给水管网单目标多工况优化设计的-研究与应用

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1、同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名：袈嘶惹扫。仵≥月第1章绪论1．1研究背景及意义在近代历史中，随着人类居住和生产的城市化进程，给水工程已经发展成为城市建设和工业生产的重要基础设施，成为人类生命健康安全和工农业科技与生产发展的基础保障。给水工程是

2、城镇和工矿企业建设的重要组成部分，建设投资巨大。据国内外统计资料表明11】，城市人均综合需水量(包括生活、工业企业、城市公共用水)为0．5～O．6m3／(cap．d)左右。在我国当前价格水平条件下，给水工程的单位水量综合投资费用(包括取水、给水处理和给水管网系统等直接建设投资费用)约为3000frdm3。因此，城镇给水工程的建设人均投资额为1500元左右。同时，给水工程设施的运行、维护和管理费用也很高，建设和运行给水系统需要相当昂贵的代价。2005年lO月，党的十六届五中全会召开，会议提出了“建设资源节约型社会”的奋斗目标。鉴于此，同年由中国

3、城镇供水协会主编的《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》中将“优化供水成本”列入技术进步目标与任务的要点之一【2】。在整个给水系统中，给水管网是供水到用户的重要环节，给水管线需要遍布整个给水区域，管网投资大，往往占到整个给水工程建设总投资的1／2～1／3左右”J，运行动力费用和日常维修费用也是供水企业运行成本的主要组成部分。在工程资金投入有限的情况下，需要进行管网系统优化设计，寻求满足水量和水压要求，且能使整个系统的造价最低、可靠性最高的设计方案。通常一个完整的给水管网系统设计过程包括规划、设计和运行管理三个阶段13]

4、。规划阶段主要进行管网干支管线的布置，力求确定管网总长度最短或投资最小的最佳管网结构形式。设计阶段以最优管网布置形式为依据，通过管网水力计算确定有关技术参数，主要解决管径最佳组合问题，寻求系统造价最低的最优设计方案。一个按照最优设计方案施工建设的管网系统还必须通过水泵机组优化组合、阀门开启优化组合、水源联合优化调度等优化运行研究，按最优化运行策略运行管理才能发挥系统最佳性能。长期以来，针对上述管网优化设计问题，科研工作者进行了广泛研究，取得了大量研究成果，产生了巨大的经济效益。特别是最优化理论与技术、计算机技术、数值计算方法的发展和广泛应用，

5、为管网优化研究提供了必要的理论基础和实现手段，逐渐使工程设计最优化成为衡量工程设计水平的一种标准。本文所讨论的给水管网优化设计是指在管网管线布局己定，各水厂供水能力第1章绪论已知，泵站位置己定，节点自由水压要求己知，标准管径系列规格已知等条件下，求出设计年限内以管网建造年折算费用和年运行费用为总和的年费用折算值最低时的方案，包括管网的最优管径组合、最优水泵组合及水源联合优化调度三部分。1．2国内外研究进展由于给水管网系统的建设和将来的维护和修理费用庞大，在整个给水系统中所占的比例也最大，理所当然地引起了国内外学者和工程师们的广泛关注14】。国

6、外对给水管网的优化设计研究比较早，始于上世纪60年代末，最先在给水管网的规划设计中引起工程设计人员们的重视15，61。国内在这方面的研究稍晚一些，起步于上世纪70年代，同济大学、天津大学、湖南大学、哈尔滨工业大学、中科院等高等院校和科研机构相继在这个领域取得了一些研究成果。在过去的几十年里，研究者们提出了各式各样的给水管网优化设计模型和相应的模型求解算法。这些模型和相应的求解模型的算法在工程实践中逐步得到了一定程度的应用，并取得了巨大的经济效益和社会效益。1．2．1给水管网优化设计模型的研究进展任何条件下的给水管网设计，都必须考虑以下四个方面

7、：1)水量、水压的保证性；2)水质的合格性；3)供水的安全可靠性；4)供水的经济性。管网的优化设计就是围绕着这几个或其中几个目标而展开的。按照设计时优化目标是单个还是多个，管网优化设计模型可以分为单目标优化设计模型和多目标优化设计模型两大类；另一方面，工程上在进行管网设计时，通常采取按照最大日最大时用水工况进行管径设计和泵站扬程选择，然后对最大转输时、消防时和事故时三种工况进行校核的设计流程进行。这种设计方法往往需要反复进行管径调整和泵站扬程调换，以满足各个工况的设计约束要求，因而效率不高。按照优化设计时直接考虑管网运行工况的个数情况，管网优

8、化设计模型又可以分为单工况优化设计模型和多工况优化设计模型两大类。综合两种分类方法，给水管网的优化设计模型可以分为单目标单工况、单目标多工况、多目标单工况、多目标多