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上海世博园区域供冷系统管网优化设计研究

冯小平  
【摘要】: 随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,区域供冷将显示强大的生命力,成为发达国家、发达地区的重要标志之一。近年来区域供冷系统在我国也呈现出明显的发展趋势,如广州大学城,北京中关村西区区域供冷项目已经实施,并投入运行。DCS系统输配管网作为区域供冷系统的重要组成部分,有规模大、结构复杂,投资大、运行费用高等特点。其系统的经济性分析就尤为重要。 在我国,区域供冷是新生事物,开展区域供冷的优化设计研究较少,传统的设计方法主要考虑技术指标,往往偏离经济指标很远,不但浪费了大量的资金,而且会给运行、维护、管理等诸方面带来问题。 本文以国家科技部科技攻关项目和上海市科委世博科技专项“城市清洁能源高效利用系统技术研究与示范”子课题“世博园区分布式供能系统及区域供冷供热技术”课题研究为背景,对区域供冷的全局优化设计(布局优化和管径优化)进行系统研究,详细探讨了数学模型、优化算法、参数确定、约束条件的无约束化等问题,主要的研究内容和成果包括以下几个方面: 1.建立了DCS系统管网全局优化设计(管网布置和管径优选)的数学模型。数学模型以年折算费用(管网初投资、运行费用、冷损费用和维护费用)为目标函数,以管径、流速、用户需流量、管网流量平衡、回路压力平衡和水力稳定性为指标的约束条件。通过实例分析证明,其数学模型用于评价区域供冷管网的设计的优劣。 2.考虑到区域供冷管网优化设计属于典型的组合优化问题的特点,选用遗传算法作为区域供冷设计优化的算法,分析了算法的运行机理,并对遗传算法设计和运行提出了整数编码、采取最优个体保存策略、交叉率和变异率自适应等改进策略。算例分析表明,本文构建的优化算法适用于区域供冷的优化设计,尤其是复杂的多冷源环状区域供冷的优化设计问题,不但可以实现全局最优化设计,而且优于传统管网设计方法。 3.以图论和遗传算法为理论基础,应用改进单亲遗传算法进行了树状管网优化布置,并设计了相应的适应度函数、单亲换位算子和逆转算子。与Dijkstra算法进行了对比,单亲遗传算法直接以管网年度费用最小为优化目标,能够获得一批年度费用最小的布置方案,且算法的寻优效率较高,收敛性和稳定性较好。 4.以上海世博园第一能源站冷却水系统管网布局为例,应用单亲遗传算法,以管网布局优化数学模型,对世博园第一能源站冷却水系统管网进行了布局优化,获得了一批初投资和运行费用较小的布置方案,为方案评价和决策提供了理论依据。 5.设计了上海世博村一类生活区(B区)区域供冷却水空调冷热源方案。应用管网优化设计的数学模型和遗传算法,对上海世博村冷却水系统管网进行了优化设计,获得了年度费用最小的设计方案,并分析了水力稳定性系数和系统调节方式对系统经济性的影响。计算结果表明,该方法和常规方法相比能够达到节省初投资和运行费用的目标。 6.以世博国际村一区区域供冷却水系统管网为例,讨论水流速、空调负荷和电价、供冷距离的变化对管网系统经济性的影响。并对最优流速的影响因素进行了讨论。主要结论:(1)对某一个具体的区域供冷系统,在电价和设计冷负荷确定时,存在一个最优的设计工况的水流速度。设计的水流速度偏离最优流速,都会使系统的年度费用增加。(2)空调负荷和电价、供冷距离的变化对管网系统经济性的影响十分显著,随着空调负荷和电价的增大,系统年度费用增大,电价的上升,管网系统年度费用增大的幅度的加大。随着供冷距离的增大,管网投资,系统运行费用和年度总费用成直线上升。(3)管网系统的最优流速随系统供冷量的增大而增大;随电价的增大而减小;随进回水温差的增大而减小;冷水输送距离对最优水流速度没有影响。 7.使用Visual BASIC 6.0语言为开发工具,在Windows XP平台下开发了界面友好,操作简单实用、功能强大的“区域供冷或空调水系统管网优化设计和水力工况模拟分析”软件,软件具备了优化设计计算、水力工况模拟解算功能和完备的数据输入、编辑和输出功能。


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