换热网络集成与优化研究进展

首先回顾了上世纪80年代初期提出的以夹点技术和数学规划法为代表的经典换热网络集成优化方法,进而分别论述了近期换热网络集成优化的主要进展,包括考虑压降、结垢和换热器详细设计等实际问题的换热网络集成优化方法;针对不断升级的环境问题,考虑全生命周期分析、二氧化碳捕集和水系统的换热器网络集成优化方法;以及为进一步提升能量利用效率,将换热网络的边界扩展至多个装置,甚至工业园区的能量系统优化方法。最后展望了今后换热网络集成优化的发展趋势与方向。     

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...     

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]。     

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...     

一种新的用于换热网络全局优化的强制进化随机游走算法

应用启发式方法在换热网络全局优化上的优点,提出了一种全新的强制进化随机游走算法(random walk algorithm with compulsive evolution,RWCE),算法以目标函数减小为强制方向,通过各换热单元面积的随机扩大或缩小,同时实现了整型变量(换热单元数)和连续变量(换热单元面积)的同步优化。另外,算法能够以一定的概率选择接受差解,使其具备极强的跳出局部最优解的能力和全局搜索能力。算例验证表明,RWCE算法相比于其他启发式方法具有程序简单、更易实现、算法适应性及全局搜索能力更强的优点,使优化质量得到进一步提升。     

一种新的用于换热网络全局优化的强制进化随机游走算法

应用启发式方法在换热网络全局优化上的优点,提出了一种全新的强制进化随机游走算法（random walk algorithm with compulsive evolution,RWCE）,算法以目标函数减小为强制方向,通过各换热单元面积的随机扩大或缩小,同时实现了整型变量（换热单元数）和连续变量（换热单元面积）的同步优化。另外,算法能够以一定的概率选择接受差解,使其具备极强的跳出局部最优解的能力和全局搜索能力。算例验证表明,RWCE算法相比于其他启发式方法具有程序简单、更易实现、算法适应性及全局搜索能力更强的优点,使优化质量得到进一步提升。     

考虑热集成的用水网络优化

提出了新的同时考虑间接传热和混合传热的热集成转运模型,并与用水网络超结构NLP模型结合以求取ΔTmin＝0℃时用水网络的公用工程目标。新转运模型与以往的模型相比变量数和约束方程数都大大减少。进一步,针对现有综合方法ΔTmin不可调的局限性,采用改进的换热网络转运模型,提出了区分处理混合传热和间接传热的综合方法。该方法不仅可以得到优化的公用工程费用和换热匹配数,而且与传统的方法相比可以调整ΔTmin,得到更合理的换热网络结构。算例表明,结合新转运模型的NLP模型与结合改进转运模型的综合方法都要优于以往的模型和方法。     

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。     

基于新策略粒子群算法优化换热网络

换热网络综合优化是过程系统中最广泛研究的方向。尽管如此,MINLP的复杂性给粒子群算法的应用提供了广泛的空间。首先,提出两种不同机理的局部搜索策略来完善粒子群算法作为启发式算法局部搜索能力不强和精度不高的问题,使算法能更有利地接近全局最优的局部极值。其次,对含固定投资费用的算例,采用费用计算替换公式的策略,来避免迭代计算初期面积较小时因为固定投资费用权重较大而使算法陷入局部最优问题。最后用4个四股流算例分别从不同侧面说明以上两种策略的有效性,并都得到了该算例目前为止最好的局部极值。     

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。     

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。     

基于新策略粒子群算法优化换热网络

换热网络综合优化是过程系统中最广泛研究的方向。尽管如此,MINLP的复杂性给粒子群算法的应用提供了广泛的空间。首先,提出两种不同机理的局部搜索策略来完善粒子群算法作为启发式算法局部搜索能力不强和精度不高的问题,使算法能更有利地接近全局最优的局部极值。其次,对含固定投资费用的算例,采用费用计算替换公式的策略,来避免迭代计算初期面积较小时因为固定投资费用权重较大而使算法陷入局部最优问题。最后用4个四股流算例分别从不同侧面说明以上两种策略的有效性,并都得到了该算例目前为止最好的局部极值。     

典型石化工艺装置换热网络模型的全局优化策略

在石化节能的工程实践中,由于冷物流分流限制,石化工艺装置中存在一类单一冷物流被多条热物流加热的问题。针对这类典型的石化工艺过程换热流程优化模型存在陷入局部最优解或无解的困境,提出利用凸化非凸项技术,将非线性规划问题转化为凸规划问题。通过逐段线性化的方法松弛原有可行区间,并依据上下界差异确定分段数值,最终得到目标函数的全局最优解。以延迟焦化装置的换热网络为例,计算结果显示采用全局优化策略计算的结果更优,减少约3.4×10~6 CNY×a~(-1)。     

应用夹点技术实现换热网络的优化

文章首先介绍了过程能量综合方法夹点技术的基本原理,后在对东北某石化厂常压装置模拟的基础上用夹点技术对其原油换热网络进行了节能改造优化。改造后的换热网络同原有的换热网络相比,节省了加热炉需提供的部分热量,从而节省了大量的燃料油,同时冷却负荷量也降低相同数量,避免了公用工程的双重浪费;而且本着利旧的原则充分利用了现有闲置的换热器;各段和全局的传热温差变化比较均匀,同时换热网络的总传热系数也得到较大提高。     

基于换热网络集成的二甲苯分离精馏塔参数优化

精馏是化工过程中重要的耗能设备,其产品温度的改变将影响换热网络的集成.针对二甲苯分离吸附的实际生产过程,利用复合曲线系统分析精馏塔DA604塔压增大至170kPa及230kPa后塔顶和塔底产品流股温度改变对换热网络的集成和公用工程消耗量的影响,可实现精馏塔操作与换热网络的同步集成,相较与之前只考虑流股温位对换热网络的影响更加全面.结果表明,该精馏塔的塔压由110kPa增至170kPa时,系统的冷却公用工程用量增大1765.0kW,加热公用工程量减少1948.5kW,无需消耗加热公用工程;压力由110kPa增加至230kPa时,系统冷却公用工程用量增大4964.1kW,加热公用工程用量节省共计8172.4kW,此时加热公用工程用量减小为0且可在高温段向外界供给6223.9kW热量.该分析结果与夹点法的计算结果相同,由该结果可得普适性结论,当精馏塔塔顶塔底出口物流均为源时,增大塔压,系统加热公用工程减小,冷却公用工程增加,整体上有利于系统的节能.     

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。     

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。     

基于蒙特卡罗微分算法优化大规模换热网络

在换热网络数学模型及分级超结构基础上,提出蒙特卡罗结合微分进化算法,双层优化换热网络。外层利用蒙特卡罗算法全局范围内搜索最佳的换热网络结构;内层用微分进化算法优化换热器面积;通过设定合理的预期换热器个数,控制Grossmann超结构下产生换热器的个数,不但能提高求解效率,而且可以有效地解决大规模换热网络问题。最后,算例结果表明,基于蒙特卡罗微分算法能保证在全局搜索能力的前提下,混合求解策略能够获得较优的结果。     

集成强化传热的换热网络优化方法研究与应用

针对某炼化企业的常减压装置,利用Aspen Plus软件模拟了装置与换热网络现状,找到影响装置高效运行的换热瓶颈,并对现有换热网络的热流量进行了优化。建立了利用强化传热技术优化换热网络的方法,并在实际案例中应用,发现采用强化传热技术后,需要新增换热面积大大下降,一些换热器不需要新增换热面积既能满足新工况的需求。     

过程工业蒸汽-凝结水-换热网络协同集成优化

针对传统蒸汽作为公用工程只利用潜热部分的不足,提出蒸汽潜热和显热与工业企业换热网络同步集成的新思路,建立同步集成优化的超结构和数学规划模型,获得总费用最小的换热网络匹配及蒸汽系统设计方案,并通过案例对比,得到总费用节省12%的优化效果。