换热网络的同步综合设计

提出了换热网络的一种新的转运模型,以并串模式和非等温混合过程描述换热网络的热力学和经济性的总要求,不使用挟点分离、最小单元数等启发式规则,并允许交叉换热和不同物流间的膜传热系数与温差合理匹配.这一模型与优化模型相结合,自动产生换热网络,确定相应的最优公用工程费用、换热面积、换热器台数与冷热流间的匹配,其可行域由一集线性约束确定,鲁棒性很好,易于求解.该方法克服了换热网络的各种分步骤综合方法的缺陷(包括挟点技术、双温差法及相关数学规划方法).与文献上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.     

基于群体智能算法的换热网络同步最优综合

换热网络同步综合方法一般需要建立复杂的混合整数非线性数学规划模型,该模型具有非凸、非线、不连续的特点,属于最难求解的一类NP-hard问题,应用传统的优化算法很难确定其全局最优解,尤其是对大规模换热网络综合问题,甚至无法在合理时间内接近全局最优的局部最优解。针对换热网络同步综合问题,提出基于群体智能算法的分层优化策略,外层采用离散粒子群算法与遗传算法相结合的混合群体智能算法优化换热网络结构,内层在结构变量给定条件下利用改进粒子群算法优化冷热物流分流比与换热负荷。两个典型算例研究证明了该方法能以较高的效率和稳定性得到较好的优化结果。     

基于遗传/模拟退火算法考虑压降的换热网络优化改造

工艺系统中需要加入新物流、现存的换热网络结构需要改动、换热网络有较大的能量回收潜力,这些都是换热网络需要进行改造的原因.本文基于非等温混合分级超结构,建立了换热网络优化改造的MINLP数学模型,同时考虑了改造后的公用工程费用、新增换热器的费用、原有换热器新增面积的费用、新增动力设备的费用.将用于换热网络综合的分级超结构模型进行了简要的改进,增加了一些和现存设备相关的限制条件和二元变量.通过对现存换热网络进行分析,充分的利用原有的换热设备和换热网络结构,基于GA/SA算法求解可 得到优化改造的换热网络结构.实际算例的计算结果和文献结果对比表明,本文得到的改造方案用较少的投 资,实现了较多的公用工程节省,新增设备费用的静态投资回收期为0.53年,为换热网络改造提供了好的可行方案.     

综合考虑泵的设备及运行费用的换热网络优化

流体流经换热设备产生的压降是影响换热网络综合的重要因素,且压降会对整个换热网络系统的稳态运行造成影响。因此在进行换热网络综合时,泵的设备购置费、运行泵的能耗费用需同换热设备费用和公用工程费用同时进行考虑。本文基于有分流的非等温混合分级换热网络超结构模型,并且去除流股给热系数为常数的假设,将流股的给热系数作为流股流速的函数,以换热网络最低年总费用作为本文数学模型的目标函数,综合考虑泵的设备购置费用和泵运行时的能耗费用,建立了一个换热网络同步综合的MINLP数学模型。采用改进的拟并行的遗传/模拟退火算法对该数学模型进行求解,可获得最优的压降值及最优流股给热系数下的换热网络结构。最后,通过具体的算例证明了模型的有效性和可靠性,达到了既简化换热网络结构又降低了年总费用的目标。     

棋盘模型在换热网络优化中的应用

针对复杂整数非线性的换热器网络综合和优化问题,文中应用换热网络流程模拟的棋盘模型及其相应的算法,建立了换热网络同步最优综合的数学模型,通过改变网络的结构次序的数学规划优化计算,以10SP1问题为例,获得了优于以往文献的最优换热网络结构。结果表明,文中应用棋盘算法建立的换热网络求解模型及其算法,具有简单、直观、灵活、易实现的特点,能够得到综合性能更优的网络结构。     

过程系统能量集成同步最优综合法

将换热网络超结构混合整数非线性规划多目标同步最优综合方法进一步扩展到与过程系统的联合优化,提出了改进的过程热集成同步综合方法,并以反应分离过程与换热网络能量集成为例,建立了同步优化超结构模型,采用混合整数非线性规划的遗传算法求解,可同时得到热集成系统最优的流程结构和操作条件。     

用遗传算法进行多流股换热器网络综合的研究

建立了多流股换热器网络综合数学模型，该模型改进了文献中等温混合的不合理假设。多流股换热器网络综合问题本质上是一个混合整数非线性规划问题(MINLP)，这类问题的非凸非线性的特性使得目标函数存在多个局部最优解。传统的基于梯度的搜索方法在处理这类问题时由于计算规模庞大且极易陷于局部最优解而不再适用，而遗传算法却为解决这类问题提供了很有希望的一个方向。因而对遗传算法求解多流股换热器网络综合问题进行了研究，提出了可以自动产生可行的多流股换热器网络的方法策略，最后通过两个例题说明所提方法是可行的。     

混合整数非线性规划与化学工程系统最优化设计——(Ⅱ)换热器网络的最优合成

本文讨论了用系统方法进行换热器网络的最优合成问题.建立了该系统的超结构及其混合整数非线性规划(MINLP)模型,并成功地应用了前文导出的MINLP算法对一算例进行求解.计算结果表明,本文所采用的方法在对系统的结构与操作参数同时进行优化方面,优于以往一些方法.     

过程全局夹点分析与超结构MINLP相结合的能量集成最优综合法

提出了过程全局夹点分析与超结构混合整数非线性规划 (MINLP)相结合的能量集成最优综合法 .各单过程内部换热优化匹配后 ,进行各过程剩余冷、热负荷与公用工程系统的全局夹点分析 ,确定全局热集成目标 ,在此基础上建立包含过程剩余热负荷产生各等级蒸汽、剩余冷负荷使用各等级蒸汽加热的各种可能匹配方案的公用工程换热网络超结构及其MINLP模型 ,采用混合连续进化算法求解得到过程与公用工程换热网络最优改造方案 .大型乙烯装置能量集成应用算例表明 ,可充分发挥全局夹点分析法确定改造目标的简洁实用性和超结构MINLP寻求最佳方案的优点     

改进的无分流换热器网络最优综合法

提出了不分流换热网络改进的同步最优综合混合整数非线性规则模型，通过引入处理带０－１整型变量的规则，提出了采用非线性规划求解换网络综合ＭＩＮＬＰ问题的方法，只需求解ＮＬＰ问题就可得到连续变量和０－１变量同步优化的网络结果。算例表明，该模型和方法是有效的。     

基于子网络强制进化的大规模换热网络优化

换热网络优化是典型的混合整数非线性规划（MINLP）问题,此问题的非线性约束以及到处存在的局部极值,使得最优解的获得尤其困难。特别是对于大规模网络来说,当物流数目增加时,可行的结构数目呈指数增长,目前还没有一种有效的算法来解决此类问题。应用改进的混合遗传算法,首先对换热网络进行初始优化,对初步优化结果进行子网络的划分,然后进行基于官能团（子网络）的重组、分解和交叉操作,获得了很好的结果。     

基于AEA和PSO的双层同步换热网络综合方法研究

换热网络优化是一个多维、非凸、非线性、不连续的复杂混合整数非线性规划问题,传统的优化方法很难寻找到全局最优解。针对该问题研究建立了换热网络分级超结构非等温混合模型,提出了一种双层同步优化算法。该算法外层使用Alopex Evaluation Algorithm(AEA)算法优化结构变量分流比,内层使用Particle Swarm Optimizer(PSO)算法优化换热量。还提出了一种改进的不可行解修复策略,改善了算法的搜索能力。三个案例研究用以说明算法可以稳定寻找到较好的优化结果。     

计算机辅助换热网络两步法优化综合

本文提示了换热网络优化综合的两步法.第一步为应用夹点设计法(PD法),在给定的最优夹点传热温差的基础上,综合出一初始的优化网络.本文通过对夹点概念的理论分析,推导出求取最优夹点温差的解析式.计算实例表明,利用此解析式求取最优夹点温差值具有计算简便、准确的优点.第二步为在第一步所获得的初始优化网络的基础上,建立换热网络优化综合非线性规划数学模型,其目标函数为投资和年操作费用,其约束条件为各换热器及分流器、混合器的物料平衡、热量平衡、传热方程等等.应用逐次二次规划法优化软件VMCON进行求解.计算实例表明:经过非线性规划法优化所得的换热网络,其费用比仅由第一步所获得的初始优化网络下降14%,比由其它调优方法所改进的换热网络也要好.为了工程上使用的方便,将上述方法开发成一换热网络自动综合积成软件,该软件包括:1.扩展表格程序.该程序将换热网络综合问题的原始数据和综合结果通过此表格输入或输出.2.3DPLOT绘图程序.它可将冷、热物流匹配关系以图形方式绘出.3.换热网络综合程序.该程序应用夹点设计法对给定的冷、热物流进行网络综合,产生一初始优化网络.4.换热网络模拟程序.对已知结构及尺寸的换热网络进行模拟计算.5.标准换热器数据库.它包括若干标准换热器的尺寸和性能等数据.并     

换热网络综合的广义析取规划模型及求解方法

提出了针对通用换热网络综合(HENS)的广义析取规划(GDP)模型。广义析取规划模型通过引入逻辑变量代替0-1整形变量,使用析取式实现约束的分支选择。相比于传统MINLP模型,换热网络综合的广义析取模型具有以下优点:(1)条件建模的直观性;(2)通过对约束的动态选择,在减少冗余约束的同时更消去了不存在单元所带来的非线性费用计算模块,从而大大降低NLP子问题的求解复杂度,使求解更简单。另外,提出了一种混杂算法用来求解换热网络算例的广义析取规划模型。在外层使用启发式算法搜索最优结构,在内层调用确定型算法求解非线性规划子问题。结果表明,GDP模型无论在简洁性还是易求解性上都优于传统MINLP模型,可以有效地求解通用换热网络的综合问题。     

数学规划与图形方法相结合设计热集成用水网络

将数学规划法与图形方法相结合探究单杂质用水网络与换热网络的集成问题。首先构建混合整数非线性规划模型（MINLP）,在最小公用工程消耗下优化流股参数未知情况下的分离系统组合曲线面积,得到了最为节能、换热面积最小的用水网络结构。在此基础上,提出了新的分离系统组合曲线演化步骤和规则,可以得到换热单元数目较小的换热网络结构。算例表明,与现有的基于分离系统的热集成用水网络设计方法相比,在最小化公用工程用量的同时可以进一步降低换热器数目与总换热面积。     

基于持续节能的多周期换热网络优化设计

在石油化工工业中,换热网络的操作条件时常发生改变,尤其是结垢热阻随运行时间不断增大。针对操作条件的改变,有研究者提出多周期换热网络最优综合的设计与改造方法。但是,这些方法不涉及结垢热阻对设计结果的影响。然而,换热器结垢不可避免,传热系数随之改变,将导致操作工况偏离最优值,难以实现持续节能优化。以多周期换热网络优化为基础,提出一种基于持续节能的多周期换热网络综合设计方法,以换热网络累积总费用为目标函数,考虑换热器结垢对多周期换热网络优化结果的影响,进而实现多周期换热网络的最优综合。首先,结合示例分析换热器结垢对多周期换热网络优化结果的影响,得出考虑到结垢热阻的影响多周期换热网络在各个周期内的优化结果将改变;然后,基于持续节能优化,以换热网络累积总费用为目标函数,提出一种多周期换热网络优化方法;最后,结合示例验证了该设计方法的有效性。     

基于持续节能的多周期换热网络优化设计

在石油化工工业中,换热网络的操作条件时常发生改变,尤其是结垢热阻随运行时间不断增大。针对操作条件的改变,有研究者提出多周期换热网络最优综合的设计与改造方法。但是,这些方法不涉及结垢热阻对设计结果的影响。然而,换热器结垢不可避免,传热系数随之改变,将导致操作工况偏离最优值,难以实现持续节能优化。以多周期换热网络优化为基础,提出一种基于持续节能的多周期换热网络综合设计方法,以换热网络累积总费用为目标函数,考虑换热器结垢对多周期换热网络优化结果的影响,进而实现多周期换热网络的最优综合。首先,结合示例分析换热器结垢对多周期换热网络优化结果的影响,得出考虑到结垢热阻的影响多周期换热网络在各个周期内的优化结果将改变;然后,基于持续节能优化,以换热网络累积总费用为目标函数,提出一种多周期换热网络优化方法;最后,结合示例验证了该设计方法的有效性。     

工艺过程与换热网络的联合优化

提出了用超结构回归模型法来解决工艺过程与换热网络联合优化综合的课题,并且对超结构中整型变量的处理提出了整型变量连续化的方法,为有效地求解混合整数非线性规划问题(MINLP)提供了一种新的途径;应用该方法对某化肥厂的改造扩建进行了优化计算,表明该方法的应用可以产生很大的经济效益.     

考虑非等温混合的能量集成用水网络综合

提出了考虑非等温混合的新的水网络模型,并结合线性规划（LP）转运模型同时优化水网络的水耗及公用工程目标。新的水网络模型引入非等温混合以改善用水网络的能耗特性及减少模型中参与集成换热网络的流股数,从而降低设计换热网络的复杂程度。在确定水网络的水耗及公用工程目标后,采用夹点法设计详细的换热网络结构。两个算例结果表明,新的水网络模型不仅能确定用水网络的最优水耗及公用工程目标,而且还能得到一个更加简单的换热网络。这对节省设备投资及减少操作费用具有重要意义。     

基于面积再分配和遗传算法的换热网络改造

在过程工业中,现存的许多换热网络由于结构和工艺的不合理,存在较大的能量回收潜力,使得许多换热网络有改造的需要。本文结合了分级超结构模型和换热器再分配策略,并对现有换热器再分配策略做了进一步改进,充分利用现有换热器,而当再利用现有换热器时,对比新增面积费用和新增换热器费用的大小,选择较小的方案,使相同的改造效果下的投资费用最小化。基于分级超结构模型,建立了换热网络优化改造的MINLP数学模型,充分考虑改造后节省的公用工程、原有换热器增加面积的投资费用、新增换热器的投资费用;基于遗传算法求解得到优化改造的换热网络。案例研究表明,改造所得到的换热网络与原换热网络相比,公用工程费用的降幅超过60%,改造收益为1.49×10~7$/a;年度总费用为1.290×10~7$/a,比相关文献低31.2%和9.2%,公用工程费用也比文献节省了42.4%和17.0%,实现了更优的改造效果。