考慮壓降的換熱網(wǎng)絡(luò)同步綜合及優(yōu)化改造.pdf

1、換熱網(wǎng)絡(luò)的同步綜合和優(yōu)化改造同屬于過(guò)程系統(tǒng)能量集成的重要研究領(lǐng)域，對(duì)于提高過(guò)程工業(yè)的能量利用率有重要的作用。其設(shè)計(jì)的合理性、可操作性、以及是否優(yōu)化對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的能耗高低有重要的影響。在過(guò)去的幾十年里換熱網(wǎng)絡(luò)的綜合和改造方法已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，而且研究成果都已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于實(shí)際過(guò)程工業(yè)系統(tǒng)并創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但是對(duì)于很多影響換熱網(wǎng)絡(luò)能耗和經(jīng)濟(jì)效益的因素，例如污垢、壓降、不同的換熱器材質(zhì)等，基于超結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法仍然沒(méi)有對(duì)它們進(jìn)行全面

2、的考慮。因此，本文的研究?jī)?nèi)容是以非等溫混合分級(jí)超結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立了考慮壓降的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合數(shù)學(xué)模型。利用遺傳/模擬退火算法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，并將該模型應(yīng)用于考慮壓降的換熱網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)綜合，然后將該模型經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的改進(jìn)應(yīng)用于對(duì)現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化改造。
　　本文主要圍繞建立考慮壓降的換熱網(wǎng)絡(luò)同步綜合及優(yōu)化改造這兩個(gè)主題，借助非等溫混合有分流的分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型展開(kāi)了如下的研究工作:
　　(1)建立了考慮壓降的以最小年總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)的換熱

3、網(wǎng)絡(luò)同步綜合數(shù)學(xué)模型。對(duì)Bjork和Westerlund提出的非等溫混合換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化綜合分級(jí)超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了改進(jìn)，在約束條件中新增了流股壓降約束和流股流速約束。即在換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的過(guò)程中將壓降因素和流速因素進(jìn)行了統(tǒng)籌考慮，將冷/熱流股的流速作為新的優(yōu)化參數(shù)來(lái)處理。該改進(jìn)的分級(jí)超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型采用了更符合實(shí)際情況的非等溫混合的處理方式，構(gòu)建了基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)考慮壓降的換熱網(wǎng)絡(luò)同步優(yōu)化綜合的MINLP數(shù)學(xué)模型。
　　(2)運(yùn)用GA/SA

4、進(jìn)行了復(fù)雜MINLP數(shù)學(xué)模型的求解。結(jié)合十進(jìn)制遺傳算法和模擬退火算法組合而成的擬并行遺傳/模擬退火算法，對(duì)所提出的考慮壓降的換熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解，并對(duì)初始解的產(chǎn)生、算子的設(shè)計(jì)、約束條件的處理進(jìn)行研究實(shí)現(xiàn)。通過(guò)兩個(gè)實(shí)例對(duì)本論文提出的同步綜合優(yōu)化方法進(jìn)行了驗(yàn)證，分別得出了年總費(fèi)用下降34.9％和3.2％的結(jié)論，證明了本文所提出的考慮壓降的同步綜合模型和基于GA/SA的求解策略能夠得出經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)的方案。將壓降因素與影響換熱網(wǎng)絡(luò)總費(fèi)用的

5、另外三項(xiàng)因素（換熱器個(gè)數(shù)、換熱單元面積、公用工程消耗）同時(shí)進(jìn)行考慮，經(jīng)過(guò)本文所提出的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化各流股的壓降值后，使得本文中的動(dòng)力費(fèi)用相比文獻(xiàn)中的分步綜合的動(dòng)力費(fèi)用分別下降了69.8％和19.1％，證明了在換熱網(wǎng)絡(luò)同步綜合中考慮壓降因素在動(dòng)力費(fèi)用上會(huì)有較大的節(jié)省。
　　(3)建立基于非等溫混合分級(jí)超結(jié)構(gòu)的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造MINLP數(shù)學(xué)模型。對(duì)本文所提出的考慮壓降的換熱網(wǎng)絡(luò)同步綜合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了改進(jìn)，增加了對(duì)于現(xiàn)有換熱匹配、現(xiàn)有換熱

6、匹配的換熱面積、各流股上動(dòng)力費(fèi)用等換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造問(wèn)題中所特有的描述，構(gòu)建了基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造的MINLP數(shù)學(xué)模型。將所提出的考慮壓降的優(yōu)化改造數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于計(jì)算實(shí)例，本文中的計(jì)算結(jié)果的公用工程節(jié)省相當(dāng)于文獻(xiàn)的78.0％，但是本文中的計(jì)算結(jié)果在面積方面的投資僅占文獻(xiàn)的35.9％。即本文所提出的考慮壓降的換熱網(wǎng)絡(luò)同步優(yōu)化改造的數(shù)學(xué)模型達(dá)到了用較少的投資費(fèi)用換取較多公用工程節(jié)省的目的，證明了本文所提出的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造數(shù)學(xué)模型