環(huán)形蒸汽供熱管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化措施論述

楊金梁

摘要：本文主要分析了目前我國(guó)工業(yè)集中供熱以及供熱管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展情況，介紹了根據(jù)遺傳算法優(yōu)化環(huán)形蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的方法。利用遺傳算法進(jìn)行蒸汽供熱管網(wǎng)優(yōu)化可以節(jié)省供熱成本，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，提高我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展效率。本文將會(huì)以永榮電廠至廣富工業(yè)園藍(lán)潔公司供熱管網(wǎng)工程為例，對(duì)環(huán)形蒸汽供熱管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的分析，以期為我國(guó)供熱事業(yè)發(fā)展提供幫助。

關(guān)鍵詞：工業(yè)集中供熱；環(huán)形管網(wǎng)；蒸汽供熱；設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

1環(huán)形蒸汽供熱管網(wǎng)系統(tǒng)

1.1管網(wǎng)走向

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，管道走向可沿河道布置或沿園區(qū)道路布置。通過(guò)詳細(xì)分析比較認(rèn)為，沿鐵路線布置供氣管網(wǎng)，是最佳方案。一是可以節(jié)省投資、涉農(nóng)少。二是施工、維護(hù)方便快捷。

1.2管道布置方式

目前工業(yè)集中供熱的敷設(shè)方式主要有五種形式：①架空敷設(shè)；②地下管溝敷設(shè)；③地下直埋敷設(shè)；④城市綜合管溝敷設(shè)；⑤工業(yè)區(qū)綜合管廊敷設(shè)。五種敷設(shè)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)不同工程的具體特點(diǎn)和規(guī)劃部門的具體要求，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，綜合考慮熱網(wǎng)的敷設(shè)方式。根據(jù)本工程周邊環(huán)境、地理位置、地質(zhì)條件等，本設(shè)計(jì)蒸汽管網(wǎng)敷設(shè)方式可采用架空、地埋相結(jié)合的敷設(shè)方式。地上敷設(shè)管道利用規(guī)劃道路邊緣綠化帶低支架敷設(shè)，低支架敷設(shè)時(shí)，盡量沿綠化帶內(nèi)側(cè)敷設(shè)，利用灌木進(jìn)行遮擋；穿越主要道路時(shí)，采用直埋敷設(shè)。

1.3管道壁厚的確定

依據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5054-2016），不論按管子外徑還是內(nèi)徑標(biāo)示的管子，取用壁厚均不得小于管子的計(jì)算壁厚。本設(shè)計(jì)根據(jù)各段管材的蒸汽參數(shù)不同，分別根據(jù)其各自設(shè)計(jì)工況進(jìn)行計(jì)算，考慮壁厚最大負(fù)偏差等因素，以及管網(wǎng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行給予了一定的裕量，其計(jì)算結(jié)果見表1。

1.4管道保溫

熱力管道保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮機(jī)械強(qiáng)度、外觀和防水性能，由保溫層和保護(hù)層兩部分構(gòu)成。管道保溫采用軟質(zhì)保溫材料分層包裹（除另有說(shuō)明外均為高溫玻璃棉），具體厚度如表2：

地埋管道保溫與相應(yīng)段架空管道基本相同，地埋管道保溫層取消頂部1/3圓弧。以DN300架空管道保溫為例，保溫結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

2 環(huán)形蒸汽供熱管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

蒸汽管網(wǎng)設(shè)計(jì)是一個(gè)多變量、多約束條件、耦合性強(qiáng)的組合優(yōu)化問(wèn)題，因此可以應(yīng)用遺傳算法在給定的管道范圍內(nèi)尋找滿足約束條件的目標(biāo)函數(shù)最小解，在實(shí)際設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中還應(yīng)當(dāng)考慮水蒸汽密度變化情況。首先計(jì)算水力模型、熱力模型，進(jìn)而對(duì)蒸汽管道進(jìn)行計(jì)算。在確定優(yōu)化函數(shù)、約束條件以及約束變量之后計(jì)算環(huán)形蒸汽管網(wǎng)的參數(shù)，然后應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行最優(yōu)解的求解，最后得出環(huán)網(wǎng)優(yōu)化最優(yōu)解。

2.1 提出蒸汽供熱管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題

設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況確定優(yōu)化函數(shù)、約束變量以及決策變量。熱網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容包括管道優(yōu)化布線以及管徑的選擇。約束變量為標(biāo)準(zhǔn)管徑約束、溫度參數(shù)約束、壓力參數(shù)約束、管段外表允許最大散熱密度、流速、用戶節(jié)點(diǎn)流量要求等。管道外表面允許最大散熱密度約束如下表2所示。

2.2 環(huán)形蒸汽管網(wǎng)計(jì)算過(guò)程

環(huán)形蒸汽管網(wǎng)的計(jì)算過(guò)程包括初始流量的分配、構(gòu)造管網(wǎng)計(jì)算基本方程組、計(jì)算蒸汽熱物性參數(shù)、計(jì)算環(huán)狀蒸汽供熱管網(wǎng)水力熱力四方面。

初始流量的確定是計(jì)算水力熱力的一個(gè)較為重要的方面。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)最小平方和法進(jìn)行管段流量的分配，對(duì)管段末端逆向求和來(lái)計(jì)算枝狀管網(wǎng)末端各網(wǎng)段的流量。管網(wǎng)基本方程包括節(jié)點(diǎn)方程、回路方程以及管段壓降方程。其中，節(jié)點(diǎn)方程滿足基爾霍夫第一定律，回路方程滿足基爾霍夫第二定律，管段壓降方程則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)知識(shí)進(jìn)行確立。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)解節(jié)點(diǎn)方程法計(jì)算環(huán)狀蒸汽供熱管網(wǎng)水力熱力，這種計(jì)算方式相對(duì)比較簡(jiǎn)便，而且擬定簡(jiǎn)單，在現(xiàn)今蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)算中得到了廣泛應(yīng)用。在進(jìn)行蒸汽供熱管網(wǎng)水力熱力計(jì)算時(shí)，一定要考慮溫度的變化，充分提高蒸汽管網(wǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，促進(jìn)我國(guó)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)。

2.3 遺傳算法設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程

應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行求解時(shí)，主要步驟為確定適應(yīng)度函數(shù)和約束條件，選擇進(jìn)化策略，產(chǎn)生初始種群，計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度值，對(duì)遺傳群體進(jìn)行計(jì)算從而產(chǎn)生新一代遺傳種群，循環(huán)計(jì)算直到達(dá)到終止條件。應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)的終止條件一般都是指定最大迭代次數(shù)。

對(duì)環(huán)形蒸汽供熱管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行計(jì)算有利于接近最優(yōu)解，提高了搜索過(guò)程的靈活性和準(zhǔn)確性。隨著計(jì)算次數(shù)不斷疊加新群體數(shù)量也不斷增加，因此擴(kuò)大了解的范圍，方便選出最優(yōu)解。應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行環(huán)形蒸汽供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有助于我國(guó)節(jié)省自然能源，節(jié)能減排，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)實(shí)現(xiàn)生態(tài)發(fā)展。

3 總結(jié)

本文首先對(duì)我國(guó)工業(yè)集中供熱以及供熱管網(wǎng)發(fā)展情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，指出了我國(guó)常用的優(yōu)化方法，然后對(duì)環(huán)形蒸汽管網(wǎng)計(jì)算過(guò)程以及遺傳算法設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行了說(shuō)明。針對(duì)環(huán)形蒸汽供熱管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以節(jié)省我國(guó)供熱資源以及供熱成本，提高我國(guó)供熱效率，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)科技的發(fā)展以及社會(huì)的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]邢立梅.試論環(huán)形蒸汽供熱管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].中國(guó)房地產(chǎn)業(yè)（理論版），2012，（8）：187.

[2]程惠.采用供熱管網(wǎng)聯(lián)通方式提高供熱效率分析與研究[C].//第四屆熱電聯(lián)產(chǎn)節(jié)能降耗新技術(shù)研討會(huì)論文集.中電投石家莊供熱有限公司，2015：267-27