田海川

摘 要：隨著城市熱網(wǎng)的不斷發(fā)展，集中供熱成為現(xiàn)代化城市發(fā)展的一個(gè)趨勢。對供熱系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理和控制，使熱力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益得到提高，已經(jīng)成為熱力企業(yè)供熱系統(tǒng)的一個(gè)重要的課題。文章對熱力控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，結(jié)合熱力企業(yè)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，提出了基于遺傳算法的熱力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；熱力企業(yè)；控制系統(tǒng)；集中供熱

1 我國熱網(wǎng)發(fā)展的特點(diǎn)

1.1 我國供熱收費(fèi)按采暖面積

供熱公司在對用戶進(jìn)行供暖的時(shí)候只需要保證供暖建筑物整體的供熱效果就可以，供暖公司為了保證自己的經(jīng)濟(jì)效益，要降低成本，首先要保證供暖效果，再減少供暖熱量輸出，這樣可以提高供暖公司的經(jīng)濟(jì)效益。對于用戶來說，當(dāng)熱量過高的時(shí)候一般很少用戶能關(guān)閉閥門，而是去開窗戶，采暖用戶很少會考慮到節(jié)省熱量的問題，用戶是按面積付采暖費(fèi)的，這樣很難從某種意識上督促用戶去節(jié)約熱量。西方的國家在采暖費(fèi)收取上是以熱量進(jìn)行計(jì)費(fèi)的，西方國家的熱用戶為了節(jié)省用熱費(fèi)用，會主動去關(guān)閉和調(diào)整閥門，限制熱量，這樣避免了熱量浪費(fèi)。從經(jīng)濟(jì)手段上對用戶進(jìn)行約束建立一套完整的控制調(diào)節(jié)制度。

1.2 我國熱網(wǎng)和熱源分開管理

我國在供熱期間很難按照之前制定的采暖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行供熱，原因是我國的供熱矛盾存在于供暖和發(fā)電之間，還有調(diào)峰熱源不足的原因，這樣造成供熱熱量過高存在于低熱負(fù)荷期，供熱熱量不足存在于高熱負(fù)荷期。在西方國家的熱網(wǎng)和熱源是由公司統(tǒng)一進(jìn)行管理的，這樣對供熱和發(fā)電之間的矛盾關(guān)系可以很好的進(jìn)行解決。

1.3 我國很少在采暖散熱器上安裝溫控閥

在西方國家供熱收費(fèi)是按熱量進(jìn)行收費(fèi)的，熱量的調(diào)節(jié)需要安裝溫控閥來進(jìn)行調(diào)節(jié)，節(jié)約熱量成為用戶的主動意識。溫控閥主要作用是限制熱量流量的，要是供熱的散熱器不熱即使安裝上溫控閥也是沒有效果的，不能起到調(diào)節(jié)的作用，而且溫控閥成本相當(dāng)于散熱器的成本一半，在國內(nèi)溫控閥的使用很難被用戶接受，我國的采暖收費(fèi)制度也是溫控閥不能在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的原因之一。

2 熱力管網(wǎng)運(yùn)行分析

2.1 供熱系統(tǒng)的水力工況

供熱系統(tǒng)的水力工況是指流量和壓力在供熱系統(tǒng)中分布狀況，供熱系統(tǒng)的水力工況在很大程度上決定供熱系統(tǒng)供熱效果的好壞。流體壓力損失是管道中流體流經(jīng)的時(shí)候在經(jīng)過管道內(nèi)壁引起的能量損失，在熱力企業(yè)管網(wǎng)不同的管道內(nèi)，流體受到的壓力值也不同，管道的水壓壓力值分布規(guī)律可以用流體力學(xué)中的伯努利能量方程式進(jìn)行科學(xué)的分析。熱網(wǎng)中管道的粗細(xì)、流體在管道中流動的速度等都影響管道中流體受到的壓力值。在供熱系統(tǒng)中，熱力企業(yè)在對供熱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工過程中諸多原因，導(dǎo)致供熱系統(tǒng)的實(shí)際工作運(yùn)行情況很難按照之前設(shè)計(jì)的水力工況來運(yùn)行，這樣供熱系統(tǒng)會產(chǎn)生水力失調(diào)，供熱系統(tǒng)的水力失調(diào)就是在供熱系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的水力工況和在實(shí)際運(yùn)行中的水力工況不一致。對水力工況的變化情況進(jìn)行分析通常是根據(jù)流量的變化情況進(jìn)行的。

2.2 供熱系統(tǒng)的熱力工況

供熱系統(tǒng)的熱力工況主要是反映供熱系統(tǒng)中溫度和熱量的分布情況。供熱系統(tǒng)供熱效果可以通過供熱系統(tǒng)的熱力工況的研究進(jìn)行直觀的表示。在供熱系統(tǒng)中水力工況和熱力工況之間的關(guān)系是密不可分的。在供水系統(tǒng)中供水溫度保持不變的條件下，流體流量越多那么散熱器的散熱量越大，這是符合供熱系統(tǒng)熱工理論原理的。要提高散熱器平均溫度可以通過提高散熱器回水管溫度的方法實(shí)現(xiàn)，散熱器平均溫度值不能超過供水溫度，所以對散熱器的平均溫度最高值是有限制的，在管道中流體流量的增加會導(dǎo)致散熱器傳熱系數(shù)的減少，所以在熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)大流量下，散熱器的工作能力必然會降低。

2.3 供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)方式

供熱量和需熱量保持一致才可以使用戶的室內(nèi)溫度達(dá)到供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，所以在供熱系統(tǒng)運(yùn)行期間，要按需供熱，對供水溫度和供水流量的調(diào)節(jié)要根據(jù)室外溫度的具體變化，保證整個(gè)供暖期達(dá)到供暖要求。供熱系統(tǒng)中采用集中運(yùn)行調(diào)節(jié)可以滿足熱力企業(yè)供熱需要，集中運(yùn)行調(diào)節(jié)運(yùn)行管理方便，在熱源處對供水系統(tǒng)的供水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)就可以，在運(yùn)行期間水量循環(huán)總體不變，保持水力工況穩(wěn)定。集中量調(diào)節(jié)方式的特點(diǎn)是可以節(jié)約電力損耗，但是在二次網(wǎng)循環(huán)流量減少時(shí)候，供熱系統(tǒng)的熱力功耗將會發(fā)生嚴(yán)重失調(diào)，所以在間接供熱系統(tǒng)中，集中量調(diào)節(jié)最好是在一次熱力網(wǎng)中應(yīng)用。

3 基于遺傳算法的熱力控制系統(tǒng)分析

基于遺傳算法的熱力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，首先要建立供熱預(yù)測模型 ，對模型參數(shù)采用遺傳算法分析，指導(dǎo)熱力系統(tǒng)自動控制。對整個(gè)供熱管網(wǎng)的阻力參數(shù)應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行分析，水力失調(diào)的問題可以應(yīng)用阻力系數(shù)進(jìn)行解決，對故障的發(fā)生位置也可以根據(jù)阻力系數(shù)進(jìn)行分析，為故障檢修提供保障。

3.1 一次熱力網(wǎng)運(yùn)行分析

在供熱系統(tǒng)的水力工況分析中，我們可以知道在一次熱力網(wǎng)中一次管網(wǎng)建成使用后，管網(wǎng)的阻力系數(shù)決定管網(wǎng)的水力工況。在一次管網(wǎng)中阻力系數(shù)先確定了，才可以確定全網(wǎng)水力工況。供熱系統(tǒng)的運(yùn)行管理和故障維護(hù)需要通過水壓圖進(jìn)行分析，供熱系統(tǒng)的水壓圖要用系統(tǒng)的阻力系數(shù)才可以計(jì)算出。在熱力系統(tǒng)的運(yùn)行中阻力系數(shù)的計(jì)算是非常重要的。在供熱系統(tǒng)中的阻力系數(shù)不能按設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樵跓崃ζ髽I(yè)中在建設(shè)和施工階段的參數(shù)和系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)參數(shù)不一致，在整個(gè)熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)過程中阻力參數(shù)是隨著供暖面積發(fā)生變化的。所在阻力參數(shù)要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的阻力參數(shù)來計(jì)算，在理論上對阻力參數(shù)的計(jì)算，只要測量出管道兩端的壓差和管道的流量作為計(jì)算參數(shù)就可以。但是在實(shí)際工作中是不可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閷芫W(wǎng)中的每個(gè)管道節(jié)點(diǎn)的壓力和流量進(jìn)行測量是做不到的，更何況現(xiàn)在的熱力系統(tǒng)龐大而且復(fù)雜。為了對熱力供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動態(tài)控制，要以各換熱站的熱工特性系數(shù)為基礎(chǔ)，分析出調(diào)節(jié)目標(biāo)設(shè)定值實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)控制。熱網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的工況和實(shí)際工作運(yùn)行的工況不一致，熱力系統(tǒng)的熱慣性也是很大的，根據(jù)熱網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對熱力供熱系統(tǒng)的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，建立供熱系統(tǒng)的動態(tài)預(yù)測模型，對整個(gè)系統(tǒng)的下一個(gè)時(shí)間單位的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測。一次性換熱站如圖1所示。

在換熱站示意圖中我們可以看出結(jié)構(gòu)組成包括流量計(jì)、電動閥、壓力傳感器等設(shè)備。在對阻力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候要以熱力系統(tǒng)的平衡關(guān)系為依據(jù)進(jìn)行在線測量，有一些離換熱站較遠(yuǎn)的分支點(diǎn)所產(chǎn)生的阻力誤差不能被忽略。

3.2 遺傳算法

遺傳算法是一種智能計(jì)算的計(jì)算模式，主要是模擬生物進(jìn)化的，遺傳算法是一種全局搜索算法，簡單實(shí)用應(yīng)用范圍廣，采用并行處理方式。遺傳算法包括自然遺傳學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)兩個(gè)方面，自然進(jìn)化模型是遺傳算法主要采用的模型，在遺傳算法模型中采用選擇、交叉和變異等方法，遺傳算法過程如圖2所示。

遺傳算法包括選擇、變異和交叉3個(gè)基本的操作，3個(gè)操作采用不同的方法。選擇方法可以按照比例和排序兩種方式計(jì)算適應(yīng)度，對交叉?zhèn)€體進(jìn)行確定，得出選擇的個(gè)體會產(chǎn)生多少個(gè)子代個(gè)體。交叉方法也叫做基因重組，是于父代的種群產(chǎn)生的個(gè)體相結(jié)合，采用編碼方式進(jìn)行標(biāo)示可以分為實(shí)值重組和離散重組等。變異是交叉后子代出現(xiàn)的變異，根據(jù)個(gè)體編碼可以二進(jìn)制變異和自適應(yīng)變異等計(jì)算方法。

3.3 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)原則

對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理主要是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，對現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，使熱力企業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動化，提高工作效率。利用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，使管理人員可以通過終端對參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，使管理層及時(shí)的獲取生產(chǎn)信息，并對現(xiàn)場發(fā)出調(diào)度指令指揮現(xiàn)場生產(chǎn)。監(jiān)控中心要建設(shè)成以生產(chǎn)和管理為服務(wù)目標(biāo)的信息化高速公路，對監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇要根據(jù)先進(jìn)性、擴(kuò)展性、開放性等的原則。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主要作用是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理的。工作人員通過人機(jī)互動的應(yīng)用界面對整個(gè)熱力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國家對環(huán)境的保護(hù)要求越來越高，供熱系統(tǒng)采用集中供熱方式越來越受到關(guān)注，保證用戶采暖的同時(shí)，保護(hù)環(huán)境減少污染是熱力企業(yè)的一個(gè)重要的課題。遺傳算法的熱力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合現(xiàn)代熱力企業(yè)發(fā)展的需要。

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The Design and Research of the Thermal Control System Based on Genetic Algorithm

Tian Haichuan（College of Energy and Environmental Engineering， HeBei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract： With the continuous development of city heat supply network， the central heating become a trend of modern city development. On the heating system for effective management and control， make the heating enterprises economic benefit and social benefit， has become a thermal enterprises an important subject of heating system. In this paper， the thermal control system are analyzed， and combining the actual demand of thermal heating system design， based on genetic algorithm is proposed for thermal control system design scheme.

Key words： genetic algorithm； the thermal enterprises； control system； the central heating