管网优化（精选10篇）
管网优化 篇1
0引言
随着城市规模的不断扩大, 雨水管网系统的逐渐完善, 城市排水体质大都采用雨污分流。当大强度降雨时, 排水管网压力过大, 雨水无法及时排走, 在城区低洼处形成积水, 严重影响城市交通和居民生活。管网设计方案决策以及管网改造对经济效益和人们的日常生活产生的影响越来越大。传统的雨水管网改造基本上是发生积水或者排水不畅后, 待降雨结束后再疏通、改造, 这种“事后改造”的处理方法不具有系统性, 而且工作量大, 往往还有反复性, 浪费大量的人力财力, 还严重影响了人们的生活。因此, 了解城市雨水管网运行现状, 合理进行排水管网优化是十分必要和紧迫的。
1 非点源污染国内外研究现状
欧美等国家对城市非点源污染研究的历史已久。20 世纪70 年代前, 人类开始认识到非点源污染并着手研究, 这一时期的研究多局限于现象的因果分析, 没有定量化的研究[1]。从20 世纪70 年代开始, 在点源污染得到足够重视的同时, 人们经过大量的调查研究, 逐渐认识到非点源污染几乎占到一半。欧美国家在面源污染物模型方面研究较早, 尤其是美国的研究力度较大、也较为全面[2]。20 世纪80 年代初, 美国农业部 (USDA) 研发了化学污染物径流负荷与流失模型 (CREAM) , 为城市径流污染模型的研究提供了更全面的经验。20 世纪90 年代以后, 总结多年来城市非点源污染模型的应用经验, 在提高和完善已建立的模型的同时, 不断推出新的模型。
我国研究城市非点源污染起步较晚, 20 世纪80 年代, 随着湖泊富营养化程度的加重才开始意识到非点源污染的严重性。我国正式研究城市非点源污染开始于北京的城市径流污染研究, 随后上海、南京、西安、成都、涪陵等大中城市也逐渐开始研究[3,4,5]。目前我国城市非点源污染研究主要集中在城市地表径流水质及污染负荷定量化计算方面。夏青[6]研究了北京市城市地表径流污染状况, 基本上是国内关于径流污染最早的研究探索, 评价了北京市城市地表径流污染状况。刘曼蓉等[7]研究了南京市城北地区暴雨径流污染状况, 主要测试了降雨径流中的污染物浓度, 预测了排污负荷。
2 雨水管网优化方法
2.1 直接优化法
直接优化法是根据排水管网的性能指标, 直接对各种方案进行比较, 选择可调参数进行计算。相对而言, 直接优化法具有直观、直接和容易验证等优点。一般有以下几种直接优化法:1.枚举优化法:通过比较可能的管径组合, 进行直接优化。该方法负荷管径规格离散有限, 对中小型管网有很好的效果。2.电子表格法:电子表格法 (Electronic Spreadsheet) 是利用Lotusl-2-3 中的“电子表格”统计数据和分析数据以进行管网优化。计算结果比动态规划发要好。3.两相优化法:算法与人工计算基本相同, 在确定设计流量之后, 设定约束条件, 选择最大充满度和经济流速, 进而得到最优管径、最小坡度、最小管道埋深[8]。
2.2 间接优化法
间接优化法是指对排水管网设计中复杂的约束条件适当取舍, 把它简化、抽象为容易解决的数学模型, 计算得出最优解。常用的间接优化法主要有以下几种:1.线性规划:线性规划 (Linear Programming) 是一种最为常用的最优化算法。可以用于排水管道设计, 也可以分析己建成排水管道运行状况。它需要将所有目标函数和约束条件严格线性化, 这种过分的简化脱离了实际, 预处理工作量大, 精度也难以保证。2.非线性规划法:非线性规划法是Dajani和Gemmell在1972 年建立的[9]。它是基于求导原则, 可以使计算管径与实际规格相同, 计算结果有可能是局部最优, 却不是全局最优。3.动态规划法:动态规划法是Mays和Yen在1975 年首先引入到排水管道系统优化设计中的。一是以节点埋深作为状态变量, 通过坡度分析直接利用标准管径, 优化约束与初始解无关, 但是计算中的埋深间隔很小, 使计算存储量很大。二是以管径为状态变量, 通过流速和充满度进行最优解计算, 但标准管径有限, 与以节点埋深为决策变量方法相较在计算机存储和时间上有显著优势。但用动态规划法求出优化设计方案只是一个近似的全局最优解, 是否需要跌水是动态规划法的盲区。4.遗传算法:遗传算法 (Genetic Algofithms) 是一种随机优化算法, 为模拟生物学中的自然遗传而提出来的。在解决中小型管道系统问题时, 遗传算法可以求得趋近于最优解的可行方案。
3结语
本文就城市雨水管网优化的必要性和紧迫性进行分析, 并对其计算方法进行了归纳。期望更多的学者投入到城市雨水管网的优化计算中, 合理设计城市雨水管道, 减少内涝灾害及由此产生的水质污染问题。
摘要：我国的非点源污染问题非常严重, 降雨径流携带的农药以及道路冲刷的污染物进入河流造成城市河流污染, 严重影响了城市内河的水环境。城市排水系统是城市的输送系统, 对整个城市的健康发展有着不可替代的作用, 随着城市规模的不断扩大, 雨水管网系统的逐渐完善, 大城市排水体质采用雨污分流已成大势。因此, 了解城市雨水管网运行现状, 合理进行排水管网优化与调整是十分必要和紧迫的。本文根据前人的研究成果, 总结了雨水管网优化方法。
关键词：雨水管网,优化计算,非点源污染
参考文献
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管网优化 篇2
(1)管网布置优化:管网水力计算是建立在管网布置确定的基础上。
管网布置是否合理，最直接的影响就是管线长度，管线越长，造价越大。其次管网布置还需要综合考虑地形、施工的难易、管路运行可靠性等因素，而这些因素有时需要借助设计者的经验。国内外的学者对管网布置进行了深入研究。董文楚(1984)以造价最小为原则优化了树状输配水管网的布置，首先通过距离最短原则布置了给水栓，然后按1200夹角和经济流速对管网布置进行了逐级调整。朱振锁(1991)分析了自压喷灌管网各级管道单位面积造价与管网形状和面积的关系，并提出了优化布置的顺序。林性粹等人(1993)在低压树状管灌系统优化设计中，首先利用正交表进行了管网布置，然后据非线性数学规划法优化了管径，但得出的不是标准管径。魏永曜(1992)应用总长度最短法得出的最小生成树优化了管网布置，并对其进行了修正，之后以管网造价最小为目标优化了管径，提出了适应不同地形的数学规划法。王雪珍(1995)编制了输配水管网布置和绘图的程序。周荣敏等应用改进的遗传算法，以管网造价最小为目标，优化了树状管网的布置。
(2)管径优化:管径优化是建立在管网布置的基础上。
管径优化设计模型包括基于工程经验的非数学规划模型和基于数学技术的数学规划模型两大类。其中线性规划模型、非线性规划模型、动态规划模型都属于数学规划模型，应用较广。若约束条件或目标函数存在线性函数，称为线性规划模型，同理，若存在非线性函数，称为非线性规划模型。动态规划模型是一种求解多阶段决策过程的最优化方法。在管网系统中，管道和各种水力元件的水头损失等都是非线性的，因此，非线性规划模型能够比较真实精确地反应管网系统的实际状态。国内外很多学者建立了大量管网优化设计的非线性规划模型。魏永曜(1983)采用了经济管径而非经济流速来优化管径，首先确定了管段经济水头损失值，然后利用微分求极值确立相应管径，该法简单，但考虑因素较少，而且需对求解管径标准化，破坏了解的最有性。刘子沛(1986)以离散的标准管径作为优化变量，利用动态规划法优化了串联管网，由于该法建立在地形高差大等条件下，实用受限。杨健康(1990)建立的非线性规划模型是以管径为变量，优化目标为允许水头差的分配。陈渠昌、郑耀全等人()以一定的假定为基础，限定了地形和毛管出流量的范围，以支毛管压力差分配比例为变量，建了单位面积管网投资最小的平地田间管网优化设计模型，由于条件多，应用受限。翟国亮、董文楚()等以变径支管组合方式和组合比例系数为变量，年费用最小为优化目标建立了优化模型，计算步骤是首先计算经济组合比例参数，然后对多种组合方式进行了年投资计算，然后选择最优方案，由于计算繁杂，应用受限。张庆华、马庆斌等人()以管径为变量，管道系统年费用最小为优化目标，建立了管径无约束情况下的优化模型及其求解方法，该方法考虑的影响因素较少，很难推广。王新坤、林性粹等人(2001)以田间管网投资最小为目标建立了优化模型，利用枚举法和动态规划法分两级对支管管径进行了求解，首先利用枚举法确定出了支管允许水头差，然后利用动态规划法得出了支管管径，由于田间面积较大时，不宜采用枚举法，实用受限。白丹在管网优化方面作了很多研究，例如利用线性规划法对管长和水泵扬程进行了优化。目前，随着计算机软硬件的高速发展，涌现了一些智能优化算法，诸如人工神经网络、模拟退火算法以及遗传算法等。周荣敏、林性粹等人()对压力树状管网进行了优化设计，首先以管路长度最短为目标，利用单亲遗传算法进行了优化布置，然后利用神经网络技术优化了管径和水泵扬程，该法在大规模的管网设计中具有明显的优越性。
2存在问题及展望
目前，管网优化算法理论方面的研究和革新较少，多数着眼于算法的改进和创新，各种方法都有自身的优缺点及适用性。单纯形法是求解线性规划模型的通用算法。线性规划模型约束条件多，未考虑非线性的费用项，影响了求解问题的规模和精度，这些不足都限制了线性规划模型的推广应用。适用于非线性规划模型的算法较多，如罚函数法、梯度法等，各种算法都有各自的适用性。另外，非线性规划模型的变量一般为连续变量，需要把优化结果调整为标准值，影响了解的最优性。动态规划模型在小型树状管网的优化设计中显示出了优越性，但随着管网形式的复杂化，动态规划模型对硬件的要求越来越高，运行时间也较长，有时无法得到最优解。另外，动态规划模型模型受人为主观因素影响大，没有构造模型的统一方法，因此，动态规划模型应用受限。模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，不易使搜索过程进入理想的搜索区域，寻优效率不高。人工神经网络算法需要具备扎实的计算机知识，算法的实现有硬件和软件两个方面，硬件实现最大的优点是处理速度快，但缺乏通用性和灵活性。软件实现的最主要问题是人工神经网络模型计算量特别大。遗传算法是一种可处理任何形式目标函数的全局寻优算法，寻优原理是模拟自然界的生物进化，即在选择、交叉，变异过程中不断优化，并始终以概率1接近最优解，虽然算法中各种参数的选择会影响寻优结果，但是算法的鲁棒性使得受参数影响较低。另外，Matlab遗传算法工具箱可以提供了大量函数，这些函数的应用简化了遗传算法计算机的`程序编辑，并且已经得到广泛的应用。大量的实例研究表明，应用遗传算法优化管网设计可节约6%-49%的管网费用，一般都能找到15%-25%的节约，且系统越复杂，投资越节省。周荣敏利用单亲遗传算法进行了树状管网的优化布置，在较短时间内获得了一批最优或近最优的最小生成树布置方案。但是对于实际问题而言，由于管网连接方式不同，各管段流量分配、水力分析的结果也不同，下面举一个简单的例子说明，如下图所示:两个简单树状管网节点连接方案图Figure1Twosimplespanningtreesforanetwork1点代表水源，分别向节点2，3，4供水，很明显，左图管线长度大于右图，但左图各节点离水源点近。若地势平坦，各节点高程一样，则最远点水压满足要求，其它都满足。在水源水压一定的条件下，为保证最远节点2点的水压要求，1-3，3-4管段须通过减小流速减少能量损失，这就需要增大1-3，3-4管的管径。管径增大，投资也就增大了。因此管线造价有可能更高。所以管线最短未必投资最少，管网布置和管径同步优化是非常有必要的。
3结语
随着节水灌溉在我国的广泛普及，管网优化越来越受到工程人员的重视，这一方面的的研究将日趋深入和完善。遗传算法在德国16个大领域、250多个小领域中得到广泛引用(1993)，在国内，遗传算法在管网优化中的应用非常有限。随着遗传算法研究和应用的不断深入和发展，可以预见，遗传算法在管网布置和管径同步优化方面能得到应用，从而使管网系统设计整体最优。
参考文献:
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管网优化 篇3
【关键词】集中供热；管网；优化
Central heating pipe network operation to adjust the optimization method of
Zhao Yong-chen,Li Xiao-guang
(Fushun Municipal Engineering Design Institute Co., Ltd Fushun Liaoning 113008)
【Abstract】Centralized regulation of the heating pipe network optimization run, the management of quality regulation is simple, easy to operate hydraulic condition is stable, but the cycle of water always remains the same power consumption more. The volume control can save a lot of energy, but as the outside temperature rises, the network traffic is rapidly reduced, often makes the heating system to produce a serious imbalance of the vertical heat and the operation is complex, difficult to manage. Phased change the flow of quality adjustment combines the advantages of quality adjustment and volume control, and both avoid the vertical imbalance, but also significant power savings. Therefore, for the central heating pipe network optimization, this paper will focus on the heating pipe network adjustment optimization study.
【Key words】Central heating;Pipe network;Optimization
随着现代技术经济的不断提高和节约能源的迫切要求，供热工程已经成为热能工程中的一个重要的组成部分，日益受到重视和发展。城市供热系统也由分散的取暖炉逐步发展为区域锅炉房、热电联产等大型集中供热系统。对集中供热管网而言，运行参数是供热运行中重要的技术指标，参数的合理性直接关系到供热系统的经济性以及热用户的供热质量。从运行参数优化入手，将运行参数优化与热网水力平衡和热力平衡有机地结合起来，可以达到供热节能的效果；另一方面，充分考虑热网的供水温度与流量变化的综合影响，对热网的供热量及时而有效的调节是保证供热质量和效益的前提。
1. 供热管网运行调节优化的现状
集中供热系统由三大部分组成:热源、热网和热用户。其目的在于维持室内气温适合，使建筑物始终处于得热与失热的平衡状态。其中热网承担着将热源的热量及时地输送、分配给各个热用户的任务，起到连接二者的桥梁作用，是供热系统的重要组成部分。近年来，随着我国城市集中供热事业迅速发展，集中供热系统供热面积逐渐增大，管网的结构越来越复杂，相应地在供热管网上面的投资也越来越大，热网越来越显示其重要性。供热管网越来越多地走向人们的生活，热电厂集中供热和区域集中供热急剧增加。我国城市供热管网的特点是热用户分布区域广、分支多，有些热网为提高供热可靠性和应付供热发展的不确定性，在规划设计时就将热网像市政给水管网一样成网格状布置，却存在热水力工况和控制复杂，网格状管网投资非常高的问题。因此，我国城市 供热管网仍然多为多条枝状管网放射型布置。在现阶段，部分城市集中供热管网存在管道老化、腐蚀严重、技术落后、热能浪费、安全事故时有发生等问题，造成了不应有的浪费，影响了城市生产和生活秩序。因此，为了减少能源消耗、降低运行费用、提高运行安全性和经济性，供热管网的优化运行迫在眉睫。保证供热质量能否把生产的热能，按热网用户需要进行合理分配，这就要求热网在设计中选择最优方案、进而搞好城市的供热问题。
目前，我国大部分地区供热系统管网优化运行计算仍然使用逐段计算的方法，该方法计算效率低，工作量大，适应性差。由于计算量巨大、计算过程复杂，单纯使用手算的方法已难于达到要求。随着计算机技术的迅速发展以及管网计算理论和方法的不断完善，使得我们运用计算机解决复杂管网的水力计算并快速选择最优调节方案成为可能。只有以准确的水力计算为基础，快速的对大型供热管网进行多方案择优、可靠性分析以及技术经济性计算，才能适应日益复杂的供热管网运行要求及发展。
对供热管网而言，运行参数是供热运行中重要的技术指标，参数的合理性直接关系到供热系统的经济性以及热用户的供热质量。从运行参数优化入手，将运行参数优化与热网水力平衡和热力平衡有机地结合起来，可以达到供热节能的效果另一方面，充分考虑热网的供水温度与流量变化的综合影响，对热网的供热量及时而有效的调节是保证供热质量和效益的前提。因此，研究供热管网的优化运行方法是保证热网安全、经济运行的有效手段和必需措施，也是提出本课题的现实意义。
2. 供热管网运行优化方法
集中供热管网的设计需考虑它的技术性、初投资和运行中的能量输送损失这三个方面，对于一个布局已定的集中供热管网的设计，存在着寻求这三个目标综合起来的优化问题。然而，技术、经济和能量这三个目标之间是矛盾的。追求高的经济目标，将导致降低热网运行的能量目标，如何将这三个目标统一起来，形成一个综合的目标，是解决布局已定的树状热网设计最优化的关键问题。供热管网调节是一项复杂细致理论性和专业性较强的工作，其目的是使热用户内散热器的放热与热用户热损失的变化相适应，以确保热用户室内温度达标，既节约能源，又保证供热质量。因此，有必要对集中供热管网的优化设计进行理论分析，逐步引中和发展，以解决热网系统问题。在具体的设计集中供热管网过程中可以从以下方面出发来优化集中供热管网的设计。
2.1 调节优化。
初调节一般在供热系统正式运行前进行，也可以在供热系统运行期间进行。初调节的目的是将各个热用户的运行流量调节至理想流量，即满足热用户实际热负荷需求的流量。只有保证了初调节的质量，使实际流量达到设计流量，才能保证对热用户持续稳定的供热，更有利于用户端的调节。目前初调节的方法包括阻力系数法、预定计划法等，但因为调节工作量大，一般很难在实际中得到运用。随着各种平衡阀以及智能仪表的开发应用，为解决实际运行工况下的失调问题，又陆续提出了多种初调节方法，如比例法、补偿法、模拟分析法、模拟阻力法、温度调节法等等，这些方法在实际供热系统中都得到了不同程度的应用。
2.2 参数优化。
二次网供、回水压差要满足克服系统阻力的要求，由于循环泵消耗功率与介质体积流量的三次方成正比，因此在考虑二次网供回水压差时应优先确定系统合理的体积流量，以降低运行电耗；二次网定压压力应保证运行时最不利端充满水，并能将气排净，具体确定时要考虑以下四个方面的因素:热力站供热半径、热网最高点高度、供热运行方式以及系统阻力；二次网热力站一般采用变频补给水泵定压，定压点可设在供热系统总回水管上或补给水泵出口总管上，以保证定压压力的合理确定。
2.3 多热源联网调度优化。
供热系统多热源联网运行可以提高系统的可靠性以及不同形式热源合理匹配带来的热源运行的经济性等，但在具体的运行调度时还应注意以下问题:
（1）各个热源热负荷的分配。
热源承担热负荷的能力受到热源本身容量的限制，同时受到热网输配是否可及的限制。另外，不同热源制备热能和输送热能的成本随承担的负荷而变化，在实际操作中还要考虑不同热源的经济性、可靠性和灵活性等。因此，主热源应为热电厂，目_满负荷运行；次热源为区域锅炉房，在热负荷达到一定规模时投入；燃气、燃油锅炉房作为调峰热源可以随时投入。
（2）国的热源供热负荷调节能力较差，经常存在供热量不足的问题，因此供热过程中首先考虑维持整个二次网的供、回水平均温度一致，实现均匀供热。具体的调度方法是:按照各个热源的热负荷分配比例调度各个热源的供热量，同时按照最不利环路的运行工况调整整个供需关系，控制各个热源处循环泵的转速，使各个热源的供水温度保持一致。
（3）热网水力工况的调整。
热网水力工况的优化调度，可以使得管网充分发挥其输配能力；此外，输配系统本身的动力消耗于分巨大，水力工况的优化调度可以尽可能的减少这部分能量消耗。因此，需要对多热源联网运行进行水力工况模拟分析，计算出水力会交点的位置、热网的压力和流量分布、各热源循环水泵的运行工况和耗电量等等，以便于及时调整水力工况，指导多热源的联网运行调度。
参考文献
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供水管网优化研究概述 篇4
1 管网优化设计建模
单目标模型:最早的管网优化模型是罗巴乔夫和莫希宁建立的用于环状管网的优化模型。该模型以管网建造费与运行费之和作为目标函数,以水力平衡关系为约束条件,对实际管网而言,该模型比较粗糙实用价值不大。在几十年里研究人员从不同角度提出了大量的优化模型,大部分优化模型都存在没有考虑管网可靠性的缺陷。
多目标模型:2005年Raziyehparman[1]等人建立了总费用和可靠性数学模型用于给水管网设计计算,2005年刘英梅[2]在基于可靠性的基础上进行管网改扩建的优化设计。此处,我们给出供水管网多目标优化设计模型的表达式[3]:
1)管网优化设计经济性目标函数。
min
其中,Z为管网的造价;p为折旧与大修费率;t为建设投资回收期;Li为第i个管道的管长;NP为供水管网的管道数;a,b,α分别为统计常数及指数;Di为第i段的管径;β为设计年限内供水能量变化系数;E为电价;Q为进入管网的总流量;∑h为从管网起点至最不利点任一条管段路径的总水头损失;η为水泵站的效率,一般为0.55～0.85。
2)管网优化设计可靠性目标函数。
其中,Hi为节点自由水头;Hmin为节点所要求的最小自由水压;Qi为节点流量;γ为水的比重;Qp,Hp分别为泵站的供水量及其扬程。
该数学模型综合了管网优化设计的经济性和可靠性。进行管网优化设计,就是在满足相关约束条件下,求出使上式最小值的管网管径布置方案(约束条件见文献[3])。
2 遗传算法原理及在管网优化设计中的应用
1)遗传算法原理。
遗传算法[4]首先采用某种编码方式将解空间映射到编码空间,每个编码对应问题的一个解,称为个体或染色体,再随机确定起始的一群个体,称为种群。在后续迭代中,按照适者生存原理,根据适应度大小挑选个体,并借助各种遗传算子对个体进行交叉和变异,生成代表新解集的种群,该种群比前代更适应环境,如此进化下去直到满足优化准则。此时末代个体,经过解码,可作为问题近似最优解。
2)遗传算法应用于供水管网优化设计中的具体步骤:
a.利用约束条件来对若干组管径值组合的合理性进行判断,得出问题域。
b.定义管径优化问题的目标函数,确定求解变量的定义域,选择适当的编码格式,表示优化问题的解。
c.确定遗传算法计算的各种基本参数,形成初始群体。
d.分析和计算遗传群体中每个个体的水力特性和管网费用,计算出个体的适应度值。根据个体的适应度来确定其生存能力。
e.对遗传群体执行选择、交叉和变异算子,产生新一代遗传群体。在确定了问题初始化群体和群体评价函数后,对编码空间的群体进行遗传操作。
f.重复以上步骤d,e,直到满足遗传算法终止条件,由最终的遗传群体确定出管网优化设计的方案。
3)遗传算法应用于管网优化计算的优点。
a.遗传算法只需要适应度信息,不需要导数等其他辅助信息,对问题的依赖性较小,能够得到一组直接以市场规格管径表示的满足要求的优化解,更能适应管网计算要求。
b.在搜索中用到的是随机的变换规则,同时它在一定的约束条件下采用启发式搜索,兼顾了搜索的广度和方向性,搜索效率高。
c.遗传算法从一组初始点开始搜索,而且给出的是一组,这一方面增加了全局寻优的能力,另一方面也给设计者更大的选择。
3 模拟退火遗传算法在管网优化设计中的应用
模拟退火算法是一种通用的优化算法,易于实现且可有效避免陷入局部极小值而最终趋于全局最优。
采用模拟退火遗传算法:在模拟退火遗传算法中引入模拟退火决定是否接受交叉后的新个体。设f1old,f2old,f1new和f2new分别表示交叉前染色体I1old,I2old和交叉后染色体I1new和I2new的目标函数值,则新染色体I1new(I2new)以一定概率P取代交叉前染色体I1old(I2old),P表达式如下:
其中,Δf=(f1old+f2old+f2new+f1new)/4-f1new(f2new)。
Tg为温度,温度衰减函数如下:
Tg=T0αg-1g (5)
其中,T0为初始温度;g为进化代数,0<α<1。
分析式(4),式(5)可知,随着进化代数的增加,Tg逐渐减小,从而接受比期望目标函数值低的新个体的概率减少。这就表示在遗传算法进化初期,即g较小时,模拟退火能够接受大部分新个体以扩大取值空间,而在遗传算法中后期,即g较大时,模拟退火倾向于接受比期望目标函数值高的新个体,而排斥了交叉或变异后目标函数值低的新个体。因此,这种将模拟退火与遗传算法相结合的方法不仅具有遗传算法的优点,还增强了遗传算法的爬山能力。
4 结语
本文中分别介绍了目前常用的供水管网优化设计建模,多目标的优化设计建模能相对完整地体现供水管网优化设计的目的。在管网优化设计中,遗传算法仅为问题的解决提供了一种新的途径。目前遗传算法在许多方面有待完善,本文给出了一种结合模拟退火的遗传算法进行寻优,通过仿真试验验证使用模拟退火的遗传算法可以克服基本遗传算法早熟和收敛性差等缺点,更高效地得到管网优化结果。然而,任何优化课题总是只能获得相对的最优,因此在实际工程应用时既要按现象尊重数学模型科学地定量分析,又要应用丰富的经验分析修正,以真正实现管网系统的优化设计。
摘要：简述供水管网的优化设计建模和优化算法,重点介绍了供水管网的多目标优化设计及遗传算法用于供水管网的最优化理论,并针对该方法用于供水管网优化设计的缺点,提出了模拟退火遗传算法求解给水管网管径优化解的计算思路。
关键词：管网优化设计,建模,模拟退火遗传算法
参考文献
[1]Raziyeh Farman,Godfrey A.Walter,Dragan A.Savic,Trade-off between Total Cost and Reliability for Anytown Water Dis-tribution Network,Journal of water Resources and Manage-ment,2005:161-171.
[2]刘英梅.基于可靠性的给水管网扩建改造的优化[D].天津:天津大学硕士学位论文,2000.
[3]朱发,季春雷.给水管网优化设计的多目标遗传算法[J].节水灌溉,2008(6):15-16.
[4]周明,孙树栋.遗传算法原理及应用[M].北京:国防工业出版社,1999.
管网优化 篇5
一、市政热网
1.项目周边是否有城市热网？管径多少？市政热网接口位置？供热公司能够提供的容量是多少？
2.城市热网是热水还是蒸汽，热水供回水温度（如是蒸汽，提供蒸汽温度及压力）？
3.市政热网全年供应还是采暖季供应？各期的供热参数，如全年供热，是否有检修期，检修期的时限？
4.市政能源价格，挂网费如何收取？如为全年供应市政热网，全年使用和采暖季度使用的价格差异？
5.供暖费用是按面积收取还是按照热量收费？能否实现按热量收费？
6.市政热水（或蒸汽）温度能否保证？提供最近几年的供暖温度参数调查。
7.热风幕能否直接接驳市政供热一次网？
8.住宅部分的换热站是由换热公司还是天纵承建，管理？ 9.商业部分的换热站是由换热公司还是天纵承建，管理？能否与天纵制冷站合并设置？ 10.二、燃气
1.项目周边是否有现状燃气管线？如没有现状管线，是否有近期规划？
2.本项目的燃气用量为
m3/h，现状管网能否满足使用需求。3.调压设备价格？调压设备的尺寸？调压站设置位置要求？ 4.燃气种类(煤气、天然气和液化石油气等)，热值多少？ 5.各类用户（民用和商用）用气价格？
6.是否有增容费用或配套费用？燃气的工程费用的组成？住宅和商业是否有区别。
7.燃气设计是否必须由当地燃气设计院完成？燃气室外管网和室内燃气设计是否可以分开设计？室内设计只提供燃气量，不提供灶具参数是否可行？
8.能否多点入户，分别设表？是否需要建燃气表房，及表房位置要求？
9.非普通住宅的公寓是否可设置燃气？
10.燃气锅炉房是否可设在地下室或屋面，燃气公司和消防局是否有特殊要求？
11.燃气管网在室内及地下室敷设时需要注意哪些事项？室外（含屋面）管网敷设的注意事项？
市政排水管网的设计及优化 篇6
作为我国城市建设过程中的关键构成部分, 市政排水管网的投资在整个排水系统投资中占据着绝对重要地位。所以说, 优化设计市政排水管网有着重大意义。伴随着我国经济的快速发展, 城市道路的大量修建, 使得排水管网获得大面积普及应用, 然而, 仍然存在诸多消极影响问题。作为现代化城市基础性设施, 市政排水管网系统建设可谓是城市水污染防治工程中的关键性建设内容。为此, 在充分满足各类型约束条件的基础上, 实现对排水管网的埋深以及管径等组成因素的优化选择, 将污水管网建设所需的投资费用尽可能降至最低, 可谓是优化设计排水管网的主要实现目标。就目前的情况, 计算机技术在各行各业中均有着较为广泛的使用, 其在人们的生产生活有着良好渗透, 则能够将计算机技术应用于市政排水管网优化设计中, 使用软件, 进行相关程序的合理编制, 提升设计效率。
二、市政排水管网优化设计所涉及的相关内容
1. 排水管渠
优化设计排水管渠的时候通常涉及有四个方面的主要内容, 具体来说, 第一, 确定城市实际集水范围以及最佳的排水分区数量;第二, 确定排水系统管线的最佳布置形式;第三, 在已经确定管线布置形式的基础上进行管系的优化设计;第四, 构建对应的雨水径流模型。
2. 污水管网
优化设计污水管网的过程中通常涉及有两个方面的主要内容, 具体来说, 第一是优化选择管线的平面布置;第二则是在已经确定管线平面布置的基础上优化设计管径与埋深等管段相关参数。由此可知, 在优化设计市政排水管网的进程当中, 所需解决的主要问题即为进行平面布置方案的有效确定, 并基于此, 优化设计排水管道埋深以及管径、提升泵站, 深入探究市政排水管网的平面布置方案。
三、在平面布置已经确定的基础上所实施的市政排水管道优化设计
一般来说, 针对市政排水管道所实施的优化设计主要指的是, 针对某个设计管段, 将相对应的设计流量确定下来以后, 结合设计规范中所要求的坡度以及管径的各种组合, 计算敷设费用跟管材费用之间的有效平衡。在已经确定排水管线平面布置的基础上, 针对管径和埋深实施设计优化, 国内外均对此做了大量的研究工作。在此, 将着重推荐几种优化设计方法。
1. 两相优化法
该种方法是在充分满足流速约束条件基础上, 将最经济的流速合理地选择出来, 若是流速出现增加的情况则需根据流速每秒一米的步长增加, 而后, 结合相关的确定流速以及设计流量进行最优充满度以及管径的合理选取, 获得所需的最优坡度, 即为尽可能小的坡度情况。
2. 遗传算法
首先需要注意的是, 进行市政排水管网优化设计的过程当中, 无论采用哪种方式方法均需将相应的设计规范当作是最基本的要求, 并尽可能地将费用值降至最低。遗传算法要求针对所涉及的所有参数实施有效的编码处理, 同时针对目标函数实施适应度函数的转换处理措施, 然后结合转换之后的适应度函数的实际大小情况进行对生物进化过程的不断模仿, 针对参数编码执行选择以及交叉、变异等等行为, 一步步实现目标函数的最小获取。
3. 非线性规划法与线性规划法
非线性规划法能够充分适应计算模型中所涉及的目标函数及变量所具备的非线性特征, 其能够实现对管径与埋深的优化选择, 但在某种程度上来说, 该种方法会对目标函数以及约束条件的具体形式造成很大的限制。
线性规划法则是就排水管网设计计算中的约束条件和目标函数的非线性, 分别用其一级泰勒公式展开式代替用线性规划的解作为问题的近似解反复迭代。使迭代序列逼近非线性规划的最优解。缺点是把管径当作连续变量来处理, 存在计算管径与市售管径不一致的矛盾, 且前期准备工作量大。以后发展的整数规划法虽然在一定程度上解决了线性规划的缺点, 但是其整型变量比较多, 难以求解。
4. 动态规划法
在我国, 该种方法相对较为常见一些, 其所依据的基本思想是为将市政排水管网设计当作是涵盖有很多个阶段的过程, 并针对整个设计过程实施合理的阶段划分, 进而有效地开展管道优化设计工作。将节点埋深作为是状态变量, 通过坡度决策进行全方位搜索, 优势在于是直接采用标准管径, 能够针对具体的计算深度实施有效控制, 可是由于其所要求状态点间埋深间隔相对较小, 导致存储量以及时间间隔大幅度增加, 基于进行缩小范围的迭代过程引入, 使其有很大局限性;将管径当作是主要的状态变量, 通过流速和充满度决策, 因为能够进行使用的标准管径数目相对有限一些, 所以其在存储以及计算机速度方面占据有较大优势。之后衍发出可行管径法, 这种方法能够促进计算精度的优化提升, 尽可能实现计算机实际存储量以及具体的计算工作量的明显减少。
5. 优化排水管网坡度设计
满管流或水面平接非满管流多管段排水管网中, 各管段在交汇节点上的水位高程相等, 可以归纳为能量连续的排水设计管段。将工程造价的最小值当作是目标函数, 输水能量则运用设计管网起始点间所存在的水位差最大值, 将相应的设计规范作为主要的约束条件, 构建对应的坡度数学模型, 通过分析模型求得管网系统中各个管段最佳管径以及最具经济价值的坡度。
四、市政排水管网设计中存在的主要问题
1. 重视程度不够, 缺乏合理的系统规划
通常在城市建设规划过程中, 管理者往往只重视地面以上的建设情况, 而对于地下排水系统没有予以充分地重视, 在路网规划过程中没有充分地分析片区排水情况, 导致排水规划不合理, 有的只考虑道路两侧局部范围内的排水, 而忽略了上游的转输流量。甚至还有的片区根本没有做整体排水规划, 只是在市政道路设计时才进行排水管网设计, 各条道路的管网孤立进行设计, 最后路网成型后发现有的道路的管网在高程及管径方面无法很好地与上下游管线衔接。
2. 设计标准偏低
目前我国的很多城市市政排水系统设计标准一直采用的是一年一遇或三年一遇, 并且这种设计标准已经沿用了许多年, 但近年来我国城市化不断发展, 市政道路两侧地块迅速的硬化并被利用, 这对原有雨水系统的排放方式造成较大影响, 使得地表径流系数不断提高, 雨水难于渗透到地下, 大量的地表水积聚于路面, 雨水系统排放压力大大增加, 形成“水浸街”等内涝问题。特别是近年来一到暴雨季节, 我国很多城市便出现内涝, 严重影响了车辆的正常通行和行车安全, 尤其是2012年7月北京出现多起行车至地势较低的积水路段时, 车辆被淹没造成车内人员死亡的现象。这种城市内涝现象很大程度上与排水设计参数取值偏低有关。
3. 雨水综合利用程度不高
在当前的市政排水设计中, 往往过分依赖于雨水管网系统的排水能力, 而忽略了大的城市水循环系统的形成, 在雨水管道设计时没有考虑充足的雨水蓄存空间, 没有为雨水留足排泄的通道, 从而大大增加了管网系统的负荷, 尤其是在暴雨季节可能会出现超负荷而形成内涝现象。
4. 排水管网细节设计不合理
在排水管网的具体设计过程中, 因人为因素造成很多不合理的地方, 如因资料不齐而导致设计参数选择错误, 造成管径偏小或偏大, 管道坡度控制不合理而影响排水性能, 没有进行管线过街预留或预留不合理, 排水管网与其他管线在高程上存在冲突等问题。这些设计不合理之处会给管网系统的施工和后期正常运营带来不利影响。
5. 计算机互联网等先进技术应用水平不高
由于我国还没有对城市排水予以足够的重视, 因而在管网规划设计、维护管理、调度运行等方面还没有开发和运用一些先进的计算机互联网等技术, 造成管网设计水平低下, 也不利于后期维护和管理的开展。
五、市政排水管网分区
最优管网分区方案需为在相应年限内管理费用加上建造费用最小且技术具有很强的合理性的方案。具体来说, 管道费用即为排水管网的建造费用, 其多少主要是由管径、管长以及管材等等因素所决定的;泵站的运行费用则为排水管网的管理费用, 其多少主要是由水泵扬程与实际流量所决定的。就目前的情况来看, 年折算费用法是应用在管网工程的经济评价方式, 其主要指的是在基准投资回收期的各个年限中完成方案建设投资费用的合理分摊, 而后叠加各个年限的实际经营成本。将所得出的折算费用值最小的方案作为是最优方案。
六、结语
城市道路排水管网系统的优化 篇7
随着城市化进程的加快，城市中大量地面被硬化，不透水路面迅速增加，给城市防汛工作带来了很大的压力，城市内涝频发。据住房和城乡建设部2010年对国内351个城市排涝能力的专项调研显示，2008年至2010年间，有62%的城市发生过不同程度的内涝，其中内涝灾害超过3次以上的城市有137个。发生的内涝城市中，最大积水深度超过50厘米的占74.6%，积水深度超过15厘米(可能淹没小轿车排气管的水深)的多达90%，发生内涝城市中积水时间超过半小时的城市占到78.9%，其中57个城市的最大积水时间超过12小时。
城市道路排水系统严重滞后，是造成城市内涝最直接的原因，也是各级领导执政为民亟待解决的一个重要课题。随着“四新技术”的问世和推广使用，对改善城市落后的排水系统提供了有利的条件。现代化大都市的排水系统应具备超前、安全、可靠、快速的特性，能够应对灾害性气候，具有快速排除积水的优良功能。
二、排水管网系统优化措施
1. 翻板式滤水窨井
城市树木的落叶、废弃的纸屑、塑料袋等生活垃圾堵塞排水系统是造成城市道路积水的重要原因之一。滤水窨井盖既排水又滤渣，能有效的防止树叶、废纸、塑料袋等垃圾堵塞雨水管道，改善和提高雨水井、雨水管排水的功能。城市道路清洁工在打扫卫生时，翻开井盖清除滤网内的垃圾，既方便又防堵(图1)。
2. 合理设置排水管道的位置
综合分析历年来城市道路雨水系统损坏的情况，排水管设置在主车道下的损坏现象最严重，约占总维修量的86%以上。主车道是道路主受力区域。随着城市车流量的大幅攀升，城市道路的设计车流量和荷载已远满足不了快速升温的购车族的需求。道路不堪重负，破坏严重，直接危及地下排水系统。排水管接口松动渗漏，水管破裂渗漏，大大降低了排水管网的设计排水量。为防止上述不良情况的发生，排水管系统应尽量设置在中间隔离带和人行道下，可以有效防止车载作用对排水管网的破坏。
3. 科学计算、合理配置排水管的直径
原来城市道路主雨水管的管径一般都采用φ400～500mm的预制钢筋混凝土管，支管的管径为φ300mm左右，小区内的排水管径为φ200mm以下。在正常情况下基本上能保证排放功能。但是由于预制水泥混凝土管的内壁较为粗糙，污泥和树叶、塑料袋等垃圾极易沉积，随着日积月累的推延，管容积逐渐缩小，排水量也随之减少。如果定期清理管内的沉积物可以减少和缓和上述现象的发生。由于水泥管内的沉积物清除工作十分困难，效果不理想，采用新型高强度双层PVC波纹管(该管具有强度高、重量轻、耐腐蚀、内壁光洁、施工方便等优点)，有利于积水和污泥等杂物的排放。是现代化城市排水系统首选的新型排水管材。
为了加快灾害性天气发生时，城市道路雨积水的排放速度，在旧城改造和新城建设的排水系统中，雨水管直径可适当放大，主雨水管可选用φ1000mm左右，支雨水管可以选用φ500mm左右，小区道路可选用φ300左右管径的新型材质的雨水管材，这样有利于在强对流天气发生时以最快的速度、最短的时间排除城市道路的雨积水。
4. 特殊地段，加密雨水井
城市道路的交叉口、公交停车站、居民小区是人口密集区域，也是雨积水的聚积区。在设置雨水井时应适当增加密度和增大窨井盖的表面积。公交停车站、居民小区可以相距10m左右布置雨水井，并且适当降低雨水井的高程(比路面低1cm左右)，增加水的排放速度和流量，减少积水现象。防止和减少雨水飞溅扰民现象的发生。
道路交叉口是纵横道路雨水的交汇处，车流量大，人流量也大，水流量更大，设置双篦或三篦雨水井可以增加积水的排放面积和流量，提高行车安全，减少交通事故的发生。
5. 设置透水软管和铺设透水沥青面层快速排水
繁华城区的商业步行街、城市广场和居民小区，是人口密集、车流量大的区域。这些区域道路的荷载小，行人和小型机动车的流量大，道路积水的安全隐患更大，极易发生各种安全事故，可以采用以下的方法解决积水：
(1)道路两侧在设计和施工中设置透水软管（见图2），使整个区域形成一个地下排水网带，加快积水的排放速度（增加排水面积）和排放量。
(2)透水沥青混凝土面层
透水沥青混凝土具有热稳定性好、强度高、孔隙率大(孔隙率在20%以上)、排水效率高等优点。使城市道路表面形成一个透水网。在施工中要加强水泥碎石稳定层和沥青下面层间粘结防水层的施工质量控制。粘结防水层可以采用SBS改性乳化沥青(1.5L/㎡)，既防水防渗又有良好的粘结作用。使稳定层和沥青下面层牢固的结合，防止雨水下渗，破坏路基的稳定性和强度。这样的道路结构可以充分发挥上快排、下防渗的作用。既解决了路面积水的排放问题，也可防止路面早期损坏，延长了道路的使用寿命，进一步提高道路的经济效益和社会效益。
(3)设置防倒灌的排水口
强对流天气发生时，暴雨成灾，河水猛涨。排水系统的排放口位置(高程)一般都接近河道的常水位。在暴雨发生时，河水猛涨会淹没排水口，形成河水倒灌，雨水井冒水淹没道路的现象。在排水口设置防河水倒灌的阀门，就可以防止上述现象的发生。
三、雨水资源的再利用
水是人类生存最基本的物质之一。
我国是世界上人均水资源较贫乏的国家之一，所以节约用水，科学的利用水资源是保持社会可持续发展的一个重要课题，也是建设节约型社会的需要。在水资源匮乏的北方地区和干旱少雨季节，对雨水资源的合理再利用对建设节约型社会就更显得意义深远。
我们在城市道路的建设和改造时，可以在人行道、绿化隔离带处合理的设置小型蓄水池，积蓄雨天时的雨水，用作城市道路夏季洒水车的用水、绿化养护用水、道路清洁用水等。具体的操作方案如下：
(1)在人行道、绿化隔离带处间隔一定的距离(500米左右)修建一个1.5～3米宽，5米长，2米左右深的砖混结构蓄水池。蓄水池上覆盖预制钢筋混凝土盖板，在盖板上再回土50cm以上，可以种植绿化苗木，也可以铺设各种人行道面板，不影响城市建设整体美观(图3)。
(2)在蓄水池的盖板上也可以考虑预留一个40cm*60cm的井口，此井口可以放置抽水泵，也可以作为检查维修井使用。
四、结束语
气田试采集输管网设计优化探讨 篇8
1 设计原理
目前我国天然气气田的地面集输通常采用的都是多级集输程序, 其所运用的集输体系管网主要呈现放射状、枝状以及环状的模式, 三种模式合并也是一种会应用到的模式。这其中, 环状管网主要是把集气干线设置为相应的环状模式, 并在恰当的位置将管线导出来, 与集气总站连接起来。枝状管网主要是拥有一条贯穿的主干线, 直接贯穿到气田中, 同时和集气总站相连接。放射状管网是参照地面工程的实际需求, 按照一定规定, 将一些气井进行规划, 分别设立于若干个小组, 规定每组设立一个集气站, 然后再通过集气管线分别同集气站和集气总站连接起来。一般来说, 天然气集输网的构建主要是由节点和弧构成的一个总体, 利用网络的拓扑构造, 以确立网络中各个节点的方位以及关系, 保证集输系统能够达到其特定的功能, 并且, 在网络里面, 为了便于系统网络构造的组合, 还需加强确定弧的走向, 通常会将该类与网络有关的最优化问题和网络上某一特殊的子网络构造相连接, 并且有特定的制约条件以及相关优化原则。
2 实现数字化管理
天然气的集输工艺不能不采用计算机技术以及网络科技, 建立数字化和自动化控制管理, 对全地域的生产运行做集中监控与营运。例如集气站可以运用以计算机控制技术为关键点的站控系统, 实现站场内工艺程序的数据收集和监控目的。并装置SCADA系统远程终端系统, 将井口数据利用无线宽带光缆传递的方式传送至天然气总部处理库的数据中心, 引进现代化信息技术, 使天然气气田地面集输的设计更加优化, 构建最优的设计方案, 实现提高效益的目标, 创造更高的社会经济效益。
3 设计要点
3.1 站场布局
在气田集输体系设计中, 最关键的问题就是设定集气站的具体站点方位以及数量问题, 一般来说, 集气站的数量直接与投资多少密切关联, 另外我国天然气气田地面集输普遍运用的是多级集输程序, 由此, 集输系统站点位置的选择, 除了关系到整个投资情况外, 还会关系到整个气田的网络构造模式, 站址的设计与优化是集输体系的一个核心的问题。通常集气站需建在生产井中间位置, 确保集输系统特殊功能, 通过特定的制约条件及优化原则, 根据各地域的具体情况以及天然气性质, 合理选用天然气集输工艺。
3.2 布局优化
布局优化方面, 要将集气总站和各个子集气站合理连接起来, 从而形成气田集输体系。过去的管网布设, 一般是将图论知识作两个方面的分析, 一是连接方式, 二是中心集气站的选址, 在作问题的求解过程中, 以每个干线管段最小流量的总数来分配设计, 由于这种管网成本偏高, 必须要对管网实行优化整改, 将集气站的集气主线路接人点进行合理调整, 确立最小的管网布设, 即在预定的集气站中, 挑选一个恰当的顶点, 保证各个集气站和总集气站距离不可过长。由于集气总站通常位于中心位置, 同时, 为了便于整个气田的管理工作和维护工作的进行, 在设计时, 需要将网中流量的分配作考虑, 避免某一管段太过集中, 而导致成本增加以及加权问题。
3.3 井组优化
针对通常应用的井组优化方法进行研究, 井间串接与井下节流, 在气田工程方面, 采用不同的井间串接的模式, 单井不必直接做敷设进站处理, 参照地貌特征地貌以及井的形状等, 将采气支管和气井口进行变通地连接, 并汇合后集中进总站, 这种模式的串接工艺, 能让采气管长度减短, 集气站集气半径反而加长, 既降低了管网资金投入, 又减少了对环境的破坏, 有效提升了采气管网适应气田滚动开发的速率。
一般情况下, 针对气田内部集输程序的设计需要参照气田的地理环境、地质环境以及气田的开荒阶段进行针对性的设计, 可以将其划分为单井集输程序和多井集输程序, 同时, 为了确保管理与生产的便捷, 还会将气井作若干组的划分, 每组都配备有相应的集气站汇集处理体系, 然后进行向外运输。在具体的设计工作中, 处理气井数, 第一, 井下节流。井下节流不需要用到加热炉, 井口运用现场加热节流, 不仅可以减少了加热负荷, 还简化了井口的设施。第二, 要以实际的气井数量、地理环境、历史气井具备的产能状况以及集气站进行布设, 并利用相应的生产规模大小的研究, 来进一步优化设计方案, 要结合当地地形条件作整体规划布局, 其位置应与集气工程总程序和产品流向的要求相符, 并应便于生产管理。此外, 对于井组的规划设计需要以集输的周围半径和一定的井式制约为标准, 应用最短距离的原则, 使井组的划分更加合理, 但是一定要将到集气站中的集气量的问题考虑进去, 从而实现更好的系统优化方案设计, 实现最优划分目标。
4 结语
总之, 在进行天然气集输管网系统的规划设计优化过程中, 应注意结合集输管网规划建设的具体情况, 确定相应的规划与设计准则, 选择合理的优化设计方案, 以提高优化设计的合理性与适用性, 节约规划设计成本。
参考文献
蒸汽管网的建模和设计优化 篇9
作为蒸汽输送载体的蒸汽管网,是指连接产汽装置与用户之间的,用于蒸汽的输送、分配、使用和回收的管路网络。蒸汽管网设计是否合理,直接影响管路网络的投资和效率[1]。
目前国内的研究主要集中于蒸汽管道的直埋技术,对管网优化方面的研究比较少。徐鹏[2]等根据规范和设计参数进行蒸汽管网管径和保温厚度的程序化设计,并建立目标函数和约束对其进行优化,按经济性的优劣,依序列出多组设计方案可供设计选择,同时对优化计算的可行性和有效性进行了讨论。刘金平[3]等在火用经济分析的基础上,得出了蒸汽管线优化设计的目标函数。分析了管线长度对管网中蒸汽最优流速的影响,得出了管线短的,蒸汽流速要适当加大,管径减小;管线长的,蒸汽流速要适当减小,管径加大;随着不同管线长度差距加大,对蒸汽管网系统进行优化设计得到的经济效益更加显著的结论。
本文以树状数据结构简化实际蒸汽管网,建立了求解模型。以投资总费用最少为目标函数,将单变量搜索和多变量优化相结合,取主轴斜角α(以驻汽站为原点建立坐标系,主蒸汽管道与x轴正方向的夹角)和用户的分枝管长xi(用户在干管上的分杈点到驻汽站的距离)为优化变量,实现整个管网的优化设计。
1 目标函数
树状模型(见图1)是数据结构中常用的一种模型,其优点是从属关系明确,子节点和父节点通过“枝”连接,每个节点两个子分支,“叶”位于从属关系的底层,没有分支。这种模型由于关系明确,非常易于遍历和搜索,而数学上也有许多成熟的方法对这种数据模型进行优化[4]。同时,枝状管网布置简单,管道的直径随着用户距离热源的距离逐渐减小,金属耗量少,基建投资小,运行管理简便[5]。故本文以树状模型简化蒸汽管网,建立求解模型。
根据热经济学原理,蒸汽管网优化设计目标函数包括初投资费用(钢管投资、基建投资和年平均维修费用),散热损失折合费用和压力降导致的年动力消耗费用。
式中:E—年总投资费用,元;
Et—初投资费用,元;
Er—年热损失折合费用,元;
n—管网的总级数;
Ey—运行费用,元;
Li—各级管长,m;
egi—单位长度不同管段的管道投资,元/m;
βg—管道年折旧率;
ebi—单位长度不同管径的保湿层投资,元/m;
βb—保温层年折旧率;
Ewi—各级管道年维修费用,元;
Qi—不同管径的管道单位时间热损失,t/h;
T—年运行时间,h;
Cr—蒸汽价格,元/t;
Cd—电价格,元/t;
Gi—各级管道流量,kg/s;
ΔPi—各级管道压力降,Pa。
式中:ρ—密度,kg/m3;
g—重力加速度;
h—总水头损失;
hf—沿程水头损失;
hj—局部水头损失;
v—蒸汽断面平均流速;
c—谢才系数;
L—总管长;
ξ—局部阻力系数;
R—过水断面水力半径,圆管满流时R=0.25D。
从管网末端开始,沿管网供水反方向进行节点流量的累加,直至该管段上游节点,即可得该管段的计算流量。管网节点流量即管网中管段连接点配出的流量。实际管网中节点特别多,而且极为复杂,因此必须进行简化。将管段沿线流量一分为二,简化为管段两段的节点流量,集中流量可以直接加到所处节点上;节点设计流量是最高时用汽集中流量、沿线流量和供汽设计流量之和,假定流量流出节点为正向,则管网中任一节点的节点流量为:
式中:qj—节点j的节点设计流量,kg/s;
qmj—最高时位于节点j的集中流量,kg/s;
qsj—位于节点j的(驻汽站)供汽设计流量,kg/s;
qmi—最高时各管段沿线流量,kg/s;
Sj—与节点j关联的所有管段编号的集合;
M—管网的节点总数。
2 优化算法
2.1 优化模型
蒸汽管网系统的设计由热媒(蒸汽)、热源(热电厂或区域锅炉房等)和蒸汽用户的相互位置和用户的种类、热负荷大小及其性质等多种因素决定。其中,用户种类如何划分是管网最终设计结构的决定性影响因素之一。本文根据用户的蒸汽需求量对用户分级,随着级数的递增,用汽量递减。具体方式如图2所示,用户A是一个工厂,其包含车间a1、a2、a3、a4,其中a1和a4需要使用蒸汽;用户B是一个住宅小区,有b1、b2、b3三幢楼,均需要用蒸汽。若A、B用汽量相当,则分级后A、B是第一级,a1、a4和b1、b2、b3是第二级。
在用户分级的基础上,本文提出了一种新的优化模式,即分级递进优化。先对第一级网络进行优化计算,此时蒸汽管网只有两个用户:A(简化为ZA)和B(简化为ZB);接下来优化第二级,有5个用户分成两个系统。ZA、a1、a4组成第一个二级系统;ZB、b1、b2、b3是第二个二级系统。这两个二级系统是平行的,优化时分先后进行,互不干扰。需要注意的一点是,此时ZA、ZB被看作第二级系统的驻汽站,已由上级优化完成。如此类推完成整体网络的优化设计。此优化方法将蒸汽管网分解为多个小系统,分别进行优化,不但很好地表现了用户之间的依赖关系,同时保证每一级都能得到最优结构,具有可操作性强的优点。
总费用最低的目标要求蒸汽管网的总管长最短。实际中驻汽站和用户的位置是不能改变的(第二级中ZA、ZB的位置也受到各种因素的影响不能随意取定),优化时首先以总驻汽站为原点建立平面坐标系,X、Y轴正方向可以随意取定(建立把用户最多的区域设为第一象限),然后在此坐标系中表示出各用户的位置,最后取主轴斜角α(主蒸汽管道延伸方向与X轴正方向的夹角)和分枝管长xi(用户在干管上的分杈点到驻汽站的距离)为优化变量对整体管网系统进行优化设计。根据蒸汽管网建立优化模型,如图3所示。
分级优化时,管长也分级计算。每级的总管长分干管长和枝管长两部分。干管长指主蒸汽管道的延伸距离,枝管长指每个用户到连接到主管道的距离。以图3第一级为例,干管长为XB,枝管长FA+FB。因此本优化方法的目标函数转化为:
式中:L—管网总管长;
Li—各级的总管长;
LGi—各级的干管长;
Lzi—各级中单个用户的分枝管长;
k—各级中用户总数。
2.2 约束条件
优化计算要满足国家标准规定[3]中的约束和用户端对蒸汽最低参数的约束,因此存在如下约束条件:
(1)管内蒸汽流速v的约束:v≤vmax;
(2)保温层外表面温度Ts的约束:Ts≤Tmin;
(3)保温层外表面允许最大散热密度Q的约束:Q<Qmin;
(4)用户端对压力p的约束:pi≥pmin;
(5)用户端对流量q的约束:qi≥qmin。
2.3 优化方案
如果蒸汽管网有N个用户,则产生N+1个优化变量:一个主轴斜角α和N个分枝管长xi。从上文的目标函数可以看出:只有确定α才能求解用户分枝管长xi,即α和xi不能同时优化,则优化计算被分成两部分:单变量α的优化和多变量xi的优化。因此,本文将单变量搜索的黄金分割法和多变量优化的单纯形法相结合,采用分级递进的优化模式编写程序完成整体网络的优化工作。
程序运行如下:
(1)以驻汽站为原点建立平面坐标系,确定用户位置;
(2)用户分级;
(3)取角度初始值α,调用黄金分割法程序优化第一级网络;
(4)对应α,取分枝长度xi的初始值,调用单纯形优化程序计算该角度下的最优结构;
(5)单纯形法优化结束,收敛判断。满足则根据此时的管长计算投资总费用并返回黄金分割法程序;
(6)黄金分割法程序继续以步骤(5)的方式运行,最后收敛判断,根据函数值判断搜索方向,改变角度α的值,重复步骤(4)、(5)直到满足优化目标函数的收敛条件;
(7)此时第一级系统优化结束,以第二级系统的原点建立新的坐标系返回步骤(3)进行第二级优化,重复执行步骤(3)～(7),完成整个网络的优化工作;
(8)优化结束。
3 算例
某蒸汽管网,年运行时间2080h,电价以0.15元/kWh计,蒸汽密度18.5kg/m3,蒸汽价格以12.6元/t计,管道折旧率为0.032,保温层折旧率为0.044。以驻汽站为原点建立坐标系,各用户的坐标如表1所示。
网络最高时用汽量为35.98L/s,节点1接工厂,要求供汽量为12L/s。表2为计算过程参数,优化结果如表3所示。整个网络形成三个系统,Z、1、2构成第一级,第二级第一个系统包括11、12、13、14;第二级第二个系统由21、22、23组成。首先优化第一级,收敛情况如图4所示。第二级系统收敛情况分别如图5、图6所示,最终结构如图7所示。
4 结论
以树状数据结构为基础简化蒸汽管网,建立了蒸汽管网的求解和优化模型,取主轴斜角α和用户的分枝管长xi为优化变量,将单变量搜索和多变量优化相结合,完成了蒸汽管网的优化设计。
(1)提出了一种全新的优化方案和相应的分级递进优化方法。
(2)将单变量搜索的黄金分割法和多变量优化的单纯形法相结合,很好地避免了变量数多对于单纯形法的限制,极大地扩大了该方法在蒸汽管网优化上的使用规模。
参考文献
[1]刘军.蒸汽管道的设计与安装[J].能源研究与利用,2003,(4):41-45.
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[4]Lorente S,Wechsatol W,Bejan A.Optimization of tree-shaped flowdistribution structures over a disc-shaped area[J].International Journal of Energy Research,2003,27(8):715-723.
城市集中供热管网优化设计 篇10
1 我国城市集中供热管网的现状及存在的问题
近几年,城市集中供热被越来越多的人接受,关系到居民的生活质量。城市集中供热是以热水或者蒸汽作为热源,通过供热管网向集中的区域供热。因其与传统的供热相比,存在很多优势,在城市中得到迅速发展。城市集中供热的优点表现在以下几个方面。
1.1 节约资源
传统的供热采用容量小、效率低的锅炉,而现代的城市集中供热利用的是容量大、效率高的锅炉,大大节约了能源。
1.2 减少空气污染
目前,集中供热利用热电厂或集中锅炉房供热,安装专用供热设备和排污净化设备,而以前的分散锅炉供热,大部分未安装达标的污染净化设备,集中供热解决了供热带来的环境问题。
1.3 提高了供热质量
传统的供热是在某一时间段内供热,供热时间大部分集中在晚上,供热不稳定。而集中供热是保持室温不变的连续供热,提高了人们的生活质量。
1.4 节省了人力物力
由于城市集中供热主要操作都是自动化的,根据对供热温度的设置,设备可随室外温度的变化自动调节供热环境,节省了人工的操作。
我国城市集中供热从20世纪50年代开始起步,经过几十年的不断发展,城市集中供热系统取得了一定的成绩,但发展的过程中仍然存在一些问题。第一,一些城市采用的热电厂或锅炉房的能源利用率低,造成热能浪费,增大了供热成本。第二,供热管网的分布广、分支多,当管网出现问题需要维修时要花费若干小时,影响人们的居住生活。第三,很多用户出现供热不均的现象,影响了人们的生活质量。
2 城市集中供热网管优化设计
随着城市集中供热的发展,供热管网的优化设计在供热工程中的作用越来越重要。结合供热管网的实际情况的同时,考虑节约能源、降低能耗、减少污染,对供热管网进行合理优化。其优化主要包括管线的布局、管径的设计、管道的敷设和管网的运行。
2.1 管线的布局优化设计
供热管网的管线应从经济性、技术性等方面考虑进行合理设计,近几年由于城市集中供热源的减少,供热管网的投资加大,对集中供热管网的设计要求更为严格。首先,在管线的布局过程中,应集中在热负荷区域,减少管线的长度,力求短直,在设计中,采用Dijskstra算法求出最短路线,缩小阻力带来的损失,从而保证管网的经济投入。其次,在管线敷设过程中,选择土质较硬的位置、地震稳定区域、不易出现滑坡危险区和地下水位较低的区域。避免和交通干线的交叉,尽量和公路平行并且在公路一边的辅路位置敷设,防止出现阻碍交通的现象。再次,在管线布局过程中,供热管线应与其他管线保持一定的距离,避免施工时对其产生影响。
2.2 管径的优化设计
在管线的布局、管径的设计、管道的敷设和管网的运行设计中,管径设计是整个城市集中管网设计的核心,对于供热工程而言,管径的设计是离散的,在对每种管线进行布局时,管径的设计都会有多种选择,因此,在管径的优化设计中,首先确定管径的最大值,使管径的选择尽量在较小的范围之内。在设计供热管网时,管径的大小是根据各个管段的流量、长度、材料以及比压降的大小来确定。管段的流量和用户的设计热负荷、热网的供、回水温度有关系,在确定管径之前,要对不同管段的热负荷加以计算。实际上,管径越大,热量输送时产生的阻力就越小,消耗的动力成本就越低,但建设的成本会相应的增大,因此选择最优管径,才是经济合理的管径。合理的管径优化设计,既能满足供热管网的管径使用,又能节约经济成本。
2.3 管道的敷设方式
在城市集中供热管网设计中,对于管道的敷设采用直埋方式,一方面地埋方式既不影响城市的美观,又能减少损耗,如采用架空敷设,由于管道较长,输送区域较广,敷设面积较大,严重影响城市的景观,并且管道暴露在空气中,大大增加了热能的消耗;另一方面,与地沟敷设方式相比,地埋敷设施工工期短、维修率低、占地面积小,此外,地埋方式采用无补偿预热安装方式,当管网中某一管段的温度超过承受温度时,管道不会受到损害,减少了管网的维修率。合理的管道敷设方式对集中供热管网,有效地降低了能源的消耗和成本的投资。
2.4 管网的运行优化设计
目前,我国各大城市集中供热管网在运行的过程中存在很多问题,例如能源利用率较低,经济成本较大,严重影响了供热管网的质量。因此合理的管网运行调节对于供热系统的正常运行起着非常重要的作用。首先,科学合理地设计供热管网系统,通过合理的设计,减少实际运行中出现的问题,保证供热系统的正常运行。其次,在管网运行中注重管网的调节,很多用户出现供热不均的现象,主要是由于供热管网的水温调节不得当造成的,当用户自行调节供热温度时,通过对调控设备的设计,使单户调节温度时,不影响其他管道,同时避免产生振动和噪音。通过先进的技术,合理优化设计集中供热管网,提高供热管网的质量,保证居民的正常生活。
3 结语
随着城市的发展,集中供热将会越来越普遍。城市集中供热管网关系到人们的居住生活质量,在设计过程中,在保证能源和经济成本的前提下,要对管线布局、管径设计、管道敷设及管网的运行进行合理优化设计,提高城市集中供热管网的运行质量,促进城市集中管网系统的发展,进而提升人们的生活水平。
参考文献
[1]安霄.城市集中供热管网优化[J].中国新技术新产品,2011,20(19):48-49.
[2]张晓松.城市集中供热系统现状和问题分析[J].煤气与热力,2011,21(11):68-69.
[3]吴宏伟.城市集中供热管网的设计施工及优化[J].城市建设理论研究(电子版),2013,12(21):49-50.
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