基于粒子群優(yōu)化算法的熱網(wǎng)優(yōu)化設計

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)化設計孫巍，楚紀正(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)年折算費為目標函數,在水力約束條件下求解優(yōu)化的管徑。結合算例,驗證了粒子群優(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)化設計;粒子群優(yōu)化算法中圖分類(lèi)號: TU995文獻標識碼: A文章編號: 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概述麗數的確定、優(yōu)化算法的選取。對于建模,有宏觀(guān)模由于集中供熱管網(wǎng)管段數量眾多、管網(wǎng)結構復型和微觀(guān)模型,宏觀(guān)模型的建立主要根據管網(wǎng)的拓雜,建設費用在政府投資中占有很大的比例,因此熱撲結構利用圖論理論進(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)的趙華教授等對其進(jìn)網(wǎng)的設計優(yōu)化具有很大的現實(shí)意義。由于熱網(wǎng)優(yōu)化設計問(wèn)題不僅要求實(shí)現經(jīng)濟合理行了較深人的研究。微觀(guān)模型是對供熱系統的各個(gè)性,而且要兼顧系統可靠運行以及水力平衡協(xié)調等部分如循環(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(wèn)題較為復雜。通常采用的優(yōu)化方法是徐二樹(shù)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),但這樣等的數學(xué)模型[4]。對于目標函數的確定,一般采用很難實(shí)現經(jīng)濟的最優(yōu)性。近年來(lái)對熱網(wǎng)的優(yōu)化研究以熱網(wǎng)造價(jià)作為目標函數以實(shí)現成本優(yōu)化,也有采取得了新的進(jìn)展,在綜合運用水力學(xué)、傳熱學(xué)的基礎用壽命周期費用作為目標函數實(shí)現整體優(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'”]。對于優(yōu)化算法的選取,工程應用中應選擇速榮敏教授等利用單親遺傳算法對枝狀管網(wǎng)進(jìn)行布置度較快參數較少、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(lái)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)化設計(2) ,浙江大學(xué)張土喬教授基本思想是對鳥(niǎo)群、魚(yú)群的覓食過(guò)程中的遷徙和聚等將蟻群算法引入解決優(yōu)化調度問(wèn)題['”。在工程集的行為模擬[6] ,具有收斂速度快、參數較少的特應用上,將優(yōu)化設計用于指導工程實(shí)施,有效降低了點(diǎn),對中國煤化工較好的效果。采成本,也提高了供熱效率。用粒子二在熱網(wǎng)設計中的THCNMH(者不僅考慮了管基于嚴格模型的熱網(wǎng)優(yōu)化問(wèn)題分為建模、目標應用研九較少。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)化設計第28卷第7期網(wǎng)造價(jià),還考慮了運行費、熱損失費等因素。L,.--第i 個(gè)管段局部阻力的當量長(cháng)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)的結構見(jiàn)圖1。節點(diǎn)(6)包括中間節點(diǎn)和邊界節點(diǎn),既有流量流人也有流量流出的節點(diǎn)為中間節點(diǎn)(如節點(diǎn)2);只有流量流人對于一個(gè)現實(shí)的熱網(wǎng)，顯然還應滿(mǎn)足流量平衡或只有流最流出的節點(diǎn)稱(chēng)為邊界節點(diǎn),其中只有流的約束條件。量流出的稱(chēng)為源節點(diǎn)(如節點(diǎn)1),只有流量流人的3設計優(yōu)化的 目標函數稱(chēng)為匯節點(diǎn)(如節點(diǎn)n)。節點(diǎn)與節點(diǎn)之間為管段。目標麗數選擇熱網(wǎng)年折算費，包括熱網(wǎng)的造價(jià)按回收期的年折算值及熱網(wǎng)的年運行費兩部分。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 ,元/a圖1 供熱管網(wǎng)的結構對于第i個(gè)管段,其長(cháng)度L、內徑d,.比摩阻R,C.--熱網(wǎng)造價(jià),元等特性一起構成了一個(gè)物質(zhì)能量通道其中內徑d;X--標準投資效果系數,a~有范圍限制:f--熱網(wǎng)年運行費 ,元/ad.in≤d;≤d_(1)年運行費包括循環(huán)泵年電費fp、年熱損失費f、式中d.m-內徑的下限尺寸,m年維修費fs。因此,式(7)可表達為:d,-第i 個(gè)管段的內徑,mZ=C.X+f,+f +fs(8)..-- -內徑的上限尺寸,m式中f,- -循環(huán)泵年電費 ,元/a管段的比阻摩R;可用達西-維斯巴赫式表f-年熱損失費 ,元/a達[”:f一年維修費,元/a循環(huán)泵年電費f,的計算式為: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一管段的摩擦系數式中9.m,d一 熱網(wǎng)循環(huán)泵 的設計流量,kg/h-熱水的密度, kg/m3H-循環(huán)泵揚程,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λ可以用希弗林松公式表達[”:n- -循環(huán)泵的效率tp--循環(huán)泵的年最長(cháng)I作時(shí)間,是相應計λ=0.11(等)(3)算流量下的工作時(shí)間,h/a式中k-管內壁的絕對粗糙度 ,mPp- -電價(jià),元/(kW●.h)d-管道內徑,m年熱損失費f的計算式為: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,W/(m2 ●各用戶(hù)節點(diǎn)的資用水頭應大于等于各用戶(hù)的預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)中國煤化工溫度,p h.o失因數CNMHG式中h,.-- -用戶(hù) 的預留水頭,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Z。根據熱網(wǎng)估算指標，計算熱網(wǎng)造價(jià)并進(jìn)年維修費的計算式為:行最小二乘回歸8] ,可得出回歸系數a= 67.54元fs=γC,(11)m,b=4 708. 65元/m2。其他計算參數如下:電價(jià)為式中r- 年維修 費折算率,a~ 10.63元/(kW●h),熱價(jià)為76.7元/(MW●h),管熱網(wǎng)造價(jià)C?？捎霉軓胶凸荛L(cháng)的函數表示:內壁的絕對粗糙度為0.5 mm,熱水平均密度為C.= Sg(d,)L,(12)958. 38 kg/m3 ,標準投資效果系數為0.121 a~',局式中g(shù)(d,)一第i個(gè)管段單位長(cháng)度的造價(jià)函數,部阻力當量長(cháng)度折算系數為0.3,循環(huán)泵效率為0.7,年維修費折算率為0.08 a-' ,管道各管件的散元/m熱損失因數為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:管道內徑的下限尺寸為100 mm,管道內徑的上限尺g(d;) =a + bd,寸為400 mm。式中a-- -回歸系數,元/m粒子群優(yōu)化算法的參數選取如下:慣性權重采b一-回歸系數, 元/m2用線(xiàn)性變化,加權系數的上、下限為0.9、0.4。加速因此式( 12)可轉化為:度常數取2。粒子數取30個(gè),最大進(jìn)化代數取為20C.= 2(a +b,)L,(14)代。計算過(guò)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。整數值。年熱損失費f、年維修費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)化結果見(jiàn)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)化結果子的位置表示待優(yōu)化問(wèn)題的解,每個(gè)粒子以一個(gè)速費用計算結果/元優(yōu)化結果/元f13.81 x 10*10.23 x 10* _度向最優(yōu)位置靠近。首先要隨機初始化若干個(gè)粒子f。88.62 x 10*86. 36 x10*的位置和速度,然后通過(guò)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(guò)跟蹤兩個(gè)極值更新自己的速度多次運算結果顯示,在不超過(guò)10代的過(guò)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。利用計算管徑計算得到的年折算稱(chēng)為個(gè)體最優(yōu);另-個(gè)極值是整個(gè)粒子群到目前為費為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(chēng)為全局最優(yōu)。迭代次數稱(chēng)為進(jìn)的年折算費為308.35 x 10*元a,節約費用約4%?；鷶?當進(jìn)化代數達到給定值迭代結束,得到最優(yōu)該算例針對一個(gè)較為簡(jiǎn)單的- -級管網(wǎng),因此進(jìn)解。根據問(wèn)題的要求可以設定合適的進(jìn)化代數?；鷶岛土Ｗ訑刀歼x取了較為適合快速計算的值，5算例及分析采用粒子群優(yōu)化算法針對環(huán)狀管網(wǎng)的優(yōu)化設計可以一個(gè)雙熱源枝狀管網(wǎng)的結構見(jiàn)圖2。本算例為參照文獻[8]。對于更復雜問(wèn)題，可以相應增加最從熱源到熱力站的一級管網(wǎng),調節方式為質(zhì)調節。大進(jìn)化代數,只要確定出優(yōu)化的目標函數,并給出相節點(diǎn)1、19為兩座熱源，設計供、回水溫度為130、70應的約束條件,粒子群優(yōu)化算法都可以取得良好的C ,熱源內部水頭損失為15 m,節點(diǎn)9、10、12、13、優(yōu)化結果。對于一般的問(wèn)題,粒子數取20 ~40個(gè)就15.16、17、18、20、22、23為熱力站,預留水頭損失均可以取得足夠好的效果。為10 m。其余節點(diǎn)為中間節點(diǎn)。6結論.6，0p①粒子群優(yōu)化算法是一 -種解決全局最優(yōu)問(wèn)題01541856的群集智能算法,它的優(yōu)點(diǎn)是算法易于理解、參數21 -22少實(shí)現簡(jiǎn)單。在尋優(yōu)速度等方面較其他算法有優(yōu)17023勢,算法通用性較強,將模型做相應修改即可應用于12-.13不同'中國煤化工。圍2雙熱源枝狀管網(wǎng)結構CNMH(簡(jiǎn)單熱網(wǎng)優(yōu)化設計優(yōu)化的決策變量為管徑d,目標函數為熱網(wǎng)年問(wèn)題;付巧J區刃HJ胚不找WUI比結果略?xún)?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)化設計.第28卷第7期模擬退火法的優(yōu)化結果。對于復雜熱網(wǎng)的優(yōu)化,還[4] 徐二樹(shù),趙文升,胡學(xué)武,等.供熱系統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,2004 ,31(2) :40 -44.③粒子群優(yōu)化算法是基于隨機搜索的算法，5] 師涌江,劉麗莉.應用LCC概念進(jìn)行供熱系統優(yōu)化規劃[J].暖通空調,1999 ,29(5):65 -66.有可能陷人局部最優(yōu),這可通過(guò)多次計算解決。當[6] 林衛星,張惠娣，劉士榮,等.應用粒子群優(yōu)化算法辨問(wèn)題復雜度較高時(shí),計算速度較饅,有待于進(jìn)- -步 提識Hammerstein 模型[J].儀器儀表學(xué)報, 2006,27高計算速度。(1):75 -79.[7] 賀平,孫剛. 供熱工程(第3版)[M].北京:中國建筑參考文獻:工業(yè)出版社, 1993. .[1]周榮敏,林性粹. 應用單親遺傳算法進(jìn)行樹(shù)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,2001,(6):14-18.優(yōu)化設計[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報,2007 ,33(1) :136 -[2] 儲誠山,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.用于供水系統直接優(yōu)化調度碩士生，研究方向為流體網(wǎng)絡(luò )建模 與優(yōu)化。的蟻群改進(jìn)算法[J].計算機集成制造系統,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氣管道建成2008年6月16日,濰坊港華天然氣高壓儲氣管道一期工程通過(guò)驗收并投產(chǎn)使用。濰坊港華天然氣高壓儲氣管道一-期工程為濰坊東環(huán)路天然氣高壓儲氣管道,長(cháng)約6 km,設計儲氣能力為3x10* m' ,總造價(jià)為800x10*元。據悉,濰坊市市區自引入天然氣以來(lái),天然氣用戶(hù)數量由2004年的1.5x10*戶(hù)增加到2008年的6.2x10‘戶(hù),日用氣量由2004年的7000 m'/d增加到2008年的13x10* m/d。隨著(zhù)用氣量的不斷增加，上游氣源按計劃供應與市區不均衡用氣供需矛盾較明顯。以前出現氣源緊張時(shí),濰坊港華燃氣有限公司一般限制用氣大戶(hù)用氣量。據了解,為增強濰坊市的天然氣儲氣調峰能力,濰坊港華燃氣公司計劃在3年內建設總長(cháng)約58 km的天然氣高壓儲氣管道,以保證供氣需要。(本刊通訊員供稿)國家發(fā)改委調整成品油和電力價(jià)格自2008年6月20日起,國家發(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,將全國銷(xiāo)售電價(jià)平均提高0.25元/(kW .h)。液化氣、天然氣及鐵路客運價(jià)格不作調整。中國煤化工MYHCNMHG●A17.