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。     

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。     

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。     

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。     

催化重整装置换热网络夹点分析与优化

运用夹点技术对催化重整装置现有换热网络进行分析,发现夹点之下因使用热公用工程,导致冷公用工程超目标值186%,热公用工程超目标值136%,E204取热过多导致重整生成油出装置温度低,增加了4.4 MW热量消耗。通过优化换热网络,合理取热,热公用工程减少26.4%,冷公用工程减少37.6%,换热面积减少10.4%。实现了能量合理回收利用,提高了装置经济性。     

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.     

采用结构进化策略的Lagrange乘子法优化换热网络

针对罚函数法处理有约束问题时存在的不足,采用Lagrange乘子法优化换热网络.为求解Lagrange函数方程组,根据确定性方法,提出最速下降法求解策略以及Powell法求解策略.通过极小值判断机制,保证Lagrange函数方程组的解是原换热网络目标函数值的极小值.根据实际工况,提出结构进化策略,与Lagrange乘子法相结合,实现了换热网络全局最优化.通过经典算例验证了两种求解策略的有效性、准确性以及结构进化策略的通用性.与文献结果进行对比,结果表明本算法具有较强的局部搜索能力以及全局搜索能力,能够找到更优的换热网络结构,有利于在工业生产中节约成本.     

考虑生产排序的间歇过程换热网络综合与优化

间歇过程换热网络综合是化工系统工程研究的重要部分,设计时需要考虑时间、设备、生产排序等多方面因素,具有一定的复杂性。本文围绕多批次间歇过程的直接换热问题,考虑生产排序的影响,采用覆盖操作和非覆盖操作,通过调整批间隔增加流股直接换热的可能性,减少设备闲置,得到3种不同的生产方案;针对每一个生产方案,采用启发式方法综合得到初始换热网络,并对该网络进行结构调优,提出渐进调优规则,在公用工程费用和设备费用间作权衡,减少换热器个数和流股分流,得到年度总费用最低且换热设备个数较少的换热网络,使其更符合实际应用;将3种生产方案对比,可以发现生产排序对换热网络的影响。最后将所提方法应用于实际算例,验证所提方法的可行性。     

考虑热泵的换热网络的过程改变分析

基于夹点技术原理,可以得到换热网络所需要的最小冷、热公用工程。采用合理的过程改变设计,可以进一步减少冷、热公用工程的消耗。在换热网络中布置热泵,可以有效地回收利用过程中存在的低温余热,同时减少冷、热公用工程的消耗,提高能量利用率。在夹点技术的基础上,定性分析了带热泵的换热网络中过程改变对冷、热公用工程用量的影响。研究结果表明,在受热泵影响的区域内,热泵可以将原本不能节能的过程转变为可以节能的过程改变。因此,当换热网络中带有热泵时,过程改变是否有利于节能还需要综合考虑热泵的影响。通过研究带热泵的换热网络中的过程改变,进一步拓展了过程改变的研究范围,所得结论可以作为判断过程改变是否有利于节能的依据。     

換热的流体动力学理論

1.引言强制湍流换热是换热的一种重要形式,也是一个十分复杂的换热过程。計算該情况的給热系数,一般是根据那些应用相似理论或因次分析方法归納实验数据而成的准数方程式。相似理论或因次分析从来就是研究对流换热最有效的工具,但遺憾的是它们沒有揭露对流换热的物理本质。强制湍流换热的机理是通过所謂换热的流体动力学理论的研究逐步获得闡明的。换热的流体动力学理论的基础,是热量转移过程和动量转移过程两者統一的观念;这个观念使强制湍流换热和流动阻力之间建立起联系。早在1874年,雷諾(O.     

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。     

基于改进布谷鸟搜索算法的换热网络综合

针对换热网络综合混合整数非线性规划问题,提出布谷鸟搜索算法同步综合换热网络,并针对其不能有效处理换热网络结构进化问题进行改进。引入改进步长控制向量,设置最小热负荷,以一定概率接受差解三种整型变量优化策略,布谷鸟搜索算法能够同时优化整型变量和连续型变量从而实现换热网络最优化;同时改进新鸟巢的建立机制,实现鸟巢自我进化与信息交换的平衡,使算法更具全局搜索性能。通过验证两个基准算例,与文献中采用的遗传算法、模拟退火算法、微分进化等其它算法相比,改进的布谷鸟搜索算法能够获得年综合费用更低的换热网络设计方案。结果表明,改进的布谷鸟搜索算法具有较高的搜索效率和全局收敛精度,能够高效求解中小型甚至大型换热网络问题。     

基于换热器分时共享机制的多时期换热网络结构设计

随着季节性的供需变化和化工过程中操作条件的变化,换热量也随之变化。由于不同时期换热需求的不同,多时期换热网络的设计得到了广泛的研究。本文首先介绍利用同步优化方法对每个时期单独进行数学规划模型的建立,运用GAMS软件求解得到单时期最优的换热网络设计;其次,为了减少不同时期换热网络整合后设备的投资成本,可采用一种分时共享机制对换热网络中所有参与热交换的匹配进行设计,然而该设计会带来管线成本的增加;最后,针对分时共享机制带来的管线成本的增加,提出了一种管线长度的优化模型,通过对模型的建立和求解,不仅可以得到换热网络中最少的管线成本,还可以给出换热器的最佳放置位置,优化了网络 结构。     

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     

采用结构保护策略的强制进化随机游走算法优化换热网络

鉴于强制进化随机游走算法（random walk algorithm with compulsive evolution, RWCE）在优化换热网络时可能出现有潜力结构被差解代替,提出了一种结构保护策略,增加一个与原种群平行进化的新种群,新种群执行结构保护,个体与原种群一一对应并接收其当前最优解,同时采用一种降维邻域搜索的进化方式,设置个体各维变量更新概率确定搜索维数,充分挖掘个体结构进化潜力,提升了算法的局部搜索能力;原种群则沿用RWCE的主要操作,保留了较强的全局搜索能力。将采用结构保护策略的RWCE算法用于有分流换热网络优化,取得了优于现有文献的结果。     

采用结构保护策略的强制进化随机游走算法优化换热网络

鉴于强制进化随机游走算法(random walk algorithm with compulsive evolution,RWCE)在优化换热网络时可能出现有潜力结构被差解代替,提出了一种结构保护策略,增加一个与原种群平行进化的新种群,新种群执行结构保护,个体与原种群一一对应并接收其当前最优解,同时采用一种降维邻域搜索的进化方式,设置个体各维变量更新概率确定搜索维数,充分挖掘个体结构进化潜力,提升了算法的局部搜索能力;原种群则沿用RWCE的主要操作,保留了较强的全局搜索能力。将采用结构保护策略的RWCE算法用于有分流换热网络优化,取得了优于现有文献的结果。     

基于换热网络集成的二甲苯分离精馏塔参数优化

精馏是化工过程中重要的耗能设备,其产品温度的改变将影响换热网络的集成.针对二甲苯分离吸附的实际生产过程,利用复合曲线系统分析精馏塔DA604塔压增大至170kPa及230kPa后塔顶和塔底产品流股温度改变对换热网络的集成和公用工程消耗量的影响,可实现精馏塔操作与换热网络的同步集成,相较与之前只考虑流股温位对换热网络的影响更加全面.结果表明,该精馏塔的塔压由110kPa增至170kPa时,系统的冷却公用工程用量增大1765.0kW,加热公用工程量减少1948.5kW,无需消耗加热公用工程;压力由110kPa增加至230kPa时,系统冷却公用工程用量增大4964.1kW,加热公用工程用量节省共计8172.4kW,此时加热公用工程用量减小为0且可在高温段向外界供给6223.9kW热量.该分析结果与夹点法的计算结果相同,由该结果可得普适性结论,当精馏塔塔顶塔底出口物流均为源时,增大塔压,系统加热公用工程减小,冷却公用工程增加,整体上有利于系统的节能.     

基于局部搜索策略的混合算法同步综合换热网络

针对复杂换热网络混合整数非线性问题,提出了一种由混沌蚁群算法、局部搜索策略和结构进化策略组成的混合算法,同步综合换热网络。首先采用混沌蚁群算法初步优化换热网络,蚂蚁个体根据混沌搜索机制遍历整个求解域。随后引入Powell法作为局部搜索策略,加强蚂蚁个体的局部搜索能力。最后结合结构进化策略,限制算法的搜索空间,优化蚂蚁个体表示的换热网络结构,并将优化后的信息反馈。蚂蚁会根据自身、邻居和反馈的信息作进一步搜索,直到算法收敛于全局最优解。通过算例对算法进行验证,结果表明,混沌搜索机制使混合算法具有很好的全局搜索能力;Powell法加强了算法的局部搜索能力,提高了求解精度;结构进化策略能够有效地缩减搜索区间,提高搜索效率。所以混合算法能够很好地兼顾处理连续变量和整型变量,适用于换热网络综合。