换热器可靠性模型及换热网络双目标优化

摘要

换热网络作为工业生产中不可或缺的系统，是节能降耗的重要突破口。换热网络的研究经过近60年的发展，从最初只优化换热器个数，传热面积和额外的公用工程用量来考虑经济性，逐渐地开始考虑其他方面的指标。例如，系统可靠性、柔性、可操作性和环境影响度等。但是同时优化三个及三个以上的目标约束条件多，求解模型复杂，计算非常困难。因此目前应用最多的是双目标优化模型。前人做了大量的关于换热网络经济性和柔性，或者经济性和环境影响双目标优化的研究工作，但是对换热网络的系统经济性和可靠性进行系统研究的比较少。而且前人在研究系统可靠性时往往把换热器单元可靠性视作常数，这和实际的工业生产情况严重不符。因此，本文先提出了考虑污垢生长的换热器可靠性模型，然后又建立了换热网络经济性和可靠性双目标优化的超结构模型，并将前者嵌入到后者中，取消了换热器在整个使用过程中可靠性为常数的不合理假设。具体的研究内容分为以下几个方面： （1）建立了换热器单元的事故树可靠性分析模型，考虑了换热器失效的各种固有因素，包括换热器的材质、耐腐蚀性和介质冲蚀等；同时为了考察物流的物性对换热器可靠性的影响，将污垢生长作为基本事件加入到事故树可靠性分析模型中。并将污垢生长周期进行阶段划分，分段求解换热器单元的可靠性，并对引起换热器失效的基本事件进行重要度排序，从而更有针对性的做好预防和改进措施。换热器单元可靠性的计算，是换热网络系统可靠性的计算基础。 （2）构建了换热网络经济性和系统可靠性的可分级分流的超结构模型，并且修正了换热器单元可靠性为常数的不合理假设。以及建立了考虑网络经济性和系统可靠性的换热网络综合混合整数非线性规划（MINLP）数学模型。经济性目标函数包括固定投资费用和操作费用。系统可靠性不仅和换热器的单元可靠性有关，还与换热网络结构中换热器的连接方式有关。本文用结构矩阵的方式搜寻换热网络中的最大不相关子系统，通过其中的换热器的个数和换热器的单元可靠性来计算系统的可靠性。 （3）应用算法优良的NSGA-II算法对构建的换热网络双目标优化综合MINLP问题进行求解。提出了初始可行解的产生机制，以及如何修复在迭代运算过程中出现的不可行解的策略。运用NSGA-II算法的快速非支配排序、拥挤度比较以及精英保留策略的优化原则，编制了相应的多目标优化程序。 （4）将构建的换热器单元可靠性模型和换热网络双目标优化模型相结合，对两个换热网络系统进行优化计算。分别得出系统可靠性随着时间的变化趋势以及每个阶段系统经济性和可靠性之间的关系。两个案例都表明系统可靠性随着换热器运行时间的增长越来越小，并且后期减小的速率越来越低，这和污垢生长后期变缓有关。通过和文献比较得出，案例1的经济性降低了2.47%，系统可靠性提高了127%；案例2的经济性虽然增加了2.71%，但系统可靠性也提高了127%。在小幅度牺牲经济性的情况下，可以大大提高系统可靠性，由此可以说明该换热网络双目标优化超结构模型的有效性。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 研究背景与意义

1.2 传统换热器可靠性研究

1.3 考虑污垢生长的换热器可靠性研究

1.4 换热网络优化研究进展

1.4.1 换热网络分步优化方法

1.4.2 换热网络同步优化方法

1.5 换热网络双目标优化算法

1.6 选题依据和研究内容

2 基于污垢生长模型的换热器可靠性事故树模型

2.1 换热器可靠性事故树模型

2.1.1 事故树分析法

2.1.2 换热器可靠性事故树模型的建立

2.2 换热器污垢生长模型

2.3 换热器可靠性案例分析

2.3.1 换热器初始数据

2.3.2 换热器可靠性计算及分析

2.4 本章小结

3 考虑污垢的换热网络经济性和可靠性双目标优化模型

3.1 可分级分流的换热网络超结构数学模型

3.2 约束条件

3.2.1 流股的质量和能量约束

3.2.2 换热器和公用工程约束

3.2.3 其他约束

3.3 目标函数

3.3.1 经济性目标函数

3.3.2 可靠性目标函数

3.4 用于优化换热网络双目标的NSGA-II算法

3.4.1 应用NSGA-II算法的换热网络模型可行解的产生

3.4.2 应用NSGA-II算法求解双目标模型的流程

3.5 本章小结

4 换热网络双目标优化的案例分析

4.1 案例1

4.1.1 案例1的物流数据和设定参数

4.1.2 案例1的优化结果及分析

4.2 案例2

4.2.1 案例2的物流初始数据和设定参数

4.2.2 案例2的优化结果及分析

4.3 本章小结

结论

论文创新点与展望

参考文献

附录A 符号说明

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书