一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法，所述设计方法为：当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，依据供热区域内的实际工况进行供热隧道多种方案的初步设计，并通过增加管道增压泵弥补隧道盾构施工时管道管径局部缩小造成的压力损失；建立双层优化模型：第一层为供热隧道穿越位置优化模型，以投资费用最优为优化设计目标函数，对供热隧道穿越位置优化模型进行求解后，获得最优供热隧道穿越位置；第二层为供热隧道盾构结构优化模型，以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵运行能耗成本最优为优化设计目标函数，对供热隧道盾构结构优化模型进行求解后，获得最优隧道盾构结构，包括隧道盾构的规格和管径。构的规格和管径。构的规格和管径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法


[0001]本专利技术属于供热
，具体涉及一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法。

技术介绍

[0002]随着我国北方城市快速发展，集中供热成为市区居民取暖的主要方式，集中供热能有效提高能源利用率、降低能耗，减少城市污染，保护生态环境。热电厂往往位于市郊，供热管道需经过长距离运输才能到达市区，供热管道由于其输水功能的特殊性，不适宜穿越河流，采用隧道方式通过的优点主要有降低管道施工难度、减少管道长度、减少地表植被破坏、节约土地资源、方便后期运营管理等。
[0003]隧道内敷设热力管道,需要综合考虑经济性、安全性和安装、运行检修需要；而且供热管道穿越隧道在我国尚无相关规范标准，也鲜有相关工程实例，在设计过程中如何充分运用隧道功能特点，充分考虑供热管道穿越隧道可能出现的实际问题，结合工程实际工况，对集中供热隧道进行合理规划设计是目前急需解决的问题。
[0004]基于上述技术问题，需要设计一种新的基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0007]本专利技术提供了一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法，它包括：
[0008]当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，依据供热区域内的实际工况进行供热隧道多种方案的初步设计；
[0009]建立双层供热隧道优化设计模型：
[0010]第一层为供热隧道穿越位置优化模型，以投资费用最优为优化设计目标函数，采用第一优化算法对供热隧道穿越位置优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优供热隧道穿越位置；
[0011]在最优供热隧道穿越位置的基础上，第二层为供热隧道盾构结构优化模型，以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵运行能耗成本最优为优化设计目标函数，采用第二优化算法对供热隧道盾构结构优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优隧道盾构结构，包括隧道盾构的规格和管径。
[0012]上述技术方案中，进一步地，所述当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，依据供热区域内的实际工况进行供热隧道多种方案的初步设计，具体包括：
[0013]当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，采用盾构法进行隧道穿越，在隧道始末端各修建一个工作井，供热管道在盾构隧道内采用钢结构支架水平敷设，盾构设备在工作井
内沿竖直方向敷设，且盾构设备在设计衔接标高处与滩涂地直埋方式的供热管道相连接；
[0014]依据供热区域内供热隧道与周边环境的关系和隧道工程可实施性、隧道穿越长度和成本，以供热管网总体路由和隧道功能定位为基础，为供热管道的运行、维护保养提供操作空间，初步设计供热隧道多种位置敷设方案和不同规格和管径的隧道盾构结构方案；
[0015]当管道管径局部缩小时，该管段出现局部压力损失，通过增设管道增压泵弥补压力损失；
[0016]通过管道运行所需的压力和管道压力损失，计算增压泵的最小扬程和流量，并根据增压泵的最小扬程和流量确定增压泵的选型。
[0017]进一步地，所述第一层为供热隧道穿越位置优化模型，以投资费用最优为优化设计目标函数，具体为：
[0018]所述投资费用是由不同穿越位置所跨越河道宽度、隧道穿越长度、施工工期、与供热管网规划路由不一致时变更管网路由带来的各类投资费用计算获得；约束条件为河道主河槽摆动范围与河流走向，河势稳定；
[0019]目标函数表示为：minF1＝C1+C2+C3；C1为依据不同穿越位置跨越河道一定宽度和长度时供热隧道的投资费用，河道宽度越宽和长度越长，供热隧道的投资费用越大；C2为依据不同穿越位置不同施工工期的投资费用；C3为依据不同穿越位置，当与供热管网规划路由不一致时，需要变更管网路由造成的投资费用。
[0020]进一步地，所述的第一优化算法为改进的鲸鱼优化算法，采用改进的鲸鱼优化算法对供热隧道穿越位置优化模型进行求解，具体为：
[0021]设置供热隧道穿越位置优化模型的初始参数和鲸鱼优化算法的相关参数，至少包括河道长度、宽度、施工工期、供热管网规划参数和鲸鱼种群规模、迭代次数、初始位置；
[0022]将供热隧道穿越位置最优解转化为选取最优搜索代理的位置；
[0023]初始化鲸鱼种群，将鲸鱼位置视为个体，通过差分操作及变异因子的选取，完成变异操作，更新鲸鱼种群；所述变异操作后新的个体V
i,G+1
表示为：V
i,G+1
＝X
r1,G
+F*(X
r2,G
‑
X
r3,G
)，X
r1,G
、X
r2,G
和X
r3,G
为鲸鱼种群中互异的个体；r1、r2和r3是[1,N]内互异且不同于i的正整数，N为正整数；G为迭代次数；F为变异因子；i＝1,2,3,...,NP，NP为个体总数量；
[0024]根据供热隧道穿越位置优化模型的目标函数计算种群中每个搜索代理当前的适应度值，并依据适应度值选取最优搜索代理的位置；
[0025]采用环形收缩和螺旋上升机制更新当前搜索代理的位置；
[0026]检查是否有搜索代理超出搜索范围，若有，则对当前搜索代理计算其适应度值，并更新当前最优位置；否则，输出当前最优位置；
[0027]判断迭代次数是否达到设置的最大迭代次数，若达到，则输出最优解，即为初步设计的供热隧道多种方案中最优供热隧道穿越位置方案；否则，返回采用环形收缩和螺旋上升机制更新当前搜索代理的位置。
[0028]进一步地，所述在最优供热隧道穿越位置的基础上，第二层为供热隧道盾构结构优化模型，以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵运行能耗成本最优为优化设计目标函数，具体为：
[0029]以不同隧道盾构结构的盾构设备开挖出的土方量和填充空隙所需要的注浆量、消耗材料价格，以及结合盾构设备的安装费用计算供热隧道盾构管道施工成本S1；以不同隧
道盾构结构在运行过程中盾构设备的掘进费用、人工费用、生产成本、设备折旧费用、运行维护费用计算供热盾构管道运行成本S2；通过不同隧道盾构结构选型的增压水泵运行控制策略，根据水泵的开关状态、控制时段和水泵的运行参数计算管道增压水泵的运行能耗成本S3；
[0030]以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵的运行能耗成本最优建立优化设计目标函数，表示为：minF2＝S1+S2+S3；S1为供热隧道盾构管道施工成本；S2为供热盾构管道运行成本；S3为管道增压水泵的运行能耗成本。
[0031]进一步地，所述第二优化算法为遗传算法和粒子群算法的混合算法；采用遗传算法和粒子群算法的混合算法对供热隧道盾构结构优化模型进行求解，具体为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法，其特征在于，步骤如下：当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，依据供热区域内的实际工况进行供热隧道多种方案的初步设计；建立双层供热隧道优化设计模型：第一层为供热隧道穿越位置优化模型，以投资费用最优为优化设计目标函数，采用第一优化算法对供热隧道穿越位置优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优供热隧道穿越位置；在最优供热隧道穿越位置的基础上，第二层为供热隧道盾构结构优化模型，以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵运行能耗成本最优为优化设计目标函数，采用第二优化算法对供热隧道盾构结构优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优隧道盾构结构，包括隧道盾构的规格和管径；依据最优供热隧道穿越位置和盾构隧道结构确定供热隧道最优设计方案。2.根据权利要求1所述的基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法，其特征在于，所述当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，依据供热区域内的实际工况进行供热隧道多种方案的初步设计，具体包括：当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，采用盾构法进行隧道穿越，在隧道始末端各修建一个工作井，供热管道在盾构隧道内采用钢结构支架水平敷设，盾构设备在工作井内沿竖直方向敷设，且盾构设备在设计衔接标高处与滩涂地直埋方式的供热管道相连接；依据供热区域内供热隧道与周边环境的关系和隧道工程可实施性、隧道穿越长度和成本，以供热管网总体路由和隧道功能定位为基础，为供热管道的运行、维护保养提供操作空间，初步设计供热隧道多种位置敷设方案和不同规格和管径的隧道盾构结构方案；当管道管径局部缩小时，该管段出现局部压力损失，通过增设管道增压泵弥补压力损失；通过管道运行所需的压力和管道压力损失，计算增压泵的最小扬程和流量，并根据增压泵的最小扬程和流量确定增压泵的选型。3.根据权利要求1所述的基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法，其特征在于，所述第一层为供热隧道穿越位置优化模型，以投资费用最优为优化设计目标函数，表示为：min F1＝C1+C2+C3；其中，C1为依据不同穿越位置跨越河道一定宽度和长度时供热隧道的投资费用，河道宽度越宽和长度越长，供热隧道的投资费用越大；C2为依据不同穿越位置不同施工工期的投资费用；C3为依据不同穿越位置，当与供热管网规划路由不一致时，需要变更管网路由造成的投资费用；其约束条件为河道主河槽摆动范围与河流走向，河势稳定。4.根据权利要求3所述的基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法，其特征在于，所述的第一优化算法为改进的鲸鱼优化算法，采用改进的鲸鱼优化算法对供热隧道穿越位置优化模型进行求解，具体方法为：设置供热隧道穿越位置优化模型的初始参数和鲸鱼优化算法的相关参数，至少包括河道长度、宽度、施工工期、供热管网规划参数和鲸鱼种群规模、迭代次数、初始位置；
将供热隧道穿越位置最优解转化为选取最优搜索代理的位置；初始化鲸鱼种群，将鲸鱼位置视为个体，通过差分操作及变异因子的选取，完成变异操作，更新鲸鱼种群；所述变异操作后新的个体V
i,G+1
表示为：V
...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟崴，薄其明，周懿，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：