[发明专利]一种区域管网拓扑优化方法

权利要求书

1.一种区域管网拓扑优化方法，其特征在于，所述方法如下：

目标函数如公式(1)所示：

min C＝C^pipe+C^pressureloss+C^heatloss    (1)

式中，C是年度总费用，单位是yuan·year^-1；和分别是年度蒸汽管网的投资费用、压力损失费用和热量损失费用，单位均为yuan·year^-1；n是管网系统中分支管段个数；

蒸汽管网的投资费用由下式得到：

式中，t_year是管网系统的使用周期，单位是year；I是年度利率；a_k是蒸汽管道的单价，单位是yuan·m^-1；L_k是每段分支管线的长度，单位是m；

a_k的计算过程中需要管线的内径，单位是yuan·m^-1，通过公式(6)得到：

式中，为蒸汽管线的内径，单位是m；W_k为质量流率，单位是kg·s^-1；ρ为蒸汽密度，单位是kg·m^-3；u为流速，单位是m·s^-1；其中，每段分支管线的W_k在整个管网系统中是不同的；因此，通过求解以下线性规划模型来计算W_k的值；

约束条件：

w_α,β,γ≥0  (11)

w_β,α,γ≥0  (12)

式中，w_α,β,γ是连接顶点α和β的分支管线内的质量流率，单位是kg·s^-1；b^binary是二元变量，代表两个顶点之间是否有管线相连，由公式(9)根据管网拓扑结果得到；W_γ是顶点γ的质量流率；如果用户生产蒸汽，W_γ是一个负值，否则，它为正值；每条分支管线中的蒸汽流量都有从α到β和从β到α两个方向，公式(8)中的(-1)^r用于控制蒸汽的流动方向；

对于中低压蒸汽，和Wt_k由下式计算：

对于高压蒸汽，和Wt_k由下式计算：

本系统蒸汽属中低压蒸汽，按照公式(13)-(14)计算；

a_k由公式(17)得到：

式中，是分支管线的外径，单位是m；Wt_k是分支管线单位长度的重量，单位是kg·m^-1：A₁代表单位重量管道的费用，单位是yuan·kg^-1；A₂代表安装费用，单位是yuan·m^-0.48；A₃代表道路使用费用，单位是yuan·m^-1；A₄代表保温费用，单位是yuan·m^-1；

压力损失费用如下：

蒸汽自带压力，因此不需要压缩机辅助输送，但是在输送过程中会造成一定的压力损失，蒸汽冷凝后由水泵进行增压后进入蒸汽生产装置，因此，管网的压力损失费用根据水泵的功耗计算；

由以下公式得到：

式中，a^E为电费，单位是yuan·kW^-1·h^-1；t^time是装置年开工时数，单位是h；N_k是蒸汽输送时克服阻力的轴功率，单位是W；由下式求得：

式中，η是输送设备的效率，Ne_k是有效功率，单位是W，由下式计算：

代表沿程阻力造成的压头损失，单位是m，根据公式(21)计算：

式中，ζ_k为截面突然增大或者减小时的局部阻力系数；ζ^E为弯头处的局部阻力系数；为分支管线的截面积，单位是m²；σ为管道摩擦系数；

热量损失费用如下：

根据公式(25)计算：

式中，a是蒸汽单价，单位是yuan·kg^-1；q是蒸汽的潜热，单位是kJ·kg^-1；Q_k是热量损失，单位是kJ·m^-1·s^-1；

在存在保温层的情况下，管网热量损失由下式计算：

式中，T是管道的外表面温度，单位是℃；T_a是环境温度，单位是℃；和分别为保温层的外径和内径，单位均为m；λ是保温材料制品在平均温度下的导热系数，单位是W·m^-1·k^-1；ε是保温层外表面与大气的换热系数，单位是W·m^-2·k^-1；保温层内径取蒸汽管道外径，保温层厚度与管道直径和所输送的流体温度有关。