基于遗传算法的热力控制系统的设计与研究

田海川

摘 要：随着城市热网的不断发展，集中供热成为现代化城市发展的一个趋势。对供热系统进行有效的管理和控制，使热力企业的经济效益和社会效益得到提高，已经成为热力企业供热系统的一个重要的课题。文章对热力控制系统进行了分析，结合热力企业供热系统设计的实际需求，提出了基于遗传算法的热力控制系统的设计方案。

关键词：遗传算法；热力企业；控制系统；集中供热

1 我国热网发展的特点

1.1 我国供热收费按采暖面积

供热公司在对用户进行供暖的时候只需要保证供暖建筑物整体的供热效果就可以，供暖公司为了保证自己的经济效益，要降低成本，首先要保证供暖效果，再减少供暖热量输出，这样可以提高供暖公司的经济效益。对于用户来说，当热量过高的时候一般很少用户能关闭阀门，而是去开窗户，采暖用户很少会考虑到节省热量的问题，用户是按面积付采暖费的，这样很难从某种意识上督促用户去节约热量。西方的国家在采暖费收取上是以热量进行计费的，西方国家的热用户为了节省用热费用，会主动去关闭和调整阀门，限制热量，这样避免了热量浪费。从经济手段上对用户进行约束建立一套完整的控制调节制度。

1.2 我国热网和热源分开管理

我国在供热期间很难按照之前制定的采暖标准进行供热，原因是我国的供热矛盾存在于供暖和发电之间，还有调峰热源不足的原因，这样造成供热热量过高存在于低热负荷期，供热热量不足存在于高热负荷期。在西方国家的热网和热源是由公司统一进行管理的，这样对供热和发电之间的矛盾关系可以很好的进行解决。

1.3 我国很少在采暖散热器上安装温控阀

在西方国家供热收费是按热量进行收费的，热量的调节需要安装温控阀来进行调节，节约热量成为用户的主动意识。温控阀主要作用是限制热量流量的，要是供热的散热器不热即使安装上温控阀也是没有效果的，不能起到调节的作用，而且温控阀成本相当于散热器的成本一半，在国内温控阀的使用很难被用户接受，我国的采暖收费制度也是温控阀不能在国内得到广泛应用的原因之一。

2 热力管网运行分析

2.1 供热系统的水力工况

供热系统的水力工况是指流量和压力在供热系统中分布状况，供热系统的水力工况在很大程度上决定供热系统供热效果的好坏。流体压力损失是管道中流体流经的时候在经过管道内壁引起的能量损失，在热力企业管网不同的管道内，流体受到的压力值也不同，管道的水压压力值分布规律可以用流体力学中的伯努利能量方程式进行科学的分析。热网中管道的粗细、流体在管道中流动的速度等都影响管道中流体受到的压力值。在供热系统中，热力企业在对供热系统进行设计和施工过程中诸多原因，导致供热系统的实际工作运行情况很难按照之前设计的水力工况来运行，这样供热系统会产生水力失调，供热系统的水力失调就是在供热系统中设计的水力工况和在实际运行中的水力工况不一致。对水力工况的变化情况进行分析通常是根据流量的变化情况进行的。

2.2 供热系统的热力工况

供热系统的热力工况主要是反映供热系统中温度和热量的分布情况。供热系统供热效果可以通过供热系统的热力工况的研究进行直观的表示。在供热系统中水力工况和热力工况之间的关系是密不可分的。在供水系统中供水温度保持不变的条件下，流体流量越多那么散热器的散热量越大，这是符合供热系统热工理论原理的。要提高散热器平均温度可以通过提高散热器回水管温度的方法实现，散热器平均温度值不能超过供水温度，所以对散热器的平均温度最高值是有限制的，在管道中流体流量的增加会导致散热器传热系数的减少，所以在热网供热系统大流量下，散热器的工作能力必然会降低。

2.3 供热系统运行调节方式

供热量和需热量保持一致才可以使用户的室内温度达到供热系统的设计要求，所以在供热系统运行期间，要按需供热，对供水温度和供水流量的调节要根据室外温度的具体变化，保证整个供暖期达到供暖要求。供热系统中采用集中运行调节可以满足热力企业供热需要，集中运行调节运行管理方便，在热源处对供水系统的供水温度进行调节就可以，在运行期间水量循环总体不变，保持水力工况稳定。集中量调节方式的特点是可以节约电力损耗，但是在二次网循环流量减少时候，供热系统的热力功耗将会发生严重失调，所以在间接供热系统中，集中量调节最好是在一次热力网中应用。

3 基于遗传算法的热力控制系统分析

基于遗传算法的热力控制系统的设计与研究，首先要建立供热预测模型 ，对模型参数采用遗传算法分析，指导热力系统自动控制。对整个供热管网的阻力参数应用遗传算法进行分析，水力失调的问题可以应用阻力系数进行解决，对故障的发生位置也可以根据阻力系数进行分析，为故障检修提供保障。

3.1 一次热力网运行分析

在供热系统的水力工况分析中，我们可以知道在一次热力网中一次管网建成使用后，管网的阻力系数决定管网的水力工况。在一次管网中阻力系数先确定了，才可以确定全网水力工况。供热系统的运行管理和故障维护需要通过水压图进行分析，供热系统的水压图要用系统的阻力系数才可以计算出。在热力系统的运行中阻力系数的计算是非常重要的。在供热系统中的阻力系数不能按设计的参数进行计算，因为在热力企业中在建设和施工阶段的参数和系统的最初设计参数不一致，在整个热网的调节过程中阻力参数是随着供暖面积发生变化的。所在阻力参数要根据现场实际的阻力参数来计算，在理论上对阻力参数的计算，只要测量出管道两端的压差和管道的流量作为计算参数就可以。但是在实际工作中是不可以实现的，因为对管网中的每个管道节点的压力和流量进行测量是做不到的，更何况现在的热力系统庞大而且复杂。为了对热力供热系统实现动态控制，要以各换热站的热工特性系数为基础，分析出调节目标设定值实现系统动态控制。热网实际运行的工况和实际工作运行的工况不一致，热力系统的热惯性也是很大的，根据热网实际运行参数对热力供热系统的负荷进行预测，建立供热系统的动态预测模型，对整个系统的下一个时间单位的负荷进行预测。一次性换热站如图1所示。

在换热站示意图中我们可以看出结构组成包括流量计、电动阀、压力传感器等设备。在对阻力系数进行计算的时候要以热力系统的平衡关系为依据进行在线测量，有一些离换热站较远的分支点所产生的阻力误差不能被忽略。

3.2 遗传算法

遗传算法是一种智能计算的计算模式，主要是模拟生物进化的，遗传算法是一种全局搜索算法，简单实用应用范围广，采用并行处理方式。遗传算法包括自然遗传学和计算机科学两个方面，自然进化模型是遗传算法主要采用的模型，在遗传算法模型中采用选择、交叉和变异等方法，遗传算法过程如图2所示。

遗传算法包括选择、变异和交叉3个基本的操作，3个操作采用不同的方法。选择方法可以按照比例和排序两种方式计算适应度，对交叉个体进行确定，得出选择的个体会产生多少个子代个体。交叉方法也叫做基因重组，是于父代的种群产生的个体相结合，采用编码方式进行标示可以分为实值重组和离散重组等。变异是交叉后子代出现的变异，根据个体编码可以二进制变异和自适应变异等计算方法。

3.3 系统硬件和软件设计原则

对现场数据进行采集和处理主要是通过计算机技术实现，对现场进行远程监控，使热力企业生产实现自动化，提高工作效率。利用计算机的网络功能实现数据信息的共享，使管理人员可以通过终端对参数数据进行查询，使管理层及时的获取生产信息，并对现场发出调度指令指挥现场生产。监控中心要建设成以生产和管理为服务目标的信息化高速公路，对监控系统的网络拓扑选择要根据先进性、扩展性、开放性等的原则。网络服务器主要作用是对采集的数据进行存储和管理的。工作人员通过人机互动的应用界面对整个热力系统进行监控和管理。

4 结语

随着现代科学技术的发展，国家对环境的保护要求越来越高，供热系统采用集中供热方式越来越受到关注，保证用户采暖的同时，保护环境减少污染是热力企业的一个重要的课题。遗传算法的热力控制系统设计符合现代热力企业发展的需要。

[参考文献]

[1]王荣和，姚仁忠，潘建华.遗传算法在给水管网现状分析中的应用[J].给水排水，2000（9）：112-113.

[2]陈杰，周冬华.浮点数编码的遗传算法在模糊控制器参数寻优中的应用[J].安徽建筑工业学院学报：自然科学版，2004（2）：78-82.

[3]廖健，李忠红，李大为.分布式热网参数计量采集系统[J].佳木斯大学学报：自然科学版，1999（2）：67-69.

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