节？图3 东北北某集中中供热网网拓扑结结构示意意图现现利用可可及性分分析方法法来处理理这个问问题。由由于供加加水侧完完全对称称，我们们可以只只分析供供水侧，由由此即可可推及回回水侧的的对应结结果。供供水侧共共2个环环，大环环有377个节点点，汇交交点位置置用6位位二进制制数表示示；小环环有222个节点点，用55位二进进制数表表示；每每个环上上的汇交交点流量量分配比比用6位位二进制制数表示示。这样样问题染染色体的的长度为为6+55+6+6=223。需需要注意意的是，汇汇交点位位置的编编码有冗冗余，通通常的处处理方法法是将冗冗余的基基
24、因作为为致死基基因（即即适应度度函数值值为0）。但但大量冗冗余的存存在将严严重影响响遗传算算法的有有效应用用。为此此，将冗冗余部分分进行重重新映射射，若汇汇交点位位置编码码为n位位，某一一冗余编编码值为为，则认认为该编编码对应应的值为为2n-1，这这样处理理就保证证了冗余余编码除除最高位位外都是是有效的的。确确定群体体规模为为64，初初始群体体在随机机制基础础上产生生，若随随机产生生的染色色体适值值大小00，则吸吸收它为为初始个个体。在在设计适适应度函函数时，需需要考虑虑到除主主热源外外其它热热源能够够提供的的压头。可可以将其其作为惩惩罚项加加到相就就原函数数中去，转转化为对对无约束束问题的的
25、求解。遗遗传算法法采用保保留最优优值的VVCGAA方法，选选择操作作采用适适应度比比例选择择策略。交交叉操作作采用单单点交叉叉，变异异操作为为单点置置换。选选择概率率取0.8，变变异概率率起始时时取0.0011，以后后逐渐加加大至00.00088。限限定遗传传操作热热行到第第1200代时终终止，转转为对最最优个体体的局部部最优直直接搜索索，在遗遗传算法法最优结结果的基基础上进进行局部部微调，最最终得到到用户最最小剩余余压头可可以达到到3.228m，目目标值大大于0，因因此系统统是可及及的。剩剩余压头头最小的的用户为为V。对对应参数数如下：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
26、的的流量阀门阻力SSv1B0AB0+2M1MN0+对对应该工工况热源源2循环环水泵的的扬程需需达到441m，因因此原有有的循环环水泵完完全可以以满足要要求。若若将干管管上阀门门全部打打开，环环状运行行，则其其中的两两个汇交交点为EE，L，剩剩余压头头最小的的用户仍仍为V，其其值为-6.009m，目目标值小小于0，系系统是不不可及的的。由由上可见见，单纯纯考察系系统的水水力工况况，不能能简单是是判定环环状运行行和枝状状运行孰孰优孰劣劣，而应应针对特特定的系系统进行行深入的的分析。分分析表明明，在环环上干管管的合理理位置装装配和调调节阀门门有利于于系统工工况的改改善。以以上述两两个工况况为例，若若
27、采用国国内现在在通常采采用的将将环上阀阀门全部部打开的的方式运运行，系系统是不不可及的的，可是是通过进进行可及及性分析析，在AAB和MMN支路路上安装装阀门并并将其全全关后系系统却是是可及的的。如果果热源循循环泵采采用变速速泵，则则为满足足同样的的用户、热热源流量量要求，进进行可及及性分析析后主循循环泵的的扬程可可以下调调6.009+33.288=9.37mm，节能能效果也也是非常常显著的的。其其实这是是在直观观上也是是可以解解释的。如如图3阀阀门全开开时，大大环的汇汇交点在在L，用用户V处处在一个个较长的的分支上上，是最最不利用用户。当当MN上上装阀且且关断时时，热源源1下面面的分支支通过的
28、的流量变变小，因因此该分分支上各各节点的的压力都都上升，由由这段环环上引出出的用户户V的压压力也随随之上升升，因此此V的资资用压头头变大。当当然，在在这同时时热源11上面的的分支各各点的压压力将会会因管段段流量的的增大而而减小，与与之相连连的各用用户的资资用压头头将减小小。但由由于全开开时这些些用户的的剩余压压头很大大，即使使因MNN切断而而使得资资用压头头减小，仍仍比用户户V的资资用压头头大，实实际上AAB管段段上阀门门的关断断对提高高这些用用户的资资用压头头也是有有益的。这这样，从从整个系系统而言言，虽然然用户资资用压头头有升有有降，但但网上最最不利用用户的工工况却大大大改善善了。在在环上
29、装装阀实际际上就通通过控制制环上各各管段的的流量、流流向从而而使各用用户在额额定流量量下的资资用压头头趋于均均匀，从从而达到到改善工工况的目目的。6结语随随着多热热源环形形网在国国内集中中供热领领域的不不断发展展，必须须建立相相应的理理论分析析方法。本本文通过过引入可可及性分分析的要要领以及及遗传算算法中其其中的应应用，为为网络水水力况的的分析提提供了一一个有力力的工具具，为集集中供热热网的设设计、改改造及运运行调节节奠定了了必要的的基础。当当然，本本文只是是对集中中供热系系统可及及性分析析的初步步研究，由由于实际际系统是是形形色色色的，对对于多泵泵系统以以及采用用变频泵泵调节方方式的系系统必
30、须须进一步步结合经经济性进进行分析析，可及及性的研研究必须须进一步步深入和和完善。对对于空调调水系统统，随着着大型系系统的不不断涌现现，系统统复杂程程度的提提高以及及VWVV的应用用。也需需要探讨讨可及性性分析在在这些系系统中的的应用；对于空空调通风风系统，随随着环形形风道以以及VAAV 的的应用，系系统的工工况也更更加复杂杂，将可可及性分分析 方方法应用用其中，对对于系统统的设计计与运行行分析，对对于确定定合理的的控制方方案都会会收到较较好的效效果。7 参考文文献11 陈兆兆祥，蔡蔡启林，线线性规划划法在热热网初调调方案中中的应用用，清华华大学学学报（自自然科学学版），119899，299（
31、s22）。22 倪安安林，李李榕，许许群和，给给水管网网几种常常用平差差方法的的定量比比较，给给水排水水，19989，（66）：117-221。33 Hoollaand J HH. AAdapptioon iin NNatuurallandd Arrtifficiial Sysstemms. Uniiverrsitty oof MMichhigaan PPresss. 19775.44 陈国国良，遗遗传算法法及其应应用，北北京：人人民邮电电出版社社，19996。55 Gooldbbergg D E. Gennetiic AAlgooritthmssin Seaarchh, OOptiimizzatiion andd Maachiine Leaaninng. Reaadinng, MA: Adddisoon-WWeseely, 19989.