區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

黃抗抗

摘要：在社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中，人們生活水平不斷提升，區(qū)域供冷系統(tǒng)展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，區(qū)域供冷系統(tǒng)建設(shè)情況也成為國家經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展的主要衡量指標(biāo)之一，在我國區(qū)域供冷系統(tǒng)建設(shè)過程中，主要以DCS系統(tǒng)輸入管網(wǎng)為組成構(gòu)件，其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模大、投資大的特征。為了保證區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目的有效開展，本文根據(jù)現(xiàn)階段區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了簡單的分析。

關(guān)鍵詞：區(qū)域供冷系統(tǒng)；管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言：

區(qū)域供冷主要是在一個(gè)建筑群設(shè)置集中的制冷站制備空調(diào)冷凍水，然后利用循環(huán)水管道系統(tǒng)向各座建筑提供空調(diào)冷量。區(qū)域供冷建筑內(nèi)不必單獨(dú)設(shè)置空調(diào)冷源，從而可以在一定程度上降低冷卻塔的數(shù)量。而由于各座建筑的空調(diào)負(fù)荷不可能同時(shí)出現(xiàn)峰值，則制冷機(jī)的裝機(jī)容量會低于分散設(shè)置冷機(jī)時(shí)總的裝機(jī)容量，從而降低冷機(jī)設(shè)備資金損耗，因此對區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用非常必要。

1、區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1.1蟻群算法

蟻群算法主要是通過對蟻群個(gè)體行為的研究分析，得出螞蟻個(gè)體可通過外激素開展信息傳遞工作，而通過外激素這一物質(zhì)的遺留、感知，可為整體蟻群活動提供有力的指導(dǎo)。由此可得出在路徑一致的情況下，螞蟻通過頻率越大其選擇該路徑概率會適當(dāng)增加，而基于這一原理而產(chǎn)生的螞蟻算法主要應(yīng)用于分布式算法與相關(guān)算法結(jié)合運(yùn)算模式。在區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，蟻群算法可以利用管網(wǎng)費(fèi)用造價(jià)、維護(hù)費(fèi)用、循環(huán)泵電費(fèi)用等相關(guān)費(fèi)用在管網(wǎng)使用年限內(nèi)的年折算費(fèi)用，優(yōu)先選擇最小的管網(wǎng)布置方式。

1.2模擬退火算法

模擬退火算法主要依據(jù)自然界生態(tài)規(guī)律，而產(chǎn)生的模擬進(jìn)化算法，其主要是在局部搜索算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了進(jìn)一步拓展。通過退火思想與組合優(yōu)化領(lǐng)域的融合，可獲得大規(guī)模優(yōu)化組合的措施，如NP完全問題等，在Metropolis接受準(zhǔn)則的指導(dǎo)下可促使整體算法在多項(xiàng)式時(shí)間段內(nèi)得出近似最優(yōu)解[1]。模擬退火算法主要是利用冷網(wǎng)平面優(yōu)化的方式，結(jié)合圖論理論多中位原理，對多冷源供冷系統(tǒng)內(nèi)部的約束因素、變量進(jìn)行了統(tǒng)一分析，從而便于區(qū)域供冷系統(tǒng)的選址、運(yùn)行的最優(yōu)方案進(jìn)行推論。

1.3遺傳算法

遺傳算法主要針對優(yōu)化問題中的難解問題，即優(yōu)化領(lǐng)域的NP hard，其主要是依據(jù)自然界中基因遺傳機(jī)制而創(chuàng)設(shè)的一種模擬進(jìn)化并行算法。遺傳算法在多模型、多目標(biāo)及離散問題中可獲得良好的近似解，其可以利用簡單的遺傳操作進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)管徑二進(jìn)制編碼措施，從而保證復(fù)雜空間搜索的實(shí)際效力，如區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)擴(kuò)建設(shè)計(jì)、區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

2、區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

本文以遺傳算法在區(qū)域供冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為例，對整體區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了分析，具體如下：

2.1數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

在進(jìn)行遺傳算法操作是主要包括選擇、交叉、變異等幾個(gè)環(huán)節(jié)。首先選擇主要是依據(jù)選定的概率，由上一級群體中選擇一定對數(shù)的雙親個(gè)體，然后進(jìn)行下一級拷貝，在維持染色體不變的情況下，選擇相應(yīng)的概率計(jì)算公式；其次從以往的群體中利用隨機(jī)選擇的方法，選定兩個(gè)個(gè)體進(jìn)行遺傳信息交換，對所選定的兩個(gè)個(gè)體所產(chǎn)生后代的過程進(jìn)行分析；最后對于所選定的兩個(gè)個(gè)體產(chǎn)生新基因的環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，利用隨機(jī)選擇的方法將某一群體染色體進(jìn)行取反計(jì)算。系統(tǒng)的投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用為管網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評價(jià)的主要因素，在實(shí)際經(jīng)濟(jì)性評價(jià)過程中優(yōu)化目標(biāo)為年度折算最小值，即目標(biāo)函數(shù)為區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)年運(yùn)行費(fèi)用、區(qū)域供冷系統(tǒng)投資年折算費(fèi)用兩者之和。其中區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)年運(yùn)行費(fèi)用主要包括管網(wǎng)折舊費(fèi)用、維修年均費(fèi)用、循環(huán)水泵運(yùn)行費(fèi)用等幾種，而區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)年折算費(fèi)用主要為管網(wǎng)折舊費(fèi)用、投資回收期、管網(wǎng)管段數(shù)、管段長度投資、水泵機(jī)電效率、水泵揚(yáng)程、循環(huán)水泵工作時(shí)間等方面。綜合以上影響因素在具體的計(jì)算過程中可以年為單位進(jìn)行簡化計(jì)算，即綜合考慮輸送冷、熱水電能費(fèi)用、管網(wǎng)折舊維修費(fèi)用、管網(wǎng)冷熱能損失費(fèi)用因素，得出最效年度折算值為上述因素之和。

2.2約束條件處理

區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)中相關(guān)管徑約束主要采用預(yù)先約束的模式，即基于初始種群產(chǎn)生、遺傳算子操作的相關(guān)內(nèi)容，促使區(qū)域供冷系統(tǒng)內(nèi)部全面管道直徑符合標(biāo)準(zhǔn)管徑規(guī)范。在區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)約束條件建立時(shí)，可綜合考慮壓力平衡、流量平衡兩個(gè)方面的因素，在保證流量平衡、壓力平衡約束條件符合的基礎(chǔ)上，可就管段流量、管段循環(huán)水泵流量、管段嚴(yán)厲損失、管段揚(yáng)程等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)值的核算。而就管段流量、管段水利穩(wěn)定性約束條件、管段流速等處理因素而言，可利用評價(jià)函數(shù)建立的形式進(jìn)行處理。評價(jià)函數(shù)主要以年折算費(fèi)用最小值為目標(biāo)函數(shù)，然后在區(qū)域供冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性可行性評估的基礎(chǔ)上，確定具體的管段流速、管段水利穩(wěn)定性、管段流量等約束處理方式，同時(shí)為了保證評價(jià)函數(shù)的效力的有效發(fā)揮，可針對相應(yīng)約束條件影響因素進(jìn)行個(gè)體評價(jià)適應(yīng)度函數(shù)的創(chuàng)建，相關(guān)約束條件主要為適應(yīng)度函數(shù)與總體用戶所需流量、水利穩(wěn)定性、流速年折算費(fèi)用最小值的差，其中適應(yīng)度函數(shù)為非負(fù)數(shù)，通過兩者的總額和分析可得出年度折算費(fèi)用與計(jì)算流速、水利穩(wěn)定性、計(jì)算流量設(shè)計(jì)值產(chǎn)值與目標(biāo)函數(shù)值成正比，而適應(yīng)度函數(shù)與個(gè)體適應(yīng)性成正相關(guān)。

2.3優(yōu)化計(jì)算結(jié)果分析

假定某區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)內(nèi)部，電力資源價(jià)格為0.5kw h供回水平均密度為1000.0kg/m3，水泵效率為0.68；現(xiàn)規(guī)定該區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)工作時(shí)間在5800h，以3年為界限進(jìn)行投資回收期的計(jì)算可得出折舊率為5.8%；同時(shí)冷水管網(wǎng)在進(jìn)回水位置，平均溫差在4.8℃；設(shè)定管壁當(dāng)量粗糙度為0.18mm，局部阻力為沿程阻力的28.0%?，F(xiàn)假定種群大小為80個(gè)個(gè)體，最大遺傳代數(shù)為800帶。而當(dāng)水利穩(wěn)定系統(tǒng)為0.68時(shí)根據(jù)遺傳算法優(yōu)化進(jìn)程，可得出在最初150代整體流速具有較大的收斂速度，而在150代到500代之間整體管段流速逐漸趨于平緩，個(gè)體平均適應(yīng)度也呈現(xiàn)一定的穩(wěn)定性，在500代之后最優(yōu)個(gè)體的年折算費(fèi)用取得最低改進(jìn)值，而這一現(xiàn)象的發(fā)生也表明整體算法呈現(xiàn)收斂趨勢，在623代出現(xiàn)最優(yōu)個(gè)體。結(jié)合以上優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)變化趨勢，可利用推薦流速法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，經(jīng)計(jì)算可得推薦流速設(shè)計(jì)管徑年折算費(fèi)用為198.451萬元，而利用遺傳算法計(jì)算后獲得的管徑年折算費(fèi)用為186.872萬元，對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析可得遺傳算法用于管網(wǎng)設(shè)計(jì)可降低管網(wǎng)系統(tǒng)年折算費(fèi)用約11.5萬元。

總結(jié)

綜上所述，現(xiàn)階段應(yīng)用于區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法主要有遺傳算法、蟻群算法、退火算法等幾種類型。在具體的遺傳優(yōu)化算法應(yīng)用過程中，主要利用相關(guān)算法可將問題參數(shù)空間轉(zhuǎn)換為編碼空間，然后在適應(yīng)度函數(shù)評價(jià)及編碼群組的基礎(chǔ)上，對群體數(shù)據(jù)的操作進(jìn)行迭代過程構(gòu)建，從而通過新一代的數(shù)據(jù)集合，可利用最優(yōu)解集得出所求目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]管霖，江澤濤，唐宗順.基于集中質(zhì)-量調(diào)節(jié)的綜合能源系統(tǒng)供能管網(wǎng)管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析[J].電力自動化設(shè)備， 2017， 37（6）：75-83.