（环境工程专业论文）集中供热管网优化设计.pdf

a b s t r a c t t i t l e ：o p t i m a ld e s i g no ft h ec e n t a lh e a l _ s u p p l yn e t w o r k m a j o r ：e n v l r o m e n t a le n g l n e e r l n g n a m e ：y i m i n gh u a n g s u p e r v i s o r - p r o f z h l l l a n gd a n g s e n l o re l if e n g a b s t r a c t s l g n a t u r e ：丝掣：i 学 s l g n a t 叭：旁丝吩 s l g n a t u r e ：上d 灶 w i 也t h ed e v e l o p m e n to ft h eu r b a l lc o n s t m e t i o ns c a l ea n di n c r e a s i n gt h ei n v e s t m e n to f e n g i n e e r i n gp r o i e e t s , p e o p l ep a ym 呲a n dm o t ea t t e n t i o no no p t i m 咖p 薹柚n i 珏雾a n d t r a n s f o r m a t i o ao fb 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 n , o f t 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 en e t w o r ki nt h ec i t y , n o to n l yh a v ei m p o a a n tm 眦i n & t o m a k et h ei n v e s t m e n ti np 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 e e n t e r p r i s e sb e n e f i te t c 。b u ta l s ol e tp e o p l e 托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 e h e a t i n g o p t i m i z i n ga n dp l a m l i n go ft h ec e n t r a lh e a t i n gn e t w o r k h 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 c 锄畦t 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 pr 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 sa ni m p o r t a a 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 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 s c e l t a i nl i m i t a t i o n 。i np r a c t i c a l 、a p p l i c a t i o ni nt h e s em e t h o d s n 凼p a p e rm a k e se v e r ye f f o r tl o f i n 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 fh e a t i n gs u p p l yp i p e l i n en e t w o r ki nt h el a y o u t o p t i m i z i n ga n dt h ep a r a m e t e ro p t i m i z i n g o nt h eb a s i so fr e a d i n gal a r g ea m o u n to fc h i n e s ea n df o r e i g nd o c i n n e n t s ，t a k et h eo u t d o o r c 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 ma tt h ec h a r m e ro ft e c h n i q u e , s a v i n ge n e r g y a n de c o n o m yo fh e a t i n gd e s i g n , u s i n gt h e r m o e 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 l lt 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 so 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 e n e t w o r ka n dt h em o d e lo 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 n a n do b t a i nt h em i n i m u l no 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 e s a m et 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 lc h a r a c t e r i s t i c s u c c e s s f u l l ys o l v e dt 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 ro p t i m a ld e s i g na n dt h el a y o u t o p t i m i z a t i o n o f f e r e d ：t h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h ep 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 l a 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 l i ef l o ww i t h t h ee c o n o m i cp i p ed i a m e t e ra n dt h ee 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 e p a r a m e t e ro p t i m a ld e s i g nw 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 m do u tac o n v e n i e n tw a yf o r o p t i m i z a t i o no fc e n t r a lh e a t i n gs u p p l ys y s t e m a p p l i e do p t i m i z em o d e li nh e a t i n gs u p p l yp i p e l i n en e t w o r ko fx i a l la e r o s p a c ed e s i g n i n s t i t u t e p r a c t i c a la p p l i c a t i o nv e r i f i e dt h a tc o m p a r e dw i 血n o r m a ld e s i g ni t 伽s a v e2 5 o fa l l a n n u a lt o t a lc o s t t h ee c o n o m i cb e n e f i t si sw i m e s s e d n i so p t i m i z a t i o nm o d e la l s oh a s d i r e c t i o n sf o ro t h e rf l u i dp i p e l i n en e t w o r k 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 2 独仓i j 性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：重丝蜩2 济；月g 日 学位论文使用授权声明 本人：董鳖! 型刍在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：麴导师签名论文作者签名：l 萋! ! ! 里且导师签名丝垂岛年；月墓日 1 绪论 1 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。由于当前能源和环保问题越来越多地受到关注， 能源节约、环境保护、经济可持续发展己成为我国的基本国策。目前，对城市供热的要求， 已不仅仅在于规模的不断扩大。面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。 集中供热之所以得到了迅速发展，是与其自身特点分不开的，集中供热与分散供热比 较，有很多优点“3 1 ：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， 代替众多的分散的锅炉；用一个高烟囱代替数百个低矮的小烟囱，变面源撂放为点源排放， 大大的减少了环境污染。大大节约能源。利用热电厂大容量、高效率的锅炉，代替小容 量、低效率的锅炉，达到节约能源的目的。若全国都采用集中供热的形式，则可节约目前 采暖供热燃料的3 0 4 0 ，经济效益十分可观。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。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。自动化程度高。集中供热的供热温度调节采用自动控制，能够适时地随室外温 度的变化而自动调节供热参数，以满足用户的需要，同时亦可以减轻工人操作上的劳动强 度。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。集中供热减少了城市的运输量。实行集中供热后，由于 燃料用量的减少，可以大量减少城市煤炭和灰渣的运输量。同时还可减少燃烧的灰渣在运 输中散落所造成的空气、道路和土地的污染，有利于改善城市环境和卫生状况。 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。 t 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。北京、天津、沈阳、大连、长春、西安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得到不断的改善与提高。这些小区从几万m 2 到几千 万t n 2 不等，大多采用集中供热。随着供热事业的发展，集中供热己从大城市走向中小城 西安理工大学硕士学位论文 镇，从机关单位、公建普及到居民采暖。 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” 2 - 3 | 。 根据能源部的统计资料，1 9 8 0 年，全国单机容量6 0 0 0 k w 以及以上的供热机组容量为 4 4 3 4 1 万k w ，到1 9 9 0 年底已发展到9 9 8 9 3 万k w ，年供热量为5 6 4 8 1 万g j 。根据建设部 统计资料，1 9 8 0 年，“三北”( 东北、西北、华北) 地区集中供热( 暖) 的建筑面积仅为 11 2 4 8 万m 2 ，普及率为2 ：到1 9 9 0 年底，全国己有1 1 7 个城市建设了集中供热设施， 供热( 暖) 面积达2 1 2 6 3 万m 2 ，“三北”( 东北、西北、华北) 地区集中供热普及率达到1 2 。 截止到“八五”末，我国火电装机容量为1 6 2 9 4 0 6 万k w ，热电装机为1 7 2 8 8 3 万k w ， 占火电装机容量的9 4 2 。至1 9 9 8 年底，全国6 4 0 个城市中的2 4 2 个建有集中供热设施， 供蒸汽能力为6 7 6 0 1 万t h ，热水3 5 4 9 8 m w h 。到上世纪末全国热电机组的装机容量已达 到3 0 0 0 0 m w ，占全国火电装机的1 5 。 近几年来，随着经济的高速发展，集中供热逐渐成为城市供热工程的重要形式。例如， 集中供热发展最快的辽宁省，上世纪8 0 年代末期，已有1 1 个城市，1 7 个县镇发展了集 中供热，供暖的建筑面积已达3 0 0 0 万m 2 。其中规模最大的热电厂为吉林热电厂，装机容 量为8 5 0 m w ，目前代表我国热电机组最高水平的2 0 0 m w ，3 0 0 大型抽汽式冷凝两用机组 已在北京、沈阳、太原等中心城市运行。 到1 9 9 9 年底，我国城市集中供热面积为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 ，我国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态。如俄罗斯 早在1 9 8 0 年城市集中供热普及率就达到6 0 。 1 9 9 9 年，北京市集中供热普及率为5 0 ， 而莫斯科市则达到1 0 0 。 2 0 0 0 年我国集中供热普及率达1 5 ，东北、华北、西北地区达2 0 3 0 ，经济发达的 开放城市达到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上升 到7 0 。另据初步估算，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， 2 1 绪论 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己比较成熟，基本实现了温度的自动 调节和控制及热计量管理f 2 - 3 1 。 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。 原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。原苏联集中供热规模，居世界首位。1 9 8 0 年原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 0 5 由集中供热方式一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，单就原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 年资科，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 l o o g j h 。热网干线长达 3 0 0 0 多k m ，向5 0 0 多个工业企业和四万多座建筑供热。热水网路设计供、回水温度为1 5 0 7 0 ，热水网路与供暖热用户的连接大多采用直接连接方式。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国家，如瑞典、丹麦、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。 丹麦集中供热占总需求热量的5 0 ，其中热电联产占3 0 。在丹麦，集中供热作为城 市基础设施的组成部分，与电力、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基础上制定了 供热总体规划，积极推进集中供热，并最大可能地发展热电联产。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。首都哥本哈根有 四座热电厂，装机总容量达7 6 4 m w ，总供热能力为3 5 8 2 g j h ；在小城市迅速发展小型热电 联产、区域供热系统，这些小型热电厂的燃料为天然气、垃圾、稻草、沼气等，技术方案 在燃气发动机、燃气轮机和蒸汽轮机等联合循环。小型热电联产成为丹麦能源政策的重要 组成部分。 芬兰集中供热占总需求热量的4 5 ，其中热电联产占7 0 。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 m 。1 6 0 0 万栋公 寓和1 1 万小型建筑与集中供热热力网相连，说明集中供热在瑞典的城市和人口密集区己 3 西安理工大学硕士学位论文 广泛使用。 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 1 3 供热系统存在的问题 供热系统组成如图所示： 图卜1 供热系统示意图 f i l l 一1s k e t c hm a po fh e a t i n gs y s l e m 经过2 0 年的努力，我国城市集中供热己具备一定的规模，但当前的供热系统还存在 一定的缺陷。主要表现在： a 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 ) 分散小锅炉房较多，浪费能源，污染环境，而国家缺乏针对发展集中供热立法和 强制政策措施； ( 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，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共同发展， 4 1 绪论 致使城市集中供热所占比重较小。 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 热量所需的建设费用屉小； ( 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和费用，保证 供热质量，降低成本： ( 3 ) 没有完善的供热规划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。 b 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，高层热的开窗户，低层用户 挨冻，浪费热源，供热质量差；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 c ，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。产生差距的技术原因是 建筑的保温隔热和气密性能差( f q 窗及空气渗透损失的热量是建筑物全部热损失的5 0 以 上) ，采暖系统相当落后。 c 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。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 ) 热力失调现象严重“1 。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 西安理工大学硕士学位论文 万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。而当用户流量变化很大时，虽然 用户间相互干扰可以通过入口加差压控制器消除，同时还可以通过对主循环泵的调速，控 制最远端用户压差维持不变，但泵的工作点将在很大范围内变化，致使泵的效率大为降低。 建筑入口设小型组装式热力站的形式初投资较高，但运行费用较低，调节灵活。同时增加 了系统的稳定性，减小了用户间的相互影响，如末端漏水、相互干扰等问题。所以在确定 供热方案时，应从投资、运行的经济性与其功能两方面综合考虑，选择最优方案。 同时，我国2 0 0 1 年以前设计建设的供热系统，其室内采暖系统多为单管串联式系统， 由于该系统形式的限制，在散热器处几乎没有调节，在热源处，也缺乏必要的自控装置， 一般多采用集中的质调节方法，特别是在间接连接的系统中，二次水采用集中质调节，将 使系统的运行调节简单。但集中质调节不能完全满足各种运行工况的要求，而且质调节耗 电多，不利于节能，特别是大的供热系统尤其突出。目前，在供热采暖、生活热水等管道 中，普遍存在着水力失调问题，即系统在实际运行时，流经各热力站、各幢建筑、各用热 设备的水量与设计水量不符，结果出现远近端水量分配失调即热力失调。为解决此矛盾， 设计或使用单位往往加大锅炉机组和水泵的额定容量，结果导致投资增加，能源浪费严重， 其主要原因是管道系统中没有定量的控制流量的手段。管道系统中由于调节手段落后，在 实际运行中只能加大循环水泵的容量或用多台泵并联运行的措施来解决管网末端用户的 暖气不热，这样在设计和运行管理上是不合理的，其结果更加重了水力失调。由于大流量 毕竟能掩盖局部水力失调所出现的问题，所以，在目前的供暖行业中出现了“大流量小温 差”的不经济运行方式。按设计要求，一般住宅的供热循环水量为每建筑m2 2 3 l h ，实 际上多达到4 5l h ，供回水温差应为2 5 ，一般只能达到l o 左右，达到1 5 温差的 很少，实际运行水温一般只有6 0 7 0 ，比设计水温9 5 低很多。改善供暖行业中普遍 存在的不经济运行方式，消除管道系统中的水力失调，做好一次网和二次网的流量调节使 水力失调度调整在0 9 1 1 范围内，可实现大幅度的节约能源。 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，优化改进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；三是系统运 行效率高，降低运行过程中的能源浪费，这通过系统自动监测、自动调节来实现，根据气 候的变化、热用户的需要，及时调节控制管网的运行状态，使系统始终处于较佳的运行工 况，提高能源有效利用率，避免浪费，同时保证供热系统的可靠性和供热舒适度。 1 2 集中供热系统优化设计的研究与进展 随着计算机技术的发展，上世纪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 从上世纪八十年代初开始进行这方面的工作和研究，主要集中在以下几个方面： 6 1 绪论 1 2 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 - 1 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 优方案只戆从其中选择一个，保证供热质量的前提下，使整个热源的年计算费用最小1 9 - m ) 。 还有学者从技术经济方面对热化系数的寻优进行了研究1 ，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。 1 2 2 热网优化 热网优化研究可分为两个方面：其一是热网的优化布置问题，即从工程技术角度出发， 通过采用一些工程技术措施来优化系统：其二是热网的优化设计问题，即从经济角度出发， 在满足系统用水各种要求的前提下，合理选择些设计参数，如管段管径和泵的扬程等， 使系统的年费用达到最低。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 方面主要是采用给水管网优化中的方法。例如，图论理论、经济管径法、遗传算法、模拟 退火法等| 1 2 - 1 7 | 。 a 图论理论 人们通常用一个点( 节点) 来表示一个对象，用点与点之间的连线( 枝或边) 来表示相应 对象之间的特定关系，这种由点和点与点之闻连线组成的称之为图( g r a p h ) 。每一有向线 段及其端点，称之为图的边。有向线段的端点称之为节点。构成闭合路径的边的集合称为 回路( c i r c u i t ) 。管网中管段、节点、环即对应图中边、点、回路。研究图的理论称为图 论。图有有向( d i r e c t e dg r a p h ) 和无向( u n d i r e c t e d g r a p h ) 之分，显然管网图为有向图， 其流量方向即为边的方向( 1 8 - j g l 。 以图作为管网计算的工具，其优点是它的直观性，但仅当节点和边数目较少肘，这种 表示方法才是可行的。当图的规模较大时，必须采用矩阵表示图。这种表示方法可以把图 存储起来并加以变换，从而不仅能够在计算机中表示图，还可以用矩阵代数中的各种运算 来计算图的各种特性。一般采用衔接矩阵( 又称关联矩阵) 和回路矩阵来表示。 g a g g i o l i ( 1 9 8 9 ) 、韦节廷( 2 0 0 3 ) 、李世武( 2 0 0 3 ) 、尹娟( 2 0 0 5 ) 、师涌江( 2 0 0 4 ) 等人对此作了许多探索研究。用图论理论来解决供热管网优化这样复杂的问题，实践证明 可以取得令人满意的结果。在模型的求解过程中，根据各用户用热情况，概算出各管段的 管径及保温层厚度、防腐、旖工等费用，得出总费用算在各管段上，管两图就变成了一个赋 权图。根据图论的理论求出这个赋权图的最优树，这棵最优树就是投资最少、运行费用最 低的一个最经济供热管网。或者把热网看成一些由节点( 热源点或热用户) 和弧( 管网) 组成 的网络，每条弧连接两个节点，并假定弧是有向的，根据节点与弧的关联拒阵及相关定理， 以投资最小为目标函数，解决供热管网的优化布置问题，取得了很好的经济效益”“1 。 b 经济管径法 7 西安理工大学硕士学位论文 当管道材料、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”： ；产训埘+ p q h i ( 1 1 ) 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。 缈一管网总费用； p 一管网基金提成率； f 一基建投资回收期( 年) ； d ，、f ；一管段直径和长度( m ) ； 如? 水管建造费用公式( 元m ) ，b 、a 为统计常数及指数； 8 p 。8 7 6 卢e p ( 1 2 ) r 口一设计年限内供水能量变化系数； e 一电价： p 一热水密度( k g m 3 ) ； 卵一泵站总效率，一般为0 5 5 o 8 5 ； q 一进入输水管的体积总流量( m 3 s ) ； 以一管段的水头损失( m ) ， ；七筹争 k 一输送1m 3 s 的水克服l m 的水阻每年电费： 七。8 7 6 0 x 1 0 0 0 y o 町 其中： y 一计算年限内供水能量不均匀系数； o r 一每k w h 的电费( 元) ； 吼一管段流量( m 3 s ) ； m 、n 公式的常数与指数。 对( 1 1 ) 中单根管线求导，令鲁i o ，得： 等叱+ 半毗叫a - l 一肌删。q q ? d 1 ) i 。 ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) 1 绪论 整理后的经济管径的公式为： 即【再m p 孓k l 口+ 卅 1 11月1 a “q 8 + 4 = ，”“a “q ，+ “t ( 舅9 9 ? ) 。+ “( 1 5 ) ，。竺丝一8 7 6 f l e p k m ( 1 6 ) ( p + 辈) 曲( p + 掣) 曲叩 li 式中： ，一经济因素，是包括多种经济指标的综合参数。 c 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r e t h m ) 简称g a ，是一种结合了d a r w i n 的进化论及m e n d e l 的群体遗传学机理而提出的一种全局意义上的自适应搜索技术，它的正式诞生以h o l l a n d 著作的出版为标准，h o l l a n d 提出的简单遗传算法的基本思想是：g a 把待解问题的候选 解按一定规则为数字串形式，一个数字串就是一个个体( 称为染色体) 并对应着问题的一 个解，不同的个体构成种群。首先，g a 随机产生初始种群，其中每个个体根据适应函数 都有一个适应值，然后通过选择、交叉、变异三种基本进化操作构成新一代更好的种群， 不断进化，直至求出最优解。 高彬( 2 0 0 5 ) 等先后将遗传算法运用于建筑热水管网的优化布置模型中，在个体编码 时，标准管径采用整数编码，流量和扬程采用实数编码。在求解( 进化) 过程中采用最优 保存策略，即往大小为n 的解集合( 群体) 中添加一个不参与三种进化操作的个体即最优 保存解( 个体) ，用于保存求解( 进化) 过程中彳导到的最好解，于是解集合的维数( 种群) 的数目变为( n + 1 ) ，以保证g a 是全局收敛的；对约束条件，采用惩罚函数法，即通过增 加惩罚函数修正目标函数，将带约束优化问题化为无约束问题。结果表明，采用遗传算法 优化设计，不仅改善了建筑热水管网系统各立管环路水力不平衡的状况，使各节点温度更 易达到设计要求，而且使系统年费用降低，节约了费用。但若解集合的维数( 种群) n 过 大时，g a 的搜索空间大大增加，寻优时问也随之大大延长协。 d 模拟退火法 模拟退火法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，简称s a ) 是由s k i r p a t r i c k 于2 0 世纪8 0 年代初提 出的一种模拟金属退火的全局优化随机方法。它结合了统计物理学和局部搜索的方法和原 理求问题的全局解。其特点是在求解的过程中，不但接受对目标函数优化改善的状态，还 以某种概率接受使目标函数恶化的状态，这样避免了过早收敛到某个局部极值点，从而能 够比较有效地进行全局搜索。这种随机优化方法在解决不连续和组合性的大规模优化问题 时具有优越性。优点在于在算法中应用下降策略又允许随机向上移动，从而避免了把搜索 9 西安理工大学硕士学位论文 空间局限在小范周内，克服了许多典型优化算法的缺陷。 m a f i a ( 1 9 9 9 ) 、黄善坡( 2 0 0 3 ) 、李祥立( 2 0 0 5 ) 等人对此作了许多探索研究。用s a 来解决供热管网优化这样复杂的问题，实践证明可以取得令人满意的结果。它从任意一个 标准管径初始可行解开始，并用某一机制( 交换、查找、逆转) 产生邻域解，用水力约束条 件控制计算流程是否由m e t r o p o l i s 准则判定，如此迭代下去直到得出一满意解答。s a 算 法的收敛速度依赖于初始温度、降温速率及整个算法过程的其他随机操作。与g a 法类似， 由于理论最小迭代次数无法确定，s a 法也存在着计算效率偏低的问题，仍需要作进一步 研究，可它的优势也是显然的，例如，以离散的标准管径为空间搜索点，管径不必调整， 以及m e i t r o p l i s 准则的引入，避免了陷入局部最优解的发生。另外该算法还具有不需要求 目标函数的偏导数，且程序编写简单的优点睁”。 1 2 - 3 供热系统优化 有些时候需要将热源、热网、热用户作为一个整体进行规划，如图卜1 所示，使其技 术和经济指标达到最佳。在研究时，这种方法以整个系统的某个( 某些) 参数为目标进行优 化。它的数学模型： m i n 善荟n o c ；z ；+ 善荟 ( 1 7 ) 山j ，乩2 斗一疗 酗酗z ；江垅”嗍 荟私1 2 加册 z ；m0 g - 一1 , 2 , 3 , - - m 工2 。 【i j - 。l 1 2 2 , ，3 3 , ，- m 一 1 0 、r i 、n 分别是系统中可能的热源点和其中可能的方案中热用户的数目； a 0c ；分别是热源i 第r 个方案的热功率和产生单位热功率的折算费用； 是由热源i 向j 输送单位热功率的折算费用： b ；是用户j 的热负荷； o - t 变量2 j 表示热源i 第r 方案的取舍； ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 2 ) 1 绪论 连续变量工。表示第i 热源承担用户j 的负荷量。 此模型能较好地解决多热源点、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够有效。 清华大学最早在国内开始研究供热系统的优化规划，提出的模型如下h ”： m i n z 一乏五( q ) x + 善善舀如 ( 1 1 3 ) 钳q f 荟q ， 2 ，3 ，册 q is q y x d 一1 臼 x s r o x 口一0 , 1 匕t 0 , 1 f 一1 , 2 3 1 1 j 一1 ，2 a n f i l 2 3 m 1 j 。1 2 a - i ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 - 1 6 ) ( 1 1 7 ) 其中： q 是用户的热负荷； q 、q 严分别是热源，输出的实际热功率和可能输出的最大功率； z ( q ) 是热源向外输出q 热功率的年计算费用函数； 曰。表示热源j 承担用户的全部热负荷q ，的热网年输送费用； x 。为0 一l 变量，约束条件( 1 1 6 ) 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”： 嘶n z 。善厶。- + 善荟厶k + 蓍荟荟荟荟。蛳x i l d j r 。1 8 ) 其中： 荟荟嘞。鳓 f e l ，j e j ，r 月 荟善乏s 。 7 ，七k 罗k q i e l f 配 荟k 只 吲 z i y i o , 1 x ；嘶r 0 ) ) ) ) ) 均 扒 毖 捣 1 i l ( ( ( ( ( 西安理工大学硕士学位论文 i 1 ，2 ，3 ，m 是待选热源点的集合； k j 慨，k 。：，k 。， ，k 。，是单供采暖负荷设备的集合；k i ：是单供工业用汽的 设备集合： x 。，是兼供两种热负荷设备的集合； 工- 缸，2 ，负荷种类； j 一札2 3 咒 是系统中热用户集合： rt 杠，2 3 是热负荷曲线分成的负荷段集合： 厶是开办第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