第28卷第7期煤氣與熱力Vol. 28 No.7.2008年7月GAS & HEATJul. 2008基于粒子群優(yōu)化算法的熱網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)孫巍，楚紀(jì)正(北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029)摘要:基于粒子群優(yōu)化算法,以熱網(wǎng)年折算費(fèi)為目標(biāo)函數(shù),在水力約束條件下求解優(yōu)化的管徑。結(jié)合算例,驗(yàn)證了粒子群優(yōu)化算法的可行性和有效性,取得了良好的效果。關(guān)鍵詞:熱網(wǎng); 優(yōu)化設(shè)計(jì);粒子群優(yōu)化算法中圖分類號(hào): TU995文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 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概述麗數(shù)的確定、優(yōu)化算法的選取。對(duì)于建模,有宏觀模由于集中供熱管網(wǎng)管段數(shù)量眾多、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)型和微觀模型,宏觀模型的建立主要根據(jù)管網(wǎng)的拓雜,建設(shè)費(fèi)用在政府投資中占有很大的比例,因此熱撲結(jié)構(gòu)利用圖論理論進(jìn)行建模,目前這方面的研究已經(jīng)很深人,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙華教授等對(duì)其進(jìn)網(wǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。由于熱網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題不僅要求實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理行了較深人的研究。微觀模型是對(duì)供熱系統(tǒng)的各個(gè)性,而且要兼顧系統(tǒng)可靠運(yùn)行以及水力平衡協(xié)調(diào)等部分如循環(huán)泵、管道等分別進(jìn)行建模,華北電力大學(xué)各個(gè)方面,問題較為復(fù)雜。通常采用的優(yōu)化方法是徐二樹等人進(jìn)行了一定的研究,給出了循環(huán)泵、管道從幾個(gè)確定的方案中選擇較為合適的一個(gè),但這樣等的數(shù)學(xué)模型[4]。對(duì)于目標(biāo)函數(shù)的確定,一般采用很難實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)性。近年來對(duì)熱網(wǎng)的優(yōu)化研究以熱網(wǎng)造價(jià)作為目標(biāo)函數(shù)以實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化,也有采取得了新的進(jìn)展,在綜合運(yùn)用水力學(xué)、傳熱學(xué)的基礎(chǔ)用壽命周期費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化的做上,又引入了很多先進(jìn)的優(yōu)化算法。如鄭州大學(xué)周法'”]。對(duì)于優(yōu)化算法的選取,工程應(yīng)用中應(yīng)選擇速榮敏教授等利用單親遺傳算法對(duì)枝狀管網(wǎng)進(jìn)行布置度較快參數(shù)較少、簡(jiǎn)便易行的優(yōu)化算法。粒子群優(yōu)化算法( Particle Swarm Optimization,優(yōu)化“,天津大學(xué)張宏偉教授等提出用改進(jìn)混合遺PSO)是近年來被學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的新型優(yōu)化算法,傳算法進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)(2) ,浙江大學(xué)張土喬教授基本思想是對(duì)鳥群、魚群的覓食過程中的遷徙和聚等將蟻群算法引入解決優(yōu)化調(diào)度問題['”。在工程集的行為模擬[6] ,具有收斂速度快、參數(shù)較少的特應(yīng)用上,將優(yōu)化設(shè)計(jì)用于指導(dǎo)工程實(shí)施,有效降低了點(diǎn),對(duì)中國(guó)煤化工較好的效果。采成本,也提高了供熱效率。用粒子二在熱網(wǎng)設(shè)計(jì)中的THCNMH(者不僅考慮了管基于嚴(yán)格模型的熱網(wǎng)優(yōu)化問題分為建模、目標(biāo)應(yīng)用研九較少。在日你四奴上,.A14.www. watergasheat, com孫巍,等:基于粒子群優(yōu)化算法的熱網(wǎng) 優(yōu)化設(shè)計(jì)第28卷第7期網(wǎng)造價(jià),還考慮了運(yùn)行費(fèi)、熱損失費(fèi)等因素。L,.--第i 個(gè)管段局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度,m2約束條件:流速的限制條件為小于3.5 m/s。由式(4)可研究的供熱管網(wǎng)是由n個(gè)節(jié)點(diǎn)和m個(gè)管段組以得到管徑的另一個(gè)約束條件為:成的物質(zhì)能量網(wǎng)絡(luò),供熱管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)見圖1。節(jié)點(diǎn)(6)包括中間節(jié)點(diǎn)和邊界節(jié)點(diǎn),既有流量流人也有流量流出的節(jié)點(diǎn)為中間節(jié)點(diǎn)(如節(jié)點(diǎn)2);只有流量流人對(duì)于一個(gè)現(xiàn)實(shí)的熱網(wǎng)，顯然還應(yīng)滿足流量平衡或只有流最流出的節(jié)點(diǎn)稱為邊界節(jié)點(diǎn),其中只有流的約束條件。量流出的稱為源節(jié)點(diǎn)(如節(jié)點(diǎn)1),只有流量流人的3設(shè)計(jì)優(yōu)化的 目標(biāo)函數(shù)稱為匯節(jié)點(diǎn)(如節(jié)點(diǎn)n)。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間為管段。目標(biāo)麗數(shù)選擇熱網(wǎng)年折算費(fèi)，包括熱網(wǎng)的造價(jià)按回收期的年折算值及熱網(wǎng)的年運(yùn)行費(fèi)兩部分。即求下式的最小值:-2-→n-3Z=C。X+f(7)式中Z-熱網(wǎng)年折算費(fèi) ,元/a圖1 供熱管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)對(duì)于第i個(gè)管段,其長(zhǎng)度L、內(nèi)徑d,.比摩阻R,C.--熱網(wǎng)造價(jià),元等特性一起構(gòu)成了一個(gè)物質(zhì)能量通道其中內(nèi)徑d;X--標(biāo)準(zhǔn)投資效果系數(shù),a~有范圍限制:f--熱網(wǎng)年運(yùn)行費(fèi) ,元/ad.in≤d;≤d_(1)年運(yùn)行費(fèi)包括循環(huán)泵年電費(fèi)fp、年熱損失費(fèi)f、式中d.m-內(nèi)徑的下限尺寸,m年維修費(fèi)fs。因此,式(7)可表達(dá)為:d,-第i 個(gè)管段的內(nèi)徑,mZ=C.X+f,+f +fs(8)..-- -內(nèi)徑的上限尺寸,m式中f,- -循環(huán)泵年電費(fèi) ,元/a管段的比阻摩R;可用達(dá)西-維斯巴赫式表f-年熱損失費(fèi) ,元/a達(dá)[”:f一年維修費(fèi),元/a循環(huán)泵年電費(fèi)f,的計(jì)算式為:R.=.氣(2)f,=2.78x10 -9.gErpP,(9)式中R一第i個(gè)管段的比摩阻,Pa/mλ一管段的摩擦系數(shù)式中9.m,d一 熱網(wǎng)循環(huán)泵 的設(shè)計(jì)流量,kg/h-熱水的密度, kg/m3H-循環(huán)泵揚(yáng)程,mv,一第i個(gè)管段的熱水流速,m/s重力加速度, m/s2摩擦系數(shù)λ可以用希弗林松公式表達(dá)[”:n- -循環(huán)泵的效率tp--循環(huán)泵的年最長(zhǎng)I作時(shí)間,是相應(yīng)計(jì)λ=0.11(等)(3)算流量下的工作時(shí)間,h/a式中k-管內(nèi)壁的絕對(duì)粗糙度 ,mPp- -電價(jià),元/(kW●.h)d-管道內(nèi)徑,m年熱損失費(fèi)f的計(jì)算式為:熱水流速與質(zhì)量流量的關(guān)系式為":{=10 -°Kr( Zd,h)(0.. -0%)(1 +B)lP.900 πdρ(4)(10)式中qm- 熱水質(zhì)量流量 ,kg/h式中K一熱網(wǎng)管道的平均傳熱系數(shù),W/(m2 ●各用戶節(jié)點(diǎn)的資用水頭應(yīng)大于等于各用戶的預(yù)K),取1.1-1.5 W/(m2●K)留水頭。管徑的約束條件為:0..一熱網(wǎng)年平均水溫,Cd.≤[6.25x10-9L∞(+0] (S)中國(guó)煤化工溫度,p h.o失因數(shù)CNMHG式中h,.-- -用戶 的預(yù)留水頭,m●A15.第28卷第7期煤氣與熬力www. watergasheat. comP,一熱價(jià) ,元/(MW .h)折算費(fèi)Z。根據(jù)熱網(wǎng)估算指標(biāo)，計(jì)算熱網(wǎng)造價(jià)并進(jìn)年維修費(fèi)的計(jì)算式為:行最小二乘回歸8] ,可得出回歸系數(shù)a= 67.54元fs=γC,(11)m,b=4 708. 65元/m2。其他計(jì)算參數(shù)如下:電價(jià)為式中r- 年維修 費(fèi)折算率,a~ 10.63元/(kW●h),熱價(jià)為76.7元/(MW●h),管熱網(wǎng)造價(jià)C。可用管徑和管長(zhǎng)的函數(shù)表示:內(nèi)壁的絕對(duì)粗糙度為0.5 mm,熱水平均密度為C.= Sg(d,)L,(12)958. 38 kg/m3 ,標(biāo)準(zhǔn)投資效果系數(shù)為0.121 a~',局式中g(shù)(d,)一第i個(gè)管段單位長(zhǎng)度的造價(jià)函數(shù),部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度折算系數(shù)為0.3,循環(huán)泵效率為0.7,年維修費(fèi)折算率為0.08 a-' ,管道各管件的散元/m熱損失因數(shù)為0.15,熱網(wǎng)年工作時(shí)間為4128 h/a,g(d,)可以采用一次回歸得出:管道內(nèi)徑的下限尺寸為100 mm,管道內(nèi)徑的上限尺g(d;) =a + bd,寸為400 mm。式中a-- -回歸系數(shù),元/m粒子群優(yōu)化算法的參數(shù)選取如下:慣性權(quán)重采b一-回歸系數(shù), 元/m2用線性變化,加權(quán)系數(shù)的上、下限為0.9、0.4。加速因此式( 12)可轉(zhuǎn)化為:度常數(shù)取2。粒子數(shù)取30個(gè),最大進(jìn)化代數(shù)取為20C.= 2(a +b,)L,(14)代。計(jì)算過程中注意單位的換算,管徑只能取離散將式(9) ~(11)、(14)代人式(8),得到Z。整數(shù)值。年熱損失費(fèi)f、年維修費(fèi)f、管網(wǎng)造價(jià)年折4粒子群優(yōu)化算法算值C,X的優(yōu)化結(jié)果見表1。粒子群優(yōu)化算法是群集智能算法的一種,用粒表1 ff、C,X 的優(yōu)化結(jié)果子的位置表示待優(yōu)化問題的解,每個(gè)粒子以一個(gè)速費(fèi)用計(jì)算結(jié)果/元優(yōu)化結(jié)果/元f13.81 x 10*10.23 x 10* _度向最優(yōu)位置靠近。首先要隨機(jī)初始化若干個(gè)粒子f。88.62 x 10*86. 36 x10*的位置和速度,然后通過迭代尋找最優(yōu)解。在每一C.X134. 04 x 10*130. 62 x10*次迭代中,粒子通過跟蹤兩個(gè)極值更新自己的速度多次運(yùn)算結(jié)果顯示,在不超過10代的過程里就和位置:一個(gè)極值是粒子本身迄今搜索到的最優(yōu)解，可以找到最優(yōu)解。利用計(jì)算管徑計(jì)算得到的年折算稱為個(gè)體最優(yōu);另-個(gè)極值是整個(gè)粒子群到目前為費(fèi)為320.03 x 10*元a,使用粒子群優(yōu)化算法得到.止找到的最優(yōu)解,稱為全局最優(yōu)。迭代次數(shù)稱為進(jìn)的年折算費(fèi)為308.35 x 10*元a,節(jié)約費(fèi)用約4%。化代數(shù),當(dāng)進(jìn)化代數(shù)達(dá)到給定值迭代結(jié)束,得到最優(yōu)該算例針對(duì)一個(gè)較為簡(jiǎn)單的- -級(jí)管網(wǎng),因此進(jìn)解。根據(jù)問題的要求可以設(shè)定合適的進(jìn)化代數(shù)?；鷶?shù)和粒子數(shù)都選取了較為適合快速計(jì)算的值，5算例及分析采用粒子群優(yōu)化算法針對(duì)環(huán)狀管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以一個(gè)雙熱源枝狀管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)見圖2。本算例為參照文獻(xiàn)[8]。對(duì)于更復(fù)雜問題，可以相應(yīng)增加最從熱源到熱力站的一級(jí)管網(wǎng),調(diào)節(jié)方式為質(zhì)調(diào)節(jié)。大進(jìn)化代數(shù),只要確定出優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),并給出相節(jié)點(diǎn)1、19為兩座熱源，設(shè)計(jì)供、回水溫度為130、70應(yīng)的約束條件,粒子群優(yōu)化算法都可以取得良好的C ,熱源內(nèi)部水頭損失為15 m,節(jié)點(diǎn)9、10、12、13、優(yōu)化結(jié)果。對(duì)于一般的問題,粒子數(shù)取20 ~40個(gè)就15.16、17、18、20、22、23為熱力站,預(yù)留水頭損失均可以取得足夠好的效果。為10 m。其余節(jié)點(diǎn)為中間節(jié)點(diǎn)。6結(jié)論.6，0p①粒子群優(yōu)化算法是一 -種解決全局最優(yōu)問題01541856的群集智能算法,它的優(yōu)點(diǎn)是算法易于理解、參數(shù)21 -22少實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。在尋優(yōu)速度等方面較其他算法有優(yōu)17023勢(shì),算法通用性較強(qiáng),將模型做相應(yīng)修改即可應(yīng)用于12-.13不同'中國(guó)煤化工。圍2雙熱源枝狀管網(wǎng)結(jié)構(gòu)CNMH(簡(jiǎn)單熱網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化的決策變量為管徑d,目標(biāo)函數(shù)為熱網(wǎng)年問題;付巧J區(qū)刃HJ胚不找WUI比結(jié)果略優(yōu)于采用●A16.www. watergasheat. com孫巍,等:基于粒子群優(yōu)化算法的 熱網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì).第28卷第7期模擬退火法的優(yōu)化結(jié)果。對(duì)于復(fù)雜熱網(wǎng)的優(yōu)化,還[4] 徐二樹,趙文升,胡學(xué)武,等.供熱系統(tǒng)的仿真模型有待于進(jìn)一步研究。[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2004 ,31(2) :40 -44.③粒子群優(yōu)化算法是基于隨機(jī)搜索的算法，5] 師涌江,劉麗莉.應(yīng)用LCC概念進(jìn)行供熱系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃[J].暖通空調(diào),1999 ,29(5):65 -66.有可能陷人局部最優(yōu),這可通過多次計(jì)算解決。當(dāng)[6] 林衛(wèi)星,張惠娣，劉士榮,等.應(yīng)用粒子群優(yōu)化算法辨問題復(fù)雜度較高時(shí),計(jì)算速度較饅,有待于進(jìn)- -步 提識(shí)Hammerstein 模型[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2006,27高計(jì)算速度。(1):75 -79.[7] 賀平,孫剛. 供熱工程(第3版)[M].北京:中國(guó)建筑參考文獻(xiàn):工業(yè)出版社, 1993. .[1]周榮敏,林性粹. 應(yīng)用單親遺傳算法進(jìn)行樹狀管網(wǎng)優(yōu)8] 楊亞紅,王瑛,曹輝.基于粒子群優(yōu)化算法的環(huán)狀管網(wǎng)化布置[J].水利學(xué)報(bào),2001,(6):14-18.優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007 ,33(1) :136 -[2] 儲(chǔ)誠(chéng)山,張宏偉,高飛亞,等.基于改進(jìn)混合遺傳算法的給水管網(wǎng)優(yōu)化[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)2006,39( 10):1216 - 1226.作者簡(jiǎn)介:孫巍(1982- )， 女，黑龍江黑河人，[3] 張土喬,許剛,呂謀,等.用于供水系統(tǒng)直接優(yōu)化調(diào)度碩士生，研究方向?yàn)榱黧w網(wǎng)絡(luò)建模 與優(yōu)化。的蟻群改進(jìn)算法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),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●濰坊首條天然氣高壓儲(chǔ)氣管道建成2008年6月16日,濰坊港華天然氣高壓儲(chǔ)氣管道一期工程通過驗(yàn)收并投產(chǎn)使用。濰坊港華天然氣高壓儲(chǔ)氣管道一-期工程為濰坊東環(huán)路天然氣高壓儲(chǔ)氣管道,長(zhǎng)約6 km,設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣能力為3x10* m' ,總造價(jià)為800x10*元。據(jù)悉,濰坊市市區(qū)自引入天然氣以來,天然氣用戶數(shù)量由2004年的1.5x10*戶增加到2008年的6.2x10‘戶,日用氣量由2004年的7000 m'/d增加到2008年的13x10* m/d。隨著用氣量的不斷增加，上游氣源按計(jì)劃供應(yīng)與市區(qū)不均衡用氣供需矛盾較明顯。以前出現(xiàn)氣源緊張時(shí),濰坊港華燃?xì)庥邢薰疽话阆拗朴脷獯髴粲脷饬?。?jù)了解,為增強(qiáng)濰坊市的天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰能力,濰坊港華燃?xì)夤居?jì)劃在3年內(nèi)建設(shè)總長(zhǎng)約58 km的天然氣高壓儲(chǔ)氣管道,以保證供氣需要。(本刊通訊員供稿)國(guó)家發(fā)改委調(diào)整成品油和電力價(jià)格自2008年6月20日起,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)將汽油和柴油價(jià)格提高1 000元/t,將航空煤油價(jià)格提高1500元/l;自7月1日起,將全國(guó)銷售電價(jià)平均提高0.25元/(kW .h)。液化氣、天然氣及鐵路客運(yùn)價(jià)格不作調(diào)整。中國(guó)煤化工MYHCNMHG●A17.