换热网络多目标综合优化算法研究进展

资源和能源的可持续发展使得换热网络综合不仅要考虑经济性,同时要满足柔性、可靠性、可操作性和环境影响度等指标的要求。目前,换热网络多目标综合的研究有了初步进展并引起了广泛关注。本文阐述了进行换热网络多目标综合的必要性并总结了相关研究。重点对常用的多目标优化算法作了总结和对比,综述了其在换热网络多目标优化设计中的应用进展。研究表明,传统多目标算法越来越无法满足复杂模型的求解,而多目标进化算法可以很好地求解换热网络综合多目标优化问题,其中NSGA-Ⅱ算法是目前应用最广的有效算法。提出尝试NSGA-Ⅱ等多目标进化算法,基于超结构建立包括经济性、柔性、可靠性、可操作性和环境影响度等在内的换热网络多目标综合模型,给出Pareto最优解集合供决策者选择是未来的研究方向。     

考虑本质安全的换热网络多目标优化

由于国内外重大化工事故的频发及化工行业节能降耗的需求日益迫切,研究本质更安全的换热网络多目标优化具有重要意义。采用评价指数的方法,对换热网络的本质安全易爆性、毒性、存量进行量化表征。采用数学规划法分别建立换热网络经济与本质安全易爆性、毒性、存量同步优化数学模型。采用归一化法构建经济和安全的目标函数。通过算例研究发现,考虑易爆性,倾向于不易爆流股间换热,减少易爆流股换热次数;考虑毒性,倾向于减少有毒流股流经换热器的次数;考虑存量倾向于减少换热网络的总存量。最后综合考虑易爆性、毒性、存量作为安全指标与经济同步优化,通过算例研究表明,多目标优化的最优换热网络在很大程度上取决于经济权重的选取。     

基于Aspen Plus和NSGA-Ⅱ的隔壁塔多目标优化研究

以年总操作费用(TAC)和再沸器负荷为目标,提出了基于遗传算法NSGA-Ⅱ的优化方法,并将该方法应用于BTX分离隔壁塔的优化设计。首先应用Aspen Plus软件建立了BTX分离工艺的隔壁塔Radfrac两塔模型,并在Matlab平台上,通过MAP接口工具箱实现Matlab对Aspen Plus的操作与控制,同时Matlab调用NSGA-Ⅱ进行优化,完成种群大小为600、遗传代数为28的模拟过程,得到了10组Pareto解。研究表明,对于Pareto解分布,气相分配量βg、液相分配量βL、侧线抽出位置NS和液相分配位置NL基本不变,进料位置NF、预分馏塔板Nj和主塔板数Ni存在一定的线性关系。     

基于HYSYS和NSGA-Ⅱ的常压塔多目标优化

研究了炼油工业中常压塔单元的最优操作问题,通过流程模拟软件HYSYS模拟常压塔静态模型,并利用改进非支配排序遗传算法（elitist non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-Ⅱ）来求解效益-能耗多目标问题,从而得到一组最优操作条件Pareto解集,结果表明在保证各产品质量的前提下,常压塔全塔的经济效益还可以提高。     

基于改进NSGA-Ⅱ算法的FCC分离系统多目标优化

应用流程模拟软件HYSYS对某炼厂65万吨/年重油催化裂化装置进行全流程模拟。以最大目的产品（汽油+液化气）收率与最小分离系统能耗为优化目标,采用改进的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）对FCC分离系统进行多目标优化。通过对决策变量的择优选取、最优算法参数的研究（包括种群规模、P_c与P_m自适应策略、遗传代数）、最优点的决策建立了一套缜密的多目标优化方法。优化结果显示,目的产品（汽油+液化气）收率提升4.32个百分点,分离系统能耗降低16.88%,为FCC分离系统的操作变量优化提供了重要的数据支持与优化建议。     

分流约束下换热网络的面积目标

基于组合线能量分区的概念,提出分流约束条件下换热网络的面积目标计算方法.结果表明,当传热膜系数差别小时,分流结构具有较小的面积目标;而当传热膜系数差别大时,则分流受约束的网络结构也可具有良好的面积目标.     

洗化厂换热网络优化

对某洗涤剂化工厂脱氢Ⅰ装置换热网络利用夹点方法进行了节能分析及优化设计。新的换热网络较原换热网络减少原换热网络中需热负荷和冷却负荷。避免了公用工程的双重浪费,达到降低操作费用的目的。     

智能法合成最优换热网络

本文给出了合成最优换热网络时物流匹配换热的规则,结合设计实践和生产经验制定出物流匹配换热的人工智能图表,给出了合成步骤.依此,不必反复迭代调优,而用解析的方法一次就可以合成最优或接近最优的换热网络.经过大量实例考核,取得了令人满意的结果.     

反应器网络多目标综合优化

通过反应系统综合优化获得经济效益好、对环境友好的反应系统是大多化工厂提高全流程整体经济和环境性能的重要手段。反应器网络综合优化方法主要包括可得区法、导数分析法、超结构优化法、目标类法、经验推断法和分布参数法等,然而却很少有文献报道对反应器网络进行多目标综合优化。由于过程中往往存在多个相互冲突的目标函数,所以仅仅依靠单目标对反应器网络进行综合优化已显得不合适。本文采用分布参数法建立多目标优化模型,目标函数为经济最大化和环境影响最小,并采用非支配排序基因算法(NSGA-Ⅱ)进行优化得到Pareto最优解集。     

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。     

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。     

应用于换热网络优化的并行双层RWCE算法

换热网络规模越大,其解空间内极值点呈指数性增长,优化时不仅要求算法具有强大的全局寻优能力,局部解空间的高精度搜索也不可或缺。鉴于强制进化随机游走算法(RWCE)优化换热网络时难以兼顾局部搜索能力、易导致遗漏最优解的现象,同时为增大算法优化大规模换热网络的种群数量,本文将精细搜索和并行计算相结合提出了并行双层RWCE算法。算法基于多核并行技术,通过并行线程分配建立基础层和精细层,基础层在并行计算技术加持下,算法全局搜索能力大幅提升,精细层将基础层当前最优解实时精细搜索,避免了原算法差解代替优解现象。最后通过两个算例进行验证,结果表明并行双层RWCE算法不仅具有更强的全局搜索能力,且兼具高精度的局部搜索能力,在优化进程中有效保护了最优解。     

常减压蒸馏装置换热网络优化

常减压蒸馏装置作为原油的一次加工装置,在原油加工总流程中占有非常重要的作用。常减压装置的耗能约占炼油厂所用能量的10%～20%,优化设计常减压装置的换热网络结构,最大限度地回收热量,具有非常重大的意义。利用夹点技术对常减压蒸馏换热网络进行分析,对我国某常减压蒸馏装置进行换热网络优化。     

甲基叔丁基醚装置的换热网络优化

采用了夹点技术对MTBE装置的现有换热网络进行了节能研究。分别计算出换热系统的夹点温度、最小传热温差以及最小公用工程负荷。找出了现有换热网络中存在的问题。通过对换热网络的分析和优化改造,实现了装置的节能减耗。改造后热公用工程消耗为63.3 kW,节能82.8%;冷公用工程的消耗为103.1 kW,节能73.7%。     

随机搜索算法在换热网络优化中的应用进展

随着对能源利用率要求的不断提高,换热网络的优化已引起了人们的高度重视。本文综述了国内外应用随机搜索算法处理换热网络优化问题的最新研究进展,分析了当前应用较多的4种随机搜索算法：遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法、禁忌搜索算法。阐述了这些算法各自的优势和尚待改进的问题,指出将不同算法结合起来解决大规模的换热网络优化问题是今后的研究方向。     

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。     

多管程换热器换热网络的合成

Many methods have been proposed for synthesis of heat exchanger networks in recent years, most of which consider single pass exchangers. In this study some evolutionary rules have been proposed for synthesis of multipass exchanger networks. The method is based on the heuristic that optimal networks should feature maximum energy recovery and have the minimum number of shells. The effectiveness of the developed evolutionary rules is demonstrated through some literature examples.     

考虑热泵设置的换热网络分步改造及其多目标优化策略

为了研究热泵设置对换热网络系统节能和CO₂减排的综合影响,建立了以换热网络年度化的改造费用和新增CO₂排放量最小为目标的多策略分步改造的多目标优化模型。以酮苯脱蜡装置的换热网络改造为例,阐明了本文所提方法的有效性,并获得了经济性和CO₂排放量目标权衡的Pareto曲线。本文还对热泵在换热网络中的设置位置进行了讨论,对比和分析了换热网络优化、热泵设置和燃料替换3种改造策略的经济性、减排效果以及节能效果。该方法可为过程工业系统的节能和CO₂排放控制策略的制定提供理论依据。     

基于流程模拟的合成氨工艺换热网络优化

采用流程模拟等软件,对现有合成氨装置进行用能优化分析,提出节能改造方案,初步确定节能工艺流程图、物料与能量衡算、换热设备条件,为方案的制定提供节能思路,为方案的实施提供设计基础。     

换热网络的优化改进和控制

通过对换热网络的定性分析提出了换热网络优化改进的4条规则：①控制变量应对调节变量反应灵敏；②选择的调节变量数应小于或等于控制变量数；③一组控制变量应有一组调节变量相匹配；④如果在标准操作条件下现有换热网络是最佳的，而且改进过程中对它做最小的改变就使换热网络适合当前的或多周期操作条件, 那么该改进费用一定是最小的，因此这种改进就是最佳的.根据上述规则，结合换热网络的灵敏度分析建立了换热网络优化改进及控制的数学模型和求解方法，给出了换热网络优化改进的步骤，通过实例计算及应用证明本文所提方法正确、可靠、有效，可在解决实际工程问题中使用.