采用每股流体必进化策略的换热网络优化方法

换热网络非结构模型是以一定概率随机选择冷热流体上存在的换热单元参与进化,因此每次进化过程中每股流体上不一定都有换热单元被选中参与进化。对于当前次迭代不参与进化的流股,该次迭代就没有意义。如要保证每股流体都进化一次需要增加大量迭代次数,对换热网络优化产生不利影响。针对这一问题,提出了以热流体为基准每股流体必进化策略,即每隔一定周期,使得每股流体上都有一个换热单元被选中参与进化。通过两个不同规模的算例验证提出的策略,得到的结果分别为1 411 131和1 518 969$·a~(-1)。结果表明,采用每股流体必进化策略的换热网络优化方法能够提高非结构模型的优化质量。     

基于节点配置策略的有分流换热网络优化性能探析

应用节点非结构模型（nodes-based non-structural model,NNM）优化换热网络时,合理地配置节点参数（分流组数和分支数）可辅助算法以更高的效率获得更优的结果。然而,NNM模型的设置中,所有热流股共用一组节点参数,所有冷流股共用一组节点参数,因此无法定制化地满足每一个流股对分流的需求。为提高网络中节点的利用率,本文提出了节点配置策略。该策略可根据流股热容流率对流股上的分支数及其组数进行调整,减少无效结构对优化的阻碍,使算法在优化初期快速获得潜在优势结构,提升优化质量。通过10SP和15SP算例验证策略的有效性,所获结果比文献最优结果分别低340USD/a和2285USD/a,且低于同参数下无该节点配置策略的NNM模型所获结果,从算例分析可知该策略可有效辅助提升算法的优化性能,以获取更优的优化结果。     

RWCE算法中采用单元重构策略激励换热网络结构优化

应用强制进化随机游走算法优化换热网络的过程中,通过监测最优结构中换热单元优化进程,探究总体结构进化特点,发现存在换热单元先入为主的现象,主体结构稳固难以被突破,导致换热网络优化进入“停滞”状态。基于此,提出了换热单元重构策略,该策略旨在增强结构变异能力,经过一定阶段概率性消除结构中既有换热单元,腾出结构进化空间,再依据约束条件重新构建换热单元,既丰富了结构多样性又扩大了搜索域。此外建立优化状态监测指标,维持结构较高的变异活性,增强算法全局寻优能力。最后将该策略加入算法流程优化多个换热网络实例,总结分析其作用机理,所得结果均优于现有文献结果,证实了该策略的有效性。     

基于状态空间超级结构的多流股换热网络最优设计

多流股换热器以其结构紧凑、高效低耗等特点,成为过程强化研究的热门领域,但对于多流股换热的过程与设备优势所在仍然值得商榷。基于多流股换热匹配改进状态空间超级结构,将多流股换热网络综合转化为超级换热器设计。首先,构造级联多流股换热器匹配过程操作算子,通过相邻换热流股匹配,传递温位效应,实现多流股间传热严格计算;借助热容流率混合分配机制,实现各流股间任意分混操作。然后,考虑散热因素,改进目标函数,引入冷热损失和保温材料费用项,清晰体现多流股换热器因换热面互相覆盖而带来的外表面封包优势。进而,建立相应非线性数学规划模型,实现公用工程、设备投资、冷热损耗同步优化。最终,通过文献示例对所提方法可行性与优越性进行验证。     

基于状态空间超级结构的多流股换热网络最优设计

多流股换热器以其结构紧凑、高效低耗等特点,成为过程强化研究的热门领域,但对于多流股换热的过程与设备优势所在仍然值得商榷。基于多流股换热匹配改进状态空间超级结构,将多流股换热网络综合转化为超级换热器设计。首先,构造级联多流股换热器匹配过程操作算子,通过相邻换热流股匹配,传递温位效应,实现多流股间传热严格计算;借助热容流率混合分配机制,实现各流股间任意分混操作。然后,考虑散热因素,改进目标函数,引入冷热损失和保温材料费用项,清晰体现多流股换热器因换热面互相覆盖而带来的外表面封包优势。进而,建立相应非线性数学规划模型,实现公用工程、设备投资、冷热损耗同步优化。最终,通过文献示例对所提方法可行性与优越性进行验证。     

TS算法在常减压装置换热网络优化中的应用

在对换热网络问题进行分析的基础上,利用禁忌算法(TS)在网络自动建构过程中进行指导,建立了具有领域最优搜索能力的换热网络结构自动生成技术.通过禁忌表紧凑的格式记录了流股的匹配状态,在网络自动建构过程中,能指导流股进行合理匹配,充分回收能量的同时,简化了换热网络的结构.利用TS算法对常减压蒸馏装置换热网络进行了优化,提高了原油的预热终温,减少了燃料的消耗.     

采用结构融合策略优化换热网络

利用强制进化随机游走算法优化换热网络至后期时,个体网络结构基本定型,很难再被破坏或改变,潜在进化能力难以发挥作用,无法求解出更优结构。基于此,探究个体进化过程中的结构变化特性,分析后期结构优化的重心所在,提出结构融合策略,将两个个体结构融合到一起,形成新个体,放大原个体结构进化潜力。对新个体进行优化,其结构中所有换热单元互相竞争,引导结构进化潜力发挥作用,保留有益于结构进化的换热单元,淘汰阻碍结构进化的换热单元,生成部分新换热单元,促进个体进化形成更优换热网络结构。最后应用两个算例验证该策略的有效性,取得了可观的优化效果。     

换热网络优化中换热单元生成频次的影响分析及策略改进

换热单元的生成频次对换热网络优化有直接的影响，分析其机理可以指导求解算法的改进。本文采用节点非结构模型及强制进化随机游走算法，通过设置不同的换热单元生成概率与生成个数以改变换热单元的生成频次，观察并记录个体在优化过程中产生的年综合费用变化情况。发现不同生成频次下整型变量和连续变量的相对优化频率发生了变化，从而改变了整体优化过程，并且与个体当前优化状态不适应的生成频次会造成相对优化频率不平衡、优化结果较差。基于此，本文提出了一种具有生成参数动态调节策略的换热单元生成方式，在优化过程中根据个体状态实时调整换热单元的生成概率与生成个数，平衡整型变量与连续变量的相对优化频率。最后，采用15SP、10SP和20SP算例进行验证，换热网络的年综合费用较文献结果分别下降了1.06%、0.16%、0.68%，验证了该策略使得换热单元的生成频次更为合理，有效地提高了算法的优化效率。     

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     

基于超结构法的热集成间接式功交换网络综合

换热网络综合的研究和应用对于提高能源利用率已被证明是有效的,而用于回收更高品质能量的功交换网络综合的研究仍处于起步阶段。针对间接式功交换网络综合中复杂推动力约束对流股匹配的制约问题,构建了一种考虑级间热集成的拓展超结构,基于线性拟合压缩机和涡轮机的操作曲线,提出了功源与功阱间流股匹配的识别方法;针对压力、流量与温度的高度非凸非线性关系,提出了采用热集成优化每一级入口温度的松弛策略,建立了以年度总费用最小为目标的混合整数非线性规划模型,通过GAMS求解得到最优的间接式功交换网络结构。最后通过一个算例分析,验证所提方法的有效性和可行性。     

肋化结构对两相受限式阵列射流冷却的影响

为了利用两相沸腾换热提高阵列射流冷却热沉性能,使其可以用于更高热流密度散热场景,基于肋化结构对相变换热的促进作用,本文提出了两种复合不同肋化表面的受限式阵列射流冷却热沉结构,并对优化后的热沉的传热、流动特性展开了相关实验研究。两种肋化表面结构分别为：光滑切割针肋（SL1）、外覆烧结多孔层的粗糙针肋（SL2）,针肋尺寸均为0.6mm×0.6mm×1mm（长×宽×高）,SL2中多孔层颗粒粒径为120~150μm,厚度约为2倍颗粒直径。分布式阵列射流孔板构成5×5的射流单元,每个单元对应4×4针肋阵列,热源总面积30mm×30mm,针肋共计400个。实验使用无水乙醇为工质,得到了热沉在工质流量2.6~12.7mL/s、入口温度283~313K范围时的沸腾曲线和传热曲线。结果表明,两种针肋结构均可以有效实现单相强迫对流换热向两相沸腾换热的转变;增加入口温度或降低工质流量均可以有效地促进相变的发生。在相同工质流量、温度时,SL1较SL2具有更优的单相换热性能,随着加热热流密度的增加,SL2可以在更低壁面过热度下达到沸腾起始点实现过冷沸腾,表现出更佳的传热特性,但SL1可以达到更高的临界热流密度。     

低温多股流板翅式换热器设计优化方法研究进展

针对多股流体流动换热、复杂翅片结构优化、多重通道排布匹配以及低温工程应用等特点,本文归纳分析了低温多股流板翅式换热器结构设计中凸显的流股换热匹配、通道分配排列、多物理场叠加以及低温特殊工况下的应用等问题。总结了在通道结构优化与零部件设计中,通过翅片通道传热流动特性及相关性能评价方法来指导结构选型。文章还深入分析国内外现状,讨论了板翅式换热器的研究热点与发展方向。文章指出低温多股流板翅式换热器应用于大型空分等石化工业流程中优势明显,可显著提高气体液化率,降低实际能耗,进而提升系统运行效率。因此,对于实际应用中可能遇到的设计问题,应考虑结合局部换热网络与多流股匹配、翅片结构设计与通道排列算法优化、多场仿真与试验研究等手段形成合理优化方法和设计框架,来摆脱目前传统经验试凑所带来的限制。     

采用结构融合策略优化换热网络

利用强制进化随机游走算法优化换热网络至后期时,个体网络结构基本定型,很难再被破坏或改变,潜在进化能力难以发挥作用,无法求解出更优结构。基于此,探究个体进化过程中的结构变化特性,分析后期结构优化的重心所在,提出结构融合策略,将两个个体结构融合到一起,形成新个体,放大原个体结构进化潜力。对新个体进行优化,其结构中所有换热单元互相竞争,引导结构进化潜力发挥作用,保留有益于结构进化的换热单元,淘汰阻碍结构进化的换热单元,生成部分新换热单元,促进个体进化形成更优换热网络结构。最后应用两个算例验证该策略的有效性,取得了可观的优化效果。     

一种分步匹配的换热网络优化方法

针对复杂换热网络全局优化中可操作性、优化效率与优化质量三者间的矛盾问题,基于换热网络优化中的最佳温位匹配的原则,提出了一种复杂换热网络分步优化方法。该方法将复杂的网络集成问题分解为以冷(热)流体数目为基础的多个单一流体匹配优化的子问题,以最优匹配优选的原则进行网络结构的分步生成,最终获得网络的总体结构。结果表明,以优选匹配的换热网络结构优化结果优于焓差匹配、温位匹配的结果,匹配的原则中,优选匹配要作为首选的匹配原则,可以避免前两种匹配原则上的匹配失当,该方法极大地提高了复杂换热网络优化的可操作性,优选匹配顺序使得分步优化能够取得更高的质量。     

基于超结构法的热集成间接式功交换网络综合

换热网络综合的研究和应用对于提高能源利用率已被证明是有效的,而用于回收更高品质能量的功交换网络综合的研究仍处于起步阶段。针对间接式功交换网络综合中复杂推动力约束对流股匹配的制约问题,构建了一种考虑级间热集成的拓展超结构,基于线性拟合压缩机和涡轮机的操作曲线,提出了功源与功阱间流股匹配的识别方法;针对压力、流量与温度的高度非凸非线性关系,提出了采用热集成优化每一级入口温度的松弛策略,建立了以年度总费用最小为目标的混合整数非线性规划模型,通过GAMS求解得到最优的间接式功交换网络结构。最后通过一个算例分析,验证所提方法的有效性和可行性。     

基于虚拟温度法的间歇过程换热网络结构优化

在用虚拟温度法得到的间歇过程换热器网络综合的基础上,对间歇过程换热网络的结构优化问题进行了研究。主要内容包括:在以时间段模型为基础,用虚拟温度法综合间歇过程得到的直接换热网络的基础上,寻找各时间间隔的子换热器网络内的热负荷回路;以一定的规则断开回路,对总换热器网络进行结构优化,使最后的总换热网络既能够减少换热单元数目,又满足年度总费用最小。     

RWCE优化换热网络的不可行解影响分析及强化策略

换热网络优化问题常以外罚函数法处理约束，赋予违反约束的不可行解较大的罚值。强制进化随机游走算法(RWCE)优化换热网络时，其非贪婪搜索机制使不可行解以一定概率被保留，从而改变全局寻优过程。本文首先分析不可行解对优化进程的影响，揭示偏移量较小的不可行解对结构进化的促进作用；然后提出差解概率动态调整策略，合理利用不可行解的正面作用，强化结构进化能力；最后，鉴于上述优化结果中偏移量较小的不可行解居多，提出一种可行化策略，通过分段罚指数和双种群优化技术促使过程中有潜力的不可行解快速返回可行域，并提升优化质量。将结合两条强化策略的改进算法应用于16股流与15股流算例，优化结果较文献最优解分别节省了0.35%、0.48%，表明改进后的算法较原算法全局搜索能力得到了显著提升。     

工业系统超结构模型应用研究进展

超结构模型的研究和应用可以有效解决化工、水处理、钢铁、冶金等领域中逐渐凸显的能源效率问题,常见于工业系统中的热交换网络和质量交换网络、水网以及其他网络。详细论述了换热网络中的基于状态空间超结构、基于分级超结构模型,以及两种经典超结构模型思想在质量交换网络、水网中的应用。完成超结构构建后,根据工业的实际生产状况,一般以年度总费用为目标函数,选取合理算法优化超结构网络,最终得到所需的新建或者改建方案。总结归纳了常见的优化算法,主要分为两大类：确定性算法和随机算法。最后阐述了超结构模型在科学研究和实际工程应用中还存在的问题以及下一步的研究方向。     

低温过程多流股换热器网络综合

多流股换热器主要应用在低温过程领域.本文针对低温过程换热器网络的特点,基于流股虚拟温度的T-H图提出了利用遗传/模拟退火算法进行低温过程换热网络综合的方法.低温过程传热温差较小,在流股温差贡献值的选取上充分考虑了流股热力学平均温度的影响,使其取值更加合理;冷公用工程的利用不同于常温换热网络,温度越低其相应的费用越高,通过采用分批-逐次利用的原理分配冷公用工程,得到冷公用工程的温位及相应的匹配位置,能够有效地利用过程系统的传热温差,降低换热网络的操作费用;该方法利用虚拟T-H图法产生初始解,具有决策变量少,产生初始解均为可行的特点,能显著提高遗传模拟退火算法的计算效率,并适用于不同材质、不同传热膜系数网络的设计和优化;以国内某乙烯装置脱甲烷塔预冷系统综合为实例进行了分析.     

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。