[发明专利]基于PSO算法的长输供热管线停泵水锤防护优化方法

说明书

本发明公开一种基于PSO算法的长输供热管线停泵水锤防护优化方法，是利用PSO算法，以两阶段缓闭蝶阀的快关时间t₁、快关角度β₁、慢关时间t₂、慢关角度β₂，气体压力罐的初始气体体积V_a0、初始液面高度H_s0、横截面积A_s作为决策变量，以管线的最大压力水头最小压力水头最大离心泵倒转转速为目标函数，满足管道承压能力且不损害水泵机组性能的条件下，求解两阶段缓闭蝶阀以及气体压力罐的最优设备参数，以降低停泵水锤最大压力，消除管道负压状态。本发明根据稳态工况及停泵水锤工况的计算结果，建立两阶段缓闭蝶阀及气体压力罐优化数学模型，并采用PSO算法对二者同时进行优化，能得出有效可靠且经济的长输供热管线停泵水锤防护措施优化方案。

技术领域

本发明涉及长输供热技术领域，特别是涉及一种基于PSO算法的长输供热管线停泵水锤防护优化方法。

背景技术

随着大温差供热技术的成熟推广，长距离输送热能具有更加明显的经济优势，成为解决城市供热面积增大而管网输送能力不足的有效解决方案。例如，某一长输供热工程以某市远郊一电厂作为热源，通过乏汽余热利用、大温差供热等技术，实现向某市市区供热(如图1所示)。但由于长输供热系统往往需要设置大量水泵扬程较高的中继泵站，涉及到大高差，多级泵站串联等问题，导致中继泵站发生停泵事故时会产生非常明显的水锤波，产生的水锤压力和汽化现象将会对管道造成非常严重的破坏。因此，停泵水锤现象已成为供热领域亟待解决的重要问题之一。

停泵水锤是由于水泵机组由于瞬间停电或其他事故导致阀门无动作就停泵，因水泵出口侧流速的急剧变化而引起管道内一系列急骤的压力、流量交替变化的水力冲击现象。水锤产生的正压波可能导致管道破裂、供热中断、设备损坏。水锤产生的负压波引起管道内压力降低，当压力低于热水的汽化压力时，会在管道内产生蒸汽空腔，进而出现水柱分离，当压力升高后蒸汽空腔将会消失，分离的两股水柱重新弥合，产生的断流弥合水锤升压更高，危害更大。管道在高压的冲击下，寿命会显著降低。

为避免或降低水锤危害，应在系统中安装水锤保护装置，常见的有两阶段缓闭蝶阀、气体压力罐等(如图2所示)。两阶段缓闭蝶阀一般安装于长输供热系统的水泵出口，其关阀程序通过设定两阶段阀门关闭动作及关闭时间，可在事故停泵后阀门自动先快关至一定角度，防止水泵因倒流流量过大而导致反转速度过快，而后则以较慢的速度关闭，防止产生直接水锤。气体压力罐内部有一金属水罐，充有一定量的压缩空气。当管道内压力升高时，罐内的空气再度被压缩，从而消减管道内的水锤升压；当管内压力降低时，罐内空气膨胀，从而可以向管道中注水，避免由于水柱分离而产生的断流弥合水锤，消减了其超压爆管的危害。长距离输送系统通常设置多种水锤防护措施，两阶段缓闭蝶阀的关闭程序及气体压力罐的体积涉及到实际工程的经济性和安全性，因此需要对二者同时进行优化。

由于长输供热系统规模较大，采用传统算法对上述优化问题求解将会导致计算量过大、计算耗时较长，且迭代初值需要有一定的限定，否则很容易出现不收敛或者所求最优解并非全局最优解的情况。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种全局收敛性更高的基于PSO算法的长输供热管线停泵水锤防护优化方法，基于PSO算法在满足管道承压能力并且不损害水泵机组性能的条件下，对影响水锤防护效果的两阶段缓闭蝶阀关闭程序及气体压力罐主要特性参数同时进行优化，以降低停泵水锤最大压力，消除管道负压状态，实现长输供热系统可靠运行，同时降低工程投资。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：