基于粒子群优化算法的热网优化设计

第28卷第7期煤气与热力Vol. 28 No.7.2008年7月GAS & HEATJul. 2008基于粒子群优化算法的热网优化设计孙巍，楚纪正(北京化工大学信息科学与技术学院，北京100029)摘要:基于粒子群优化算法,以热网年折算费为目标函数,在水力约束条件下求解优化的管径。结合算例,验证了粒子群优化算法的可行性和有效性,取得了良好的效果。关键词:热网; 优化设计;粒子群优化算法中图分类号: TU995文献标识码: A文章编号: 1000 -4416(2008)07 -0A14 -04Optimization Design of Heat-supply Network Based on ParticleSwarm Optimization AlgorithmSUN Wei，CHU Ji- zhengAbstract: Based on the particle swarm optimization algorithm, taking annual reduced cost of heat-supply network as object function, the optimized pipe diameter is solved under hydraulic restiction. Thefeasiblity and elctivenes of the particle swarm optimization algorithm is verified with calculation exam-ple, and the good result is obtained.Key words: heat-supply network; optimization design; particle swarm optimization algorithm1概述丽数的确定、优化算法的选取。对于建模,有宏观模由于集中供热管网管段数量众多、管网结构复型和微观模型,宏观模型的建立主要根据管网的拓杂,建设费用在政府投资中占有很大的比例,因此热扑结构利用图论理论进行建模,目前这方面的研究已经很深人,哈尔滨工业大学的赵华教授等对其进网的设计优化具有很大的现实意义。由于热网优化设计问题不仅要求实现经济合理行了较深人的研究。微观模型是对供热系统的各个性,而且要兼顾系统可靠运行以及水力平衡协调等部分如循环泵、管道等分别进行建模,华北电力大学各个方面,问题较为复杂。通常采用的优化方法是徐二树等人进行了一定的研究,给出了循环泵、管道从几个确定的方案中选择较为合适的一个,但这样等的数学模型[4]。对于目标函数的确定,一般采用很难实现经济的最优性。近年来对热网的优化研究以热网造价作为目标函数以实现成本优化,也有采取得了新的进展,在综合运用水力学、传热学的基础用寿命周期费用作为目标函数实现整体优化的做上,又引入了很多先进的优化算法。如郑州大学周法'”]。对于优化算法的选取,工程应用中应选择速荣敏教授等利用单亲遗传算法对枝状管网进行布置度较快参数较少、简便易行的优化算法。粒子群优化算法( Particle Swarm Optimization,优化“,天津大学张宏伟教授等提出用改进混合遗PSO)是近年来被学术界广泛关注的新型优化算法,传算法进行管网优化设计(2) ,浙江大学张土乔教授基本思想是对鸟群、鱼群的觅食过程中的迁徙和聚等将蚁群算法引入解决优化调度问题['”。在工程集的行为模拟[6] ,具有收敛速度快、参数较少的特应用上,将优化设计用于指导工程实施,有效降低了点,对中国煤化工较好的效果。采成本,也提高了供热效率。用粒子二在热网设计中的THCNMH(者不仅考虑了管基于严格模型的热网优化问题分为建模、目标应用研九较少。在日你四奴上,.A14.www. watergasheat, com孙巍,等:基于粒子群优化算法的热网 优化设计第28卷第7期网造价,还考虑了运行费、热损失费等因素。L,.--第i 个管段局部阻力的当量长度,m2约束条件:流速的限制条件为小于3.5 m/s。由式(4)可研究的供热管网是由n个节点和m个管段组以得到管径的另一个约束条件为:成的物质能量网络,供热管网的结构见图1。节点(6)包括中间节点和边界节点,既有流量流人也有流量流出的节点为中间节点(如节点2);只有流量流人对于一个现实的热网，显然还应满足流量平衡或只有流最流出的节点称为边界节点,其中只有流的约束条件。量流出的称为源节点(如节点1),只有流量流人的3设计优化的 目标函数称为汇节点(如节点n)。节点与节点之间为管段。目标丽数选择热网年折算费，包括热网的造价按回收期的年折算值及热网的年运行费两部分。即求下式的最小值:-2-→n-3Z=C。X+f(7)式中Z-热网年折算费 ,元/a图1 供热管网的结构对于第i个管段,其长度L、内径d,.比摩阻R,C.--热网造价,元等特性一起构成了一个物质能量通道其中内径d;X--标准投资效果系数,a~有范围限制:f--热网年运行费 ,元/ad.in≤d;≤d_(1)年运行费包括循环泵年电费fp、年热损失费f、式中d.m-内径的下限尺寸,m年维修费fs。因此,式(7)可表达为:d,-第i 个管段的内径,mZ=C.X+f,+f +fs(8)..-- -内径的上限尺寸,m式中f,- -循环泵年电费 ,元/a管段的比阻摩R;可用达西-维斯巴赫式表f-年热损失费 ,元/a达[”:f一年维修费,元/a循环泵年电费f,的计算式为:R.=.气(2)f,=2.78x10 -9.gErpP,(9)式中R一第i个管段的比摩阻,Pa/mλ一管段的摩擦系数式中9.m,d一 热网循环泵 的设计流量,kg/h-热水的密度, kg/m3H-循环泵扬程,mv,一第i个管段的热水流速,m/s重力加速度, m/s2摩擦系数λ可以用希弗林松公式表达[”:n- -循环泵的效率tp--循环泵的年最长I作时间,是相应计λ=0.11(等)(3)算流量下的工作时间,h/a式中k-管内壁的绝对粗糙度 ,mPp- -电价,元/(kW●.h)d-管道内径,m年热损失费f的计算式为:热水流速与质量流量的关系式为":{=10 -°Kr( Zd,h)(0.. -0%)(1 +B)lP.900 πdρ(4)(10)式中qm- 热水质量流量 ,kg/h式中K一热网管道的平均传热系数,W/(m2 ●各用户节点的资用水头应大于等于各用户的预K),取1.1-1.5 W/(m2●K)留水头。管径的约束条件为:0..一热网年平均水温,Cd.≤[6.25x10-9L∞(+0] (S)中国煤化工温度,p h.o失因数CNMHG式中h,.-- -用户 的预留水头,m●A15.第28卷第7期煤气与熬力www. watergasheat. comP,一热价 ,元/(MW .h)折算费Z。根据热网估算指标，计算热网造价并进年维修费的计算式为:行最小二乘回归8] ,可得出回归系数a= 67.54元fs=γC,(11)m,b=4 708. 65元/m2。其他计算参数如下:电价为式中r- 年维修 费折算率,a~ 10.63元/(kW●h),热价为76.7元/(MW●h),管热网造价C。可用管径和管长的函数表示:内壁的绝对粗糙度为0.5 mm,热水平均密度为C.= Sg(d,)L,(12)958. 38 kg/m3 ,标准投资效果系数为0.121 a~',局式中g(d,)一第i个管段单位长度的造价函数,部阻力当量长度折算系数为0.3,循环泵效率为0.7,年维修费折算率为0.08 a-' ,管道各管件的散元/m热损失因数为0.15,热网年工作时间为4128 h/a,g(d,)可以采用一次回归得出:管道内径的下限尺寸为100 mm,管道内径的上限尺g(d;) =a + bd,寸为400 mm。式中a-- -回归系数,元/m粒子群优化算法的参数选取如下:惯性权重采b一-回归系数, 元/m2用线性变化,加权系数的上、下限为0.9、0.4。加速因此式( 12)可转化为:度常数取2。粒子数取30个,最大进化代数取为20C.= 2(a +b,)L,(14)代。计算过程中注意单位的换算,管径只能取离散将式(9) ~(11)、(14)代人式(8),得到Z。整数值。年热损失费f、年维修费f、管网造价年折4粒子群优化算法算值C,X的优化结果见表1。粒子群优化算法是群集智能算法的一种,用粒表1 ff、C,X 的优化结果子的位置表示待优化问题的解,每个粒子以一个速费用计算结果/元优化结果/元f13.81 x 10*10.23 x 10* _度向最优位置靠近。首先要随机初始化若干个粒子f。88.62 x 10*86. 36 x10*的位置和速度,然后通过迭代寻找最优解。在每一C.X134. 04 x 10*130. 62 x10*次迭代中,粒子通过跟踪两个极值更新自己的速度多次运算结果显示,在不超过10代的过程里就和位置:一个极值是粒子本身迄今搜索到的最优解，可以找到最优解。利用计算管径计算得到的年折算称为个体最优;另-个极值是整个粒子群到目前为费为320.03 x 10*元a,使用粒子群优化算法得到.止找到的最优解,称为全局最优。迭代次数称为进的年折算费为308.35 x 10*元a,节约费用约4%。化代数,当进化代数达到给定值迭代结束,得到最优该算例针对一个较为简单的- -级管网,因此进解。根据问题的要求可以设定合适的进化代数。化代数和粒子数都选取了较为适合快速计算的值，5算例及分析采用粒子群优化算法针对环状管网的优化设计可以一个双热源枝状管网的结构见图2。本算例为参照文献[8]。对于更复杂问题，可以相应增加最从热源到热力站的一级管网,调节方式为质调节。大进化代数,只要确定出优化的目标函数,并给出相节点1、19为两座热源，设计供、回水温度为130、70应的约束条件,粒子群优化算法都可以取得良好的C ,热源内部水头损失为15 m,节点9、10、12、13、优化结果。对于一般的问题,粒子数取20 ~40个就15.16、17、18、20、22、23为热力站,预留水头损失均可以取得足够好的效果。为10 m。其余节点为中间节点。6结论.6，0p①粒子群优化算法是一 -种解决全局最优问题01541856的群集智能算法,它的优点是算法易于理解、参数21 -22少实现简单。在寻优速度等方面较其他算法有优17023势,算法通用性较强,将模型做相应修改即可应用于12-.13不同'中国煤化工。围2双热源枝状管网结构CNMH(简单热网优化设计优化的决策变量为管径d,目标函数为热网年问题;付巧J区刃HJ胚不找WUI比结果略优于采用●A16.www. watergasheat. com孙巍,等:基于粒子群优化算法的 热网优化设计.第28卷第7期模拟退火法的优化结果。对于复杂热网的优化,还[4] 徐二树,赵文升,胡学武,等.供热系统的仿真模型有待于进一步研究。[J].华北电力大学学报,2004 ,31(2) :40 -44.③粒子群优化算法是基于随机搜索的算法，5] 师涌江,刘丽莉.应用LCC概念进行供热系统优化规划[J].暖通空调,1999 ,29(5):65 -66.有可能陷人局部最优,这可通过多次计算解决。当[6] 林卫星,张惠娣，刘士荣,等.应用粒子群优化算法辨问题复杂度较高时,计算速度较馒,有待于进- -步 提识Hammerstein 模型[J].仪器仪表学报, 2006,27高计算速度。(1):75 -79.[7] 贺平,孙刚. 供热工程(第3版)[M].北京:中国建筑参考文献:工业出版社, 1993. .[1]周荣敏,林性粹. 应用单亲遗传算法进行树状管网优8] 杨亚红,王瑛,曹辉.基于粒子群优化算法的环状管网化布置[J].水利学报,2001,(6):14-18.优化设计[J].兰州理工大学学报,2007 ,33(1) :136 -[2] 储诚山,张宏伟,高飞亚,等.基于改进混合遗传算法的给水管网优化[J].天津大学学报2006,39( 10):1216 - 1226.作者简介:孙巍(1982- )， 女，黑龙江黑河人，[3] 张土乔,许刚,吕谋,等.用于供水系统直接优化调度硕士生，研究方向为流体网络建模 与优化。的蚁群改进算法[J].计算机集成制造系统,2006,12E - mail:2005000592@ grad. buet. edu. cn(6) :918 -923.收稿日期:2007-09 -20;修回日期:2007-10-19●信息●潍坊首条天然气高压储气管道建成2008年6月16日,潍坊港华天然气高压储气管道一期工程通过验收并投产使用。潍坊港华天然气高压储气管道一-期工程为潍坊东环路天然气高压储气管道,长约6 km,设计储气能力为3x10* m' ,总造价为800x10*元。据悉,潍坊市市区自引入天然气以来,天然气用户数量由2004年的1.5x10*户增加到2008年的6.2x10‘户,日用气量由2004年的7000 m'/d增加到2008年的13x10* m/d。随着用气量的不断增加，上游气源按计划供应与市区不均衡用气供需矛盾较明显。以前出现气源紧张时,潍坊港华燃气有限公司一般限制用气大户用气量。据了解,为增强潍坊市的天然气储气调峰能力,潍坊港华燃气公司计划在3年内建设总长约58 km的天然气高压储气管道,以保证供气需要。(本刊通讯员供稿)国家发改委调整成品油和电力价格自2008年6月20日起,国家发展和改革委员会将汽油和柴油价格提高1 000元/t,将航空煤油价格提高1500元/l;自7月1日起,将全国销售电价平均提高0.25元/(kW .h)。液化气、天然气及铁路客运价格不作调整。中国煤化工MYHCNMHG●A17.