金康華，王葉飛，孫海龍，林小杰，蔡東平，李 嵐，鐘 崴

(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司 技術(shù)部，浙江 紹興 312000；2．浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310000;3.常州英集動力科技有限公司 工業(yè)部，江蘇 常州 213000)

0 引言

隨著我國工業(yè)化進程的不斷深入，集群式的工業(yè)園區(qū)因其資源集成、聯(lián)動發(fā)展、環(huán)境友好的優(yōu)勢[1]，已成為拉動區(qū)域經(jīng)濟增長、推動區(qū)域技術(shù)創(chuàng)新的新動能與推進我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的有效途徑。而工業(yè)園區(qū)并非靜態(tài)建設(shè)規(guī)劃一次成型，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴張、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷重組給工業(yè)園區(qū)能源系統(tǒng)尤其是供熱系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。同時，《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》也指出：建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。面向需求與政策雙重導(dǎo)向，如何運用新建管網(wǎng)智能規(guī)劃解決供熱系統(tǒng)增量擴容和熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜條件下的局部管路過載、供需不匹配的問題，需要智慧供熱理念在以集中供熱為主要供熱方式的工業(yè)園區(qū)[2]中深入運用，即以基于模型的供熱規(guī)劃為技術(shù)核心，以基于智能優(yōu)化算法的機器解算為技術(shù)支撐，推進供熱系統(tǒng)規(guī)劃的智能化、精細化發(fā)展。

針對工業(yè)園區(qū)復(fù)雜蒸汽供熱管網(wǎng)突出的安全性與品質(zhì)保障問題，傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)大多依靠經(jīng)驗對管網(wǎng)流量輸配進行調(diào)節(jié)[3]，能源浪費現(xiàn)象嚴重。因此，國內(nèi)外學(xué)者著眼于工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)的模型構(gòu)建、優(yōu)化改造等方面的研究。

在建模方面，孫玉寶[4]在蒸汽管網(wǎng)計算模型中，結(jié)合節(jié)點方程法對水力和熱力計算進行聯(lián)合求解，結(jié)果顯示這一方法獲得的節(jié)點壓力和節(jié)點溫度的相對誤差大部分在5%以內(nèi)，滿足工程精度要求；李曉紅等[5]以瞬變流理論與特征線求解方法為基礎(chǔ)，建立了可反映蒸汽管網(wǎng)運行波動的瞬變數(shù)學(xué)模型；涂惟民等[6]通過分析枝狀布置蒸汽管網(wǎng)的特點，建立了一種針對枝狀蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化的多主軸分級計算方法。

在工業(yè)園區(qū)蒸汽輸配網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計方面，張全斌等[7]對蒸汽管道輸送距離影響因素做出了分析，為長距離供熱的規(guī)劃設(shè)計提供了指導(dǎo)；白子強[8]以蒸汽管網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行為目標，提出了有效的管網(wǎng)優(yōu)化方法；楊麗芳[9]借助DSZ-PROSS軟件模擬分析，通過工業(yè)母管和原有管道跨接的方式，解決了原有蒸汽管線壓力不匹配及局部管段存在的壓阻瓶頸的問題。

然而，尚未見考慮蒸汽熱網(wǎng)動態(tài)發(fā)展，基于機理模型尋優(yōu)的熱網(wǎng)規(guī)劃改造策略研究。因此，本文建立了工業(yè)園區(qū)蒸汽熱網(wǎng)機理模型并基于歷史運行數(shù)據(jù)校驗?zāi)Ｐ?，采用粒子群?yōu)化算法求解以提高末端供汽品質(zhì)作為目標的優(yōu)化問題，得到管網(wǎng)最優(yōu)改造策略，并以預(yù)測性手段分析拓撲結(jié)構(gòu)變動對蒸汽流量輸配的影響，實現(xiàn)對蒸汽系統(tǒng)供汽品質(zhì)的改善。

1 蒸汽熱網(wǎng)建模及優(yōu)化改造方法

本文通過建立與實際熱網(wǎng)系統(tǒng)相對應(yīng)的仿真模型及兩者的實時雙向映射關(guān)系，以較為經(jīng)濟的預(yù)測性手段分析拓撲結(jié)構(gòu)變動對蒸汽流量輸配的影響，從而求解優(yōu)化問題得到可以用于實際生產(chǎn)生活的蒸汽熱網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)最優(yōu)改造策略，實現(xiàn)對蒸汽系統(tǒng)供汽品質(zhì)的高效改善。

1.1 工業(yè)園區(qū)蒸汽熱網(wǎng)機理仿真模型

本文基于工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)及流體力學(xué)相關(guān)機理方程和實際管網(wǎng)結(jié)構(gòu)(如圖1)建立工業(yè)園區(qū)熱網(wǎng)模型。為簡化計算，本文采用基于圖論的方法，將供熱管網(wǎng)中管道部件定義為“區(qū)段”，將除管道外的其他部件(如閥門等)定義為“節(jié)點”，并通過節(jié)點關(guān)聯(lián)矩陣有效連接。熱網(wǎng)模型經(jīng)迭代計算求解后可得出全網(wǎng)蒸汽溫度、流量、壓力等參數(shù)的分布，以支撐后續(xù)的數(shù)據(jù)驗證及改造方案尋優(yōu)。

圖1 工業(yè)園區(qū)蒸汽管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖

針對含有a個節(jié)點、b條管段、c個閉環(huán)回路的蒸汽管網(wǎng)，由基爾霍夫第一定律建立節(jié)點處的流量守恒方程

AL=Q

式中A(a×b)——節(jié)點區(qū)段關(guān)聯(lián)矩陣；

L——各個區(qū)段內(nèi)的流量向量，L=[L1,L2,…,Lb]T；

Q——各節(jié)點凈質(zhì)量流量的向量，Q=[Q1,Q2,…,Qa]T，一般取流入該節(jié)點為正值，流出該節(jié)點為負值。

由基爾霍夫第二定律可知，在閉合回路中的壓降和溫降等于零

BΔH=0

BΔT=0

式中B——閉合回路關(guān)聯(lián)矩陣；

ΔH——閉合回路的管段壓降矩陣,ΔH=[ΔH1,ΔH2,…,ΔHb]T；

ΔT——閉合回路的溫度降矩陣ΔT=[ΔT1,ΔT2,…,ΔTb]T。

由流體力學(xué)相關(guān)方程可求得管線段的壓力降

ΔH=ε|L|L+ΔZ-P

式中P——閉合回路中管網(wǎng)水泵的壓力降矩陣，不存在水泵時，取P=0；

ε——管線段的壓力修正系數(shù)；

ΔZ——管線段地理標高最大值與最小值的差值。

管線段的溫降與該管線段的焓降和散熱量有關(guān)，焓降的計算式為

式中hin、hout——管段進、出口焓值/kJ·kg-1；

Vin、Vout——管段進、出口流速/m·s-1；

Qj——管線段的熱損失/kJ；

q——管線段的質(zhì)量流量/kg。

單位長度管線段的熱損失Qi計算式為

Ql=KπDo(Tm-Ta)

式中Do——管線段的外徑/m；

K——換熱系數(shù)/kJ·(kg·m·℃)-1；

Tm、Ta——蒸汽溫度/℃、環(huán)境溫度/℃。

其中管線外徑Do和換熱系數(shù)K的計算式如下

Do=Dm2δp+2δisu1+2δisu2

式中Dm、δp——管道內(nèi)徑/m、管壁厚度/m；

δisu1、δisu2——內(nèi)、外層保溫層厚度/m；

λp、λisu2、λisu2——管道管壁、內(nèi)層保溫層、外層保溫層導(dǎo)熱系數(shù)/kJ·(kg·℃)-1；

hm、ho、hr——蒸汽和管壁的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、管道外保溫層和外界環(huán)境的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、管道外保溫層與外界環(huán)境的輻射傳熱系數(shù)/kJ·(kg·m·℃)-1。

通過聯(lián)立上述水力平衡及熱力平衡方程，即可求解多熱源聯(lián)合供熱的閉合式蒸汽熱網(wǎng)模型。考慮模型在工程實際應(yīng)用的可行性，本文提出根據(jù)實測數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進行誤差分析，計算單個用戶的溫度、壓力的相對誤差，并以單個參數(shù)相對誤差的加權(quán)平均值表征整網(wǎng)的相對計算誤差，如果單個參數(shù)誤差與整網(wǎng)平均誤差均小于5%，即可認為該仿真模型符合計算精度要求，具有良好的工程應(yīng)用價值。

1.2 工業(yè)園區(qū)蒸汽熱網(wǎng)優(yōu)化改造方法

為評價在不同改造方案對整網(wǎng)參數(shù)變化的影響，以代表性用戶在改造前后的溫度壓力作為評判標準，本文設(shè)定優(yōu)化系數(shù)η作為優(yōu)化函數(shù)目標

式中Pia、Pib——聯(lián)通管段聯(lián)通前后特征用戶i的計算壓力/MPa；

Tia、Tib——聯(lián)通管段連同前后特征用戶i的計算溫度/℃；

n——代表性熱用戶數(shù)量。

在實踐中，優(yōu)化變量為具體改造方案，優(yōu)化變量通過所研發(fā)的模型得出全網(wǎng)各處參數(shù)后進一步算出優(yōu)化函數(shù)值(即前文所述的優(yōu)化系數(shù))，對應(yīng)的，優(yōu)化過程中所涉及的約束主要由地形和項目現(xiàn)狀等決定。因為工業(yè)蒸汽管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，改造優(yōu)化方案多樣，對優(yōu)化算法的收斂性和穩(wěn)定性及收斂速度均有較高要求，故而本文提出采用智能優(yōu)化算法中的粒子群算法來對上述問題進行優(yōu)化求解。

粒子群優(yōu)化算法是一種典型的群體智能優(yōu)化算法，它的思想源于對鳥群簡化社會模型的研究及行為模擬[10]。它將模型中的個體抽象為沒有質(zhì)量和體積的粒子，而粒子所處位置表示解空間中可能解的位置，通過個體間的信息傳遞，導(dǎo)引粒子群體按一定規(guī)律向可能解的方向運動從而尋找到最優(yōu)解。本文的目標是為了在不抬高源側(cè)供汽壓力和保證管網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下尋找可以提高管網(wǎng)整體供汽性能的最優(yōu)改造方案，這一優(yōu)化問題可表述為如下的具體粒子群優(yōu)化算法：

將優(yōu)化變量(具體改造方案)組合為d維粒子，從而把優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為d維空間中粒子群運動問題。在本文中，單個粒子可理解為一組蒸汽管道優(yōu)化改造方案，其最優(yōu)解則是熱網(wǎng)末端代表性用戶用汽壓力的最優(yōu)改善比例。各粒子在運動過程中，算法通過對個體最優(yōu)和全局最優(yōu)粒子的學(xué)習(xí)進行搜索并逐步找到最優(yōu)解。具體而言，在生成初始位置后，第i個粒子的位置可表示為Xi=[xi,1,xi,2,…,xi,d]，速度可表示為Vi=[vi,1,vi,2…,vi,d]，每一次迭代，粒子根據(jù)如下公式更新位置

Vi(t+1)=wVi(t)+c1r1[pbesti-Xi(t)]+

c2r2[gbesti-Xi(t)]

Xi(t+1)=Xi(t)+Vi(t+1)

式中c1、c2——加速度系數(shù)；

r1、r2——0～1范圍內(nèi)的隨機數(shù)；

pbesti、gbesti——粒子個體最優(yōu)值向量、全局最優(yōu)值向量；

w——慣性權(quán)重系數(shù)，本文采用線性遞減的慣性權(quán)重來提高算法的收斂性。

式中Itemax、Ite——最大迭代次數(shù)、當前迭代次數(shù)；

wmax、wmin——慣性權(quán)重的最大值1、慣性權(quán)重的最小值0。

上述具體實現(xiàn)的計算流程如圖2所示。

圖2 單目標粒子群算法流程圖

圖3 低壓管線結(jié)構(gòu)圖

2 案例實踐與結(jié)果分析

2.1 案例介紹

本文所探討案例為浙江紹興某熱電公司運營的蒸汽熱網(wǎng)。該供熱系統(tǒng)目前采用多熱源聯(lián)合供熱，熱源分散在4個區(qū)域，為周邊企業(yè)供應(yīng)蒸汽。由于系統(tǒng)規(guī)模增大，支線數(shù)目增加，熱用戶數(shù)量用量分布不一，導(dǎo)致目前蒸汽管網(wǎng)運行期間間歇性出現(xiàn)部分管網(wǎng)負載過高，用汽壓力較低的現(xiàn)象。圖3為該熱網(wǎng)中由管網(wǎng)1和管網(wǎng)2組成的低壓管線結(jié)構(gòu)圖，并對有代表性的末端用戶進行了標注。某典型工況下，管網(wǎng)1的流量Q1=338.52 t/h，溫度T1=263.2 ℃，管網(wǎng)2的流量Q2=402.47 t/h，溫度T2=252.1 ℃。如果增大管網(wǎng)1的供汽量，會迅速導(dǎo)致末端部分用戶的壓力在使用過程中低于合同值的Pd=0.5 MPa，從而影響園區(qū)內(nèi)用戶的用汽品質(zhì)，這一現(xiàn)象客觀上制約了管網(wǎng)1區(qū)域新增熱負荷的潛力。

歷史運行數(shù)據(jù)顯示，管網(wǎng)2的末端用戶的壓力參數(shù)略高于管網(wǎng)1的末端用戶的壓力參數(shù)，因此可考慮引入旁通管線，優(yōu)化各條管線壓力分布，從而實現(xiàn)供汽性能的優(yōu)化，實際中的困難在于如何確定這一聯(lián)通管線的優(yōu)化布局。

2.2 蒸汽熱網(wǎng)優(yōu)化改造分析

在前述仿真模型的支撐下，本文針對案例中蒸汽熱網(wǎng)所存在的問題建立管網(wǎng)1和管網(wǎng)2相應(yīng)的熱網(wǎng)機理模型，并通過典型工況的計算，得出代表性用戶處的蒸汽參數(shù)仿真結(jié)果，與實測數(shù)據(jù)進行對比，如表1所示。隨后，基于實測數(shù)據(jù)對該案例模型進行誤差分析，如圖4所示。

從圖4計算結(jié)果可知，代表性用戶處的單個參數(shù)的誤差均小于5%，符合工程計算精度要求，該模型能真實的反映管網(wǎng)特性，具備進行預(yù)測性分析與支撐改造決策的能力。

表1 代表性用戶的仿真計算結(jié)果

圖4 代表性用戶仿真計算誤差分析結(jié)果

前期調(diào)研后，考慮到現(xiàn)場施工約束，新建的DN400聯(lián)通管段只能鋪設(shè)于管道1和管道2之間。管道1和管道2的具體位置如圖5所示。

圖5 管道1與管道2的位置示意圖

在本案例中將管道1與管道2上的聯(lián)通點相對于圖4中對應(yīng)管道左端的長度分別記為X1和X2，并引入至粒子群算法中作為坐標，則管道1和管道2的聯(lián)通點相對位置的計算式為

Y=kX+b

管線1和管線2聯(lián)通點相對位置方程中具體系數(shù)與約束范圍如表2所示。

表2 管線1與管線2的相對位置方程系數(shù)取值范圍

同時，聯(lián)通管段的長度l可由下列方程組求解

式中XL1、YL1——聯(lián)通管段位于管線1上的連接位置的坐標/m；

XL2、YL2——聯(lián)通管段位于管線2上的連接位置的坐標/m；

系數(shù)0.705、系數(shù)0.665——管線1與管線2與水平夾角的余弦函數(shù)值；

l——聯(lián)通管線長度/m。

以X1和X2作為自變量，采用圖2中的粒子群算法，設(shè)置粒子數(shù)為100個，這一尋優(yōu)過程中優(yōu)化系數(shù)η隨X1和X2的不同取值的變化如圖6所示。最后，當X1=20.72 m，X2=659.32 m時，獲得最優(yōu)解，此時優(yōu)化系數(shù)η=39.17%，聯(lián)通管線長度l=429.28 m。

圖6 優(yōu)化系數(shù)隨X1和X2的不同取值的變化

2.3 改造方案驗證

2.3.1 改造方案仿真驗證

為了驗證這一聯(lián)通管安裝思路的合理性，本文再次建立管網(wǎng)1和管網(wǎng)2聯(lián)通后的模型。這一模型中，新建聯(lián)通管段如圖7所示，通過對該模型進行仿真計算，代表性用戶的蒸汽參數(shù)在兩個供熱管網(wǎng)末端聯(lián)通前后的計算結(jié)果如表3所示。

由表3計算結(jié)果可知，兩個管網(wǎng)末端聯(lián)通后，壓力較高的管網(wǎng)2的用戶，如代表性用戶3和用戶4的實測壓力幾乎不變；而壓力較低的管網(wǎng)1的用戶，如代表性用戶1和用戶2的實測壓力抬升ΔP=0.1 MPa；同時，不同于其他代表性用戶在聯(lián)通后溫度的略有上升，用戶1的溫度隨著管網(wǎng)的聯(lián)通會發(fā)生明顯的降低，降低值ΔT=10 ℃。仿真計算結(jié)果表明，聯(lián)通管網(wǎng)1和管網(wǎng)2的末端來抬升管網(wǎng)1的末端用戶的壓力的決策是可行的，但是用戶1的溫度可能降低，從而影響其蒸汽品質(zhì)。

表3 兩個管網(wǎng)末端聯(lián)通前后代表性用戶參數(shù)的仿真計算結(jié)果

圖7 新建管段聯(lián)通管網(wǎng)1與管網(wǎng)2末端

2.3.2 改造方案實際工程驗證

基于前述優(yōu)化結(jié)果建造聯(lián)通管線后，本文對管網(wǎng)1和管網(wǎng)2通過DN400的管線進行聯(lián)通前后的代表性用戶的實測參數(shù)變化結(jié)果進行了基于實測數(shù)據(jù)的總結(jié)對比，這一結(jié)果總結(jié)于表4。

表4 兩個管網(wǎng)末端聯(lián)通前后代表性用戶的實測參數(shù)變化

由表4結(jié)果可知，雖然聯(lián)通后的工況由于用戶使用流量的變化以及源側(cè)參數(shù)的變化，實際結(jié)果與計算結(jié)果略有不同，但趨勢基本保持一致：管網(wǎng)1末端用戶的壓力抬升明顯，同時管網(wǎng)2的用戶側(cè)壓力基本沒有變化；而用戶1如仿真預(yù)期的那樣發(fā)生了明顯的蒸汽溫度降低現(xiàn)象。結(jié)果表明，基于模型做出的一系列改造方案，達到了預(yù)期的效果。在本次的仿真輔助決策的過程中，將管網(wǎng)1和管網(wǎng)2的末端聯(lián)通，從而抬升管網(wǎng)1用戶的壓力的預(yù)期效果與平臺計算的結(jié)果相同；同時平臺成功預(yù)測管網(wǎng)1與管網(wǎng)2末端連接后，導(dǎo)致的用戶1溫度下降的不利現(xiàn)象，在實踐中對于實際決策過程的利弊權(quán)衡提供了更加全面的數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)論與展望

本文首先給出了工業(yè)園區(qū)蒸汽管網(wǎng)機理模型并建立了以粒子群優(yōu)化算法為核心的管網(wǎng)優(yōu)化改造方法。這一方法基于所開發(fā)的模型，在不抬高源側(cè)供汽壓力和保證管網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下可用于尋找能提高管網(wǎng)整體供汽性能的最優(yōu)改造方案。本文以紹興某熱電公司運營的蒸汽熱網(wǎng)為案例驗證了這一建模加優(yōu)化的蒸汽熱網(wǎng)改造新思路的可行性。通過對仿真結(jié)果進行分析，得出以下結(jié)論：

(1)本文所建立的蒸汽熱網(wǎng)模型的仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)誤差小于5%，最高溫度誤差為4.34%，最高壓力誤差為3.38%，滿足工程精度要求。

(2)基于模型與優(yōu)化的蒸汽熱網(wǎng)改造方法用于案例熱網(wǎng)后，顯著地提升了部分用戶的末端用汽壓力，能有效解決蒸汽熱網(wǎng)隨用戶數(shù)目增多而導(dǎo)致的局部用汽壓力下降的問題。

(3)根據(jù)優(yōu)化改造方案完成現(xiàn)場實際改造后，實測數(shù)據(jù)顯示，典型用戶的壓力變化與仿真的預(yù)測結(jié)果趨于一致，驗證了這一仿真優(yōu)化結(jié)合的改擴建決策方法的可靠性。

本文通過實踐證明，在工業(yè)園區(qū)蒸汽供熱系統(tǒng)仿真分析與決策優(yōu)化中，“基于模型做預(yù)測，基于預(yù)測做決策”的理念能發(fā)揮其相應(yīng)的作用。一方面，通過對滿足精度要求的模型進行針對改造方案的粒子群算法優(yōu)化，可以獲得預(yù)期的操作結(jié)果，這避免了實地操作嘗試所帶來的無法預(yù)估的風(fēng)險和經(jīng)濟損失，提升了決策效率，降低決策成本。另一方面，工業(yè)園區(qū)供熱系統(tǒng)仿真分析提供了更加全面的數(shù)據(jù)支持，對于工業(yè)園區(qū)整體權(quán)衡利弊起到了有效的輔助作用，對于決策中可能存在的問題，進行展示和反饋，規(guī)避實際操作風(fēng)險，保證用戶用汽品質(zhì)，提高工業(yè)園區(qū)服務(wù)質(zhì)量。