基于NSGA-Ⅱ的換熱網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性與系統(tǒng)可靠性優(yōu)化.pdf

1、換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)是過程系統(tǒng)工程（PSE）的重要研究領(lǐng)域，對于工業(yè)節(jié)能減排具有重大的意義。一直以來，傳統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要以換熱面積、公用工程費(fèi)用和年度總費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為目標(biāo)。然而，隨著資源和能源可持續(xù)發(fā)展步伐的不斷加快，人們不再僅僅關(guān)注換熱網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，同時(shí)開始致力于對柔性、可靠性、可操作性、安全性和環(huán)境影響度等指標(biāo)的研究。近年來，雖然考慮多個(gè)目標(biāo)函數(shù)的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了發(fā)展，但是進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性和可靠性多目標(biāo)優(yōu)化的研究還

2、較少。因此本論文基于換熱網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可靠性模型和換熱網(wǎng)絡(luò)綜合分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型，建立了以經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)可靠性為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型，并利用NSGA-II（第二代非支配排序遺傳算法）算法對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，從而得到換熱網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)可靠性同步權(quán)衡協(xié)調(diào)的優(yōu)化解集。
　　建立了包含經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)可靠性為目標(biāo)函數(shù)的換熱網(wǎng)絡(luò)MINLP（混合整數(shù)非線性規(guī)劃）多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。冷熱流股之間通過分流的方式相互匹配，改進(jìn)了模型中有關(guān)于流股等溫混合的

3、假設(shè)，并且模型不依賴于夾點(diǎn)技術(shù)。以年度化費(fèi)用作為換熱網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)，主要包括公用工程費(fèi)用和換熱設(shè)備費(fèi)用。以換熱網(wǎng)絡(luò)中換熱器的連接方式評(píng)估換熱網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可靠性，通過換熱網(wǎng)絡(luò)的連接矩陣識(shí)別出換熱網(wǎng)絡(luò)的最大不相關(guān)子系統(tǒng)，最大不相關(guān)子系統(tǒng)是換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，通過最大不相關(guān)子系統(tǒng)中換熱器的個(gè)數(shù)評(píng)估系統(tǒng)可靠性。
　　開發(fā)了利用NSGA-II算法進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)優(yōu)化的程序。提出了可行有效的初始可行解的產(chǎn)生策略以及不可行解的修復(fù)策

4、略。優(yōu)化的變量有冷、熱流股的熱容流率和熱負(fù)荷，同時(shí)通過系統(tǒng)可靠性目標(biāo)尋找優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了適應(yīng)于本論文所建立的多目標(biāo)換熱網(wǎng)絡(luò)模型的進(jìn)化算子，包括快速非支配排序、精英保留策略以及擁擠度比較算子等。在種群遺傳進(jìn)化過程中，保留在不同系統(tǒng)可靠性下，年度總費(fèi)用較低的個(gè)體。
　　將提出的優(yōu)化策略和算法應(yīng)用于3個(gè)不同規(guī)模的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合案例的多目標(biāo)優(yōu)化中。運(yùn)用所提出的換熱網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)優(yōu)化求解策略，對三個(gè)不同規(guī)模的案例進(jìn)行求解，分析了三個(gè)案例

5、的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系。三個(gè)案例都搜索出與文獻(xiàn)所優(yōu)化出的年度總費(fèi)用相近，但可靠性相對比較高的解，選出的典型優(yōu)化解和文獻(xiàn)結(jié)果對比如下：案例1同時(shí)優(yōu)化了年度總費(fèi)用和系統(tǒng)可靠性，年度總費(fèi)用降低了2.91%，系統(tǒng)可靠性提高8.42%；案例2在經(jīng)濟(jì)性犧牲2.87%的基礎(chǔ)上將可靠性提高了8.42%；案例3在經(jīng)濟(jì)性犧牲1.88%的條件下將系統(tǒng)可靠性提高24.89%。因此經(jīng)濟(jì)性和可靠性兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)可以相互協(xié)調(diào)并同時(shí)優(yōu)化，從而驗(yàn)證本論文提出的從多