（动力机械及工程专业论文）蒸汽供热管网优化设计研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 提高能源利用率和降低环境污染已经是全球重视的课题。随着城市建设规模的扩大和热用户的 不断增多，进行城市集中供热管网的优化研究，不但对节约投资、降低供热能耗等有重要意义，而 且实现供热的安全可靠，具有重要的社会效益。国内外学者对热网的优化设计进行了广泛的研究， 提出的优化方法大多只针对以热水为热媒的供热管网进行管径规格的优化设计。本论文在管网优化 设计的目标函数中涵盖了由于散热损失引起的运行成本，增加了保温层厚度值作为决策变量，解决 以蒸汽为热媒的城市集中供热管网中管道规格和保温层厚度的优选这一类通用问题。 作者在阅读大量中外有关文献的基础上，以管径规格和保温层厚度为决策变量，目标函数包括 两部分：管材、保温材料等费用；管网运行时散热损失费用。采用运筹学中的整数规划和动态规划， 通过优选管径规格和保温层厚度，求使得目标函数最小或较小的多种解决方案。利用v c + + 开发出 蒸汽供热管网优化设计软件，能够在输入管网结构数据( 如管长、阻力件和热力件) 和各热用户点 的需求参数( 如蒸汽流量、压力和温度设计参数) 基础上，根据约束条件优化选择管网中各管段的 管径规格和保温层厚度，并且快速返回按照目标函数( 即管网系统总投资运行费用) 从小到大排列 的多组可行方案，方案结果包括管网的总体项目参数( 如总投资运行费用) ，各管段蒸汽流速，压 力温度参数和各个热用户点的流量，温度压力参数等，软件还可将可行方案以e x c e l ，a c c e s s 和 a u t o c a d 形式输出。本论文还对带有环形的蒸汽供热管网计算过程进行深入剖析，针对蒸汽可压缩 性和比容受压力参数影响大的特点对传统的解节点方程法和解环方程法加入热力计算过程，利用 m a t l a b 编写出计算程序。将以上开发的优化设计软件和m a t l a b 计算程序分别应用于蒸汽供热管 网项目实例，结果显示：优化设计软件得出的最优解决方案目标函数值，即投资和运行总费用较传 统算法明显减少，优化节能效果很好；m a t l a b 程序成功计算了带有环形的蒸汽管网各节点的压力和 温度参数。 结果表明，本文所提出的模型算法达到了预期要求，从节能性和技术性的角度出发，成功解决 蒸汽供热管网中管径规格和保温层厚度的优选问题，节省了管网系统总投资运行的成本并达到真正 节能，并且针对带有环形的热网提出了更为完善的水力热力计算方法。本文研究内容为城市蒸汽集 中供热管网在实际中的应用提供了理论依据。 关键词：蒸汽供热管网；优化；整数规划：动态规划 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a i s i n ge n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i oa n dr e d u c i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r ea l r e a d yg r e a ts u b j e c t sa l l a r o u n dt h ew o r l dw 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 ec o n s t a n ti n c r e a s eo fh e a t l a s e r s ，c h i n a su r b a nh e a t i n go r g a n l z a t i o np a y sm o r ea t t e n t i o nt oo 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 n a n dh e a t i n go fp i p 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 gp i p en e t w o r k i sn o to n l yb e n e f i c i a lt os a v i n gi n v e s t m e n t ，r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n , e t c b u ta l s oa ni m p o r t a n tl i n kt o s a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , s ot h eh e a t i n go p t i m i z a t i o nh a sb i gs o c i a lb e n e f i t s a n dd e s e r v e st ob er e s e a r c h e d s c h o l a r sa r o u n dt h ew o r l dh a v ed o n ew i d er e s e a r c ho nt h eh e a t i n go p t i m i z a t i o na n dp u tf o r w a r dm a n y m e t h o d s ，w h i l em o s to ft h e s ea r ea b o u th e a t i n gn e t w o r k sw i t hh o tw a t e ra sh e a t i n gt r a n s f e rm e d i aa n di u s t o p t i m i z e dp i p ed i a m e t e r s t h i st h e s i sp u t sr u n n i n gc o s ti n t oa no b j e c t i v ef u n c t i o na n dm a k e st h ei n s u l a t i o n l a y e r st h i c k n e s sa sd e c i s i o nv a r i a b l et o os o a st og e tag e n e r a ls o l u t i o nf o rd i s t r i c th e a t i n gs y s t e m o p t a m m a t l o n an e wo p t i m i z a t i o nm e t h o di so b t a i n e dw h i c hm a k e sb o t hp i p ed i a m e t e ra n di n s u l a t i o n1 a y e r s t h i c k n e s sa sd e c i s i o nv a r i a b l e s a n d 也eo b j e c t i v ef u n c t i o ni n c l u d e st w op a r t s ：t o t a lc o s to fp i p e sa n d i n s u l a t i o nl a y e r s a n dc o s to fh e a t i n gl o s sw h i l er u n n i n gd u r i n gh e a t i n gn e t w o r k sw h o l el i f ep e r i o d o n c o n t i n u i t ye q u a t i o na n de n e r g ye q u a t i o nb a s i s m a t h e m a t i cm o d e lo fs i n g l e h e a t s o u r c ea n dt r e e s h a p e d s t e a mh e a t s u p p l yn e t w o r kw a se s t a b l i s h e d a i m i n ga tt h ec e r t a i ns t r u c t u r eo fs t e a mh e a t s u p p l yn e t w o r k , i m p a c to fp i p ed i a m e t e ra n di n s u l a t i o nl a y e rt h i c k n e s so ns y s t e mi n v e s t m e n ta n do p e r a t i n ge x p e n s ew a s a n a l y s e de m p h a t i c a l l y c o m b i n e di n t e g e ra n dd y n a m i cp r o g r a m m i n g ，a no b j e c t i v ef u n c t i o nc o n s i s t i n go f n e t w o r ks y s t e mi n v e s t m e n ta n do p e r a t i n ge x p e n s ew a sp u tf o r w a r d , c o n s t r a i n e dc o n d i t i o n si n c l u d i n g s t e a mu s e r s p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ed e m a n da n da b i d i n gb ys t e a mf l o w i n gl a w , a n d , t h em a t h e m a t i c o p t i m i z a t i o nm o d e lo ft h en e t w o r kw a se s t a b l i s h e d t h ec o r r e s p o n d i n go p t i m i z a t i o nd e s i g ns o f t w a r ew a s d e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + a c c o r d i n gt oc o n f i g u r a t i o no fac e r t a i nn e t w o r k ( 1 e n g t ho fp i p e s ，p r e s s u r ea n d t h c r m a lr e s i s t a n c eo b j e c t s ，e t c ) ，d e m a n dp a r a m e t e r so fe a c hh e a tu s e r , a n dw i t h i nt h er a n g eo fc o n s t r a i n e d c o n d i t i o n , t h es o f t w a r ec o u l df i g u r eo u ts e v e r a ls c h e m e sl i s t i n gb yt h ev a l u eo fo b j e c t i v ef u n c t i o no f f e r i n g a sr e f e r e n c et oe n g i n e e r i n g t h er e s u l to f e a c hs c h e m ei n c l u d e st o t a lp r o j e c t sp a r a m e t e r s ( t o t a li n v e s t m e n t a n dr u n n i n gc o s tf o re x a m p l e ) s t e a m ss p e e d , p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ef o re a c hp i p ea n da l lt h eh e a t u s e r s a c t u a lp a r a m e t e r s a l s o ，t h er e s u l t sc a nb eo u t p u tb ys e v e r a lw a y ss u c ha se x c e l ，a u t o c a d ，a c c e s s ， e t c c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ld e s i g nb ya na c t u a li n s t a n c e t h eo p t i m i z e ds o l u t i o np r o p o s e di nt h i s t h e s i si sm u c hb e t t e r a l s o ，i nt h i st h e s i s ，d e 印a n a l y s i si sm a d eo nh e a t i n gn e t w o r kw i t hl o o p s ，a n dt h e r m a l c a l c u l a t i o ni sa d d e di n t ot r a d i t i o n a ln o d e f u n c t i o na n dl o o p - f u n c t i o nm e t h o dw h i c hi u s tt a k e sa c c o u n tt h e h y d r a u l i cc a l c u l a t i o np r o c e s s m a t l a bi su s e dt op r o g r a mt h i sn e wc a l c u l a t i o np r o c e s su s e df o rl o o p e d h e a t i n gs y s t e ma n dt h ep r o g r a mi su s e dt oc a l c u l a t ea ni n s t a n c e t h en e wm e t h o da d d i n gt h e r m a lp r o c e s si s v e r yu s e f u lf o rt h et a l c u l a t i o no fl o o p e dh e a t i n gs y s t e ma n dt h ep a r a m e t e r so fe a c hn o d ea r ec a l c u l a t e d s u c c e s s f u l l y t h er e s u l ts h o w st h a tt h eo p t i m i z a t i o nr e a c h e st h eg o a lo fs a v i n gi n v e s t m e n tc o s ta n de n e r g yf r o mt h ev i e w o fe n e r g y s a v i n ga n ds u c c e s s f u l l ys o l v e dt h eo p t i m a ls e l e c t i o no fp i p ed i a m e t e r sa n di n s u l a t i o nl a y e r s t h i c k n e s s a l s o at h c r m a l h y d r a u l i cc a l c u l a t i o nm e t h o di sp u tf o r w a r df o rl o o p e ds t e a mh e a t i n gn e t w o r l a l lt h er e s e a r c hi nt h i st h e s i sw i l ls u p p l yat h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fs t e a md i s t r i c t h e a t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：s t e a mh e a t - s u p p l yn e t w o r k ；o p t i m i z a t i o n ；i n t e g e rp r o g r a m m i n g ；d y n a m i cp r o g r a m m i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明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过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：栖鲻：导师签名： 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 提高能源利用率和降低环境污染已经是全球重视的课题。伴随我国经济的高速发展，耗能迅速 增加，环境保护问题也十分突出，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。 作为世界第二大能源消费国，我国的节能潜力巨大【l 】。我国政府制定的中共中央关于制定国民经 济和社会发展第十一个五年规划的建议( 2 0 0 6 年2 0 1 0 年) 主要目标是：实现2 0 1 0 年人均国民生 产总值比2 0 0 0 年翻一番；“十一五”期末单位国民生产总值g d p 能源消耗比“十五”期末降低2 0 左右。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，与工业生产和人们的生 活息息相关，广泛的应用于工业生产，并且是建筑业的重要环节。仅从建筑方面考虑，建筑能耗就 约占全国总能耗3 0 ，因而，供热的节能工作对于降低全国能源消耗具有重要意义 2 1 。目前，对于 供热的要求，已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。 在国民经济中，供热行业是不可或缺的部门。作为城市的重要基础设施，供热的任务是合理和有效 地组织生产热能，并经济可靠地把热能输送到热用户口1 。由于城市规模的扩大和负荷类型的增加，不可再 生能源的逐渐枯竭，以及传统的供热方式造成的严重能源不合理使用和浪费甚至造成对环境的污染，所有 这些使得供热行业面临了新的课题，传统的供热方式已经不能符合时代的要求。集中供热采用效率高的区 域锅炉房或热电联产热电厂代替分散的低效率的小锅炉和手烧炉，避免了能源的浪费和重复性建设，是节 能和环保的重要措施。集中供热特别是热电联产，对于提高电厂效率，节约一次能源，改善环境污染和提 高人民生活质量都有重要的意义。 在城市中若要大量节省能源和大量减少二氧化碳的排放，先决条件是要采用区域供热( d h ) 方 式。产生相同热量的情况下，热电联产所消耗的燃料通常比单产热的锅炉要少5 0 以上。集中供热 是指热源集中设置，产生的高温热水、蒸汽通过城市管网供给整个城市或部分区域所需的热量。集 中供热系统通常可以分为三大部分：热源、输配管网和热用户或热力站【4 】。热源，是将天然的或人造的能 源形态转化为符合供热要求的热能装置，主要热源为热电联产、大型燃气、燃煤、燃油锅炉房等【5 】。 输配管网是由热源向热用户输送和分配供热介质的管线系统，是热载体借以传送的手段哺1 。输配管网可有 输送和分配之分，输送管线指的是担当热载体输送任务的管网，如远距离供热系统中没有分支的干线；输 配管网指的沿途有了分支管线的管网。集中供热具有较好的能源利用效率和良好的环境效益，是我国 城镇供热的主要方式。 集中供热特别是热电联产对于节约一次能源、提高居民生活质量、改善城市环境污染具有重要 意义，这种供热模式逐渐为很多地区所接受，并得到迅速发展，这是与其自身特点分不开的。与分散 供热比较，集中供热有很多优点。 首先，减少大气污染。用一个集中的热源( 热电厂或集中供热锅炉房) 代替众多的分散的锅炉， 大大减少了环境污染。 其次，大量节约能源。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。 最后，提高供热质量。分散供热是间断供热，不稳定；集中供热是连续供热，并根据负荷及时 调整，保证了供热的稳定性。 综上所述，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。 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外区域供热和管网设计现状 1 2 1 国内外区域供热的现状 十九世纪七十年代末期，在欧洲一些人口密集的城区，开始出现了由往复式蒸气机带动的发电机，并 对蒸汽机的乏汽加以利用，这是早期的热电联产系统。在本世纪早期，由于纯发电开始产生显著的规模效 益，热电联产系统没能得到发展。二战后，区域供热在北欧、苏联以及一些东欧社会主义国家得到普遍应 用，并带动了热电联产的发展。而在欧洲其他国家，由于燃料丰富、廉价，热电联产发展缓慢。在经历了 1 9 7 3 1 9 7 4 和1 9 7 9 1 9 8 0 两次石油危机后，以热电联产形式为主的区域供热、区域供冷开始受到西方国家 的重视。美国将区域供热列入其政府节能计划，英国国会则评价区域供热为减少国家能耗的重要手段，而 法国更是以立法的形式推动热电联产的发展。在日本能源供应领域中，主要以热电联产系统为热源的区域 供热( 冷) 系统是仅次于燃气、电力的第三大公益事业，到1 9 9 6 年共有1 3 2 个区域供热( 冷) 系统。 区域供热在欧美国家已经有一百多年的历史，美国和俄罗斯分别从1 8 7 7 年和1 9 0 3 年开始就有了区域 供热工程。由于这项技术具有显著的经济合理性，所以在各国均有较大的发展，尤其以前苏联最为突出， 其区域供热事业是社会公共事业的一部分，每年以平均1 0 的幅度增长。欧洲特别是挪威、瑞典和丹麦 则具有特色的供热技术，利用多种类型热源作为冬季供热之用，集中供热是丹麦、挪威、波兰等国各个城 市的主要供热方式。自1 9 2 7 年，法国巴黎城市供热公司c p c u 就开始设计和发展以蒸汽为主要热媒的城市 供热网旧，。如今，俄罗斯、北欧、北美等许多城市和地区，集中供热的基础设施建设，热网设计和运行管 理等供热技术都已经十分发达旧儿”川“。 我国的集中供热事业起步较晚，在解放后才开始，由于各方面的原因，在八十年代以前发展比较缓慢。 改革开放之后，随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的提升，集中供热作为一项节能环保的市政公用 事业，得到了迅猛发展。在北方一些大城市，如北京、沈阳、哈尔滨等，集中供热发展迅猛，而且三北地 区，以往没有集中供热的中小城镇和长江流域的一些城市也在发展集中供热。随着中国经济建设的高速发 展，集中供热必将进一步发展“。 1 2 2 国内外供热管网优化设计的现状 热网的设计计算经历了从手算到电算，从凭经验设计到优化设计，是与计算方法和计算工具的 发展相适应的。随着系统工程、最优化理论的发展，网络的优化设计也相应的发展起来。热网的优 化设计问题是一个十分复杂的问题，在设计过程中，需要将费用、效益和技术条件同步考虑，特别 是还需要满足可靠性的要求。作为决策变量之一的经济管径是一个离散的变量，所以该问题是一个 多目标、多约束、线性和非线性变量并存的大规模组合优化问题，问题的实质是一个n p h a r d 问题。 热网的设计优化一般要包括两方面的内容，一是优化模型的建立，二是对约束条件的无约束化处理。 热网的优化设计主要包括热网平面布线的优化、热网经济管径的优化选择和供热参数的优化。 与给水管网的优化设计相比，热网的优化设计研究相对较少，可查到的研究成果不多。 对于热网优化设计，国外集中供热系统发展较早的国家地区主要是北欧和前苏联等。这些国家 对集中供热系统的研究起步较早，在集中供热系统的优化设计方面已经有一套比较成熟的理论和方 法，并且大量地利用计算机进行供热系统的优化设计【l3 1 。6 0 年代，前苏联就开始用计算机研究多环 管网的水力计算，如全苏热工研究所的h m h m 3 h h r e p 等人和西伯利亚能源研究所发表了许多 计算热网水力工况的论文。7 0 年代，前苏联开始研究热网参数优选的问题，在7 0 年代末编成了可 以优化供热规划的c o c h h a 计算程序系统，这个应用软件系统已在生产实践中用于优化供热系统的 规划、设计和运行调度。前苏联对于使用计算机完成包括几百个管段、多个热源和中间加压泵站的 热网水力计算和它的设计己具备了很强的能力【1 4 】。欧洲大陆国家一般都在七十年代初建成了热网的 水力工况计算机模拟模型，并用以计算有关的经济问剧1 5 】- 【1 8 】。在北欧等集中供热发达的国家，大型 的供热系统的设计已经计算机化。其软件能灵活地应用于优化设计、系统分析和投资计算，形成了 较为完备的软件系统。如瑞典的e n o k 计算机系统、芬兰的e k o n d 能源规划系统、丹麦的t e r m i s 软件系统等。这些系统，如同前苏联的c o c h a 软件系统一样，都是从本国的实际情况出发，根据 资源情况及供热发展状况而编制的u 外u “。 2 第一章绪论 城市供热规模的扩大和供热用户的增多使得集中供热管网的规模也越来越大，但是由于城市集 中供热投资、运行费用十分巨大，资金问题己经成为供热业发展的瓶颈，严重制约了该行业的发展。 热网作为重要的供热基础设施，因其规模大、结构复杂、投资巨大等特点，对其进行深入的研究受 到广泛的关注，在集中供热系统中，供热的输配管道投资占用了总系统投资的3 0 - - 4 0 ，并影响 运行成本，因此对热网的优化设计可以在最大范围节约集中供热系统的投资。如果系统的设计不好， 将浪费资金，供热管网可能需要改建甚至重建，所以，热网优化设计很有必要。 热网的优化设计包括管网路线的设计：管道直径和保温层厚度的优选等。由于热源点和热用户 的位置可选的范围很小，而且管道的走向和路线也基本是确定的，所以热网的优化设计应该将重点 放在管道直径和保温层厚度的优化选择上。 热媒和供热系统的选择由技术和经济诸方面的要求而定，主要取决于热源的特性和热负荷的种 类。系统越简单，它的建造费用就越少，运行也越可靠。最简单的方案是各种热负荷采取统一的热 媒。水和蒸汽各有优缺点，如热水供热没有蒸汽系统中存在的凝结水损失和蒸汽损失，但水网对事 故的敏感性强，故障不大时，蒸汽网能继续运行而热水系统则不行田j 。枝状管网和环状管网是城市 输配管网按拓扑结构进行分类的，枝状管网形如树枝状，特点是输送至某用户处的流体只能由一个 方向供给，计算流量是确定的。环状管网如同封闭的环，由封闭成环的管道组成，流量和流体的流向 不确定。多热源环状管网可提高系统运行的可靠性、经济性及灵活性。 国外些学者已经研究试图使得能量输送系统的总体消耗最小化，总体消耗即运行的费用和每年设备 的投资费用卜1 。在这些研究中提出了解决实际问题的模型，而这些模型可以用来作为区域供热和能源 系统设计的基础恻。北美保温材料制造商协会( t h en o r t ha m e r i c a ni n s u l a t i o nm a n u f a c t u r e r s a s s o c i a t i o n ) 已经开发出软件包( 3 ep l u s ) ，用以制定多种类绝热材料的优化厚度。输出结果包括简化的 资金回报周期、表面散热损失和绝热材料每种厚度所对应的表面温度等旧1 。 目前国内实际的工业生产中枝状管网应用广泛，设计及实际运行的环状管网不多见，有些热力网虽然 按照环状设计，但实际多按枝状运行，不但没有发挥环状管网的优势，而且浪费了投资。其主要原因是我 们对环状管网缺乏认识，设计、运行管理水平相对较低，计算环状管网的方法仍在探讨之中旧。热水网的 优化研究已经比较成熟，哈尔滨工业大学在供热管网的研究比较深入例。山东大学、哈尔滨工业大学、重 庆大学、东南大学等高校都先后研制开发了供热管网的优化设计软件。山东大学应用有限元法开发了供水 的环状管网电算程序啪1 ；哈尔滨工业大学将最小平方和法引入初始流量分配中，开发的计算程序可对多热 源环状热水管网可作设计工况水力计算等。对于以蒸汽为热媒的供热管网，由于蒸汽复杂的特性，研究有 待深入，华南理工大学在考虑蒸汽密度变化的基础上建立了确定最佳蒸汽流速和保温层厚度的模型并开发 了长距离动力蒸汽管道的优化设计程序旧“：东南大学等高校运用动态规划的数学方法作为优化策略联合开 发了枝状蒸汽供热管网的优化设计软件1 。环状管网可提高系统运行的可靠性、经济性及灵活性，但目前 在我国设计及实际运行的环状管网不多见，对环状蒸汽供热管网的优化设计还在探索阶段。 1 3 本文的主要工作内容和目标 本文不仅针对离散管径进行优化选择，并且从节约蒸汽管网运行散热损失的角度，增加对保温 层厚度进行优化选择的问题，首先着重将问题确定为蒸汽管网的离散管径和保温层厚度的优选问 题。详细探讨了数学模型、优化算法、参数确定、约束条件等问题，主要的研究内容和成果包括以 下几个方面： 一、建立了蒸汽管网全局优化设计的数学模型。模型中包括了各种技术经济指标，以离散管径 和保温层厚度作为决策变量，选定管网总投资费用和总运行散热损失费用之和作为优化目标函数， 约束条件中包括压力温度设计参数，蒸汽流量，流速范围等各种技术参数，使该问题变为凸问题。 二、提出了整数规划和动态规划相结合的优化算法求解优化数学模型，着重利用分枝定界的思 想搜索满足目标函数最小并且满足各约束条件的可行方案。蒸汽管网优化设计是多变量、多约束、 强耦合的超大规模组合优化问题，首先要解决巨量维解空间寻优的算法问题，利用尽可能少的计算 次数，得到最优解。本文提出的算法综合了动态规划和整数规划的优点，计算效率高，收敛速度和 解的质量都优于传统设计算法。在可行的时间范围内，实现了巨量维解空间的寻优操作。 三、在上述的模型和优化算法基础上采用v c + + 开发了蒸汽供热管网优化设计软件( t p h c d ) ， 能够图形化输入蒸汽供热管网的模型结构，由w i n d o w s 界面对话框输入各管段的参数，热用户点的 压力温度参数和流量需求等，通过优化算法在极短时间内对蒸汽供热管网进行优化设计，包括选择 3 东南大学硕士学位论文 管径和保温层厚度，返回多组可行的设计方案。设计的结果能够以e x c e l ，a u t o c a d ，a c c c s s 等 多种形式输出。 四、针对环形管网初始流量不容易确定的特点，本文摆脱传统手算带来的经验扰动性，对初始 流量的确定采用最小平方和流量分配法，利用计算机程序根据节点流量对管网流量进行分配。最小 平方和法将分配后的各管段的流量取平方和，然后取最小值。事先不需要规定管段的水流方向，因 此适用范围较广，可以用于复杂管网初始流量的分配。 五、在传统的解决环形管网问题的水力计算方法( 解节点方程法和解环方程法) 基础上，针对 蒸汽自身特点，修正了用于蒸汽供热管网的沿程阻力系数；考虑到温度变化对蒸汽其他参数的剧烈 影响，加入热力计算，修正了传统的解节点方程法和解环方程法。利用m a t h b 编程计算，对带有环 形的蒸汽供热管网系统进行水力和热力的综合计算。 4 第二章蒸汽供热管网的数学模型 第二章蒸汽供热管网的数学模型 蒸汽供热系统，广泛地应用于工业厂房或工业区域，它主要承担向生产工艺热用户供热，同时 也向热水供应、通风和供暖热用户供热。根据热用户的要求，蒸汽供热系统可用单管式( 同一蒸汽 压力参数) 或多根蒸汽管( 不同蒸汽压力参数) 供热，同时凝结水也可采用回收或不回收的方式。 本论文研究的对象是采用单管式，即同一蒸汽压力参数供热p 。 蒸汽供热管网设计计算，即给定某工况( 如热源的蒸汽流量、压力和温度参数，各热用户点的 设计流量和最低压力和温度参数等) ，以及管网的结构长度，求满足该工况的各段管道管径、保温 厚度。传统的热力管网设计计算是采用人工计算的方法，费时费力，而且结果不能保证是优化的， 低质量的设计方案既耗费建设材料，同时浪费了能源儿弱j 。 本章和第三章主要建立设计计算所需模型并开发出针对单热源，多分支蒸汽供热管网设计计算 的软件，使达到优化设计，提高设计工作的效率和质量，减少管道和保温层、保护层材料费用以及 散热的损失。设计原则是流量优先，即保证各热用户流量等于其需求值，温度、压力参数不低于热 用户的给定值或称为设计参数。 2 1 水力计算模型 管道水力计算的任务是按照给定的管道布置、管径、介质流量及其参数来计算管道的压降，或 确定管道内任一截面上的介质状态及其管道的通流能力。计算管道压降时，宜考虑一定的裕量，其 值可取计算压降的1 0 。管子摩擦系数应按雷诺数及管壁相对粗糙度d 由图1 查取。 传统的蒸汽管网水力计算方法往往采用比摩阻的方法计算压力降，首先判断主干线，在计算过 程中需要人工查取表格或图形来选取确定管径规格，费时费力且得到的设计结果有局限性。本文的 设计原则仍然从蒸汽管网水力计算的原理出发，归纳整理相关各蒸汽参数、管网参数之间的复杂联 系，辅以计算机程序设计，使得在对管网进行设计的过程中可以运用繁杂的迭代运算，通过规范提 出的严格约束条件，设计出合理准确的管径和保温层厚度选择方案。 根据热力学第一定律，当介质沿管内流动时，基本的能量平衡方程为： d q ：d 【，+ d ( p v ) + 婴+ 扭 z g ：d i + 丝+ 扭( 1 1 2 9 、。 式中：坦介质放热量或加给管内介质的热量，灯k g ； d u 介质内能增量，灯k g ； 兰竺介质动能增量，材堙； 2 9 p 压力，忍o u 介质比容，m 3 k g ； 介质流速，m s ； 击介质热焓增量，u k g ； 扭介质势能增量，u 妇。 5 东南大学硕士学位论文 o 蟹 犍 y w j i m - 圭- tj 图l 管子摩擦系数 根据能量平衡方程推导出的蒸汽在管内流动的压降计算方法常见的有三种，分别为：苏联法、 美国法和热网法p 6 】【3 7 1 。 ( 1 ) 苏联法： 假定介质在管内流动过程是一个绝热过程，利用理想气体状态方程推导出压降计算方法，公式 如下： p 22p l 式中： a 介质在管道起点压力，p 口； p 2 介质在管道起点压力，尸口； 办。介质在管道起点的动压力，忍； 6 第二章蒸汽供热管网的数学模型 善，总阻力系数。 火力发电厂主厂房内的绝大多数管道，都可以用苏联法计算。 ( 2 ) 美国法： c o 介质平均流速，m s ； u 介质平均比容，聊3 堙； a 沿程阻力系数； d 管道内径，m m ； 三管道长度，m ； 磊管道总的局部阻力系数( 如三通、弯头、阀门等) ； 日管道两端高度差，m 。 对于输送水的管道，一般采用美国法。 ( 3 ) 热网法： 卸_ 1 1 5 芝( 告+ 釉+ 等 ( 4 ) 2 u “u 式中：肼管道两端高度差，m ； c o 介质流速，m s ： 管道长度，m ： 岛管道总的局部阻力系数( 如三通、弯头、阀门等) ： 石介质平均比容，所3 堙； a 沿程阻力系数。 热网法一般用于输送蒸汽的热网，故本文讨论的蒸汽管网供热模型遵循热网法，压降公式采用 式( 4 ) ，并且由于蒸汽管网供热模型不考虑由于管网高度变换带来的压力变化3 8 】【3 9 1 ，故式( 4 ) 中坐 u 项为零，即： 卸= 1 1 5 - 二( 0 z 【百3 1 , l + 考1 ) ( 5 ) 2 2 热力计算模型 水蒸汽在管内流动时温降计算采用热平衡法： d t ：3 6 d q x l 0 3 g c p 式中：打管道的温降，； 地管道的散热量，形； g 介质流量，t h ； c p 水蒸汽的定压比热，材( 堙。c ) 。 7 丝石 + 毛 +己 允一q 量一功 卸 降压 一 印 中 式 东南大学硕士学位论文 q = 型挫掣m r 热阻( 取决于保温材料的厚度和材质，保护材料的外表面散热系数和环境因素) ， m 2 k w ： k 热损件的当量长度系数。 2 3 单段蒸汽管道物理计算模型 根据式( 5 ) ( 6 ) 两个最基本的表达式可以确定蒸汽的压力和温度，从而确定蒸汽的状态参数。然 而在式中各变量之间有着很复杂的关系，因此不能够直接运算，比如已经知道管道始端的蒸汽压力、 温度参数，需要求得末端的蒸汽参数，在式( 5 ) 中，计算过程需要用到管道平均比容u ，u 是由蒸汽 的压力和温度确定，可是管道的蒸汽压力温度参数是在需要得到管道末端压力温度参数的前提下求 平均得到的，而末端蒸汽参数是未知数，正是需要求解的。所以，看似简单的表达式其实是隐函数 的形式，无法直接求解。下面详细整理归纳式( 5 ) ( 6 ) 中各变量的关系。 蒸汽供热管网的供热过程中介质水蒸汽的比容变化不大，对于介质比容变化不大的管道( 适用 于水管道和管道终端与始端压降不大于初压4 0 的蒸汽管道) 水力和热力计算如下： 一般来说，蒸汽供热管网的管段布置如图2 所示，高温高压的蒸汽从热源点出发，途经各热用 户点，满足温度、压力参数和蒸汽流量的需求。 热源 用户 用户 i 一用户 用户 图2 蒸汽供热管网示意图 对于一个确定布局的管网系统，各段输配管道的长度，阻力件确定，蒸汽流动的水力、热力特 性原理相同，故以单一段管道为例，研究蒸汽在该管段的流动特性。为标记方便，蒸汽流动方向始 端为0 点，蒸汽流动末端为1 点，0 和1 分别作为蒸汽在该处压力、温度等参数的下标，如图3 所 示。 0 点 1 点 图3 单一段管道示意图 ( 1 ) 根据物理含义，式( 5 ) 实际可以写成： p o p l = 卸= 1 1 5 专p d 其中：p a 该管段动压，助= i 1 = ( 0 2 ，砌； 。u 缈一蒸汽黼删3 7 等，m 纽 8 第二章蒸汽供热管网的数学模型 g 蒸汽质量流量，t j ： 口该管段内径，m m ； 石该管段平均比容，石：坠姜旦， 朋3 k g ； z 该管段入口比容，m 3 k g 。 q 该管段出口比容，m 3 k g 。 邑总阻力系数，最= 鲁三+ 最； 工，f a 沿程阻力系数，九= m o o 方皿e ，詈) ； r e 雷诺数，r e ：o ) d i ： 7 7u 7 7 蒸汽动力粘度； 等值粗糙度，m m 。 ( 2 ) 水蒸汽在管内流动时温降计算采用热平衡法： d t ：3 6 d q 1 0 3 g c p 式中：刀管道的温降，： a a 管道的散热量，w ； g 介质流量，f h ： c p 介质定压比热，u ( k g 。c ) 。 将上述公式整理： 。一愀f 掣 最后结果得： 压降公式： 风一a = a p = 0 0 3 4 g 2 ( + q ) - 三+ 髻。 十q 2 ( 8 ) 温降公式： 刀：竺型1 0 - 3 g 印 一般的设计计算过程是先计算压力降变化，再根据迭代得到的末端压力参数，假设其不变，再 由温降公式迭代求得更精确的管道末端蒸汽参数。关于单管计算的先后顺序问题，笔者进行了实验 性的研究，观察焓熵图可以发现，在工程实际的应用范围中，在焓发生变化的时候，温度平行变化， 压力变化陡峭，所以在计算管段的水力和热力变化时，本论文采取先计算温度降，再算压力降。 9 氧i 寸 酉 + 旦口一 氅尹 弋 一上 方 一 皇 东南大学硕士学位论文 2 4 蒸汽供热管网优化设计问题的提出 本章将解决如何从实际问题中抽象出最优化问题，即提出优化的目标函数，约束条件和决策变 量。 2 4 1 优化的目标函数 蒸汽供热管网的优化设计，是通过目标函数的值来确定得到的解决方案的优劣，同时通过目标 函数的凹凸性来决定优化方向，最终得到能够使目标函数最小并且满足所有约束条件的最优解决方 案。 目标函数包括两大部分：管道材料、保温材料、保护材料的费用；管网沿途对外散热损失费用。 蒸汽管网的设计方案计算，即给定热源点的蒸汽流量、蒸汽压力和温度状态参数，各末端热用 户点的最低压力、温度参数要求，以及管网的阻力件、结构、长度等参数，计算出使得目标函数尽 量小的各管段管径规格、相应保温层厚度( 和保护层厚度) 。 以管径、保温层厚度为自变量，建立目标函数，通过优化选择管径规格和保温层厚度，求目标 函数的最小值。 ( 1 ) 单段蒸汽管道的目标函数 单段蒸汽管道的目标函数是该段管道在蒸汽管网运行年数内的总投资费用：( 折合成现值) 单段蒸汽管道在蒸汽管网运行年数内的总投资费用：( 折合成现值) = 该管道的钢材投资费用 + 该管道的保温材料投资费用+ 该管道的单层保护材料投资费用+ 该管道在蒸汽管网运行年数内 的总散热损失费用。 1 ) 钢材投资费用： c g d = 昂y 等( d 0 2 一口2 ) l x l 0 。6 ( 1 0 ) 吉审c ：g d 该管道的钢材投资费用，r 毋； d 管道内径，m m ： d 管道外径，m m ： 只管道造价( 含管道材料费、运输费、安装费等) ，r m b t