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。     

换热网络操作夹点分析与旁路优化控制

换热网络夹点设计法是从设计的角度,针对某一给定的典型操作条件而进行的,而炼油化工过程的生产条件经常在一定范围内波动。在实际的生产中,换热网络的操作夹点和最小温差与设计值往往不尽相同,为换热网络的优化控制带来了一定困难。因而近年来对于换热网络夹点技术以及旁路优化控制方面的研究不断深入,但将夹点技术与换热网络控制集成的方法仍不成熟。本文从操作的角度求解并分析换热网络结构已定或网络正在运行情况下的操作夹点,定性分析操作夹点的变化规律,并提出在操作夹点附近设置旁路实现网络的旁路优化控制,从而将夹点技术应用于换热网络旁路优化控制中。实例仿真表明,这一旁路优化控制方法在满足控制要求的同时明显降低了网络的总公用工程,验证了其有效性。     

基于结构可控性分析的换热网络旁路优化设计

在换热网络的运行过程中其操作条件时常发生变化,旁路优化控制是调节物流出口温度、节能降耗的有效途径。然而,仅通过逐一对比或优化的方法确定旁路位置不能从理论上论证换热网络的可控性,也往往难以兼顾可控性与经济性。因此从控制理论的角度,基于结构可控性理论分析换热网络的结构特性。权衡可控性与经济性两方面因素,在可控性要求较高时,为实现设置最少的旁路以满足全部状态的可控性要求,提出了换热网络全部状态可控的旁路优化设计法。在旁路数目受限时,根据具体的经济性与可控性要求,为确定最佳的旁路位置,提出了准可控的旁路优化设计法。然后,基于结构可控性分析分别求解提出的两种旁路优化设计方案。最后,以某常减压蒸馏装置脱盐前换热网络为例分别求解全部状态可控和准可控的换热网络旁路位置,并与多次优化等其他求解方法得出的结果进行对比分析。     

换热网络旁路优化设计

提出了一种可以降低已有换热网络运行费用的旁路优化设计方法,使得网络控制自由度增大,运行费用明显降低。该优化设计方法将网络运行总费用作为目标函数,同时考虑结垢热阻对换热器换热效果的影响,经过多次优化计算确定旁路位置和开度,并根据现场具体情况选择合适的旁路开度下限,确定旁路数目,最终实现网络旁路优化设计。通过示例说明了本文所提方法的有效性和实用前景。     

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。     

基于相对增益分析的换热网络旁路设计

提出一种考虑了可控性的换热网络旁路设计法。基于稳态模型增益的定量计算,推导换热网络稳态数学模型的求解过程,从可控性分析的角度逐一求解换热网络的非方相对增益矩阵,从中确定最优的旁路位置,使被控变量具有较高的可控性。突破相对增益矩阵仅用于控制配对的常规范畴,提出一种通过逐次求解换热网络非方相对增益矩阵优化选取最优旁路设置的方法,并给出了设置旁路的若干准则,以简化求算过程。分析稳态工作点变化后的情况,表明工况变化不影响上述得出的旁路设置。该法适用于大型复杂换热网络,满足生产控制要求,并能保证整个换热网络具有较高的可控性。以某常减压蒸馏装置脱盐前换热网络为例,验证方法的可行性和有效性。     

基于频域稳定性分析的换热网络旁路控制

在换热网络的运行过程中,其操作条件时常变化。针对过程系统安全平稳运行的基本要求,基于频域稳定性分析方法,得出影响过程系统动态性能与稳定性的关键点,提出一种换热网络旁路控制系统的设计方法。从频域的角度分析潜在旁路与被控变量之间的耦合关系,采用频域相对增益阵方法实现换热网络的旁路设计。并在此基础上,对设计的控制系统进行控制器参数设计,使换热网络控制系统满足一定的稳定裕度要求。结果表明,基于频域稳定性分析设计的换热网络旁路控制系统满足稳定裕度要求,其阶跃响应的绝对误差积分值较小,系统的动态性能更好。     

有旁路换热网络全周期节能的动态优化控制实现方法

为了实现换热网络的全周期持续节能,在网络上设置旁路从而增加其控制自由度,同时设计一定的裕量来提供优化控制的操作空间。为了较好地利用旁路调节和裕量空间,提出一种基于换热网络动态模型的在线优化控制方法,巧妙地结合原有常规控制回路,不但扩大了优化控制的可行域,并且满足原常规控制回路的精度要求。该方法以换热网络一定周期内的累积费用最小为目标函数,同时考虑扰动对换热网络的影响,在满足工艺条件的基础上,求解最佳旁路开度,以实现换热网络的持续节能。由于采用闭环校正、迭代计算和滚动优化的实施方法,始终把优化建立在实际的基础上,尽管它每次不一定能得到全局最优解,然而使得实际控制结果达到最优。最后,以某炼油厂的常减压脱盐前换热网络为具体的研究对象,说明所提方法的有效性和使用前景。     

具有柔性拓扑结构的厂际多周期换热网络优化

针对厂际多周期换热网络优化,提出了一种考虑柔性设计的数学规划模型,旨在解决现有网络设计缺乏灵活性及无法适应生产波动等问题。该模型由两个子模型组成,第一个子模型通过厂际热集成的超结构模型优化各个周期内的换热网络结构,第二个子模型以年度总成本费用为目标函数,优化换热器面积与热负荷。在每个工厂内,所有换热器都具有共享功能,通过开闭阀门调整过程物流走向,改变网络结构以完成热量传递任务。案例测试表明最小网络年度总成本费用为210919.4 USD·a^-1,需要设置13台共享换热器,其中工厂1有6台,工厂2有4台,工厂3有3台。提出的厂际多周期换热网络优化模型具有设计灵活性高、应对生产环境变化能力强等特点,为企业提供了一种更为智能且高效的换热网络设计方法。     

换热器优化顺序对换热网络全局优化的影响

为了克服换热网络全局最优化过程中极易陷入局部最优解陷阱的难题,本文将蒙特卡罗随机抽样技术应用到换热网络冷、热流体随机组合中,从而实现换热网络多维优化参数优化顺序的随机变化,使得换热网络优化能够从一个局部最小解跳到另外一个局部最小解,实现全局最优化。通过具体算例表明,这种方法能够找到比以往算例更好的结果,能够更好地满足工业上的应用。     

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。     

换热网络填充函数法的全局优化

换热网络全局优化问题属于混合整数非线性规划范畴,其难点是目标函数和约束条件呈现为严重的非线性和非凸特性,局部最优解陷阱星罗棋布.针对其全局优化的难点,应用一种变换函数的全局优化方法--填充函数法,对换热网络进行全局优化.通过具体的填充函数对某特定算例进行求解表明,通过不断的交替优化,填充函数能够使换热网络目标函数跳出局...     

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]。     

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。     

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。     

换热网络全局优化的等平面切割方法的实现

换热网络全局优化属于混合整数非线性规划范畴,其全局优化难点是局部最小解遍布全局,求解过程中很容易陷入局部最小解,而不能获得全局最优解.文章针对换热网络全局最优化的难点,运用一种全新的全局最优化方法--等平面切割的方法,根据目标函数代表的性能进行等平面切割,反复交替地操作不断缩小全局最优解的区间;同时,基于切割平面法分析...     

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。