兼顾求解精度的有分流换热网络的动态模拟

在换热器集总参数动态模型的基础上,结合换热网络的Grossmann分级超结构模型和YEE分级超结构模型,建立了有分流换热网络的动态模型,进一步建立了动态模拟的求解方法,可实现有分流换热网络的模拟.模型中考虑了管道的热损失,有效地提高了动态模拟的精度.通过实例研究,获得了不同扰动下换热网络中流体的出口参数,验证了模型的可靠性和准确性,为进一步研究换热网络的动态规划和运行优化奠定了基础.     

考虑工况变迁和兼顾运行的换热网络优化设计

基于固定工况设计的换热网络无法保证变工况下的运行性能,以换热网络的运行优化和动态设计为出发点,提出了换热器旁路调节的方法,结合Grossmann的换热网络分级超结构模型,建立了换热网络旁路调节的数学模型和求解策略。利用蒙特卡罗随机技术和最速下降法混合优化策略获得了最佳旁路开度,保证了工况迁移时换热网络的运行性能。实例应用表明:旁路调节大大增加了换热网络的柔性,降低了运行费用。合理调整旁路开度可使得换热网络的运行始终处在较优状态,获得显著的经济效益。     

基于蒙特卡罗微分算法优化大规模换热网络

在换热网络数学模型及分级超结构基础上,提出蒙特卡罗结合微分进化算法,双层优化换热网络。外层利用蒙特卡罗算法全局范围内搜索最佳的换热网络结构;内层用微分进化算法优化换热器面积;通过设定合理的预期换热器个数,控制Grossmann超结构下产生换热器的个数,不但能提高求解效率,而且可以有效地解决大规模换热网络问题。最后,算例结果表明,基于蒙特卡罗微分算法能保证在全局搜索能力的前提下,混合求解策略能够获得较优的结果。     

微分进化算法优化换热网络的性能

通过分析换热网络换热器面积与综合费用之间的关系,证明了连续变量引起的换热网络非线性及非凸等特性,这些特性造成换热网络局部最优解众多。而传统的基于梯度的优化算法受初始点影响很大,容易陷入局部最优解,是换热网络最优化的障碍所在。针对优化换热网络问题难以稳定收敛的角度出发,在换热网络分级超结构模型的基础上,研究了微分进化算法求解换热网络问题的鲁棒性。通过具体的算例,在固定结构下与经典的牛顿法比较,结果表明,该方法优化结果不受初始点影响,具有很好的鲁棒性,并且年综合费用得到进一步降低。用于工业生产过程中,可以稳定有效地节约成本。     

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。     

粒子群算法最优同步综合换热网络

采用粒子群算法,对无分流换热网络综合问题提出改进的优化策略.运用超结构建立换热网络模型,以最小年度总费用为优化目标,按顺序求解思路优化换热器换热量.该算法比遗传算法简单,所需调节参数少,且不易陷入局部最优解,能迅速得到换热网络的结构与参数,具有获得全局最优解的能力.仿真研究验证了方法的有效性.     

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。     

过程动态优化问题的自热式求解策略

分析了基于微分代数方程（DAE）的动态优化问题的联立求解原理,提出了基于Lobatto配置的全离散模型的简洁描述形式。根据离散化模型的最优解具有结构相似性的特点,利用低密度离散的解来近似高密度离散的解,并且配合内点法求解的暖启动技术与障碍参数初值设定方法,提出了能实现动态优化问题快速求解的自热式策略。最后通过求解一个结晶过程的动态优化算例,证实了所提出的自热式策略能够将求解速度提高6倍左右。     

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.     

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。     

换热网络运行模拟优化

换热网络系统大多数是按给定工况,以投资费用和运行费用最优为目标设计的。但在实际运行过程中,确定和不确定性的影响因素往往导致换热网络的运行工况偏离设计值。偏离设计工况运行的换热网络性能变差,导致运行费用增加,甚至不能满足工艺物流换热要求。在换热网络结构给定条件下,将满足物流目标温度和运行费用最优作为目标函数,以单体模型和Yee et al.（1990）提出的多级超结构为基础,建立换热网络运行模拟优化模型,并进一步去除恒定膜传热系数假设使模型贴近实际问题。针对提出的非线性数学模型（NLP）问题,以标准粒子群算法为基础建立求解策略。在论文的最后,4个来源于已发表论文的实例研究证明了该优化方法的有效性。     

Simultaneous MINLP synthesis of heat exchanger networks comprising different exchanger types

This paper describes the simultaneous MINLP synthesis of heat integrated heat exchanger networks comprising different heat exchanger types. The stage-wise superstructure of heat exchanger networks (HEN) by Yee and Grossmann (Comput. Chem. Eng. 14 (1990) p. 1165) is extended to alternative exchanger types. The selection of the types is modeled by disjunctions based on operating limitations and the required heat transfer area. Since different types of heat exchangers involve different design geometries, which influences the inlet and outlet temperatures of heat exchangers, additional constraints are specified to provide a feasible temperature distribution in HEN. The consideration of different exchanger types drastically increases the combinatorics, size and computation effort needed to solve the problem. The integer-infeasible path MINLP approach has been applied to perform an efficient initialization scheme and to halve CPU times for solving MILP master problem of the modified OA/ER algorithm. A special multilevel MINLP procedure in reduced integer space has been proposed to solve medium size HEN problems (20 streams) comprising 10³ and more binary variables.     

微分进化算法应用于换热网络全局最优化

前言换热网络是过程系统中实现能量回收和高效利用的重要环节,其性能直接关系到整个系统的能量利用水平。目前,换热网络优化设计的方法主要分为三类,分别是夹点法[1-2]、数学规划法[3-4]与启发式方法[5-7]。     

Heat exchanger network synthesis with detailed exchanger designs—2. Hybrid optimization strategy for synthesis of heat exchanger networks

We propose a new strategy to synthesize heat exchanger networks with detailed designs of individual heat exchangers. The proposed strategy uses a multistep approach by first obtaining a heat exchanger network topology through solving a modified version of the mixed integer nonlinear programming (MINLP) stage-wise superstructure of Yee and Grossmann, which includes a smoothed LMTD approximation and pressure drops. In a second nonlinear programming (NLP) suboptimization step, we allow for nonisothermal mixing to solve problems with or without exchanger bypasses. The selected heat exchangers along with the mass and energy balances obtained are then used to design the network with detailed exchanger designs through solving a sequence of NLPs for individual heat exchanger designs. The NLPs are based on the detailed discretized optimization models of Kazi et al., which solve quickly and reliably to obtain heat exchangers based on rigorous, first-principles derived coupled differential equations. These models solve a differential algebraic equation system and do not rely on usual assumptions associated with other heuristic-based exchanger design methods, such as log mean temperature difference and F_T correction factors. These detailed exchanger designs are then used to update the network optimization model through sets of correction factors on heat exchanger area, number of shells, heat transfer coefficients, and pressure drops of each exchanger design, in a method based on that of Short et al. The method solves reliably, guaranteeing feasible exchangers for every potential network generated by the shortcut models, through validation with rigorous heat exchanger models at every iteration. In addition, the method does not increase the nonlinearity of the MINLP model, nor does it require any manual intervention or initialization from the user. Three examples are solved and the results are compared to those obtained in the literature.     

基于多重群体遗传算法的换热网络同步综合

通过对YEE换热网络分级超结构的分析和改进,建立了包含更多可行结构的换热网络超结构及其数学模型,扩大了网络结构的搜索范围。针对普通遗传算法和其他优化算法无法保证换热网络综合质量和效率的缺点,结合多重群体遗传算法进行网络优化综合,提高优化过程的稳定性,该方法将换热网络结构信息转化为种群和繁殖群体中个体的染色体信息,选择繁殖种群中优秀个体进入种群淘汰较差个体,实现种群的逐步新陈代谢。利用多重群体遗传算法对实际换热网络问题进行了优化。结果表明:多重群体遗传算法能有效提高换热网络优化的稳定性和鲁棒性,在优化变量和非凸性增加时,能获得综合性能良好的换热网络结构。     

超结构法分步综合热集成的质量交换网络

质量交换网络(MEN)和热交换网络(HEN)之间有较强的交互作用,传统的夹点技术很难考虑两个网络之间的相互作用。针对这一问题,采用基于分级超结构的数学规划法分步综合热集成的MEN。该方法首先分析了连接两个网络的关键参数,将其离散化处理后组合成多个备选方案,然后对每个备选方案采用分步策略。第一步,用超结构法以总年度费用(TAC)最小为目标综合MEN;第二步,从第一步的结果中抽提出HEN综合所需数据,通过求解基于HEN超结构的非线性规划(NLP)模型,得到优化的HEN总年度费用。加和两步中的TAC结果得到该方案下两个网络的总费用,通过比较所有备选方案下的总网络TAC,以总网络TAC最小的方案为最佳方案。与文献中例子比较,表明本方法具有更好的可行性和有效性。     

特殊换热网络算例优化与分析

换热网络综合属于混合整数非线性规划问题,具有严重的非凸、非线性特性。为探讨某些换热网络算例可能存在内部公用工程且年综合费用极低的特殊换热网络结构,本文采用了允许公用工程内置的无分流分级超结构模型。基于布谷鸟搜索算法,通过设置最小换热量阀值及以较小概率接受较差结构来指导换热网络结构进化,建立适用于求解换热网络综合问题的优化算法,并对特殊算例的优化结果进行分析。本文列举3个特殊算例,具有热流体的初始温度高于热公用工程的入口温度或热公用工程的进出口温差较大的特征,改进的布谷鸟搜索算法能够搜索到带有内部公用工程的换热网络结构,且年综合费用得到明显下降。结果表明：对于特殊算例,公用工程内置能够优化换热网络的热量分布,节约换热器面积,有效降低换热网络的年综合费用。