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)化改造同屬于過程系統(tǒng)能量集成的重要研究領(lǐng)域，對于提高過程工業(yè)的能量利用率有重要的作用。其設(shè)計的合理性、可操作性、以及是否優(yōu)化對過程系統(tǒng)的能耗高低有重要的影響。在過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)用于實際過程工業(yè)系統(tǒng)并創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但是對于很多影響換熱網(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)劃方法仍然沒有對它們進(jìn)行全面

2、的考慮。因此，本文的研究內(nèi)容是以非等溫混合分級超結(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)過簡單的改進(jìn)應(yīng)用于對現(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)化改造這兩個主題，借助非等溫混合有分流的分級超結(jié)構(gòu)模型展開了如下的研究工作:
　　(1)建立了考慮壓降的以最小年總費用為目標(biāo)函數(shù)的換熱

3、網(wǎng)絡(luò)同步綜合數(shù)學(xué)模型。對Bjork和Westerlund提出的非等溫混合換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化綜合分級超結(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)來處理。該改進(jìn)的分級超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型采用了更符合實際情況的非等溫混合的處理方式，構(gòu)建了基于分級超結(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，并對初始解的產(chǎn)生、算子的設(shè)計、約束條件的處理進(jìn)行研究實現(xiàn)。通過兩個實例對本論文提出的同步綜合優(yōu)化方法進(jìn)行了驗證，分別得出了年總費用下降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)總費用的

5、另外三項因素（換熱器個數(shù)、換熱單元面積、公用工程消耗）同時進(jìn)行考慮，經(jīng)過本文所提出的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化各流股的壓降值后，使得本文中的動力費用相比文獻(xiàn)中的分步綜合的動力費用分別下降了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力費用上會有較大的節(jié)省。
　　(3)建立基于非等溫混合分級超結(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、各流股上動力費用等換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造問題中所特有的描述，構(gòu)建了基于分級超結(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)用于計算實例，本文中的計算結(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