换热网络优化节能技术的研究

北京化工大学硕士学位论文换热网络优化节能技术的研究姓名：贾涛申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 指导教师：夏涛20080604摘要换热网络优化节能技术的研究摘要在石油化工生产中，一些物流需要加热，另一些物流需要冷却，换热网络把这些物流匹配在一起，利用热物流加热冷物流，提高系统的热回收，减少公用工程加热与冷却的负荷，从而达到节能的目的。换热网络需要具有最小投资费用和运行费用，并满足在各种约束条件下，把每一物流由初始温度加热或冷却到目标温度。换热网络的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 是一个优化问题，是石油化工生产节能技术研究的重要方面。换热网络的设计一是朝着智能化方向发展，一是需要借鉴更多的经验知识。本文把粒子群优化算法加以改进，结合经验设计规则，运用到换热网络的设计中，目的在于提高换热网络设计过程的智能化、快速性和设计结果的优良性，提高企业的经济效益。本文采用不同的超结构模型分别描述无分流和有分流换热网络，提出了换热网络的粒子群同步综合设计法，以最小总费用为设计目标，同步考虑投资费用和运行费用。在无分流换热网络的设计中，以换热网络中各个换热器的换热量为演化个体，按照一定的顺序，借鉴夹点技术的设计规则，按照粒子群算法寻优设计，计算各个换热器的存在及其换热量的大小。在有分流换热网络的设计中，以各流股在各级的分流情况为演化个体，采用两级优化方法，首先采用遗传算法优化各流股在各级的分流股数，再在确定的分流股数下，采用粒子群优化算法计算最佳分流北京化工大学硕士学位论文情况。整个设计解决了各个换热器的换热量受到多种约束条件、相互制约等影响设计的难题，仿真研究证明了设计方法的可行性和优越性。以某炼油厂的常减压蒸馏过程换热网络的设计为实际仿真对象，解决了实际目标湿度是一个范围而不是定值的问题，设计的换热网络的总体性能较好。本文的研究工作证明了粒子群优化算法等优化技术在换热网络节能设计中的可行性，并具有较好的效果，可以迸一研究与完善，以提高换热网络设计的智能性和节能效果。关键词：换热网络，节能，优化，超结构，粒子群，分流Ⅱ摘要TECHNOLOGYOFOPTIMIZATIONANDENERGYSAVINGOFHEATEXCHANGERNETWOR璐ABSTRACTHeatexchangernetworl【sareVe巧commoninpetrochemicalindustry．Theyputhotstre锄swhiChneedtobecooledandcoolstreamswhichneedtobeheatedtogethertousehotstreamsheatcoolstreams．Thusalotofene玛ycanberecycledandmuchutili哆canbesaved．Ene略ysavingcanbefulfilled．Usuallyabettefheatexchangernet、)lrorl【smustmakeeachstreamtemperature行ominitialtota玛etunderseveralconditionswithminimuminvestingcostandIninimumoperatingcost．DesigniIlgheatexchangernetworksisanoptimizationproblem．ItisalsoaVeryimportantaspectiIlene玛ysaviIlgofpetrochemicalproducing．Ononeh锄d，intelligentdesignapproachisneedindesigningmoreandmore．Ontheotherhand，morepracticalknowledgemustbeused．ThispapefmodifiedparticleswarmoptimizationalgorithmanduSedittodesignheatexchangerne锕orkswithsomepracticalkIlowledgeillordertogetaquickdesigIlrate，getbetterheatexchangerne咐。旭andmakemorem北京化T大学硕上学位论文bene毛ittofact<)fies．Inthispaper，differentsuperstmctureswe心usedtodescribeheatexChangerne咐orkswichoutsplitandwithsplits．Anoveldesignapproachbasedonpafticleswarmoptimizationalgorithlll、ⅣasdeVeloped．Thedes逗鼗objectiveis热inim娩i珏g幻tal∞s￡．Andmi魏i毽izi娃gi稳Vesli疆g∞s￡疑dmi蕤im主z遗gopefa￡i羹g∞s￡we羚＆si鏊零ed敏￡魏es鑫堇I舱￡主me。l蕤designing董薹ealexcha堇lgene№f妇withoutsplit，itused讯dividualsinpopulationt0des嘶beheattransferquantityofeachexchanger．Besidesgettingsomepracticalknowledge，itcalculatedheattransf奄rquantityofeachexchangeronspecialorderusingparticleswarmoptimization。hdesigningheatexchangene取orkswithsplits，it璐edi建d主vi如als幻＆se曲espl遮醴eachs￡羚a瓣。I耋弑sed溉。一layefopli燃iz鑫￡i∞鑫pp玲鑫馥：蠡辐羹yop毫imizi懿gspl证骶mb懿醛eaehs骶ambasedongenetiealgor主|hm，a薹ldthenoptimizingsplitdu哆basedonpartideswa瑚optim娩ation．触heattransferquantityineachexchangerisrestrictedunderscveralconditionsandeachquaIltitya虢ctseachother，thisapproachusedswarmintell追encetosolVetheseproblemsandmakedesigningp11cIcesSintelligentbaseO娃aVoidingsophistieatecalclllatio鼗andkeepingfeas逊le醴eachindiVi如aldll纛纛gdesi簪i甥。髓esi强ll鑫￡i强羚鼹l专p斟es主耄e爱eelive．翟，e建i专isp氆豫幻desig旌ing氧e甜exchangef魏e雠。呔扭atmospheficandVacu珏mdisti董lationtosolvetheactualsimulationlv摘要problem．AllthisworkproVesthatintelligenttechnologysuchaspanicleswamoptimizationisfeasibleindesigningheatexChangerne俩orksandhasbetterresult．ItcanbestudymoretodesignbetterheatexchangernetworksandtogetimproVedea’ectofene玛ysaVing．KEYWOImS：heatexChangerne呐ork，ene唱ysaving，optimization，superstIucture，particleswam，splitV恕京毒l：Z文掌矮圭学位论义vl符号说明符号说明频率因子换热器、冷凝器、加热器的传热面积换热器、冷凝器、加热器的存在情况冷流体总费用冷流体数冷凝器、加热器的安装费用换热器、冷凝器、加热器的传热面积费用系数公用工程冷却量、加热量的费用系数最小传热温差设定值热流体热流体数换热器、冷凝器、加热器的传热面积费用指数总费用目标函数最大匹配级数换热器的总传热系数换热器的热流体的传热系数换热器的冷流体的传热系数匹配级数换热器、冷凝器、加热器的换热量换热器换热量的历史最优值换热器换热量的全局最优值换热器换热量的改变量热流体的初始温度热流体的目标温度冷流体的初始温度冷流体的目标温度热流体在换热网络中的温度肆舛哼才田计A东妻，量0批H翟二：?面{}芝琉毫强‰屯《磙牛昏c踞％北京化工大学硕士学位论文冷流体在换热网络中的温度换热器的热流体的进口温度换热器的热流体的出口温度换热器的冷热流体的进口温度换热器的冷热流体的出口温度热容流量热流体分流后的热容流量冷流体分流后的热容流量热流体分流后热容流量的历史最优值热流体分流后热容流量的全局最优值热流体分流后热容流量的改变量冷流体分流后热容流量的历史最优值冷流体分流后热容流量的全局最优值冷流体分流后热容流量的改变量对数平均温度差最小传热温差Ⅻ‰吐☆《幺Ⅳ略‰蛾峨吨峨‰毗咏虬北京化工大学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。＼作者签名日期：多星：巧：!关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在必解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授＼权书。作者签导师签名：日期：竺坌：兰：兰日期：丝：墨：竺第一章绪论1．1换热网络的优化设计第一章绪论能源问题是当前世界关注的焦点。我国虽然资源总储量丰富，但人均资源占有量却十分有限，随着我国经济发展，产业结构发生了巨大的变化，能源短缺问题日益严重。因此研究节能技术和节能装置、提高能源的利用率、减少能源的消耗量显得非常重要。在石油化工生产中，通常包含着大量的能量传递过程，换热器是实现能量传递的主要设备。但是一个具体的生产过程不是单一的加热或冷却过程，而是一些物流需要加热，另一些物流同时需要冷却。因此可以把这些物流匹配在一起，充分利用热物流加热冷物流，提高系统的热回收，减少公用工程加热与冷却的负荷，从而降低能量消耗。实现这个功能的就是由多个换热器、辅助加热器、辅助冷却器和多条管道等组成的换热网络(HeatExch锄gerNeMork)Il，捌。图1．1换热网络设计费用的影响因素Fig．1-1m隐de巾ffindesi印ingHEN换热网络在石油化工生产中应用的已经比较普遍。换热网络的设计，一方面要尽可能的匹配冷、热物流使全过程系统能量得到进一步合理应用，最大化的回收能量，提高能量的利用效率；一方面要尽可能的减少换热器的数目，减少设备投资费用，减少年度总费用，提高换热器网络的弹性，使企业能够拥有较大的经济效益。因此，换热网络的设计实际上是一个优化问题。优化的目标是在满足换热条件的前提下，并符合各种约束条件，把每一物流由初始温度加热或冷却到目标温度，并最小投资费用即换热器费用和最小运行费用即公用工程加热与冷却用量。优化的内容包括：系统结构的最优设计即换热器、辅助加热器和辅助冷却器的热负荷分配和布局最优，以及换热设各自身的最优设计。后者的优化必须在前者优化的前提下进行12圳。北京化工大学硕：}学位论文1．2换热网络的设计方法．换热网络的优化设计不同于一般的优化问题，其结构本身就是优化的重点，在结构优化的基础上，才能进一步实现换热设备优化。同时由于在结构优化中，各个换热器的存在和换热量受到换热条件、换热需求等多个因素的影响，并且各个换热器的换热量之间相互制约，因此对换热网络的优化设计不能仅仅依靠一般的最优化方法，需要结合经验知识，建立相应的优化设计方法。1965年，Hwa发表了第一篇有关换热网络设计的论文，他提出首先把所供选择的系统组合成一个配置图，然后使用可分离的规划使之最优化的方法【2】。经过几十年来的发展，换热网络的设计方法主要有以下几种【wJ。1．2．1经验法经验法也称为试探法或直观推断法。这种方法虽然不能保证一次得到最优解，不能用来解决复杂的换热器网络优化问题，但可以此为基础，采用一些优化方法系统逐步优化。1969年，Masso和Rudd提出在设计过程中通过自适应学习来权衡一组规则的经验合成法。1974年，Ponton和Donaldson提出冷物流与热物流逆向匹配原则之后极大地促进了经验法的应用，许多研究人员现在己经接受了这种匹配原则。1977年，Wells和Hodgkin∞n提出通用工艺的过程合成、物流匹配的经验规则表。这种方法主要采用启发式寻优法设计换热器网络，用一些规则限制换热器匹配的自由度，实现换热器网络优化。虽然它并不能给出最优解，但它最少可以给出一个可行的解，对于换热器的网络设计起到了一定的作用【2l。1．2．2最优化搜索法1970年，ke等人提出了分支界限法，在设计换热网络时，为了生成一些界限问题，必须放松网络可行性的一个约束，即需要做出这样的假定：过程物流只允许多次使用，而不能分流使用；在热交换过程中，过程物流必须交换其能交换的所有能量。在此假定下，他们先提出了基本的分支界限法，然后又用分支策略缩减问题的规模，精简合成程序。分支界限法实质上是在某些限定范围内穷举了所有可能的情况，而且还包含了许多不可行的情况在内，故能找到某些限定范围内的最优解。但此法也因此而未能排除基奉的组合困难。此外，分支界限法本身要求做出的一些假定，如物流不能分流，不能组成循环网络，以及辅助加热器和冷却器只能在最后使用等等，也往往排除了一些更好的网络，因此，分支界限法2第一章绪论也不能有效地解决最优换热网络的合成问题【列。1973年，Pho和Lapidus提出了树搜索法，提出用简单的合成矩阵表示换热网络的结构。利用合成矩阵可以试验能否在一个可行的换热网络中增加新的热交换器而生成另一个可行的换热网络。根据合成矩阵的这一特性，他们把只有辅助加热器和冷却器，而没有一个供过程物流之间换热的热交换器的网络作为起始节点，逐步扩展，最后可生成一棵判定树的图。其中，树的所有节点代表了所有可行的网络。最优的网络必定也嵌入树中的一个节点。通过对所有节点的网络进行计算或按照某些规则进行部分的计算，就可得到最优的网络或接近最优的网络。1．2．3数学规划法数学规划法(MathematicaIPr0酉猢ing)是通过建立换热网络综合问题的数学模型，通过求解建立目标函数的最小值，从而得到最优的换热网络。数学规划法设计换热网络主要有分步优化法和同步优化法两种。1．分步优化法1971年K曲ay觞hi等人提出了线性规划法，把最优换热器网络的合成分成两个不同水平的问题。一是对给定系统结构的最优设计即第一水平问题，另一个是在第一水平问题已最优解决的假定下研究最优结构即第二水平问题。先把合成问题化为“基本问题"的形式，将各个过程流进行相继的或平行的划分，形成许多近似相等的热单元，以使总网络最优化的目标函数近似地线性化，然后解两个水平的问题。第一水平问题用复合形法进行最优设计，第二水平问题则用线性规划的最优分配算法求解。重复进行迭代计算，直至得到最优的换热网络。线性规划法没有排除基本的组合困难，虽然使用了分解物流，但是过程物流按照单元可交换热容流率的分解不一定是最优的分解，辅助加热器或冷却器也只能在最后应用，都限制了此类方法难以生成最优的网络。1976年，Kelah觚和Gaday提出将网络的合成作为混合整数最优化问题处理，用于适应的随机搜索技术使热交换器的传热和排列同时最优化，对于较简单的合成问题得到了较好的方法。1977年Nisllida等人发展了算法加调优的方法。它们应用数学原理推导出最优结构的必要条件，从而解析地搜索并根据一组调优规则改进所得网络，由此法得到的网络比起以前诸法所得到的网络都有不同程度的改进。但此法对用算法得到的初始网络要进行逐步调优方能得到最后的网络，没有解决一次就合成最优换热网络的问题。另外，此法不能解决换热过程有相变的换热网络的合成问题13圳。分步优化法把换热网络的合成分解为最小公用工程的计算、最小匹配数目的3北京化工大学颈士学位论义选择、最小投资费用的计算等多个子问题，这些子问题原则上存在多解，又相互影响，如果不能正确反映子闻题的相互关系，即使各子问题是最优的，对整体问题也可能偏离最优解甚远【弘ll】。2．同步优化法为了克服分步优化的缺点，G约ss糖雒等人在研究换热网络优化设计时提出了超结构混合整型非线性规划(Mixed也le黔rNon．Kne艇Pm黟a越ming)模型，并用来确定换热网络的最小投资费用112．131。混合整型菲线性规划计算主要包括3个阶段i14’1嗣：第薹阶段：构造系统的超结构模型，该模型应包括新有可行豹流程备选方案：第2阶段：将构造的超结构模型写成M玳"表达式：fminz一，o，J，){gj0，y)soi∈f⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1-重>E。，y)一。歹∈歹其中z为露维连续变量，y为m维离散变量，，0，y)为羁标函数，g似y)、^“，y)为物料平衡、能量平衡和设计规定等约束条件。第3阶段：求解MⅨLp模型。从超结构中选取规定目标条件的最优流程方案和操作条件。1989年，Dol腮等提出的模拟退火算法需涉及大量的试探解，一方面由于要产生一个可行解需要多次搜索，另一方面退火算法本身需要合理的算法参数，而这些参数很难精确给定，求解效率很低。重9如年，Yee、研ossm雒等只考虑掰络的面积费用和能耗费用，没考虑涉及单元设备数目的固定费用，闯题原则上可归结为一非线性规划问题求解，但结果中可能包含较多的单元数目【12，131。1990年，C施等所提出的混合整型菲线性规划模型严重非凸，约束是二次型的，虽然所采焉的分解算法大大改善了解酶旗量，但由予主问题仍为菲凸，无法克服局部极小点，同时建立的模型依赖于夹点技术的网络温差及子网络的划分。1991年，DIol柚、Yee、Grossman、Ciric等分别提出了同时考虑网络运行费用和投资费用的同步综合方法，Ycc、Gfossm勰提出的线性约柬混合整型菲线性规划模型可同步优化公用_I程、面积费用和单元设备数，但模型的等温混合假设造成了有分流情况下必须进行二次优化【141。数学规划法可用于解决具有大变量和多种反馈的问题，很适合工业系统的网络设计，它可求出经验规则无法求出的优化网络。从理论上说，数学规划法是最完美的方法。然而即使是全部由换热器构成的网络，其有关的影响因素也鼍}常多，而且关系十分复杂。所以，各种网络优化的数学规划方法都不可避免的对单元模型做出许多简化的假设。假设越多，所得结果偏离工程实际的真正优化解也必然4第一章绪论愈大【151。因此，数学规划法至今能在工作设计中得到广泛的应用。1．2．4夹点设计法Linnhof!f等提出的夹点技术(PinchTeChnology)【16，17l是设计换热网络的经典方法，一种简便、实用的方法。夹点技术通过建立物理模型较深入地揭示问题的内在特性，物理意义比较清楚，便易行、效果显著。夹点是在温焓图上移动冷、热合成曲线后使之相交的点。经过移动后，除该点外，热合成曲线均位于冷合成曲线的上方，这一相交点对应于理想状况下，换热网络所能回收的最大能量，阻止进一步热回收和节能。夹点技术的核心是找出夹点，不允许通过夹点换热，根据能量目标构造一个具有最大能量回收的初始换热网络；再以最少换备数为目标，对初始网络进行调优，以减少换热设备数及设备投资费用，获得一个最优或接近最优的换热器网络。1977年，Umeda以热力学原理为基础，提出在有效能图上分区优化法，并在温焓图(T-Q图)上实现换热器网络优化，说明了夹点的存在性，这是换热器网络研究的一个里程碑，标志着换热网络的研究进入了一个新阶段。1978年I，i曲hof!f和1979年Flower首先将换热器网络分解为两个子问题来研究：首先决定最大的能源回收或最小的公用工程；然后在己知的最大能源回收的基础上，通过换热器的匹配，使换热器的个数最少。U皿hofc细致地 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了热回收夹点和合成曲线分解的具体意义，并将公用工程消耗量过大与热交换产生的热流(夹点下方的加热、夹点上方的冷却)通过夹点联系起来，在整个工艺过程中合理布置汽轮机、热泵、蒸馏塔。1983年，m呲ho饪和Hindmarsh把这一概念表达为夹点理论，并逐步发展了夹点理论，以夹点为纽带，把最大能源回收和夹点温度通过最小温差△o。联系起来。1984年，Umihoff和Parker定义了加减原则。1986年，Lillllho仃和AjIlmad以及Floudas分别提出了求解换热网络优化夹点最小温差缸n血的不同方法。夹点设计法设计换热网络时，首先需要构造具有最大能量回收的初始换热网络【3】：(1)给定一初始最小允许传热温差出。∥确定夹点位置；(2)在夹点处把换热网络分隔开，形成的两个独立子系统(热阱和热源)分别处理；(3)对于每个子系统，设计先从夹点开始进行，采用夹点匹配可行性规则及经验规则，选择匹配物流，确定物流十分需要分支；(4)离开夹点后，约束条件减少，选择匹配物流自由度较大，但在传热温5北京化T大学硕-：学位论文差约束仍较紧张豹场合(即某处传热温差比最小允许传热溢差&岫大不了多少的情况)，仍需遵循可行性规则；(5)同时考虑系统的可操作性、安全性以及生产工艺中有无特殊规定等。巨l屹热复合麴线温焓图(a)热流体(b)冷流体(c)热复合曲线(d)平移后的热复合曲线辆g．董-2蚤QchaIt(a)珏(b)岛(c)Con崾帅ndclln，e(d)Movedco叫哪dcllr、，ehofizontally温烩图可以很好的描述冷、热流体的特性。温焓图以温度f必纵辘，以热烩日为横轴。物流的热量用横坐标两点之间的距离即焓差埘表示，因此平移物流6第一章绪论线并不影响其物流的温位和热量。温焓图上物流线上任一点切线的斜率即dQ／出定义为热容流量职单位为kW·K-1。为了表示系统的特性，可以将多股热流合并成一条热复合曲线，将多股冷物流合并成一条冷复合曲线，如图1．2。在构造初始换热网络时，对于夹点上方，热工艺物流(包括其分支物流)数目应不大于冷工艺物流(包括其分支物流)数目，对于夹点下方，热工艺物流(包括其分支物流)数目应不小于冷工艺物流(包括其分支物流)数目；对于夹点上方，每一夹点匹配(指冷、热物流同时有一端直接与夹点相通，即同一端具有夹点处的温度)中热物流(或其分支物流)的热容流率应不大于冷物流(或其分支物流)的热容流率。此外，根据经验，应当选择每个换热器的热负荷等于该匹配的冷、热物流中热负荷较小者，使之一次匹配换热可以使一个物流(即热负荷较小者)由初始温度达到终了温度，这样的匹配使系统所需的换热设备数目最小，减少了投资；如有可能，应尽量选择热容流率相近的冷、热物流进行匹配换热，这就使得所选择的换热器在结构上相对的合理，并且在相同热负荷及相同有效能损失的前提下传热温差最大(相对于冷、热物流热容流率相差较大情况下的匹配)，即减小了设备费。据夹点技术确定了全系统的“瓶颈"后，需要对初始换热网络进行调优。通过利用夹点技术诊断出该过程系统中用能状况不合理的环节，并以此为依据，通过改变换热流股间的匹配，或去掉一些不合理的加热器或冷却器或通过改变某些密集型单元或子系统的工艺参数、进料状态，使它们能够处于背景过程中恰当的位置等 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，来改善系统的用能状况。在实际中可采用的具体措施有【5l：．(1)对于换热器网络，应当恰当地减小过大的传热温差，以降低有效能损失；(2)对于能量子系统，应当改变其工艺条件来把它调整至过程系统中合理的位置；一(3)改进工艺流程，采用高效的能量转换设备。在实际的设计中并不仅仅考虑最大能量回收，为了获得最大的经济效益，使设备费和操作费之和最小，还需要考虑最小传热温差和换热单元数。换热网络中的温度。夹点"限制了可能达到的最大热回收量，充分掌握“夹点一的特性，可以有效的进行换热网络的最优设计，而且方法实用，工程技术人员可以发挥多年的工程设计和生产经验，合理的考虑一些必要的工程因素。但是，夹点法是一种分步式的设计方法，不用同步优化设备投资费用和公用工程费用，并且较多的依赖于经验知识。7j￡索纯≯大学硕’lj学霞论文1．2．5基于遗传算法的设计方法遗传算法(Gene￡ic雕gofil妇1)起源于对生物系统所进行的计算机模拟研究，是一种借鉴生物的自然选择和遗传进化机制而开发出的全局优化自适应概率搜索算法。1967年，Ba西ey在他的论文中首次提出了遗传算法。1971年，Hollstien阐述了遗传算法用子数字反馈控制的方法，第一次把遗传算法用予函数优化。1975年，Holl柚d提出了基于生物遗传和进化机制的适合于复杂系统优化的自适应概率优化技术，并系统地阐述了遗传算法的基本理论和方法，并提出了对遗传算法理论研究和发展极为重要的模式理论。遗传算法解决优化阀题时，以种群表示闯题可能的解集，种群由经过基因编码的一定数目的个体组成，每个个体携带不同的染色体，染色体作为遗传物质的主要载体表现为某种基因组合，决定了个体的性状的外部表现。初始化种群产生后，根据阁题中个体的适应度大小按照相应的规则挑选个体，借助于自然遗传学的遗传算子进行组合交叉和变异，产生出代表新的解集的种群，使种群像自然进化一样，后代种群比前代更加适应于环境，末代种群中的最优个体经过解码，可以作为问题的近似最优解【18l。采用遗传算法，对换热网络的综合问题提出改进酶优化模型及优纯策略，选取换热网络的年度总费用最小为目标函数，将最小温差和网络结构参数进行同步优化，在求解过程中，由物流匹配换热量确定冷、热物流是否匹配，同时考虑约束条件，对匹配换热量按顺序在可行范围内随机取值，因此具有从可行解中以较快的速度获得全局最优的能力【l霉挪。、，遗传算法和专家系统相结合，在解决无分流换热网络时，同时考虑换热网络的整体结构、换热网络单元数、有效换热面积和公用工程消耗之间的关系，建立相应的同步综合模型，不仅减少了网络分枝、旁路和混合过程，还建立了麓络的复杂性和操作成本【211。专家系统的引入，实现了对匹配序列搜索的指导作用和对遗传算法产生的无效匹配的过滤作用，缩小了可行匹配的搜索空间和结构参数的搜索域。在解决有分流换热网络时，首先透过专家系统确定物流豹分流及匹配禁止情况，在此基础上建立有分流换热网络的超结构模型，再采用遗传算法对模型求解，最后经过分析协调，对网络结构和匹配单元同时进行优化阻矧。基因矩阵是一种基于遗传算法和神经网络的多层感知器模型的有机结会优纯换热网络的新算法和编码方算法。这种算法根据遗传适应度的大小，以随机搜索的方式寻找在求解区域的最优解，采用神经网络多层感知器模型实现换热网络的结构优化和参数优化，在经过遗传一感知模型进行优化【巩251。1992年，G融l曲e毽提出并行秀生模型退化。19舛年，W蠢西嚣珏o、ho鼗鏊等人将遗传算法和模拟退化算法串行组合。1996年，bwin等提出了采用遗传算法设8第一章绪论计换热网的通用思路，1997年，“Xiuxi等人把遗传算法中种群和按适应度进行选择的方法引入模拟退化算法中。1998年，Hong等人进一步完善了遗传算法和模拟退火算法在换热网络设计中的应用。2003年，W葫等人提出了多流股换热网络设计的遗传算法，并取得了较好的效果I嬲l。1．3换热网络设计的发展方向数学规划法在换热器网络优化设计虽然具有很多优点，但是设计方法中假设过多，使得最优解存在一定的偏差；采用MINLP模型求解，由于模型中包含着大量的等式约束条件和不等式约束条件，并且期目标函数是非凸、多峰的，因此M矾"模型的求解过程是在庞大和复杂的解空间中搜索最优解或近似最优解，计算量过大；穷举法能够找到全局最优点，并且方法具有简单、鲁棒性强的特点，但是当搜索空间很大，运算工作量很大，甚至是不可能的；夹点技术法需要分两步优化，过多的依靠经验知识，仍不能满足设计的要求【则。模拟退火、遗传算法等智能算法在换热网络设计中的应用，为换热网络的设计提供了新的思路，由于智能算法具有并行性，可以同步综合换热网络，同时考虑最大能量回收和最小投资问题，并且可以解决大规模计算问题，此外，智能算法的搜索能力较强，可以大大提高设计过程的收敛速度p1。331。智能算法不断得到了发展，蚁群算法和粒子群算法等群智算法近年来得到了较好的研究和应用，群智算法可以避免局部最优问题并大大提高优化计算的收敛速度，其在换热网络中的应用，也必将加快设计过程和最优化设计效果，但是仅仅依靠智能算法是不能够很好的设计换热网络的，必须用更多的经验知识和设计准则来指导智能算法的优化计算【州。因此，换热网络的设计发展应当具有以下两个特点：，(1)应用并改进智能算法，描述换热网络中各因素对性能指标的影响及相互制约，减少繁琐的计算，搜索全局最优方案13只刈；‘(2)结合经验常识、夹点技术中的设计规则等知识，指导智能算法的搜索方向，保证设计过程朝着正确的方向进行，避免无意义的搜索，提高设计速度。1．4群体智能优化技术群居昆虫以集体的力量，进行觅食、御敌、筑巢的能力。这种由于个体之间以及个体与环境之间交互而使群体所表现出来的智能，就称之为群智能。如蜜蜂采蜜、筑巢、蚂蚁觅食等。从群居昆虫互相合作进行工作中，得到启迪，研究其北京化工大学硕}：学位论文中的原理，以此原理来设计新的求解问题的算法。当前主要有蚁群算法和粒子群算法两种群智能算法。1．蚁群算法(AmtColony～90rithm)根据蚂蚁的集群觅食活动的规律，建立的一个利用群体智能进行优化搜索的模型，蚁群算法对搜索空间的“了解’’是从观察蚁群觅食活动从中启发而建立的机制I”J，主要包括：蚂蚁的记忆：一只蚂蚁搜索过的路径在下次搜索时就不会被选择，由此在蚁群算法中建立禁忌(tabu)列表来进行模拟；蚂蚁利用信息素进行相互通信：蚂蚁在所选择的路径上会释放一种叫做信息素的物质，当同伴进行路径选择时，会根据路径上的信息素进行选择，这样信息素就成为蚂蚁之间进行通一讯的媒介；蚂蚁的集群活动：通过一只蚂蚁的运动很难到达食物源，但整个蚁群进行搜索就完全不同。当某些路径上通过的蚂蚁越来越多时，在路径上留下的信息素数量也越来越多，导致信息素强度增大，蚂蚁选择该路径的概率随之增加，从而进一步增加该路径的信息素强度，而某些路径上通过的蚂蚁较少时，路径上的信息素就会随时间的推移而蒸发。因此，模拟这种现象从而利用群体智能建立的路径选择机制，使蚁群算法的搜索向最优解推进。蚁群算法所利用的搜索机制呈现出一种自催化或正反馈的特征，因此可将蚁群算法模型理解成增强型学习系统。这种选择不满足马尔可夫性：某时刻采取的行动只与上一时刻的行动相关，与前面所有时刻采取的行动无关。这显而易见，因为蚂蚁每次选择路径后，就将该路径存到tabu列表中，选择下一条路径时，只能在tabu列表中不包括的路径中进行选择，而tabu列表正是蚂蚁前面所有时刻采取的行动形成的。因此，蚁群算法模型就不是一个马尔可夫决策过程，也不能理解为动态规划和蒙特卡罗这样的增强学习算法，而应理解为一种Q学习。2．粒子群优化算法(ParticleSw姗optilIlization)粒子群优化算法是Kb皿edy和EbenIan源于群智能和人类认知的学习过程而发展的一种智能优化算法I搏柏】。PS0与GA有些相似之处。首先，都是基于群体的优化技术，即搜索轨道有多条，显示出较强的并行性；其次，无需梯度信息，只需利用目标的取值信息，具有很强的通用性。此外，PSO比GA更简单、操作更方便。因而，PSO算法从诞生起，就引起了国内外学者的广泛关注，并掀起了该方法的研究热潮，且在诸多领域得到了成功应用。PSO是计算智能领域一种群智能算法。与GA相同，通过个体间的协作和竞争实现全局搜索。系统初始化为一组随机解，称之为粒子。通过粒子在搜索空间的飞行完成寻优，在数学公式中即为迭代，它没有遗传算法的交叉以及变异算子，10第一章绪论而是粒子在解空间中追随最优的粒子进行搜索。粒子群优化算法的研究大致可分为五个部分：算法、拓扑结构、参数选取、与其他进化技术的融合及应用。起初，PsO是为实值问题而设计。后来，算法逐渐扩展到二进制和离散问题。两种最常用的PSO算法是全局版本PSO和局部版本的PSO。这两种版本的差别在于粒子的邻域不同，即与各粒子直接连接的粒子数不同。局部PSO的粒子，邻域仅为其两边有限的几个粒子，而全局PSO的邻域则为该群体所有粒子。如此一来，全局PSO可看成是局部PSO的特殊情况。研究发现，全局PSO收敛较快，但易陷入局部极小；而局部PSO可搜索到更优的解，但速度稍慢。此外，为提高PsO的性能，研究者又设计了许多不同的邻域结构。包括金字塔结构、星形结构、小领域结构，以及冯·诺以曼结构。试验结果表明，冯·诺以曼结构比其他规整邻域结构效果要好，包括全局和局部PSO。研究还发现，对于复杂问题，采用小邻域结构要好，而对于简单问题适宜用大邻域结构。还有的学者对动态邻域结构进行了研究。通常，每种结构都有其优势，但缺点也无法避免。对一些问题，可能该结构好，但另外一些问题，则不然。PSO速度的改变由三部分组成：社会项、认知项和动量项。三部分如何平衡，决定了PSO算法的性能。原始PSO中增加了的第一个新参数为惯性权，惯性权的引入是为了平衡全局与局部搜索能力。惯性权值较大，全局搜索能力强，局部搜索能力弱，反之，则局部搜索能力增强，而全局搜索能力减弱。采用动态惯性权值能够获得比固定值更为好的寻优结果，动态惯性权值可以在PSO搜索过程中线性变化，亦可根据PSO性能的某个测度而动态改变。随后，另一个参数称之为收缩因子的系数被引入，目的是希望PSO可以收敛。从数学上分析，这两个参数是等价的。PSO原理上十分简单，所需参数也较少，并且易于实现，已经应用到很多的领域。1．5论文的研究范围和组织结构本文针对大规模换热网络的设计需求，重点研究了粒子群优化算法在换热网络设计中的应用。从优化的角度，分别讨论了无分流和有分流情况的换热网络的设计过程。设计中，改进了常规的粒子群优化算法，使之适用于换热网络的设计；通过结合较多的经验常识和夹点技术的部分设计规则，指导寻优计算；通过群智技术，提高计算速度，并避免局部最优。同步优化投资费用和运行费用，设计具有最优的网络结构和最佳的公用工程用量的换热网络。北京化T大学硕．}：学位论文本章概括的总结了换热网络的设计目标及现行设计方法，讨论了换热网络设计的发展方向。第二章将讨论换热网络的设计规则，并采用不同的超结构描述无分流和有分流的换热网络，以总费用最小为优化目标，建立同步综合设计的优化模型。第三章将提出无分流换热网络的粒子群优化设计方法及有分流换热网络的两级优化设计方法。第四章将通过优化设计方法，研究常减压蒸馏过程换热网络的仿真设计。第五章将总结研究工作并提出研究的展望。第二章换热网络设计的经验规则及模型第二章换热网络设计的经验规则及模型2．1换热网络的经验设计规则2．1．1优化设计的基本原则从最大节能的角度出发，换热网络设计的基本原则主要有垆J：1．最小外部损失原则外部损失即有形损失，包括有废气、废液、废渣、冷却水、各种中间物或产品带走能量造成的损失；跑、冒、滴、漏等造成的损失；保温和保“冷"不良造成的散热和散“冷"损失等。虽然这些外部损失的能量能级不太高，但它们都是由投入系统的高级能源，因其过程的不可逆转化而得来的。所以在设计和生产中，应力求使排出系统而未利用的余热降低到最低的限度，做到能量的充分利用。2．最佳推动力原则从能量利用的观点看，一切化工过程都是能量的传递和转化过程。它们都是在一定的热力学势差(温度差、压力差、电位差、化学位差等)推动下进行，过程进行的速率和推动力成正比，没有热力学势差，就没有推动力的过程，实际上是无法实现的。任何热力学势差都是不可逆因素，都会导致过程的火用损失。因此，能量利用的中心环节是，在技术和经济条件许可的前提下，采取各种措施，寻求过程进行的最佳推动力，以提高能量的有效利用率。3．能量优化利用原则在化工生产中，原料与产品通常在常温常压下存在，而反应过程常在高温或高压下进行。因而原料、中间物与产品需反复进行升压、降压、加热、冷却、增湿和减湿。除了输入一次能源外，化工过程中还有各种二次能源如化学反应和物理变化的热效应可以利用，这就构成了复杂的用能系统：一次能源和二次能源、热量与冷量、电能、高压流体的机械能等共存的系统。因此，各种形式能量的相互匹配、综合利用，使之各尽其能就具有特别重要的意义。最小外部损失原则、最佳推动力原则和能量优化利用原则是节能优化的基本指导原则，最终实施还要取决于技术经济的总体评比。2．1．2最小总传热面积设计的基本原则在进行换热网络设计之前，无法精确计算换热网络的面积，因此，换热网络的面积目标是物流按纯逆流垂直换热时的近似面积目标，即在冷热复合温焓图上嚣裘纯Z大学疆．}学霞论文计算各区间垂直换热所需传热面积，然后加和求得。所谓垂直换热是指各区间的冷、热物流只与本区间的热、冷物流换热，丽不与其他区间的热、冷物流换热。在复合温焓图的每个拆点处作垂线进行分区。各区内冷、熟物流的数目和热容流率维持不变，区内的换热按纯逆流换热，所以物流间的传热温差可按逆流对数平均传热温差计算。只考虑冷、热流体的对流传热热阻，忽略其他热阻l硝}。在热回收量一定酌条件下，尽量减小传热设备的平均传热温差之差，在总传热系数K为常数且各换热器的足都相等的条件下，就会使换热网络的总换热面积最小。由此得到在热回收量一定的条件下，使换热网络总传热面积最小的冷、热物流的匹配换热规则王：最离温位的热流应该与最高温位的冷流匹配换热；中等温位的热流应该与中等温位的冷流换热：最低温位的热流应该与最低温位的冷流匹配换热。换热网络被分成内部换热子系统和外部换热子系统。对内部子系统的最优综合阆题可定义为；已给定内部子系统的总换热量，已知各工作介质流的温度及其各项物理参数，寻求内部子系统换热器网络的系统结构以及网络中各换热器之间热负荷的分配，使得总的传热面积最小。圊一般的优化阎题糯似，必须从最优系统结梅定义的基础土来得出形成最优系统结构的必要条件。由于需要在所有可行的系统结构中寻求总换热面积为最小的那个系统结构，所以对最优系统结构作如下定义。总体最优即在所有可行的系统结构中，如果并且仅仅如果肖某一系统结构使得总的传热露积为最小，剥认为这一系统结构为总体最优。但是采用分析方法缀难处理总体最优问题，因此在系统结构中必须考虑局部最优。局部最优，指如果并且仅仅如果某一系统结构中的任何细微变化都会导致总的传热面积的增加。如采换热器的数遐是固定的，并且给定赞系统结构是最优的，则对系统中的任意两个换热器之间的冷热工作介质进行互换必定会导致总传热面积的增加。因此得出规则2：如果：(1)冷物流C，、热物流琏的数目及换热器的数目相同，即删一铡一Z；(2)所有换热器的热负荷是相同的；(3)每一股物流都仅进行一次换热；(4)所有热物漉及所有冷物流的热容流率都相等，帮％；‰t⋯一瞩。，％-％-．．·一％·则在给定总换热量下，内部子系统为最优系统结构的必要条件是其冷、热物流之间的换热应是依次地按其初温度下降的次序来进行匹配。同规则2的原理，得出规则3：14第二章换热网络设计的经验规则及模型如果规则2中删一CⅣ-，，，smin(删，CⅣ)，并且每股工作介质流最多进行一次换热，则系统结构为最优的必要条件是，温度最高的热物流应当和温度为第CⅣ一，+1高的冷工作介质流进行换热，而温度为其次高的热物流应当和温度为第CⅣ一，+2高的冷物流进行换热，所以最优的系统结构为：(H。，C^。+。)(H：，q一+：)⋯(H，q)无论换热量及热容流率的大小如何，甚至在它们趋于无穷小时，规则2和规则3都适用。同样，得出规则4：如果一股热物流及一股冷物流在具有相同换热量的换热器内进行一次以上的换热，则在给定总换热量下的最优系统结构是逆流的条件下，总传热面积与换热器的数目无关，且等于其换热量为总换热量的一个换热器的传热面积(在逆流换热中，总传热面积与热负荷的分布是无关的)。同样，得出规则5：如果一股热物流及一股冷物流分别分成几股子分流，然后在每股子分流间都进行一次换热，则最优的系统结构必须保证在每个换热器内冷、热子分流的热容流率份额及换热量份额都是相等的，此时总换热面积与换热器的数目无关，且等同于具有相同总换热量的一个换热器的传热面积。2．1．3最小能量设计的基本原则能量目标就是指最小加热公用工程鸳和最小冷却公用工程量。能量目标随夹点温差而变，夹点温差一定，所分析系统的能量目标就一定：若夹点温差增大，加热公用工程和冷却公用工程的用量均增大，且增大的数量相等。当一个系统的夹点温差大大地超过最经济的夹点温度时，则可知通过缩小夹点温度就可挖掘出节省公用工程的潜力【5J。合成最大热回收量，即最小公用工程用量的网络的物流匹配换热规则：最高温位的热流应该与最高温位的冷流匹配换热；中等温位的热流应该与中等温位的冷流匹配换热；最低温位的热流应该与最低温位的冷流匹配换热。夹点是冷热复合温焓图中传热温差最小的地方，此处的热通量为零；也就是说，能量回收系统中夹点的位置，是由过程系统的热量及物料衡算确定的，它决定了该系统能量回收的多少。在一个具体的化工过程中，夹点表现为过程流股的温位，其中在夹点处冷、热流股的温差即为进行换热的最小传热温差△t曲。缸曲一峨曲+雠mId⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯(2-1)其中△岛面。为热流股的温差贡献值，垃c血为冷流股的温差贡献值。北京化丁大学硕上学位论文夹点的出现将整个换热网络分成了两部分：夹点之上和夹点之下。夹点之上称之为热端，只有换热和加热公用工程，没有任何热量流出，可看成是一个静热阱；夹点之下称之为冷端，只有换热和冷却公用工程，没有任何热量流入，可看成是一个净热源。在夹点处，热流量为零。如果在夹点之上热阱子系统中设置冷却器，用冷却公用工程移走部分热量，根据夹点之上子系统热平衡可知，这部分热量必然要由加热公用工程额外输入，结果加热和冷却公用工程量均增加。同理，如果在夹点之下热源子系统中设置加热器，加热和冷却公用工程用量也均相应需增加。如果发生跨越夹点的热量传递即夹点之上热物流与夹点之下冷物流进行换热匹配，则根据夹点上下子系统的热平衡可知，夹点之上的加热公用工程量和夹点之下的冷却公用工程量均相应增加。．因此，为达到最小加热和冷却公用工程量，换热网络能量目标为最小的基本原则即夹点方法的设计原则，总结为规则7：(1)合理地设置夹点处的温差贡献值；(2)夹点之上不应设置任何公用工程冷却器；(3)夹点之下不应设置任何公用工程加热器；(4)不应有跨越夹点的传热。此外，夹点是制约整个系统能量性能的“瓶颈”，它的存在限制了进一步回收能量的可能。如果有可能通过调整工艺改变夹点处物流的热特性，例如使夹点处热物流温度升高或使夹点处冷物流温度降低，就有可能把冷复合曲线进一步左移，从而增加回收的热量。确定出系统夹点的重要性在于：理论上，夹点把整个换热网络热回收系统分解成了两个独立的部分，即夹点以上的热阱(热端)和夹点以下的热源(冷端)，在热端不允许引入冷公用工程，在冷端不允许引入热公用工程，‘并且冷端和热端之间不允许由热量交换，即没有热量穿过夹点。在这种思想指导下设计出的能量回收系统所回收的能量达到最大(MaxmiumEne曜yRecovery)。在实际中，由于综合考虑到某些换热器面积过小或由于操作安全、维修等方面的影响，会对由夹点设计法得到的原始换热器网络进行修正，以得到实际可行的能量回收系统。2．1．4最少换热单元设计的基本原则换热单元数目的增加将导致投资费用的增加，而且相对换热面积而言，单元数目对设备投资费用的影响更大【51。因为每台换热器的费用中封头、外壳、土建基础等占很大比例，而管束面积只是其中费用中的一部分，这一点也可以从换热16第二章换热网络设计的经验规则及模型器费用计算公式中看出。换热器费用与换热面积的关系一般表述为：C。口+64d⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2．2)其中C为换热单元费用，口为安装费用，6为换热面积费用系数，d为换热面积费用指数，彳为换热面积。从式2．2，可以得出面积对费用的影响不如换热器台数的影响大。因此在换热网络设计中，通常把能量目标和换热单元数目目标看作是比换热面积目标更重要的目标。换热网络的最小单元数目可由欧拉通用网络定理来描述：’【厂。。血-Ⅳ+￡一S⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2-3)其中U为换热单元数目，包括换热器、加热器和冷却器，Ⅳ为流股数目，包括工艺物流以及加热和冷却公用工程，￡为独立的热负荷回路数目，S为可能分离成不相关子系统的数目。’当系统中某一热物流的热负荷和某一冷物流的热负荷恰好相等，且其间各处的传热温差均不小于规定的最小传热温差△‰时，则该两物流依次匹配换热就完成了各自所要求的换热负荷。此时，该两物流与其他物流没有关系，可以分离出作为独立的子系统。当系统中存在这样二个独立的子系统时，整个系统就可以分离成两个不相关的子系统。通常系统往往没有可能分离成不相关子系统，故S=1；一般希望避免多余的换热单元，因此尽量消除回路，使L=O，于是有：U曲一Ⅳ一1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2·4)在设计之前，通常认为加热公用工程物流为1，冷却公用工程也为1。但是，最大能量回收网络设计把整个网络分解成为夹点之上和夹点值下两个独立的网络。在这样的设计之下，整个网络的最小换热单元数目成为夹点之上和夹点之下两个子系统最小换热单元数目之和。但是两个子系统换热单元数目之和往往大于把整个换热网络作为一个整体来对待时的换热单元数目。即是说当允许有部分热里穿越了夹点造成能量的惩罚时，减少了整个换热网络的设备单元数。因此产生一个权衡问题，少用换热单元，可使设备投资减少，但又引起能量费用增加：按照最大能量回收设计换热网络，可使能量消耗降到最少，但投资费用会大一些。通常所说得换热单元数目目标，是指把整个换热网络作为一体对待时的最少换热单元数目。综上得出规则8：(1)选择每个换热器的热负荷等于该匹配的冷、热物流中热负荷较小者，使之一次匹配换热可以使一个物流(即热负荷较小者)由初始温度达到了终了温17嚣家傀≮丈学颈七学位论文度。这样的匹配，系统所需的换热设备数目最少。(2)在考虑规则一的前提下，如有可能，应尽量选择热容流率值相近的冷、熟物流进行匹配换热，这就使所选的换热器在结构上相对简单，费用也低。同时，由于冷、热物流热容流率接近，换热器两端传热温差也接近，所以在满足最小传热温差触赫的前提下，传热过程的不可逆性最小，对相同热负荷情况传热过程的损失最小。2．2换热网络设计模型2。2．1援热网络的超结构1990年，Yee提出的超结构模型在换热器网络优化的研究中被广泛运用。在实际的王艺过程牵，流程结构通常不是唯一的，嚣是存在着多种甚至大量的可行结构方案可供选择。由于各种单元操作之间的连接方式具有组合性质，可供选择的单元越多，组合问题的规模越大。在超结构中，采用节点来表示系统输入、输出和每一个过程单元，用单向弧线表示从输入到过程单元或过程单元到输出的连接，双向弧线表示过程单元问的连接。这样，可以采用一个平面图表示