区域供冷系统管网优化设计方法及应用

黄抗抗

摘要：在社会经济的发展过程中，人们生活水平不断提升，区域供冷系统展现出了极大的优势，区域供冷系统建设情况也成为国家经济水平发展的主要衡量指标之一，在我国区域供冷系统建设过程中，主要以DCS系统输入管网为组成构件，其具有结构复杂、规模大、投资大的特征。为了保证区域供冷系统管网建设项目的有效开展，本文根据现阶段区域供冷系统管网优化设计方法，对区域供冷系统管网优化设计方法的实际应用进行了简单的分析。

关键词：区域供冷系统；管网优化设计

前言：

区域供冷主要是在一个建筑群设置集中的制冷站制备空调冷冻水，然后利用循环水管道系统向各座建筑提供空调冷量。区域供冷建筑内不必单独设置空调冷源，从而可以在一定程度上降低冷却塔的数量。而由于各座建筑的空调负荷不可能同时出现峰值，则制冷机的装机容量会低于分散设置冷机时总的装机容量，从而降低冷机设备资金损耗，因此对区域供冷系统管网优化设计应用非常必要。

1、区域供冷系统管网优化设计方法

1.1蚁群算法

蚁群算法主要是通过对蚁群个体行為的研究分析，得出蚂蚁个体可通过外激素开展信息传递工作，而通过外激素这一物质的遗留、感知，可为整体蚁群活动提供有力的指导。由此可得出在路径一致的情况下，蚂蚁通过频率越大其选择该路径概率会适当增加，而基于这一原理而产生的蚂蚁算法主要应用于分布式算法与相关算法结合运算模式。在区域供冷系统管网优化设计过程中，蚁群算法可以利用管网费用造价、维护费用、循环泵电费用等相关费用在管网使用年限内的年折算费用，优先选择最小的管网布置方式。

1.2模拟退火算法

模拟退火算法主要依据自然界生态规律，而产生的模拟进化算法，其主要是在局部搜索算法的基础上，进行了进一步拓展。通过退火思想与组合优化领域的融合，可获得大规模优化组合的措施，如NP完全问题等，在Metropolis接受准则的指导下可促使整体算法在多项式时间段内得出近似最优解[1]。模拟退火算法主要是利用冷网平面优化的方式，结合图论理论多中位原理，对多冷源供冷系统内部的约束因素、变量进行了统一分析，从而便于区域供冷系统的选址、运行的最优方案进行推论。

1.3遗传算法

遗传算法主要针对优化问题中的难解问题，即优化领域的NP hard，其主要是依据自然界中基因遗传机制而创设的一种模拟进化并行算法。遗传算法在多模型、多目标及离散问题中可获得良好的近似解，其可以利用简单的遗传操作进行标准管径二进制编码措施，从而保证复杂空间搜索的实际效力，如区域供冷系统管网扩建设计、区域供冷系统管网优化设计等。

2、区域供冷系统管网优化设计应用

本文以遗传算法在区域供冷系统优化设计中的应用为例，对整体区域供冷系统管网优化算法的设计应用进行了分析，具体如下：

2.1数据模型构建

在进行遗传算法操作是主要包括选择、交叉、变异等几个环节。首先选择主要是依据选定的概率，由上一级群体中选择一定对数的双亲个体，然后进行下一级拷贝，在维持染色体不变的情况下，选择相应的概率计算公式；其次从以往的群体中利用随机选择的方法，选定两个个体进行遗传信息交换，对所选定的两个个体所产生后代的过程进行分析；最后对于所选定的两个个体产生新基因的环节进行分析，利用随机选择的方法将某一群体染色体进行取反计算。系统的投资费用、运行费用为管网系统经济性评价的主要因素，在实际经济性评价过程中优化目标为年度折算最小值，即目标函数为区域供冷系统管网年运行费用、区域供冷系统投资年折算费用两者之和。其中区域供冷系统管网年运行费用主要包括管网折旧费用、维修年均费用、循环水泵运行费用等几种，而区域供冷系统管网年折算费用主要为管网折旧费用、投资回收期、管网管段数、管段长度投资、水泵机电效率、水泵扬程、循环水泵工作时间等方面。综合以上影响因素在具体的计算过程中可以年为单位进行简化计算，即综合考虑输送冷、热水电能费用、管网折旧维修费用、管网冷热能损失费用因素，得出最效年度折算值为上述因素之和。

2.2约束条件处理

区域供冷系统管网中相关管径约束主要采用预先约束的模式，即基于初始种群产生、遗传算子操作的相关内容，促使区域供冷系统内部全面管道直径符合标准管径规范。在区域供冷系统管网约束条件建立时，可综合考虑压力平衡、流量平衡两个方面的因素，在保证流量平衡、压力平衡约束条件符合的基础上，可就管段流量、管段循环水泵流量、管段严厉损失、管段扬程等相关内容进行目标函数值的核算。而就管段流量、管段水利稳定性约束条件、管段流速等处理因素而言，可利用评价函数建立的形式进行处理。评价函数主要以年折算费用最小值为目标函数，然后在区域供冷系统经济性可行性评估的基础上，确定具体的管段流速、管段水利稳定性、管段流量等约束处理方式，同时为了保证评价函数的效力的有效发挥，可针对相应约束条件影响因素进行个体评价适应度函数的创建，相关约束条件主要为适应度函数与总体用户所需流量、水利稳定性、流速年折算费用最小值的差，其中适应度函数为非负数，通过两者的总额和分析可得出年度折算费用与计算流速、水利稳定性、计算流量设计值产值与目标函数值成正比，而适应度函数与个体适应性成正相关。

2.3优化计算结果分析

假定某区域供冷系统管网内部，电力资源价格为0.5kw h供回水平均密度为1000.0kg/m3，水泵效率为0.68；现规定该区域供冷系统管网工作时间在5800h，以3年为界限进行投资回收期的计算可得出折旧率为5.8%；同时冷水管网在进回水位置，平均温差在4.8℃；设定管壁当量粗糙度为0.18mm，局部阻力为沿程阻力的28.0%。现假定种群大小为80个个体，最大遗传代数为800带。而当水利稳定系统为0.68时根据遗传算法优化进程，可得出在最初150代整体流速具有较大的收敛速度，而在150代到500代之间整体管段流速逐渐趋于平缓，个体平均适应度也呈现一定的稳定性，在500代之后最优个体的年折算费用取得最低改进值，而这一现象的发生也表明整体算法呈现收敛趋势，在623代出现最优个体。结合以上优化设计数据变化趋势，可利用推荐流速法进行进一步优化设计计算，经计算可得推荐流速设计管径年折算费用为198.451万元，而利用遗传算法计算后获得的管径年折算费用为186.872万元，对两组数据进行比较分析可得遗传算法用于管网设计可降低管网系统年折算费用约11.5万元。

总结

综上所述，现阶段应用于区域供冷系统管网优化设计的方法主要有遗传算法、蚁群算法、退火算法等几种类型。在具体的遗传优化算法应用过程中，主要利用相关算法可将问题参数空间转换为编码空间，然后在适应度函数评价及编码群组的基础上，对群体数据的操作进行迭代过程构建，从而通过新一代的数据集合，可利用最优解集得出所求目标。

参考文献：

[1]吴亚群.优选管径法在城市树状金属给水管网优化设计中的应用研究[J].世界有色金属，2017（1）：140-141.

[2]管霖，江泽涛，唐宗顺.基于集中质-量调节的综合能源系统供能管网管径优化设计方法及系统经济性分析[J].电力自动化设备， 2017， 37（6）：75-83.