蒸汽管网结构的确定方法、装置、可读介质及电子设备与流程

1.本发明涉及能源领域，尤其涉及蒸汽管网结构的确定方法、装置、可读介质及电子设备。


背景技术：

2.蒸汽管网是将能源站的蒸汽输送至蒸汽用户的关键传输通道，蒸汽管网的结构对能源站的能效和经济性能产生着重要的影响。
3.目前，蒸汽管网的结构大多是由设计师设计出来的，这使得蒸汽管网的结构与设计师的经验和水平存在直接联系，则可能存在着蒸汽管网的结构设计不合理的情况，而结构不合理的蒸汽管网在管网输送过程中会存在大量的能量损失，导致蒸汽管网运行效率较低，严重影响能源站的能效，因此确定一种设计合理的蒸汽管网结构，对降低蒸汽管网能量损失，提高能源利用效率具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种蒸汽管网结构的确定方法、装置、可读介质及电子设备，通过考虑路网特性和用户负荷特性，构建出蒸汽管网优化模型，并根据该蒸汽管网优化模型确定出蒸汽管网结构，确定出的蒸汽管网结构更为合理，可以降低蒸汽管网的能量损失，提高能源利用效率，有利于能源站的能效和经济性能的提高。
5.第一方面，本发明提供了一种蒸汽管网结构的确定方法，包括：
6.确定蒸汽管网待设区域内的路网数据和用户负荷数据；
7.根据所述路网数据和所述用户负荷数据，构建蒸汽管网优化模型，所述蒸汽管网优化模型包括目标函数和约束条件；
8.根据所述蒸汽管网优化模型，确定所述蒸汽管网的结构。
9.优选地，
10.所述目标函数如下所示：
11.minc＝cv+co；
12.其中，c表征规划总成本；cv表征年均管网投资成本；co表征管损成本。
13.优选地，
14.所述年均管网投资成本的具体公式如下所示：
[0015][0016]
其中，d
ij
表征路网节点i和路网节点j间的连接管道ij的管径水平，为整数变量，且0≤d
ij
≤maxdia，maxdia为最大的管径水平；p表征管道单价；l表征管道寿命；r表征残值率；arcs表征路网中可连接的管道ij的集合；d
ij
表征管道ij之间的长度；
[0017]
所述管损成本的具体公式如下所示：
[0018][0019]
其中，g
ij
表征管道ij的蒸汽流量；λ表征沿程阻力系数；ρ表征流体密度。
[0020]
优选地，
[0021]
所述路网数据包括能源站坐标、路网节点坐标以及地块中心点坐标；
[0022]
所述用户负荷数据包括用户蒸汽参数、流量数据以及压强数据。
[0023]
优选地，
[0024]
所述约束条件根据管段连接和管径关系，能源站容量，管道数量，节点管道流入数量，管段流量，管段压强损失与流量、管径耦合关系，地块节点流入管道数量，地块压强，地块流量平衡，节点压强进行确定。
[0025]
优选地，
[0026]
所述约束条件包括：
[0027]
管段连接和管径关系约束，具体公式如下所示：
[0028][0029]
其中，x
ij
表征管道ij是否连接，为整数变量，1表示连接，0表示没有连接；
[0030]
能源站容量约束，具体公式如下所示：
[0031][0032]
其中，ies_cap_0表征能源站的最大蒸汽容量；i0表征与0号节点能源站相连接的节点集合；g
0j
表征首段为能源站节点的0j管道的蒸汽流量；
[0033]
管道数量约束，具体公式如下所示：
[0034][0035]
其中，maxl表征能源站出口的最大管道数量；
[0036]
节点管道流入数量约束，具体公式如下所示：
[0037][0038]
其中，n表征所有节点的集合，包括能源站节点和地块节点；ij表征与节点j连接的节点集合；
[0039]
管段流量约束，具体公式如下所示：
[0040][0041]
管段压强损失与流量、管径耦合约束，具体公式如下所示：
[0042]
[0043]
其中，pi表征节点i的压强；pj表征节点j的压强；
[0044]
地块节点流入管道数量约束，具体公式如下所示：
[0045][0046]
其中，bk表征属于地块k的节点集合；block表征地块集合；
[0047]
地块压强约束，具体公式如下所示：
[0048][0049]
其中，pk表征地块k的压强下限；
[0050]
地块流量平衡约束，具体公式如下所示：
[0051][0052]
其中，g
k,load
表征地块k的负荷量；
[0053]
节点压强约束，具体公式如下所示：
[0054][0055]
路由节点流量平衡约束，具体公式如下所示：
[0056][0057]
其中，n
net
表征路由节点集合，不包括能源站节点和地块节点。
[0058]
第二方面，本发明提供了一种蒸汽管网结构的确定装置，包括：
[0059]
数据确定模块，用于确定蒸汽管网待设区域内的路网数据和用户负荷数据；
[0060]
模型构建模块，用于根据所述路网数据和所述用户负荷数据，构建蒸汽管网优化模型，所述蒸汽管网优化模型包括目标函数和约束条件；
[0061]
结构确定模块，用于根据所述蒸汽管网优化模型，确定所述蒸汽管网的结构。
[0062]
优选地，
[0063]
所述目标函数如下所示：
[0064]
minc＝cv+co；
[0065]
其中，c表征规划总成本；cv表征年均管网投资成本；co表征管损成本。
[0066]
第三方面，本发明提供了一种可读介质，包括执行指令，当电子设备的处理器执行所述执行指令时，所述电子设备执行如第一方面中任一所述的方法。
[0067]
第四方面，本发明提供了一种电子设备，包括处理器以及存储有执行指令的存储器，当所述处理器执行所述存储器存储的所述执行指令时，所述处理器执行如第一方面中任一所述的方法。
[0068]
本发明提供了一种蒸汽管网结构的确定方法、装置、可读介质及电子设备，通过确
定蒸汽管网待设区域内的路网数据和用户负荷数据；然后根据路网数据和用户负荷数据，构建蒸汽管网优化模型，其中蒸汽管网优化模型是由目标函数和约束条件组成的；进一步对构建的蒸汽管网优化模型进行求解，并确定最优解对应的蒸汽管网结构。本发明提供的蒸汽管网结构的确定方法，通过考虑路网特性和用户负荷特性，构建出蒸汽管网优化模型，并根据该蒸汽管网优化模型确定出蒸汽管网结构，确定出的蒸汽管网结构更为合理，可以降低蒸汽管网的能量损失，提高能量利用效率，有利于能源站的能效和经济性能的提高。
附图说明
[0069]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0070]
图1为本发明实施例中提供的一种蒸汽管网结构的确定方法的流程示意图；
[0071]
图2为本发明实施例中提供的一种蒸汽管网结构的确定装置的结构示意图；
[0072]
图3为本发明实施例中提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0073]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0074]
如图1所示，本发明实施例提供了一种蒸汽管网结构的确定方法，该方法包括：
[0075]
步骤101，确定蒸汽管网待设区域内的路网数据和用户负荷数据；
[0076]
步骤102，根据所述路网数据和所述用户负荷数据，构建蒸汽管网优化模型，所述蒸汽管网优化模型包括目标函数和约束条件；
[0077]
步骤103，根据所述蒸汽管网优化模型，确定所述蒸汽管网的结构。
[0078]
如图1所示的实施例通过确定蒸汽管网待设区域内的路网数据和用户负荷数据；然后根据路网数据和用户负荷数据，构建蒸汽管网优化模型，其中蒸汽管网优化模型是由目标函数和约束条件组成的；进一步对构建的蒸汽管网优化模型进行求解，确定最优解对应的蒸汽管网的结构。本发明提供的蒸汽管网结构的确定方法，通过考虑路网特性和用户负荷特性，构建出蒸汽管网优化模型，并根据该蒸汽管网优化模型确定出蒸汽管网结构，确定出的蒸汽管网结构更为合理，可以降低蒸汽管网的能量损失，提高能量利用效率，有利于能源站的能效和经济性能的提高。
[0079]
需要说明的是，本实施例中提及的蒸汽管网待设区域可以是未铺设过蒸汽管网的区域，也可以部分铺设过蒸汽管网的区域，当然也可以是已铺设过蒸汽管网，需要对铺设的蒸汽管网进行优化的区域，对此本实施例不作限定。
[0080]
在本发明一个实施例中，所述目标函数的公式如下式(1)所示：
[0081]
minc＝cv+co；
ꢀꢀꢀ
(1)
[0082]
其中，c表征规划总成本；cv表征年均管网投资成本；co表征管损成本。
[0083]
在上述实施例中，目标函数是综合考虑年均管网投资成本和管损成本得到的，以年均管网投资成本和管损成本之和的最小值为目标函数，即确定出的蒸汽管网结构可以使得年均管网投资成本和管损成本之和的最小，从而可以有效的提高能源站的经济性。
[0084]
具体的，所述年均管网投资成本的公式如下式(2)所示：
[0085][0086]
其中，d
ij
表征路网节点i和路网节点j间的连接管道ij的管径水平，为整数变量，且0≤d
ij
≤maxdia，maxdia为最大的管径水平；p表征管道单价；l表征管道寿命；r表征残值率；arcs表征路网中可连接的管道ij的集合；d
ij
表征管道ij之间的长度；
[0087]
所述管损成本的公式如下式(3)所示：
[0088][0089]
其中，g
ij
表征管道ij的蒸汽流量；λ表征沿程阻力系数；ρ表征流体密度。
[0090]
在式(2)中，管损成本可以看做压力损失成本，主要与管径和流速等有关。根据式(1)、式(2)和式(3)可以看出目标函数是关于蒸汽管网的连接路径、管径和管道对应的蒸汽流量的函数，对该目标函数进行求解，可以得到蒸汽管网的连接路径、管径以及蒸汽流量等内容，从而可以进一步确定出蒸汽管网结构。
[0091]
在本发明一个实施例中，所述路网数据包括能源站坐标、路网节点坐标以及地块中心点坐标；所述用户负荷数据包括用户蒸汽参数、流量数据以及压强数据。
[0092]
在上述实施例中，路网数据可以反应出城市的路网特点和功能地块的分布特点，用户负荷数据可以反应出用户的负荷特性，从而使得根据路网数据和用户负荷数据构建出的蒸汽管网优化模型可以更好的反应出蒸汽管网待设区域的情况，因此使得根据该蒸汽管网优化模型确定出的蒸汽管网结构具有更高的合理性。
[0093]
在本发明一个实施例中，所述约束条件根据管段连接和管径关系，能源站容量，管道数量，节点管道流入数量，管段流量，管段压强损失与流量、管径耦合关系，地块节点流入管道数量，地块压强，地块流量平衡，节点压强进行确定。
[0094]
在上述实施例中，综合考虑管网路径的走线、管径的档位以及管段压强损失平衡等内容确定约束条件，使得在该约束条件下获取到的蒸汽管网优化模型的解更具有合理性。具体的，所述约束条件包括：
[0095]
管段连接和管径关系约束，如下式(4)所示：
[0096][0097]
其中，x
ij
表征管道ij是否连接，为整数变量，1表示连接，0表示没有连接；
[0098]
式(4)表示当节点i和节点j连接时，管道ij的管径水平也要小于最大的管径水平。在式(4)中0≤d
ij
≤maxdia，当节点i和节点j连接时，x
ij
＝1，即成立maxdia＞＞d
ij
；当节点i和节点j没有连接时，此时x
ij
＝0，因节点i和节点j没有连接，也就不存在连接管道ij的管径水平，即d
ij
此时为0，因此对于管段连接和管径存在如式(4)所示的约束条件。
[0099]
能源站容量约束，如下式(5)所示：
[0100][0101]
其中，ies_cap_0表征能源站的最大蒸汽容量；i0表征与0号节点能源站相连接的节点集合；g
0j
表征首段为能源站节点的0j管道的蒸汽流量；
[0102]
式(5)表示所有从0号节点能源站通过管道0j流出的蒸汽流量小于0号节点能源站的最大蒸汽容量。蒸汽管网是将能源站的蒸汽输送给用户的，因此从能源站流出的总的蒸汽流量一定是要小于等于能源站的最大蒸汽容量，从而存在式(5)所示的约束条件。
[0103]
管道数量约束，如下式(6)所示：
[0104][0105]
其中，maxl表征能源站出口的最大管道数量；
[0106]
式(6)表示与能源站连接的管道数量小于等于能源站出口的最大管道数量，能源站为0号节点，i0表征与0号节点相连接的节点集合，然而能源站出口的管道存在最大数量限制，因此与0号节点连接的管道数量一定要在该最大数量限制的范围内，从而存在式(6)所示的约束条件。
[0107]
节点管道流入数量约束，如下式(7)所示：
[0108][0109]
其中，n表征所有节点的集合，包括能源站节点和地块节点；ij表征与节点j连接的节点集合；
[0110]
式(7)表示对于节点j可以与节点i连接也可以不与节点i连接，但如果连接的话，只存在一个节点i可以与节点j连接，其中地块节点指的是位于地块内的节点。
[0111]
管段流量约束，如下式(8)所示：
[0112][0113]
式(8)用于限制变量范围，可以加快蒸汽管网优化模型的求解速度。
[0114]
管段压强损失与流量、管径耦合约束，如下式(9)所示：
[0115][0116]
其中，pi表征节点i的压强；pj表征节点j的压强；
[0117]
式(9)表示，但节点i和节点j连接时，管道ij的压强损失与流速和管径的关系。
[0118]
地块节点流入管道数量约束，如下式(10)所示：
[0119][0120]
其中，bk表征属于地块k的节点集合；block表征地块集合；
[0121]
式(10)表示对于地块k中所有的节点j，同时考虑与节点j相连接的节点i，两者的
累加连接小于等于1，以达到连接地块k的输入管线最多只有一个的目的。
[0122]
地块压强约束，如下式(11)所示：
[0123][0124]
其中，pk表征地块k的压强下限；
[0125]
式(11)表示当节点i属于地块k时，节点i对应的压强要大于地块k的压强下限。
[0126]
地块流量平衡约束，如下式(12)所示：
[0127][0128]
其中，g
k,load
表征地块k的负荷量；
[0129]
式(12)表示总流入地块k的蒸汽流量与总流出地块k的蒸汽流量的差值不小于地块k的负荷量。
[0130]
节点压强约束，如下式(13)所示：
[0131][0132]
式(13)表示存在节点i与节点j连接时，节点j的压强要小于等于1000，即当x
ij
＝1时，pj≤1000，当x
ij
＝0时，pj＝0。
[0133]
路由节点流量平衡约束，如下式(14)所示：
[0134][0135]
其中，n
net
表征路由节点集合，不包括能源站节点和地块节点。
[0136]
式(14)表示，总流入路由节点的蒸汽流量等于总流出路由节点的蒸汽流量，其中路由节点是指从能源站节点将蒸汽运送到地块节点并不位于地块内的节点。
[0137]
由式(1)-式(14)组成了蒸汽管网优化模型，对该蒸汽管网优化模型进行求解，得到的最优解就对应于蒸汽管网结构，该蒸汽管网结构可以使得设备成本和运营成本之和最小。该蒸汽管网结构包括为每个地块供蒸汽的管道连接方式，每个管道的直径，节点的压强和蒸汽流量等，结构更为合理，可以降低蒸汽管网的能量损失，提高能源利用效率。具体的，对该蒸汽管网优化模型进行求解时，可以使用benders分解法、拉格朗日松弛法、智能优化算法等，只要可以达到求解该蒸汽管网优化模型的目的即可，本实施例对具体的求解方法不作限定。
[0138]
基于与上述方法相同的发明构思，如图2所示，本发明实施例提供了一种蒸汽管网结构的确定装置，包括：
[0139]
数据确定模块201，用于确定蒸汽管网待设区域内的路网数据和用户负荷数据；
[0140]
模型构建模块202，用于根据所述路网数据和所述用户负荷数据，构建蒸汽管网优化模型，所述蒸汽管网优化模型包括目标函数和约束条件；
[0141]
结构确定模块203，用于根据所述蒸汽管网优化模型，确定所述蒸汽管网的结构。
[0142]
在本发明一个实施例中，所述目标函数如下所示：
[0143]
minc＝cv+co；
[0144]
其中，c表征规划总成本；cv表征年均管网投资成本；co表征管损成本。
[0145]
图3是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。在硬件层面，该电子设备包括处理器301以及存储有执行指令的存储器302，可选地还包括内部总线303及网络接口304。其中，存储器302可能包含内存3021，例如高速随机存取存储器(random-access memory，ram)，也可能还包括非易失性存储器3022(non-volatile memory)，例如至少1个磁盘存储器等；处理器301、网络接口304和存储器302可以通过内部总线303相互连接，该内部总线303可以是isa(industry standard architecture，工业标准体系结构)总线、pci(peripheral component interconnect，外设部件互连标准)总线或eisa(extended industry standard architecture，扩展工业标准结构)总线等；内部总线303可以分为地址总线、数据总线、控制总线等，为便于表示，图3中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。当然，该电子设备还可能包括其他业务所需要的硬件。当处理器301执行存储器302存储的执行指令时，处理器301执行本发明任意一个实施例中的方法，并至少用于执行如图1所示的方法。
[0146]
在一种可能实现的方式中，处理器从非易失性存储器中读取对应的执行指令到内存中然后运行，也可从其它设备上获取相应的执行指令，以在逻辑层面上形成一种蒸汽管网结构的确定装置。处理器执行存储器所存放的执行指令，以通过执行的执行指令实现本发明任一实施例中提供的一种蒸汽管网结构的确定方法。
[0147]
处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor，np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field－programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0148]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，包括执行指令，当电子设备的处理器执行执行指令时，所述处理器执行本发明任意一个实施例中提供的方法。该电子设备具体可以是如图3所示的电子设备；执行指令是一种蒸汽管网结构的确定装置所对应计算机程序。
[0149]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或软件和硬件相结合的形式。
[0150]
本发明中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0151]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者锅炉不仅包括那些要素，而且还包
括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者锅炉所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者锅炉中还存在另外的相同要素。
[0152]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。