文化基因粒子群算法在换热网络连续变量全局优化中的应用

在换热网络的综合优化中,连续变量的优化通常采用确定性方法。相比于整型变量优化,连续变量优化相对容易处理,但存在容易陷入局部最优和无法收敛到全局最优的问题。针对这一问题,提出一种在标准粒子群算法中结合局部搜索策略的文化基因粒子群算法;结合换热网络最小年综合费用小和计算时间短的优点,提出Ring+Random粒子种群拓扑结构;结合算法控制参数的设置与粒子种群拓扑结构的改进,使文化基因粒子群算法具有更好的全局收敛性能。采用6个10股流体算例验证文化基因粒子群算法在给定换热网络结构下的连续变量全局收敛性能,与文献值相比,换热网络最小年综合费用最大减少了26 025$/a。     

基于温差原则的换热网络分步综合策略

在温差原则的基础上,提出了一种换热网络的分步综合策略。采用蒙特卡罗随机抽样技术优化获得换热网络的初始结构,在此初始结构的基础上利用换热网络的温差原则逐步生成新的换热器改变网络结构,每步都结合牛顿法对整个网络进行优化,以此权衡设备投资费用与公用工程费用来获取具有最优年综合费用的换热网络设计结构。两个具体的换热网络算例表明,分步综合策略能够提高换热网络的总换热量,实现能量的综合利用;优化结果与文献值相比,设备投资费用明显减少,从而能获得最优的年综合费用。     

换热单元协进化的微分进化算法优化换热网络的性能

采用微分进化算法应用于换热网络综合时,针对换热网络分级超结构模型中的整型变量即换热器有无问题,提出两种换热器协进化策略,分别利用差分进化原理与最小换热潜能约束实现换热单元协进化生成与消去,结合微分进化算法搜索合理的换热单元匹配。通过两个经典算例分析证明了算法的有效性,寻找到了更加符合实际生产的换热网络结构,优化结果较文献的年综合投资费用更低,用于工业生产过程中,可以稳定有效地节约成本。     

基于模拟退火算法的换热网络双层优化方法

针对同时存在整型变量及连续变量两种变量形式的换热网络优化问题,提出一种基于模拟退火算法的双层优化方法,分别处理代表结构的整型变量及代表费用的连续变量优化。外层算法以经济费用目标作为判断换热网络结构优劣的标准,通过随机扰动产生试探结构,借助模拟退火机制逐步进化外层结构;内层算法以流股间匹配的换热量作为优化变量,采用模拟退火算法实现费用连续变量的优化,再反馈到外层的结构优化过程。两个具体算例证明:模拟退火算法应用于换热网络结构的整型变量优化可以找到较优换热网络结构,而双层优化方法可有效处理具有整型变量和连续变量两种变量形式的换热网络优化问题,取得较好的换热网络设计。     

混沌蚁群算法应用于小规模换热网络综合问题

针对换热网络综合问题的严重非凸、非线性,采用一种混沌优化算法即混沌蚁群算法,同步综合换热网络。为充分验证混沌蚁群算法的搜索能力与特性,选择相对于固定结构更为复杂的小规模换热网络综合问题作为研究对象。同时引入Powell法作为局部搜索策略,提高算法的求解精度。选用3个小规模算例对算法进行验证,均获得了相对文献更好的换热网络设计,证明了混沌蚁群算法优越的搜索能力。     

利用遗传—Alopex混合算法进行换热网络最优综合的研究

提出了将传统的遗传算法与Alopex算法结合在一起的混合算法。该算法充分发挥了遗传算法和Alopex算法的优越性,可提高传统遗传算法的计算精度和计算速度,并且有利于遗传算法跳出局部最优值达到全局最优值。在此基础上提出了同时考虑换热网络投资费用与操作费用的换热网络综合的数学模型,该模型采用遗传－Alopex混合算法进行求解可得到较好的结果,实例计算表明,该方法计算结果优于文献值。     

塔河一号联合站天然气处理装置参数优化研究

对换热网络的传统夹点设计法进行了改进。将换热网络组合曲线分成若干段单独处理,以温差均匀性因子作为评价指标设计各段网络结构,将各段设计的结构及远离夹点处的匹配组成完整的换热网络初始结构,采用牛顿法优化初始结构的换热器单元,以达到调优的目的,最终获得具有最优年综合费用的换热网络结构。通过具体算例表明,依据温差均匀性原则设计的换热网络具有较好的换热性能,且最终的年综合费用优于其他文献报导的数据,验证了该方法的有效性。     

采用阶段更新策略加强结构进化的换热网络优化

针对换热网络优化中因种群多样性受限引起的易陷入局部最优解的问题,提出了采用阶段更新策略的强制进化随机游走算法。通过阶段性地随机生成最大步长和允许生成的最小换热量对种群个体更新,充分利用改进后整型变量的阶段性变化和个体进化过程中差解的复杂性增强结构进化能力,加大新结构与原始结构的差异性,保持种群活力和多样性,提高算法的全局搜索能力。并用算例验证了该策略加强结构进化能力的有效性,及换热网络优化中跳出局部最优解的优越性。     

换热网络的一种新的自动设计方法

本文介绍了换热网络的一种新的自动设计方法和相应的软件，自动产生年费用最低的换热网络，确定相应最优公用工程费用、换热面积与冷、热流之间的匹配；这样可克服换热网络的各种分步骤综合方法的缺陷（包括夹点技术、双温差法及相关数学规划方法）。本方法与文献上的其它同步优化方法比较，具有模型简单、规模小、可算性强、初始化简易、计算结果可靠的优点。通过对文献中广泛使用的例题的检验，结果优于现有的其它方法。     

裂解汽油加氢装置工艺流程优化

通过对裂解汽油加氢技术的研究,在工艺流程和换热网络两方面提出优化方案。通过对工艺流程的改进,达到提升副产品价值和降低能耗的目的,进一步借用夹点分析技术对装置进行能量分析,提出多套优化换热方案并进行能耗对比,给出切实可行的换热网络集成优化建议,达到降低公用工程消耗和初始投资费用的目的。经工艺流程和换热网络的优化,可提高产品价值,降低装置能耗20%~40%,极大地提高了装置的经济效益。     

多周期操作工况下无分流换热网络的弹性设计

提出了基于多周期无分流换热网络的超结构形式及弹性设计方法——同步优化方法。首先建立网络多周期操作工况下的超结构模型，然后用遗传算法对上述模型进行求解。该方法能自动地合成多周期操作工况的换热网络最优流程结构。通过某个换热网络的最优合成设计，说明方法的有效性和应用前景。     

The Use of Pinch Technology to Reduce Utility Consumption in a Natural Gas Processing Plant

Abstract

The present work aims at investigating opportunities for energy conservation in Western Desert Gas Complex (WDGC) through modification of the heat exchanger train. Process simulation of the plant was performed using HYSYS steady-state simulation program. This step was necessary to furnish stream property data requested for heat analysis as well as condenser and reboiler duties. Adopting the pinch design technology, minimum heating and cooling energy requirements were calculated for different values of minimum approach temperature (ΔT_min). Two methods were used, the problem table algorithm of the pinch method and the linear programming method. Then designing the heat exchanger network (HEN) took place according to the pinch design method to achieve target utilities for each ΔT_min. The optimum HEN is that which achieves considerable heat recovery with least annualized total cost. The optimum HEN design was found to correspond to ΔT_min of 10°C and achieved saving of hot and cold utilities as 42 and 21%, respectively, compared to the actual utilities consumption of the existing plant. These savings can be realized by adding only two heat exchangers to the existing network with a payback period of ≈1 year.     

换热网络闭环柔性控制与优化研究

通过换热器旁路调节,可以有效提高换热网络柔性和控制系统的冗余量,有利于构成换热终温的闭环控制,进而提高换热网络工作品质和系统工作的稳定性。同时,换热网络温度闭环控制是典型的多入多出(MIMO,Multiple Input Multiple Output)系统,各控制回路之间存在严重耦合,相互影响,严重制约了系统控制品质和操作弹性,对控制系统参数整定造成极大困难。通过换热网络灵敏度分析进行调节变量和被控变量的匹配设计,从换热网络自身的运行特性和控制回路耦合关系的定性分析对配对关系进行筛选,可以在工程设计阶段有效降低各控制回路之间的耦合度,提出共振型耦合的概念和判别方法,用于优化控制回路变量配对设计过程,补充和完善了换热网络调节变量选取和配对规则,为换热网络的旁路优化控制设计提供了一种有效的思路。     

人工智能与数学规划的集成用于换热网络最优合成设计的研究

用人工智能与数学规划的集成方法，对换热网络进行同步最优合成设计，建立了换热网络结构和匹配单元同时优化的数学模型，并提出运用分解协调法求解该模型。该方法不仅能自动地合成换热网络的最优流程结构，而且能同时满足网络的各种工艺限制条件。通过某个换热网络的最优合成设计，说明本方法的有效性和应用前景。     

基于加减原理的原油蒸馏装置换热网络优化策略

根据原油蒸馏装置的冷、热物流特点,借助夹点技术将换热网络冷、热物流划分为夹点上方热物流、夹点上方冷物流、夹点下方热物流和夹点下方冷物流等四个部分,分析换热网络冷物流股数少于热物流股数以及夹点上方热物流热量不足而夹点下方热物流热量过剩的瓶颈,探讨基于加减原理的换热网络优化策略。案例研究结果表明,对国内某5 Mt/a原油蒸馏装置换热网络进行优化改造,原油换热终温提高了33 ℃,装置综合能耗下降了26 MJ/t,节能效果显著。     

基于最小工程量和压力降考虑的换热网络改造

基于换热网络模拟技术、换热器单台优选技术以及夹点技术原理对现有换热网络实施瓶颈分析，实现以最小投资和最小工程量完成现有换热网络的改造。特别针对被加热物流在换热过程中出现汽化，形成气阻，压力降增加的问题，提出了相应的解决方案。     

基于网络分割的大规模换热网络温度校正方法

为解决生产过程中换热网络关键参数测量值误差导致的换热网络设计和优化方案不准确的问题,研究针对大规模换热网络,提出了一种基于网络分割的温度校正方法。该方法以换热网络能量平衡方程为基础,构建了换热网络的加权有向图模型;并以此为基础,采用谱聚类算法获得了换热网络的子网络;同时采用分解协调算法和改进的迭代测量检验法等方法,实现了对换热网络中温度变量的精确校正。案例分析结果表明,基于网络分割的数据校正方法可在牺牲一定精度的基础上,显著减少换热网络数据校正问题求解的迭代次数,提高计算效率和资源利用率。与整体数据校正方法相比,基于网络分割的数据校正方法的计算量随着换热网络规模的增大将显著减小。     

换热网络节能潜力分析评价

换热网络是工艺装置中重要的能量回收子系统,优化换热网络能够有效提高能量回收利用效率。在优化改造之前,分析换热网络的节能潜力,指出节能量,评价节能难度,对指导换热网络的优化改造显得十分必要。基于夹点技术,本研究通过分析实际热公用工程用量和最小 热公用工程用量之间的相互关系,将实际热公用工程与最小热公用工程的差值作为换热网络优化改造的节能量,探讨提出将换热网络节能量与夹点区间热物流热量的比值作为节能潜力指标,用于评价换热网络改造的节能难度,并研究该指标在不同工艺装置热集成上的应用。以延迟焦化装置和喷气燃料加氢装置为案例,对其进行换热网络热集成改造,改造后增加热量回收4 537 kW,节能效果显著。     

夹点技术在延迟焦化换热网络中的应用

某石化企业处理量为1.20 Mt/a的延迟焦化装置存在较大的节能潜力,应用夹点技术对其能量利用进行分析与优化。首先确定换热网络夹点位置和能量目标,消除违背夹点规则的换热,然后对优化后换热网络的热负荷回路进一步优化,提高原料渣油进炉温度,并得到最终换热网络。研究结果表明,改造后的换热网络取得了显著的经济效益,年节省能耗11.89×104 GJ,改造总投资77.82万元,年增经济效益457.70万元,投资回收期为2个月。夹点技术对延迟焦化装置的节能降耗、经济效益的提高有着十分重要的理论和现实意义。     

千万吨级常减压蒸馏装置换热网络的优化设计

分析了10Mt／a常减压蒸馏装置换热网络的设计实例,介绍了大型化装置换热网络的设计经验,提出了通过优化换热网络来提高装置的用能水平和挖掘节能潜力以达到降低常减压蒸馏装置能耗的目的。