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環(huán)網(wǎng)水力計算及優(yōu)化軟件的程序開發(fā)

天津市熱電設計院 楊 靜

【摘 要】本文分析了供熱管網(wǎng)設計參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學模型，根據(jù)熱經(jīng)濟決策理論，以管徑和保溫層厚度作為決策變量建立了年度總費用的目標函數(shù)。將Dijkstra算法與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱為GIS）中尋求最短路的方法相結(jié)合，并應用GIS最短路徑法進行了環(huán)狀供熱管網(wǎng)的布局優(yōu)化。采用Visual Basic語言編寫了具有一定通用性的環(huán)網(wǎng)水力計算及優(yōu)化軟件。軟件計算可靠，計算結(jié)果對提高管網(wǎng)運行穩(wěn)定性及經(jīng)濟性具有實際指導意義。
【關鍵詞】供熱管網(wǎng) 水力計算 優(yōu)化設計

1 引 言
在流體輸配管網(wǎng)設計階段，由于環(huán)狀管網(wǎng)較為復雜、設計計算工作量較大，諸如管段流量初始分配、平差計算、參數(shù)優(yōu)化計算等等。傳統(tǒng)的手工設計方法是設計人員人工查閱設計手冊，代入公式一步一步計算，效率低，耗費人力多，并且設計質(zhì)量得不到保證。因此，設計中有許多問題只有借助計算機手段才能得到較好的解決。
現(xiàn)有供熱管網(wǎng)的軟件開發(fā)仍然存在參數(shù)輸入繁瑣、界面不友好、功能不全面等缺陷，存在一定的局限性。例如，某方面開發(fā)的《環(huán)狀管網(wǎng)水力計算與水力工況分析軟件》［1］只針對單熱源環(huán)狀管網(wǎng)水力計算及事故工況分析部分編制了程序，未考慮管網(wǎng)優(yōu)化部分。
本文將介紹界面友好并具有管網(wǎng)優(yōu)化模塊的“環(huán)網(wǎng)水力計算及優(yōu)化軟件”，該軟件主要包括水力計算構(gòu)成組塊、參數(shù)優(yōu)化構(gòu)成組塊和布局優(yōu)化構(gòu)成組塊三部分。
2 水力計算及優(yōu)化設計原理
2.1 水力計算原理
水力計算的主要內(nèi)容是在已知熱用戶的設計流量和管網(wǎng)布置時，選擇出各個管段的管徑和流動阻力，確定為實現(xiàn)設計流量輸配任務所需的動力設備［2］。在熱水管網(wǎng)中，熱水流動滿足基爾霍夫第一、第二定律，水力計算依據(jù)質(zhì)量平衡原理（節(jié)點流量平衡）和能量平衡原理（回路壓力平衡）兩大原理，計算確定管段流量、管徑及各管段壓降：
（1）初始流量分配數(shù)學模型：
初始流量分配滿足基爾霍夫第一定律，即任一節(jié)點流量之和應等于零：
■Qij+qi=0 （i=1，2，…，n）（1）
式中，■Qij為與節(jié)點i相關聯(lián)的管段流量代數(shù)和，t/h；j為與節(jié)點i關聯(lián)的節(jié)點；qi為節(jié)點i的輸出流量，t/h；n為節(jié)點個數(shù)。
（2）平差計算數(shù)學模型：
通常情況下，在初始流量分配好后，管網(wǎng)環(huán)路雖然滿足節(jié)點流量平衡方程，但并不滿足回路壓力平衡方程，即閉合差不為零或者■S■Q■■≠0，因此要進行平差計算，即流量分配后應滿足基爾霍夫第二定律，即任一閉合環(huán)路的壓力損失代數(shù)和為零：
 ■hij-ΔHk=0  （k=1，2，…，b）（2）
式中，■hij為屬于基本環(huán)路k的管段壓力代數(shù)和；L為基本環(huán)路k中包含的管段個數(shù)；b為基本環(huán)數(shù)；i，j為管段起止節(jié)點。
在平差計算中最常用的是哈代·克羅斯平差法，它是在牛頓法的基礎上進行了簡化，舍去了牛頓法系數(shù)矩陣中除主對角元素以外的所有副元素，以管道阻抗為依據(jù)，在初始分配流量與真實流量比較接近時，計算結(jié)果能滿足壓力平衡條件（即閉合差小于0.1Pa）的要求。該方法的優(yōu)點是簡單易行，對平面管網(wǎng)計算結(jié)果一般均能收斂，在初始分配流量與真實流量比較接近時，迭代次數(shù)較少，收斂速度較快。哈代·克羅斯平差法的計算公式如下：
ΔQi=■，i=1~M（3）
式中，ΔQi為各環(huán)流量修正值（t/h）；cij為符號函數(shù)，如果第j分支包括在i回路中并與回路同向則cij=1，反向則cij=-1，如果其不在i回路中則cij=0；Sj為第j分支的阻抗。
流量迭代后，用閉合差作為判據(jù)，如果各環(huán)的閉合差小于0.1，則停止迭代，所得流量基本符合要求，即：
maxfi(Q)=■cijSjQjQj＜ε(ε=0.1)（4）
2.2 優(yōu)化設計原理
對于一個布局已定的環(huán)狀熱網(wǎng)的設計，存在著尋求技術、經(jīng)濟和能量這三個目標綜合起來的參數(shù)優(yōu)化問題［3］，即：①在某些管段上選擇恰當?shù)墓軓?，不僅要使熱網(wǎng)各分流節(jié)點的水力平衡程度高，保證向各熱用戶提供所規(guī)定的設計熱負荷，而且還要使熱網(wǎng)運行的水力穩(wěn)定性好，這就是熱網(wǎng)設計的技術目標。在設計熱網(wǎng)時，通常是按照給定的各熱用戶所需的熱負荷即靜態(tài)值來設計的。②優(yōu)選出各管段的管徑和保溫層厚度，使熱網(wǎng)建設的初投資最小，這就是熱網(wǎng)設計的經(jīng)濟目標。③優(yōu)選出各管段的管徑和保溫層厚度，使熱網(wǎng)在運行過程中，流體所形成的壓力損失和散熱損失都最小，這就是熱網(wǎng)設計的能量目標。然而，技術、經(jīng)濟和能量這三個目標之間也是相互矛盾的。例如，追求高的經(jīng)濟目標，將導致熱網(wǎng)運行能量目標的降低。所以，如何將這三個目標統(tǒng)一起來，形成一個綜合的目標，是解決布局已定的環(huán)狀熱網(wǎng)設計最優(yōu)化的關鍵問題。
對于需要布局優(yōu)化的熱網(wǎng)，確定熱網(wǎng)的布局同樣也涉及到技術、經(jīng)濟和運行能耗的問題，是一個尋求這三個目標綜合最優(yōu)的布局優(yōu)化問題。布局優(yōu)化的步驟通常為：①對于環(huán)狀管網(wǎng)，可先拆分為枝狀管網(wǎng)，對枝狀管網(wǎng)進行布局優(yōu)化，而后在管段鄰近處敷設連通管，同時還要考慮壓降接近的管段相連為優(yōu)選方案。②對于枝狀管網(wǎng)的布局優(yōu)化問題采用地理信息系統(tǒng)GIS最短路徑算法。③當熱源和各熱用戶的地理位置給定后，在各熱用戶與它相鄰的熱用戶之間，根據(jù)地理條件的許可，就存在著是否布置管道的多種選擇。對于各熱源與它相鄰的熱用戶之間也同樣如此。把各種可能的選擇匯集起來就形成了確定布局最優(yōu)的枝狀熱網(wǎng)的尋優(yōu)域，它在平面上構(gòu)成了一個含有多個圈的連通圖，如圖1。連通圖中節(jié)點間距離最短的布局方式即為最優(yōu)的熱網(wǎng)布局結(jié)構(gòu)，如何選擇出節(jié)點間距離最短的布局就是熱網(wǎng)設計中布局最優(yōu)化問題。
針對環(huán)狀供熱管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化存在的缺陷，本文以熱經(jīng)濟決策理論分析方法為基礎，應用改進的熱經(jīng)濟決策理論分析方法，考慮市場價格對焓■費用、壓■費用以及保溫層材料費的影響，進而優(yōu)化管徑及保溫層厚度。參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學模型如（1）式：
年度總費用最小目標函數(shù)為：
F=τG[C■■(e■■-e■■)+C■■(e■■-e■■)]+P[a1+■(D■■-D2)a2+πDwa3]L（1）
式中，F(xiàn)——年度總費用，元/年。
約束條件：?酌?燮?酌允許；q?燮qmax。
滿足約束條件下，尋求年度總費用F最小值，以達到參數(shù)優(yōu)化的目的。
其中，
P——工程投資的年分攤率，%，P=■（i——銀行貸款率或投資年利率；n——投資償還年限）；
C——初投資總費用，由管材、保溫層費用（含施工費）以及保護層費用等，元/m。由下式計算： C=C1+C2+C3=a1+■（D2w-D2）a2+πDw a3（a1——管道材料及施工費用，元/m；a2——保溫材料及施工費用，元/m3；a3——保護層材料及施工費用，元/m2；D、Dw——管道外徑、保溫材料外表面直徑，m，Dw=D+2δ；δ——保溫層厚度，m）；
ET，1，ET，2——流體在管段入口和出口的年焓■流，kJ/a；
Ep，1，Ep，2——年壓力■流，kJ/a；
CT，1，Cm，1——流體在管段入口的焓火用單價和壓力■單價，元/kJ；
Z——年度化管段投資與運行維護費用，元/a；
τ——年運行時數(shù)，h；
G——流體流量，kg/h；
T1，T2——管段進、出口流體溫度，K；
T0——環(huán)境溫度，K；
p1，p2——流體壓力，kPa；
cp——流體在管段內(nèi)的平均質(zhì)量定壓熱容，kJ/（kg·K）；
ρ——平均流體在管段內(nèi)的體積質(zhì)量，kg/m3；
L——管段長度，m；
D——管徑，mm；
δ——保溫層厚度，mm。
針對環(huán)狀供熱管網(wǎng)布局優(yōu)化中耦合問題，本文采用了先對各枝網(wǎng)應用GIS最短路徑法進行布局優(yōu)化，再根據(jù)壓力平衡原理與求近原則確定連通管的位置的方法，從而將枝狀管網(wǎng)最優(yōu)布局耦合為環(huán)狀管網(wǎng)布局，達到環(huán)狀管網(wǎng)布局優(yōu)化的目的。
3 軟件的設計基礎
3.1 軟件設計原則
（1）注重系統(tǒng)的實用性、通用性；
（2）注重系統(tǒng)的易用性；
（3）注重系統(tǒng)的可擴展性；
（4）便于數(shù)據(jù)更新。
3.2 軟件開發(fā)工具
在程序編制過程中，以Visual Basic6.0（以下簡稱VB）作為開發(fā)平臺，它工作在Windows2000/NT/XP操作系統(tǒng)上，可以用于開發(fā)通用的或基于客戶機/服務器模式的32位Windows應用程序。
3.3 數(shù)據(jù)庫設計及實現(xiàn)
本軟件通過建立數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)按類別、用途和一定的規(guī)則存儲到不同的數(shù)據(jù)表中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的整體結(jié)構(gòu)化，提高了數(shù)據(jù)的共享性，擴充性和獨立性，降低了冗余度。
為了使軟件具有更大的靈活性和通用性，軟件選用了Microsoft Access數(shù)據(jù)庫，它的特點是快速靈活，易學易用。在數(shù)據(jù)的鏈接方式上，選用了Microsoft存取通用數(shù)據(jù)源的標準引擎ADODC作為數(shù)據(jù)庫的引擎，應用程序通過使用不同的ADODC對象連接數(shù)據(jù)源、存儲數(shù)據(jù)并且處理數(shù)據(jù)。ADODC的穩(wěn)定性非常好，執(zhí)行效率較高，且通用性較強。
根據(jù)該軟件的功能和特點，設計了3個數(shù)據(jù)庫，一個用來存儲原始數(shù)據(jù)，包括循環(huán)水泵性能參數(shù)表、平衡調(diào)節(jié)閥性能參數(shù)表；一個用來存儲中間計算數(shù)據(jù)，包括水力計算的管段信息表，參數(shù)優(yōu)化的溫度計算表及年度總費用表；最后一個用來存儲水力計算結(jié)果和參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。
4 軟件的構(gòu)成
4.1 軟件的主界面
軟件的主界面（如圖2所示）由標題欄、菜單和狀態(tài)欄三部分組成。標題欄顯示“環(huán)狀管網(wǎng)水力計算及優(yōu)化”。
標題欄下面是菜單條，共有“文件（F）”、“水力計算（C）”、“管網(wǎng)優(yōu)化（O）”、“查看結(jié)果（U）”、“窗口（W）”、“幫助（H）”六個菜單。
“文件（F）”菜單下含兩個子菜單。
“水力計算（C）”菜單下含五個子菜單，其中“輔助設備選型”子菜單下又含兩個子菜單。
“管網(wǎng)優(yōu)化（O）”菜單含有兩個子菜單，其中“參數(shù)優(yōu)化”子菜單又含有四個子菜單。
“查看結(jié)果（U）”菜單含有兩個子菜單。
界面最下端是狀態(tài)欄。
4.2 管網(wǎng)識別構(gòu)成組塊
為了使流體輸配管網(wǎng)的特性和流動規(guī)律的描述更加直觀和方便，特別是為了便于利用計算機進行管網(wǎng)的計算分析，借助圖論的有關概念和方法將流體輸配管網(wǎng)繪制為管網(wǎng)的網(wǎng)絡圖，如圖3所示的普適管網(wǎng)圖。本文開發(fā)的軟件是在普適管網(wǎng)圖的基礎上刪減節(jié)點和管段，從而得到用戶所需的節(jié)點數(shù)、管段數(shù)、環(huán)數(shù)的管網(wǎng)圖。
“管網(wǎng)識別構(gòu)成組塊”可以實現(xiàn)讀圖功能，根據(jù)用戶需求在選取節(jié)點后輸入節(jié)點流量并將初始數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，全部節(jié)點輸入完成后，點擊“管網(wǎng)識別”按鈕即可識別出經(jīng)簡化的管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。
4.3 初始流量分配構(gòu)成組塊
“初始流量分配構(gòu)成組塊”可以在已知節(jié)點流量和人工假設流向的條件下，進行初始分配各管段流量，其核心計算方法是管長比例法。
該組塊主要由三個部分組成：
①管網(wǎng)識別后的拓撲結(jié)構(gòu)圖
②熱源位置選擇
確定熱源數(shù)量以及熱源所在節(jié)點位置后，點擊“識別熱源”按鈕，可以在管網(wǎng)識別后的拓撲結(jié)構(gòu)管網(wǎng)圖中顯示出熱源節(jié)點。
③流量初始分配
首先根據(jù)流向判斷出水力匯交點，再應用管長比例法對水力匯交點和熱源點相連管段進行流量分配，最后根據(jù)流向、節(jié)點流量和已分配好的管段流量對其余節(jié)點相連管段進行流量分配。初始分配的流量結(jié)果保存于數(shù)據(jù)庫并顯示在界面中。
4.4 平差計算構(gòu)成組塊
初始分配流量后，管網(wǎng)各參數(shù)只滿足節(jié)點流量平衡原理，而并不滿足節(jié)點壓力平衡原理，故需進行平差計算，使得每個環(huán)的閉合差小于0.1Pa。
平差計算部分首先要讀取初始分配流量的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并顯示在界面中，計算得出流量修正值和閉合差后，點擊右下角的按鈕即可對管網(wǎng)中每一個環(huán)進行平差計算，得到各管段修正后流量、比摩阻和管壓降，并將計算結(jié)果保存于數(shù)據(jù)庫中。
平差計算程序流程圖如下：
4.5 輔助設備選型構(gòu)成組塊
1、循環(huán)水泵選型
循環(huán)水泵作為供熱管網(wǎng)的動力設備是必不可少的，是保證正常供暖的必要條件。應用本軟件選擇循環(huán)水泵，首先是由平差計算后得到的各管段的壓降來計算循環(huán)水泵的揚程，而后根據(jù)平差計算后各管段流量以及計算得到的水泵揚程查找“水泵性能參數(shù)表”來確定水泵型號、確定并聯(lián)臺數(shù)，將選型結(jié)果保存于數(shù)據(jù)庫中。
2、平衡閥的選型
供熱管網(wǎng)中各管段流量分配要滿足實際需求，首先依靠對管段管徑的正確選取來實現(xiàn)。但在實際工程中，由于管徑不是連續(xù)變化的，并且存在水力失調(diào)等問題，流量的合理分配還需要設置調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)。平衡閥的選型，通常根據(jù)管長、平差計算后的比摩阻、流量等參數(shù)，應用本軟件計算得到閥門阻力損失、兩端壓差及流通能力，而后根據(jù)流通能力查找平衡調(diào)節(jié)閥參數(shù)表來選擇合適的平衡調(diào)節(jié)閥型號，并將選型結(jié)果保存于數(shù)據(jù)庫中。
  4.6 參數(shù)優(yōu)化構(gòu)成組塊
參數(shù)優(yōu)化組塊主要是已知管段流量、管段出入口溫度、校核后滿足約束條件的管徑及保溫層厚度，求解年度總費用最小時對應的經(jīng)濟管徑與經(jīng)濟保溫層厚度。
輸入相應總費用計算參數(shù)點擊“計算年度總費用”按鈕即可得到各個管段的年度總費用并保存于數(shù)據(jù)庫中。當年度總費用計算完成后，點擊“繪圖”按鈕可以在右下角的Picture Box內(nèi)顯示管徑一定時，保溫層厚度——年度總費用曲線圖。
參數(shù)優(yōu)化部分求解流程圖如圖10。
4.7 布局優(yōu)化構(gòu)成組塊
圖11中起點、終點下拉框內(nèi)顯示管網(wǎng)的所有節(jié)點編號，左側(cè)Picture Box內(nèi)顯示的是供熱管網(wǎng)的含圈連通圖。首先選擇相應起點、終點，而后點擊“查找”按鈕應用GIS最短路徑算法搜尋出所選節(jié)點間的最短管路的連接路徑，給出該距離的數(shù)值，并在圖11中右側(cè)Picture Box內(nèi)繪制出最短路徑的節(jié)點圖，如圖12。
布局優(yōu)化求解流程圖如圖13。
5 結(jié)語
本文針對環(huán)狀管網(wǎng)水力計算模型與優(yōu)化模型，建立了用Visual Basic語言編寫的計算機流程圖；在多個模塊中，應用了Microsoft Access數(shù)據(jù)庫存儲和處理數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的共享性，擴充性和獨立性；自行開發(fā)的環(huán)網(wǎng)水力計算及優(yōu)化軟件設計了直觀、方便的用戶界面，輸入及輸出方式簡潔明了、便于操作；在管網(wǎng)識別模塊、參數(shù)優(yōu)化模塊、布局優(yōu)化模塊中添加了繪圖功能，可以更加清楚的顯示計算結(jié)果。

參考文獻

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