基于并行遗传算法的环状蒸汽热网运行优化方法

1基于并行遗传算法的工业园区环状蒸汽热网运行优化赵琼1郭赉佳2于春娣3周懿1钟崴1(1.浙江大学热工与动力系统研究所，浙江杭州310027；2.上海漕泾热电有限责任公司，上海201507；3.浙江大学常州工业技术研究院，江苏常州213022)摘要：工业园区蒸汽管网运行工况多变、负荷波动大，为保证到达各热用户处的蒸汽品质，有必要对蒸汽热网的运行方式进行优化。以基于结构机理模型的蒸汽热网在线热工水力计算为核心，通过在环状蒸汽热网中增设调节阀，并采用并行遗传算法在线预测出最优的调节阀开度，实现了优化调节环状蒸汽热网的流动状态。基于上海化学工业区蒸汽热网系统的模拟计算表明：提出的方法能够提高到达热用户的蒸汽品质，提高蒸汽热网的运行技术水平。关键词：蒸汽管网；热工水力计算；运行优化；并行遗传算法中图分类号：TK1文献标识码：AOperationOptimizationforRing-shapedIndustrialHeatingNetworksBasedonParallelGeneticAlgorithmZhaoQiong1,GuoLai-jia2,YuChun-di3,ZhouYi1,ZhongWei1(1.InstituteofThermalScienceandPowerSystem,ZhejiangUniversity,Hangzhou,310027,China；2.CaojingCogenerationCO.,LTD.,Shanghai,201507,China；3.ChangzhouIndustrialTechnologyResearchInstituteofZhejiangUniversity,Changzhou,213022,China)Abstract:Inindustrialparks,theworkingconditionsofsteamheatingnetworkswouldbechangeableduetothebigloadfluctuation.Inordertoguaranteethequalityofsteamtransportedtoconsumers,operationoptimizationofsteamheatingnetworksisnecessary.Withtheonlinethermalhydrauliccalculationbasedonthestructuremodelofring-shapedsteamheatingnetworksatthecore,flowstateofsteamcanbeoptimizedbyaddingregulatingvalvesandusingparallelgeneticalgorithmtocalculatethebestvalveopening.SimulationofsteamheatingnetworksinShanghaichemicalindustryparkshowsthattheproposedmethodcanimprovethequalityofsteamtransportedtoheatconsumers,thusimprovetheoperationlevelofsteamheatingnetworks.KeyWords:steamheatingnetworks;thermalhydrauliccalculation;operationoptimization；parallelgeneticalgorithm0引言公用蒸汽热网是化工、制药、纺织、钢铁等产业园区的重要公用基础设施，是城市管网系统的重要组成部分。蒸汽热网的供热质量直接关系到用热企业工业生产过程的工艺以及生产的安全性问题。为提高供热可靠性，大型工业园区供热管网常采用环状布置，并可能存在多个热源。然而工业热用户用热负荷波动较大的特点使环状工业热网的运行工况组合复杂多变，特定工况组合会导致输送至热网远端热用户处的蒸汽温度或压力达不到合同标准，这将给供热企业带来合同纠纷。由于蒸汽热网“被动式”的运行方式缺乏在线调节手段，供热企业无法掌握主动权，严重影响热网对特殊工况的反应处理能力及运2行经济性。因此，有必要对大型工业蒸汽热网的运行方式进行在线优化调节。目前，对蒸汽管网的优化主要在规划设计阶段或者侧重于硬件设备整改方面[1][2]，对管网运行的调节优化涉及较少。文献[3]可以评估运行时的管网状态，且提出了一种蒸汽管网优化方法，然而它考虑的是经济性问题，却没有涉及供汽品质要求。计算机技术的快速发展，使得在线实时分析计算工业热网的流动状态成为了可能。根据工业热网的详细结构建立的水力计算模型以及实时采集的各热源和回供热用户的蒸汽流量、温度、压力及热用户的流量参数，可在线计算热网各处的理论流动状态及各热用户处的理论温度和压力，实现对工业热网运行状态的软测量[4][5]。本文在此基础上开展热网的运行方式优化，通过在热网中增设调节阀，并采用并行遗传算法搜索出最优的调节阀开度，从而优化调度环网中的蒸汽流动方向及流量，以提高到达热用户处的蒸汽品质。1蒸汽热网热工水力计算任意结构的蒸汽热网系统均可以抽象为由“节点”和“阻力区段”两类对象所构成的“有向流程图”，该有向流程图即可作为热网的水动力计算模型[6]。如图1所示的多热源环状蒸汽热网的系统，存在流量汇集和分配的热源、热用户、三通、疏水器，以及管组上的逻辑划分点均被抽象为“节点”，两节点之间的连接部分被抽象为“阻力区段”。阻力区段内包含若干个串联的“阻力部件”，阻力部件是指管路沿程摩擦阻力部件，或截面突变、弯头、阀门等特殊局部阻力部件。它以准确描述蒸汽热网系统结构为基础，遵循基尔霍夫定律等科学定律和工作原理，细化到管径、管材、管长、弯头、保温层厚度和阀的特性曲线等。热源调节阀热用户AV1S1S2R1R2疏水器图1工业蒸汽热网系统简图图2为上述蒸汽热网系统所对应的有向流程图。设该“有向流程图”用(,)GVE定义，其中V为图G的节点集合，12{,,,}NVVVV，N为节点总数；E为图G的阻力区段集合，12{,,,}MEEEE，M为阻力区段总数。图2热网水力计算有向流程图根据管网水力计算理论，图G内的工质流动必满足基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律。基尔霍夫第一定律也称为“节点流量守恒定律”，即：任一时间段内，流入热网中任一节点的工质质量流量之和等于流出该节点的工质质量流量之和。用矩阵形式公式表示如下：30TAQq（1）式中，A为管网图的关联矩阵；Q为记录管网图中各管段内工质质量流量的行向量；q为记录管网图中各节点净质量流量的行向量。基尔霍夫第二定律也称为“环路能量守恒定律”，即：任意时刻，热网中任一闭合环路内，从一个节点到另一个节点间沿不同环路计算得到的阻力损失相等：0TBP（2）式中，B为管网图的基本回路矩阵；P为记录管网图中各管段总阻力损失的行向量。根据以上定律可以求解蒸汽热网中任意位置的蒸汽流动状态，但是有向图中任意区段的阻力压降与其流量之间为复杂的非线性关系，难以通过联立方程直接求解各区段的流量，因此采用迭代逼近的方法。应用迭代逼近方法求解时，首先采用最小平方和流量分配法对热网流量进行初始分配，然后采用最大闭合差法对热网流量进行调节。基于上述模型和计算方法所开发的蒸汽热网运行状态分析系统（HEATNET）已被上海化工园区运用于日常的热网监控和维护中。利用提供的在线计算功能，系统会自动连接到实时数据库读取热网水力计算所需的相关数据，在后台计算出热网各处的流动状态及各热用户处的理论温度和压力，并在前端显示[7][8]。2运行优化调节方法蒸汽热网的运行优化调节是指在热网运行过程中，随着负荷波动等热网运行工况的变化，对热网进行调节以提高到达热用户的蒸汽品质。2.1存在的问题在传统的蒸汽热网系统中，由于没有任何流量调节装置，流量的分配完全由环网布置和热网中热用户的流量所决定，容易产生某个特定的工况组合下某个热用户处蒸汽品质不达标的现象。例如图1所示的环状蒸汽热网中，热用户A在某个特定生产时期的用汽量较大，故其附近铺设的是大管径的管道，但它平时所需的蒸汽流量较小。某一时刻热用户A的用汽量较小，蒸汽由其两侧的管道S1、S2共同提供，且热源R2较热源R1的温度高，而此时管道S1中流动的是小流量的蒸汽，若没有任何流量调节装置，由于散热，小流量蒸汽流经大管道后温降较大且含湿度较高，这样到达热用户A处的蒸汽就不达标。2.2调节方法为提高环状蒸汽热网的供汽品质，需要调节管网中的蒸汽流动，这就需要改变热源供热量分配或管网的阻力分布。在管网结构固定，且热源供热量分配方式一定的工况条件下，可通过在热网中增设调节阀并根据实时工况调节其开度来优化热网中的蒸汽流动。调节阀的数量和安装位置按以下原则确定：为保证蒸汽热网每个环路可调，需要在热网中安装的最小阀门数量与热网基本环路数相同。对于一个有N个节点和M个区段的热网，其基本环路数为S=M-N+1。若要提高调节灵敏度及可靠性，可增加调节阀的数量，但这种方式会造成管网阻力下降，不利于节能，应参照实际情况适当安装调节阀。为提高调节阀的控制灵敏度，调节阀应安装在靠近热源蒸汽出口的位置。对于复杂环路热网，需保证拓扑结构上每个环路中至少有一个调节阀，即每个热用户处或其他蒸汽出口处的蒸汽参数都可调。阀门在运行中并不是全开状态，开大阀门可以减小阀门所在一侧管段的阻力值，关小阀门可以增大阀门所在一侧管段的阻力值，达到调节管网蒸汽流动的目的。在上述情况下，关小阀门V1，增大V1所在一侧管段的阻力值，则管道S1中的蒸汽流量增大，温降和含湿度减小，这样就提高了热用户A处的蒸汽品质。对于一个复杂蒸汽环网，其中存在的N个调节阀将有多种开度组合：4{12,,,,,vvvivNllll}（3）式中，vil为编号为i调节阀的开度值，由于热网调节的耦合性和滞后性，凭经验对管网进行调节将很难获得理想运行状态。蒸汽热网模型的建立，为热网的运行调节提供了新的思路。3基于并行遗传算法的运行优化为得出理想的蒸汽热网调节方案，利用热网运行状态分析系统HEATNET的在线热工水力计算功能，对安装在热网中的调节阀在各种开度下的全网状态进行预模拟，从而搜索出最优的调节阀开度方案。安装在蒸汽热网中的多个调节阀存在多种开度组合，随着调节阀个数的增加，开度组合的数目将呈指数增长，为加快搜索速度，本文利用并行遗传算法[9]搜索得出理想的调节阀开度优化方案。3.1适应度函数的设计蒸汽热网优化的目标是使得到达各热用户处的蒸汽品质达标，蒸汽品质包括蒸汽温度it和蒸汽压力iP。由于管网安全是供汽品质达标的重要前提[10]，因此将管段蒸汽流速也引入目标函数。算法的目标函数为：1212111211min(,,,)(,,,)(,,,)()uusNNtivvvNPivvvNiiNNwjvvvNlvkjkZtlllPlllwlllNls.t.12min,,,[,1]vvvNllll（4）式中，Z为优化的综合指标，uN为热用户数，sN为区段数，12,,,vvvNlll为调节阀的开度组合，N为调节阀个数，minl为允许的调节阀最小开度，t、p、w、l分别为蒸汽温度、蒸汽压力、蒸汽流速以及阀门开度的重要性权值，it、iP、jw分别表示与理想蒸汽品质相比的相对蒸汽温度偏差、相对压力偏差和相对流速偏差：_1_1_1_1_2_2_2_2,0,,riiiririiriiriiriiriritttttttttttttt（5）_1_1_1_1_2_2_2_2,0,,riiiririiriiriiriiririPPPPPPPPPPPPPP（6）minminminmin0,,jjjj（7）式中，_1rit、_2rit分别为热用户所期望的蒸汽温度能够达到的最低值和最高值，_1riP、_2riP分别为热用户所期望的蒸汽压力能够达到的最低值和