基于图论的空间热网拓扑结构-论文.pdf

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1、第31卷第2期计算物理Vo1．31．No．22014年3月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSMar．，2014文章编号：1001-246X(2014)02-0207-09基于图论的空间热网拓扑结构王晓霞，赵立华，邹平华，高云飞(1．广东工业大学土木与交通工程学院，广州510006；2．华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广州5106413．哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)摘要：针对多热源环状热网水力工况分析所涉及的非平面网、及故障工况供回水管网不对称的问题，基于图论提出一种建立空间热网拓扑结构的方法：根据供回水管网基本

2、结构信息，采用面向对象的程序设计方法，定义图并包含相关算法，自动生成关联矩阵和基本回路矩阵；在平面图的基础上，结合热源和热用户信息，采用广度优先搜索生成空间热网的“树”，据此构建空间热网的基本关联矩阵和基本回路矩阵．研制了建立多热源环状空间热网拓扑结构的程序，通过哈尔滨开发区热网的模拟，对程序的计算性能进行验证．该方法以图的相关算法为基础，能适应不同型式管网的计算，为复杂热网的水力工况分析和非对称热网的计算提供手段．关键词：多热源环状热网；空间热网；拓扑结构；水力工况；图论中图分类号：TU833．12文献标志码：A0引言随着供热分户计量的深人开展，热量作为商品走向市场，集中供热系统

3、的高质量、可靠运行成为对能源供给部门的基本要求．而无论供热系统的辅助调度、故障抢修，还是可靠性评估，热网水力工况分析都是核心内容．多热源环状热网是包括热源、供水管网、回水管网和热用户在内的复杂系统，从图论的角度，已不属于平面网范畴，笔者提出空间热网的概念．空间热网的水力计算方法，可实现多热源环状复杂管网、供回水管网不对称的热网水力工况分析，以及供水管网或回水管网发生故障需要关阀抢修时的非对称故障工况分析．专业人士在环状管网的水力工况分析领域做了诸多研究．城市给水管网方面起步较早，研究成果也较多，舒诗湖等认为，给水管网模型还存在不能适应主要参数不断变化的状态，模型的动态模拟缺乏长效性

4、，提出了建立“自适应”管网模型的概念，即模型在一定范围内可以适应管网拓扑结构和主要参数的变化⋯；曹慧哲等应用图论理论实现多定压节点的给水管网水力计算．总体来说，用图论的方法研究给水管网拓扑结构及水力工况分析，相对成熟．但给水管网是开式的非闭合管网，属于典型的平面网络．集中供热系统属空间管网，拓扑结构复杂．传统的热网水力工况分析方法是：热用户和热源的流量均按限定流量计，从最不利热用户算起，分别计算供回水管网的节点压力(认为供回水管网是对称的)，从而求出各热源所在节点的压差，据此检验循环水泵的扬程是否满足要求．此类平面网方法可以计算热用户和热源在流量已知情况下的管网压力，但不能实现已知

5、阻力特性参数的管网流量模拟．文献[3]在处理管网图和管段计算方面率先采用了面向对象的程序设计方法，使管网设计计算不拘泥于特定型式，适用于各种类型的热网，在全网水力工况求解上采用基于基本回路矩阵列能量方程的方法．集中供热管网的流量模拟需同时对供回水管网以及热源和热用户所在的支路进行计算．以往实现了单热源枝状管网系统的模拟，但鉴于枝状管网的特定结构，该方法亦局限于平面网络．文献[6—7]提出基于面向对象的多热源环状管网的水力计算方法，将管网解析成由各类元件对象组成的集合，充分利用计算机技术实现管网拓扑关系的表达，以及将算法镶嵌在管网元件对象中．按照非稳态方法计算，解决了热媒温度和地形高

6、差变化对水力工况的影响．该方法未利用基本回路的概念，而是在面向对象的设计中隐含了管网的拓扑结构收稿日期：2013—06—06；修回日期：2013—10一l4基金项目：亚热带建筑科学国家重点实验室开放基金(2010KB07)资助项目作者简介：王晓霞(1975一)，女，博士后，讲师，主要从事暖通空调管网系统分析与运行节能研究，E·mail：wxxhit@sina．eom208计算物理第31卷信息，在计算中校核任意两个节点之间，不论经历何种路径其压降相等．对于大型环状管网，连通两个节点之间的路径可以有无数个，如不采用基本回路的概念将增大计算的工作量．本文提出一种基于图论的构建空间热网拓扑

7、结构的方法，包括管网图的算法、遍历、搜索，以及应用计算机自动生成树、构建空间管网基本关联矩阵和基本回路矩阵的方法及实现．1基于图论的空间热网水力工况数学模型图1为一个多热源环状热网的空间网络示意图，包括供水管网、回水管网及热源和热用户所在的支路．对于复杂空间管网，借助图论的表达方式，可以将整个管网的全部基本方程进行整体统一描述．若空间网络共有Ⅳ个节点和个管段，则相应于此网络的关联矩阵A为N×B阶，对应供水和回水管段矩阵中各元素的规定与平面网关联矩阵相同．可以证明矩t／