基于遺傳算法的熱力控制系統(tǒng)的設計與研究

田海川

摘 要：隨著城市熱網的不斷發(fā)展，集中供熱成為現(xiàn)代化城市發(fā)展的一個趨勢。對供熱系統(tǒng)進行有效的管理和控制，使熱力企業(yè)的經濟效益和社會效益得到提高，已經成為熱力企業(yè)供熱系統(tǒng)的一個重要的課題。文章對熱力控制系統(tǒng)進行了分析，結合熱力企業(yè)供熱系統(tǒng)設計的實際需求，提出了基于遺傳算法的熱力控制系統(tǒng)的設計方案。

關鍵詞：遺傳算法；熱力企業(yè)；控制系統(tǒng)；集中供熱

1 我國熱網發(fā)展的特點

1.1 我國供熱收費按采暖面積

供熱公司在對用戶進行供暖的時候只需要保證供暖建筑物整體的供熱效果就可以，供暖公司為了保證自己的經濟效益，要降低成本，首先要保證供暖效果，再減少供暖熱量輸出，這樣可以提高供暖公司的經濟效益。對于用戶來說，當熱量過高的時候一般很少用戶能關閉閥門，而是去開窗戶，采暖用戶很少會考慮到節(jié)省熱量的問題，用戶是按面積付采暖費的，這樣很難從某種意識上督促用戶去節(jié)約熱量。西方的國家在采暖費收取上是以熱量進行計費的，西方國家的熱用戶為了節(jié)省用熱費用，會主動去關閉和調整閥門，限制熱量，這樣避免了熱量浪費。從經濟手段上對用戶進行約束建立一套完整的控制調節(jié)制度。

1.2 我國熱網和熱源分開管理

我國在供熱期間很難按照之前制定的采暖標準進行供熱，原因是我國的供熱矛盾存在于供暖和發(fā)電之間，還有調峰熱源不足的原因，這樣造成供熱熱量過高存在于低熱負荷期，供熱熱量不足存在于高熱負荷期。在西方國家的熱網和熱源是由公司統(tǒng)一進行管理的，這樣對供熱和發(fā)電之間的矛盾關系可以很好的進行解決。

1.3 我國很少在采暖散熱器上安裝溫控閥

在西方國家供熱收費是按熱量進行收費的，熱量的調節(jié)需要安裝溫控閥來進行調節(jié)，節(jié)約熱量成為用戶的主動意識。溫控閥主要作用是限制熱量流量的，要是供熱的散熱器不熱即使安裝上溫控閥也是沒有效果的，不能起到調節(jié)的作用，而且溫控閥成本相當于散熱器的成本一半，在國內溫控閥的使用很難被用戶接受，我國的采暖收費制度也是溫控閥不能在國內得到廣泛應用的原因之一。

2 熱力管網運行分析

2.1 供熱系統(tǒng)的水力工況

供熱系統(tǒng)的水力工況是指流量和壓力在供熱系統(tǒng)中分布狀況，供熱系統(tǒng)的水力工況在很大程度上決定供熱系統(tǒng)供熱效果的好壞。流體壓力損失是管道中流體流經的時候在經過管道內壁引起的能量損失，在熱力企業(yè)管網不同的管道內，流體受到的壓力值也不同，管道的水壓壓力值分布規(guī)律可以用流體力學中的伯努利能量方程式進行科學的分析。熱網中管道的粗細、流體在管道中流動的速度等都影響管道中流體受到的壓力值。在供熱系統(tǒng)中，熱力企業(yè)在對供熱系統(tǒng)進行設計和施工過程中諸多原因，導致供熱系統(tǒng)的實際工作運行情況很難按照之前設計的水力工況來運行，這樣供熱系統(tǒng)會產生水力失調，供熱系統(tǒng)的水力失調就是在供熱系統(tǒng)中設計的水力工況和在實際運行中的水力工況不一致。對水力工況的變化情況進行分析通常是根據(jù)流量的變化情況進行的。

2.2 供熱系統(tǒng)的熱力工況

供熱系統(tǒng)的熱力工況主要是反映供熱系統(tǒng)中溫度和熱量的分布情況。供熱系統(tǒng)供熱效果可以通過供熱系統(tǒng)的熱力工況的研究進行直觀的表示。在供熱系統(tǒng)中水力工況和熱力工況之間的關系是密不可分的。在供水系統(tǒng)中供水溫度保持不變的條件下，流體流量越多那么散熱器的散熱量越大，這是符合供熱系統(tǒng)熱工理論原理的。要提高散熱器平均溫度可以通過提高散熱器回水管溫度的方法實現(xiàn)，散熱器平均溫度值不能超過供水溫度，所以對散熱器的平均溫度最高值是有限制的，在管道中流體流量的增加會導致散熱器傳熱系數(shù)的減少，所以在熱網供熱系統(tǒng)大流量下，散熱器的工作能力必然會降低。

2.3 供熱系統(tǒng)運行調節(jié)方式

供熱量和需熱量保持一致才可以使用戶的室內溫度達到供熱系統(tǒng)的設計要求，所以在供熱系統(tǒng)運行期間，要按需供熱，對供水溫度和供水流量的調節(jié)要根據(jù)室外溫度的具體變化，保證整個供暖期達到供暖要求。供熱系統(tǒng)中采用集中運行調節(jié)可以滿足熱力企業(yè)供熱需要，集中運行調節(jié)運行管理方便，在熱源處對供水系統(tǒng)的供水溫度進行調節(jié)就可以，在運行期間水量循環(huán)總體不變，保持水力工況穩(wěn)定。集中量調節(jié)方式的特點是可以節(jié)約電力損耗，但是在二次網循環(huán)流量減少時候，供熱系統(tǒng)的熱力功耗將會發(fā)生嚴重失調，所以在間接供熱系統(tǒng)中，集中量調節(jié)最好是在一次熱力網中應用。

3 基于遺傳算法的熱力控制系統(tǒng)分析

基于遺傳算法的熱力控制系統(tǒng)的設計與研究，首先要建立供熱預測模型 ，對模型參數(shù)采用遺傳算法分析，指導熱力系統(tǒng)自動控制。對整個供熱管網的阻力參數(shù)應用遺傳算法進行分析，水力失調的問題可以應用阻力系數(shù)進行解決，對故障的發(fā)生位置也可以根據(jù)阻力系數(shù)進行分析，為故障檢修提供保障。

3.1 一次熱力網運行分析

在供熱系統(tǒng)的水力工況分析中，我們可以知道在一次熱力網中一次管網建成使用后，管網的阻力系數(shù)決定管網的水力工況。在一次管網中阻力系數(shù)先確定了，才可以確定全網水力工況。供熱系統(tǒng)的運行管理和故障維護需要通過水壓圖進行分析，供熱系統(tǒng)的水壓圖要用系統(tǒng)的阻力系數(shù)才可以計算出。在熱力系統(tǒng)的運行中阻力系數(shù)的計算是非常重要的。在供熱系統(tǒng)中的阻力系數(shù)不能按設計的參數(shù)進行計算，因為在熱力企業(yè)中在建設和施工階段的參數(shù)和系統(tǒng)的最初設計參數(shù)不一致，在整個熱網的調節(jié)過程中阻力參數(shù)是隨著供暖面積發(fā)生變化的。所在阻力參數(shù)要根據(jù)現(xiàn)場實際的阻力參數(shù)來計算，在理論上對阻力參數(shù)的計算，只要測量出管道兩端的壓差和管道的流量作為計算參數(shù)就可以。但是在實際工作中是不可以實現(xiàn)的，因為對管網中的每個管道節(jié)點的壓力和流量進行測量是做不到的，更何況現(xiàn)在的熱力系統(tǒng)龐大而且復雜。為了對熱力供熱系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)控制，要以各換熱站的熱工特性系數(shù)為基礎，分析出調節(jié)目標設定值實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)控制。熱網實際運行的工況和實際工作運行的工況不一致，熱力系統(tǒng)的熱慣性也是很大的，根據(jù)熱網實際運行參數(shù)對熱力供熱系統(tǒng)的負荷進行預測，建立供熱系統(tǒng)的動態(tài)預測模型，對整個系統(tǒng)的下一個時間單位的負荷進行預測。一次性換熱站如圖1所示。

在換熱站示意圖中我們可以看出結構組成包括流量計、電動閥、壓力傳感器等設備。在對阻力系數(shù)進行計算的時候要以熱力系統(tǒng)的平衡關系為依據(jù)進行在線測量，有一些離換熱站較遠的分支點所產生的阻力誤差不能被忽略。

3.2 遺傳算法

遺傳算法是一種智能計算的計算模式，主要是模擬生物進化的，遺傳算法是一種全局搜索算法，簡單實用應用范圍廣，采用并行處理方式。遺傳算法包括自然遺傳學和計算機科學兩個方面，自然進化模型是遺傳算法主要采用的模型，在遺傳算法模型中采用選擇、交叉和變異等方法，遺傳算法過程如圖2所示。

遺傳算法包括選擇、變異和交叉3個基本的操作，3個操作采用不同的方法。選擇方法可以按照比例和排序兩種方式計算適應度，對交叉?zhèn)€體進行確定，得出選擇的個體會產生多少個子代個體。交叉方法也叫做基因重組，是于父代的種群產生的個體相結合，采用編碼方式進行標示可以分為實值重組和離散重組等。變異是交叉后子代出現(xiàn)的變異，根據(jù)個體編碼可以二進制變異和自適應變異等計算方法。

3.3 系統(tǒng)硬件和軟件設計原則

對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集和處理主要是通過計算機技術實現(xiàn)，對現(xiàn)場進行遠程監(jiān)控，使熱力企業(yè)生產實現(xiàn)自動化，提高工作效率。利用計算機的網絡功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，使管理人員可以通過終端對參數(shù)數(shù)據(jù)進行查詢，使管理層及時的獲取生產信息，并對現(xiàn)場發(fā)出調度指令指揮現(xiàn)場生產。監(jiān)控中心要建設成以生產和管理為服務目標的信息化高速公路，對監(jiān)控系統(tǒng)的網絡拓撲選擇要根據(jù)先進性、擴展性、開放性等的原則。網絡服務器主要作用是對采集的數(shù)據(jù)進行存儲和管理的。工作人員通過人機互動的應用界面對整個熱力系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理。

4 結語

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，國家對環(huán)境的保護要求越來越高，供熱系統(tǒng)采用集中供熱方式越來越受到關注，保證用戶采暖的同時，保護環(huán)境減少污染是熱力企業(yè)的一個重要的課題。遺傳算法的熱力控制系統(tǒng)設計符合現(xiàn)代熱力企業(yè)發(fā)展的需要。

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The Design and Research of the Thermal Control System Based on Genetic Algorithm

Tian Haichuan（College of Energy and Environmental Engineering， HeBei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract： With the continuous development of city heat supply network， the central heating become a trend of modern city development. On the heating system for effective management and control， make the heating enterprises economic benefit and social benefit， has become a thermal enterprises an important subject of heating system. In this paper， the thermal control system are analyzed， and combining the actual demand of thermal heating system design， based on genetic algorithm is proposed for thermal control system design scheme.

Key words： genetic algorithm； the thermal enterprises； control system； the central heating