学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

上海世博园区域供冷系统管网优化设计研究

作　者: 冯小平
导　师: 龙惟定
学　校: 同济大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 上海世博园区域供冷系统管网优化设计遗传算法水力稳定性
分类号: TU995
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 623次
引　用: 2次
阅　读: 论文下载

内容摘要

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。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-16
第1章绪论  16-28
  1.1 概述  16-17
  1.2 国外区域供冷发展动态  17-18
  1.3 国内区域供冷发展动态  18-19
  1.4 国内外在DCS系统优化设计方面的研究现状及发展动态  19-21
  1.5 管网优化设计算法发展情况  21-25
    1.5.1 传统优化算法  21-22
    1.5.2 现代优化算法  22-25
  1.6 主要研究内容及拟解决的关键技术  25-27
    1.6.1 本课题的研究内容  26
    1.6.2 拟解决的关键技术  26-27
  1.7 本章小结  27-28
第2章区域供冷管网管径优化的数学模型  28-42
  2.1 技术经济分析  28-31
    2.1.1 静态分析法  28-30
    2.1.2 动态分析法  30-31
  2.2 目标函数  31-35
    2.2.1 目标函数的确定  31-32
    2.2.2 目标函数的中各项费用计算  32-35
  2.3 约束条件  35-41
    2.3.1 流量平衡约束  35-36
    2.3.2 压力平衡约束  36
    2.3.3 用户需求流量(设计流量)约束条件  36-37
    2.3.4 流速约束条件  37
    2.3.5 管径取值范围约束条件  37
    2.3.6 水力稳定性约束  37-41
  2.4 本章小结  41-42
第3章遗传算法的运行机理及改进策略  42-58
  3.1 遗传算法的基础理论  42-50
    3.1.1 引言  42
    3.1.2 遗传算法的基本描述与流程  42-45
    3.1.3 模式定理和隐含的并行性  45-46
    3.1.4 基因编码  46-47
    3.1.5 遗传算子  47-50
  3.2 遗传算法的全局收敛性  50-52
    3.2.1 遗传算法的马尔可夫链(MarkovChain)描述  50-51
    3.2.2 全局收敛性  51-52
  3.3 遗传算法的改进策略  52-57
    3.3.1 整数编码  52-53
    3.3.2 采取最优个体保存策略  53-54
    3.3.3 自适应遗传算法  54-55
    3.3.4 约束的处理  55-57
  3.4 本章小结  57-58
第4章区域供冷系统管网水力工况的计算方法  58-76
  4.1 图的定义和术语  58
  4.2 系统管网的数学描述  58-60
  4.3 管网的基本数学模型  60-63
  4.4 水泵运转特性及分析  63-65
    4.4.1 水泵的特性方程  63-64
    4.4.2 水泵特性方程的确定  64-65
  4.5 生成树的选择和独立回路的选择方法  65-69
    4.5.1 生成树选择  65-66
    4.5.2 独立回路的选择  66-68
    4.5.3 算法评述  68-69
  4.6 区域供冷系统管网水力工况的计算方法  69-71
  4.7 应用回路法解算管网水力工况原理、方法和步骤  71-74
  4.8 本章小结  74-76
第5章集中空调水系统管网优化设计实例分析  76-86
  5.1 概述  76
  5.2 实例分析  76-77
  5.3 用遗传算法对管网进行优化步骤  77-80
  5.4 优化计算时的参数取值  80-81
  5.5 结果分析  81-85
  5.6 本章小结  85-86
第6章区域供冷系统管网的优化布置  86-102
  6.1 遗传算法应用于进行树状管网优化布置的基本原理  86-87
  6.2 区域供冷管网优化布置中的数学模型  87-88
    6.2.1 目标函数  87-88
    6.2.2 约束条件  88
  6.3 单亲遗传算法在区域供冷管网优化布置中的应用  88-97
    6.3.1 二进制编码方案  89-90
    6.3.2 遗传算子设计  90-92
    6.3.3 进化策略设计  92-94
    6.3.4 适应度函数设计  94-96
    6.3.5 单亲遗传算法应用于区域供冷系统管网的布置优化的步骤  96-97
  6.4 应用示例  97-101
    6.4.1 算例描述  97-99
    6.4.2 SPGA优化布置计算结果  99-100
    6.4.3 结果分析  100-101
  6.5 本章小结  101-102
第7章上海世博园区域供冷系统管网布局优化  102-116
  7.1 课题背景  102-103
  7.2 世博园场馆供冷方案规划  103-105
  7.3 世博园区冷负荷需求预测  105-108
  7.4 分布式能源站的设置  108-109
  7.5 第一能源站的空调冷热源方案  109-110
  7.6 第一能源站冷却水系统管网布局优化  110-115
    7.6.1 最优经济流速的计算  112-113
    7.6.2 管网优化布局结果  113-115
  7.7 本章小结  115-116
第8章上海世博村区域供冷却水系统管网设计优化  116-138
  8.1 世博村工程概况  116
  8.2 世博国际村一区  116-118
    8.2.1 工程概况  116-117
    8.2.2 建筑构思与总体布局  117-118
  8.3 空调能源工程  118-122
    8.3.1 空调冷热源方案  118-120
    8.3.2 空调负荷概算  120-122
  8.4 冷却水系统管网设计优化  122-126
    8.4.1 冷却水系统管网设计参数  122-125
    8.4.2 水泵性能曲线  125
    8.4.3 管道造价  125-126
    8.4.4 优化设计计算时的参数取值  126
  8.5 优化设计计算结果  126-127
  8.6 结果分析  127-132
  8.7 影响因素分析  132-136
    8.7.1 水力稳定性系数  132-135
    8.7.2 调节方式  135-136
  8.8 本章小结  136-138
第9章区域供冷系统管网优化设计影响因素分析  138-146
  9.1 设计流速对系统管网经济性的影响  138-139
  9.2 空调负荷和电价对系统年度费用的影响  139-140
  9.3 供冷距离对系统年度费用的影响  140-141
  9.4 经济流速的影响因素分析  141-145
    9.4.1 设计空调负荷对经济流速的影响  141
    9.4.2 电价对最优流速的影响  141-143
    9.4.3 供冷距离对最优流速的影响  143-144
    9.4.4 冷却水进回水温差对最优流速的影响  144-145
  9.5 结论  145
  9.6 本章小结  145-146
第10章区域供冷系统管网优化设计软件开发简介  146-154
  10.1 主程序界面  146-147
  10.2 输入数据界面与格式  147-149
  10.3 输出数据和格式  149-152
    10.3.1 优化设计结果输出数据窗口  149-151
    10.3.2 水力工况模拟输出数据窗口  151-152
  10.4 程序功能  152-153
  10.5 本章小结  153-154
第11章结论与展望  154-157
  11.1 主要结论  154-155
  11.2 需要进一步研究的问题  155-157
致谢  157-158
参考文献  158-164
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果  164-165

上海世博园区域供冷系统管网优化设计研究

内容摘要

全文目录

相似论文