環(huán)形蒸汽供熱管網系統(tǒng)設計與優(yōu)化措施論述

楊金梁

摘要：本文主要分析了目前我國工業(yè)集中供熱以及供熱管網優(yōu)化設計的發(fā)展情況，介紹了根據遺傳算法優(yōu)化環(huán)形蒸汽管網系統(tǒng)的方法。利用遺傳算法進行蒸汽供熱管網優(yōu)化可以節(jié)省供熱成本，加強生態(tài)環(huán)境保護，提高我國經濟發(fā)展效率。本文將會以永榮電廠至廣富工業(yè)園藍潔公司供熱管網工程為例，對環(huán)形蒸汽供熱管網系統(tǒng)設計及優(yōu)化的分析，以期為我國供熱事業(yè)發(fā)展提供幫助。

關鍵詞：工業(yè)集中供熱；環(huán)形管網；蒸汽供熱；設計優(yōu)化策略

1環(huán)形蒸汽供熱管網系統(tǒng)

1.1管網走向

根據現場勘查，管道走向可沿河道布置或沿園區(qū)道路布置。通過詳細分析比較認為，沿鐵路線布置供氣管網，是最佳方案。一是可以節(jié)省投資、涉農少。二是施工、維護方便快捷。

1.2管道布置方式

目前工業(yè)集中供熱的敷設方式主要有五種形式：①架空敷設；②地下管溝敷設；③地下直埋敷設；④城市綜合管溝敷設；⑤工業(yè)區(qū)綜合管廊敷設。五種敷設方式各有優(yōu)缺點，針對不同工程的具體特點和規(guī)劃部門的具體要求，通過技術經濟比較，綜合考慮熱網的敷設方式。根據本工程周邊環(huán)境、地理位置、地質條件等，本設計蒸汽管網敷設方式可采用架空、地埋相結合的敷設方式。地上敷設管道利用規(guī)劃道路邊緣綠化帶低支架敷設，低支架敷設時，盡量沿綠化帶內側敷設，利用灌木進行遮擋；穿越主要道路時，采用直埋敷設。

1.3管道壁厚的確定

依據《火力發(fā)電廠汽水管道設計規(guī)范》（DL/T5054-2016），不論按管子外徑還是內徑標示的管子，取用壁厚均不得小于管子的計算壁厚。本設計根據各段管材的蒸汽參數不同，分別根據其各自設計工況進行計算，考慮壁厚最大負偏差等因素，以及管網長期安全穩(wěn)定運行給予了一定的裕量，其計算結果見表1。

1.4管道保溫

熱力管道保溫結構應考慮機械強度、外觀和防水性能，由保溫層和保護層兩部分構成。管道保溫采用軟質保溫材料分層包裹（除另有說明外均為高溫玻璃棉），具體厚度如表2：

地埋管道保溫與相應段架空管道基本相同，地埋管道保溫層取消頂部1/3圓弧。以DN300架空管道保溫為例，保溫結構示意圖如圖1所示：

2 環(huán)形蒸汽供熱管網系統(tǒng)設計優(yōu)化策略

蒸汽管網設計是一個多變量、多約束條件、耦合性強的組合優(yōu)化問題，因此可以應用遺傳算法在給定的管道范圍內尋找滿足約束條件的目標函數最小解，在實際設計優(yōu)化過程中還應當考慮水蒸汽密度變化情況。首先計算水力模型、熱力模型，進而對蒸汽管道進行計算。在確定優(yōu)化函數、約束條件以及約束變量之后計算環(huán)形蒸汽管網的參數，然后應用遺傳算法進行最優(yōu)解的求解，最后得出環(huán)網優(yōu)化最優(yōu)解。

2.1 提出蒸汽供熱管網優(yōu)化設計問題

設計人員首先應當根據實際情況確定優(yōu)化函數、約束變量以及決策變量。熱網設計優(yōu)化內容包括管道優(yōu)化布線以及管徑的選擇。約束變量為標準管徑約束、溫度參數約束、壓力參數約束、管段外表允許最大散熱密度、流速、用戶節(jié)點流量要求等。管道外表面允許最大散熱密度約束如下表2所示。

2.2 環(huán)形蒸汽管網計算過程

環(huán)形蒸汽管網的計算過程包括初始流量的分配、構造管網計算基本方程組、計算蒸汽熱物性參數、計算環(huán)狀蒸汽供熱管網水力熱力四方面。

初始流量的確定是計算水力熱力的一個較為重要的方面。設計人員可以根據最小平方和法進行管段流量的分配，對管段末端逆向求和來計算枝狀管網末端各網段的流量。管網基本方程包括節(jié)點方程、回路方程以及管段壓降方程。其中，節(jié)點方程滿足基爾霍夫第一定律，回路方程滿足基爾霍夫第二定律，管段壓降方程則根據網絡拓撲結構知識進行確立。設計人員可以根據解節(jié)點方程法計算環(huán)狀蒸汽供熱管網水力熱力，這種計算方式相對比較簡便，而且擬定簡單，在現今蒸汽管網系統(tǒng)計算中得到了廣泛應用。在進行蒸汽供熱管網水力熱力計算時，一定要考慮溫度的變化，充分提高蒸汽管網計算的準確性，促進我國供熱管網系統(tǒng)優(yōu)化升級。

2.3 遺傳算法設計優(yōu)化過程

應用遺傳算法進行求解時，主要步驟為確定適應度函數和約束條件，選擇進化策略，產生初始種群，計算個體適應度值，對遺傳群體進行計算從而產生新一代遺傳種群，循環(huán)計算直到達到終止條件。應用遺傳算法進行設計優(yōu)化時的終止條件一般都是指定最大迭代次數。

對環(huán)形蒸汽供熱管網系統(tǒng)設計與優(yōu)化應用遺傳算法進行計算有利于接近最優(yōu)解，提高了搜索過程的靈活性和準確性。隨著計算次數不斷疊加新群體數量也不斷增加，因此擴大了解的范圍，方便選出最優(yōu)解。應用遺傳算法進行環(huán)形蒸汽供熱管網系統(tǒng)的優(yōu)化設計有助于我國節(jié)省自然能源，節(jié)能減排，進而促進我國實現生態(tài)發(fā)展。

3 總結

本文首先對我國工業(yè)集中供熱以及供熱管網發(fā)展情況進行了簡單介紹，指出了我國常用的優(yōu)化方法，然后對環(huán)形蒸汽管網計算過程以及遺傳算法設計優(yōu)化過程進行了說明。針對環(huán)形蒸汽供熱管網系統(tǒng)進行優(yōu)化設計可以節(jié)省我國供熱資源以及供熱成本，提高我國供熱效率，進而推動我國科技的發(fā)展以及社會的進步。

參考文獻

[1]邢立梅.試論環(huán)形蒸汽供熱管網系統(tǒng)設計與優(yōu)化[J].中國房地產業(yè)（理論版），2012，（8）：187.

[2]程惠.采用供熱管網聯通方式提高供熱效率分析與研究[C].//第四屆熱電聯產節(jié)能降耗新技術研討會論文集.中電投石家莊供熱有限公司，2015：267-27