遺傳算法在集中供熱網(wǎng)流量調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

戴謙九，張 莉

（太原市熱力公司，山西 太原 030001）

1 引言

集中供熱管網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的分布式大系統(tǒng)，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程具有大滯后性、大慣性。供熱站之間存在較強(qiáng)的耦合特性，對(duì)象具有時(shí)變特性，同時(shí)還存在著地理位置的分散性、過(guò)程負(fù)荷變化的不確定性等特點(diǎn)[1]。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定性差、氣候變化快時(shí)，各熱力站之間的水力、熱力工況相互影響，難以同時(shí)滿足供熱指標(biāo)，甚至?xí)l(fā)振蕩。綜上所述，較好的方法是綜合考慮全網(wǎng)整體供熱效果的調(diào)節(jié)方案[2]，達(dá)到均勻供熱。

2 遺傳算法概述

遺傳算法來(lái)源于達(dá)爾文的進(jìn)化論，是建立在自然選擇和群體遺傳學(xué)機(jī)理基礎(chǔ)上隨機(jī)、迭代、進(jìn)化，具有廣泛的適用性的搜索方法。遺傳算法的主要特點(diǎn)是群體搜索策略和群體中個(gè)體之間的信息交換，搜索不依賴于梯度信息，它尤其適用于處理傳統(tǒng)方法難于解決的復(fù)雜非線性問(wèn)題[3]。在集中供熱中，當(dāng)熱網(wǎng)環(huán)境達(dá)不到供需平衡時(shí)，計(jì)算機(jī)采用遺傳算法得出對(duì)整個(gè)熱網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)最優(yōu)解而不是針對(duì)個(gè)別熱力站的最優(yōu)解，通過(guò)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到均勻供熱。

3 基于遺傳算法的流量控制策略

遺傳算法作為一種新的優(yōu)化搜索算法被廣泛應(yīng)用于許多優(yōu)化問(wèn)題中，這種算法不是盲目窮舉或完全隨機(jī)的測(cè)試，而是不斷產(chǎn)生最優(yōu)解，最大可能性地達(dá)到整個(gè)熱網(wǎng)系統(tǒng)以及各熱力站的供熱要求指標(biāo)，有效地防止針對(duì)個(gè)別熱力站得出的最優(yōu)解。本論文試圖應(yīng)用遺傳算法根據(jù)熱源的總熱量合理分配一次網(wǎng)側(cè)各熱力子站的流量，并最終實(shí)現(xiàn)均勻供熱。為了實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)的動(dòng)態(tài)控制，需要了解各熱力站用戶及站內(nèi)設(shè)備的熱工特性參數(shù)，在此基礎(chǔ)上給出調(diào)節(jié)目標(biāo)設(shè)定值。在應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)供熱管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，有可能從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中辨識(shí)出實(shí)際的用戶熱工特性參數(shù)，及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出新的最優(yōu)解，從而更好地指導(dǎo)熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)與運(yùn)行，達(dá)到令人滿意的供熱效果。

4 遺傳算法在集中供熱網(wǎng)流量調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)控制策略

熱電聯(lián)產(chǎn)供熱工程通常是由一個(gè)熱源及幾十個(gè)間接連接熱力站所構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，負(fù)荷的變化對(duì)熱源運(yùn)行方式的調(diào)整，以及熱用戶之間或內(nèi)部的變化都要求對(duì)主網(wǎng)內(nèi)的閥門進(jìn)行自動(dòng)控制。對(duì)于各個(gè)工程的實(shí)際情況，這種控制方法可能會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題:

第一，由于熱源、熱網(wǎng)分屬兩個(gè)不同的管理部門，熱源總供熱量與用戶需求熱量有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不匹配問(wèn)題。當(dāng)供熱量大于實(shí)際需求熱量時(shí)即產(chǎn)生過(guò)盈量，各個(gè)熱力子站將競(jìng)相關(guān)小站內(nèi)調(diào)節(jié)閥門；而當(dāng)供熱量小于實(shí)際需求熱量時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生各熱力子站都將閥門開(kāi)到最大而爭(zhēng)流量的現(xiàn)象，這樣做的嚴(yán)重后果是造成系統(tǒng)不穩(wěn)定并將引起更大的水平熱力失調(diào)。

第二，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差時(shí)，將會(huì)引起各熱力站之間的水力工況和熱力工況的相互影響，并形成振蕩。

由于上述原因，本文所采用的控制策略是將整個(gè)供熱系統(tǒng)的控制分為熱源及熱網(wǎng)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。下面對(duì)遺傳算法調(diào)節(jié)方法與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法進(jìn)行比較：

傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法：從各用戶出發(fā)獨(dú)立調(diào)節(jié)，以滿足用戶的絕對(duì)室溫要求；調(diào)節(jié)時(shí)按照設(shè)計(jì)工況調(diào)節(jié)熱源，熱網(wǎng)子站各自決定自己的調(diào)節(jié)目標(biāo)；熱源的調(diào)整及室外溫度變化都會(huì)導(dǎo)致各子站的不斷調(diào)整，子站獨(dú)立控制也會(huì)對(duì)熱源運(yùn)行產(chǎn)生影響，熱源熱網(wǎng)相互牽制；熱源總供熱量及室外溫度的頻繁變化都將導(dǎo)致子站閥門的頻繁動(dòng)作，控制設(shè)備維修量大，并可能出現(xiàn)閥門關(guān)死或過(guò)力矩事故；總供熱量不足時(shí)，只有部分子站能夠達(dá)到供熱要求，子站間水平失調(diào)嚴(yán)重，整體供熱效果差；當(dāng)子站流量供需不平衡時(shí)，子站獨(dú)立調(diào)節(jié)將產(chǎn)生水平熱力失調(diào)，過(guò)熱用戶浪費(fèi)了多余熱量，過(guò)冷用戶則需要輔助采暖措施，能量浪費(fèi)大，經(jīng)濟(jì)效果差。

遺傳算法調(diào)節(jié)方法：將整個(gè)系統(tǒng)分為熱源和熱網(wǎng)兩個(gè)互為獨(dú)立的調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，熱網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)均勻供熱為目標(biāo)，熱源通過(guò)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的總需求熱量調(diào)節(jié)總供熱量；按照在線辨識(shí)的供熱特性參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；熱源根據(jù)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的熱網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)供熱參數(shù)，熱網(wǎng)子站調(diào)節(jié)目標(biāo)統(tǒng)一給定，由于各子站之間水力耦合性強(qiáng)，采用基于遺傳算法的控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)；熱源熱網(wǎng)調(diào)節(jié)回路基本獨(dú)立，相互牽制小；供暖期間，僅熱源根據(jù)室外溫度經(jīng)常調(diào)節(jié)，熱網(wǎng)調(diào)勻后，子站閥門動(dòng)作頻率和幅度都很小；在供熱量不足時(shí)，均勻降低熱網(wǎng)所有用戶的供熱標(biāo)準(zhǔn)，熱網(wǎng)整體水平失調(diào)度小；熱網(wǎng)調(diào)勻后可避免過(guò)熱、過(guò)冷引起的能量損失，熱源可以在滿足一定的用戶室溫要求范圍內(nèi)尋求總體上的最佳效益。

綜上所述，一次網(wǎng)運(yùn)行應(yīng)采取分階段質(zhì)量——流量并調(diào)的方法，根據(jù)室外溫度和供暖負(fù)荷的變化來(lái)決定主循環(huán)泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。二次網(wǎng)運(yùn)行應(yīng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)的方式。一般情況下，只需要改變二次網(wǎng)供回水溫度，而保持二次網(wǎng)循環(huán)流量不變，從而保證網(wǎng)路內(nèi)水力工況穩(wěn)定，避免了用戶間的垂直熱力失調(diào)。

4.2 基于遺傳算法的優(yōu)化控制策略

當(dāng)某些熱力站支路水流量變化或調(diào)整閥門開(kāi)度時(shí)，必然會(huì)引起全網(wǎng)壓力分布的變化，進(jìn)而對(duì)其他熱力站的流量產(chǎn)生影響。在這種情況下，可以利用遺傳算法按照多變量對(duì)象進(jìn)行整體控制[4]。

為達(dá)到供熱管網(wǎng)均勻供熱的調(diào)節(jié)目標(biāo)，對(duì)供熱管網(wǎng)換熱器間接連接系統(tǒng)而言，則是將各熱力站二次網(wǎng)供回水平均溫度調(diào)勻。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，采用的調(diào)節(jié)方法是:中央管理計(jì)算機(jī)根據(jù)全網(wǎng)實(shí)測(cè)二次網(wǎng)平均溫度分布以及辨識(shí)出的各熱力站熱工特性參數(shù)，如暖氣片供熱和地暖供熱要區(qū)分開(kāi)，供熱面積大的要和供熱面積小的熱力站區(qū)分開(kāi)。統(tǒng)一給定各熱力站的調(diào)節(jié)目標(biāo)，各熱力站現(xiàn)場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)按照給定目標(biāo)調(diào)整各自閥門開(kāi)度，并防止閥門振蕩及關(guān)死等事故的發(fā)生。

[1]李德英，劉政滿等.鍋爐供暖量化管理與節(jié)能技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1992.

[2]賀平，孫剛等.供熱工程（第三版）[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1993.

[3]陳國(guó)良，王煦法等.遺傳算法及其應(yīng)用[M].北京;人民郵電出版社，1996，6.

[4]王榮和，姚仁忠.潘建華遺傳算法在給水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析中的應(yīng)用[J].給水排水2000,26(9):31-36.