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。     

换热网络非结构模型中交叉结构的分析

采用强制进化随机游走算法优化换热网络非结构模型时易出现换热单元匹配相互交叉的现象,即同一对冷热流体上一个换热单元的冷、热流股的出口温度同时等于另一换热单元冷、热流股入口温度。这种交叉结构在热力学上是不合理匹配,其在优化中相互制约,从而影响算法效率和求解质量。针对这一问题,提出了交叉结构的禁忌策略,禁止在优化过程中出现交叉结构。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1 415 994和5 233 287$×year~(-1),相同时间内比改进前分别减少了40 645和182 899$×year~(-1)。结果表明,非结构模型的交叉结构禁忌策略能够提高算法效率和优化质量。     

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。     

换热网络结构与性能相关性分析

换热网络结构对其性能有直接的决定作用,通过正交分析方法探讨了换热网络中结构与性能之间的关系,旨在实现换热网络结构与性能的定量关联。首先利用正交试验原理及流体逐一匹配的方法,分析了流体各属性及流体间不同的匹配关系对换热网络性能的影响;在此基础上,经过相关性分析,提出了换热网络结构与性能的相关因子。经过实例检验,结果表明:该因子在一定程度上能定量地反映换热网络结构与其性能的相关联系。     

基于经济目标和分解协调策略的换热网络最优设计

分析了换热网络在过程系统中的功能 ,从火用分析和火用经济学的角度提出了换热网络最优合成设计的实用火用经济目标函数 ,它包含了网络的流动火用损费 ,且可分解为各个换热单元的总费用之和 .在换热网络目标函数可分解性的基础上 ,本文又进一步提出了换热网络分解协调优化的研究策略 ,它是在各个匹配单元 (子系统 )和整个换热网络结构 (复杂系统 )之间进行优化协调 ,并获得换热网络的最优结构和各匹配单元的最优操作参数 .最后 ,通过一换热网络的最优合成 ,说明了该方法的应用前景     

基于经济目标和分解协调策略的换热网络最优设计

分析了换热网络在过程系统中的功能 ,从火用分析和火用经济学的角度提出了换热网络最优合成设计的实用火用经济目标函数 ,它包含了网络的流动火用损费 ,且可分解为各个换热单元的总费用之和 .在换热网络目标函数可分解性的基础上 ,本文又进一步提出了换热网络分解协调优化的研究策略 ,它是在各个匹配单元 (子系统 )和整个换热网络结构 (复杂系统 )之间进行优化协调 ,并获得换热网络的最优结构和各匹配单元的最优操作参数 .最后 ,通过一换热网络的最优合成 ,说明了该方法的应用前景     

受网络夹点控制的装置的改造分析

本文分析了过程夹点和网络夹点的不同,指出了在改造过程中存在网络夹点,并且节能潜力受网络夹点的控制,同时提出了克服网络夹点的途径,即分流和调整换热网络结构。通过对某炼油厂润滑油加氢补充精制装置的分析。提出了不分流时克服网络夹点的方法,即同一温闰的冷流体按热溶流率CP值减小依次被加热;同一温位的热流体按CP值减小依次被冷却。最后,文章对该装置提出了采用“一改动方案”的改造方案,节能效果和经济效益显著。     

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。     

热集成复杂精馏系统综合的研究

将夹点分析法应用于热集成复杂精馏系统综合的换热网络设计中,避免了以换热网络结构作为独立变量,建立了一个以预分馏塔组分回收率、回流比及操作压力为连续变量,以分离序列和热耦合方式为离散变量的混合整数非线性规划(MINLP)模型。该模型用改进的模拟退火算法求解,可同时得到优化的流程结构和操作参数。对多个五组分混合物分离问题进行了求解,并对不同优化方案的优化结果及其经济性作了比较和分析,结果表明采用热集成复杂精馏塔流程可以显著地降低系统的总费用,还表明该方法是求解热集成复杂精馏系统综合问题的有效方法。     

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。     

基于场协同原理的换热网络性能评价因子

换热网络问题严重的非凸、非线性使从数学角度发现此类问题的全局最优解变得十分困难。鉴于此,本文以场协同理论为基础,建立了一种从温差场均匀性角度描述换热网络结构性能的评价因子,以期简化换热网络综合过程,获得高效的换热网络结构。首先以单体换热器的温差均匀性因子为基础,比拟出适用于换热网络的温差均匀性因子,称之为换热网络性能评价因子。继之,选择3个不同的算例,在固定结构和固定面积两个角度下分析了评价因子的有效性。最后,计算结果表明：提出的基于权重的换热网络温差均匀性因子与网络结构的总换热量之间能够形成明显的对应关系,可以准确地描述换热网络结构性能。简而言之,温差均匀性因子的值越小,对应换热网络结构的性能越好。     

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。     

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。     

Optimal operation of heat exchanger networks

The paper discusses optimal operation of a general heat exchanger network with given structure, heat exchanger areas and stream data including predefined disturbances. A formulation of the steady state optimization problem is developed, which is easily adapted to any heat exchanger network. Using this model periodically for optimization, the operating conditions that minimize utility cost are found. Setpoints are constant from one optimization to the next, and for implementing the optimal solution special attention is paid to the selection of controlled variables such that the operation is insensitive to uncertainties (unknown disturbances and model errors). This is the idea of self-optimizing control. In addition to heat exchanger networks, the proposed method may also be applied to other processes where the optimum lies at the intersection of constraints.     

板翅换热器导流结构非线性映射与性能多目标优化

板翅式换热器入口位置纵向方向上的流体分布不均匀问题影响不同层之间流体传热。目前已有的导流结构采用试验方式确定部分参数,缺乏对导流结构参数优化。本文提出板翅换热器导流结构多目标优化分析方法,分别考虑导流结构中孔径、孔数、流体流速、板翅式换热器入口直径、导流结构在换热器入口处的位置、孔的间距等影响换热器入口处流体均匀分布的因素,构建导流结构压强与单位时间换热量的多目标优化数学模型。采用正交试验方法选择不同参数组合建立仿真试验模型,根据试验结果推导导流结构非线性映射方程,以BP神经网络与遗传算法相结合的方式对导流结构尺寸进行优化分析,得到导流结构多目标优化结果。采用Fluent数值模拟板翅式换热器导流结构参数优化前后流体均匀分布情况,通过对比无导流结构板翅换热器可以看出,对导流结构进行优化可以明显改善流体在换热器各层流道中的流动均匀性,提高换热量,强化换热器的传热性能。     

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。     

Synthesis of cost-optimal heat exchanger networks using differential evolution

Heat exchanger network synthesis (HENS) has been one of the most-studied problems in process synthesis. Nevertheless, the complexity of the HENS problem provides enough scope for the development of novel algorithms involving the application of specialized optimization techniques. Evolutionary algorithms (EA) have emerged as viable alternatives to traditional methods for optimizing functions of both continuous and discrete variables. Differential evolution (DE) is one such evolutionary algorithm that promises simple, fast and robust optimization. The present study illustrates the application of this novel technique for the synthesis of heat exchanger networks. The HENS model proposed here considers stream splitting, does away with the simplifying assumption of isothermal mixing of the split streams and has the capability to handle compulsory and forbidden matching of streams. The DE-based model (DEM) does not rely on the decomposition of the problem into subproblems but employs a simultaneous method of approach to optimize the structure of the network of heat exchangers, the heat loads of these exchangers, the split stream heat flows and the minimum approach temperature. The proposed model has been applied to some case studies available in the literature and the results of these studies are very encouraging. The present work represents thus a step forward in the search for robust and efficient global optimization algorithms for the solution of the HENS problem.     

综合考虑经济性与效率的换热网络多目标约束优化方法

换热网络优化中不仅要考虑能量回收的“量”,还要考虑能量回收过程中“质”的耗散问题。在换热网络最大能量回收的前提下,基于不可逆传热过程中的耗散理论,以代表能量回收品质的效率最高为目标,建立综合能量回收数量、品质并同时考虑换热网络经济性的多目标混合整数非线性规划（MOMINLP）模型。根据模型目标有主次之分的特点,基于ε约束法对模型进行分步优化并结合BARON软件进行精确求解,依次求解换热网络的最大能量回收量(MER)与最低年均总成本(TAC),再将所得结果乘以松弛系数ε_i作为缩小搜索区域的约束条件,获得能量与成本约束下效率的Pareto前沿。通过对经典10SP1案例进行计算求解,最终得到最大能量回收量下,费用松弛系数为1.05时费效比最小的优化方案,而且本文的多目标约束优化方法能够更快求得综合的最优解。最后通过T-Q图中的换热网络组合曲线对比不同优化方案的效率,将换热网络划分为内部换热部分与剩余流股部分,多目标约束优化方法能够降低内部换热不可逆损失,提高剩余流股的温度。     

A hybrid optimization strategy for simultaneous synthesis of heat exchanger network

The heat exchanger network synthesis problem often leads to large-scale non-convex mixed integer nonlinear programming formulations that contain many discrete and continuous variables, as well as nonlinear objective function or nonlinear constraints. In this paper, a novel method consisting of genetic algorithm and particle swarm optimization algorithm is proposed for simultaneous synthesis problem of heat exchanger networks. The simultaneous synthesis problem is solved in the following two levels: in the upper level, the network structures are generated randomly and reproduced using genetic algorithm; and in the lower level, heat load of units and stream-split heat flows are optimized through particle swarm optimization algorithm. The proposed approach is tested on four benchmark problems, and the obtained solutions are compared with those published in previous literature. The results of this study prove that the presented method is effective in obtaining the approximate optimal network with minimum total annual cost as performance index.     

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.