GA/SA同步综合优化换热网络与蒸汽动力系统

摘要

随着经济和科技的发展，人类对于能源的需求量越来越大，能源问题成为当前世界关注的重要议题。在过程工业企业向大型化、连续化和集中化发展的今天，以单元操作概念为基础的传统工业设计过程已不能满足当前的节能降耗要求，因此系统节能成为目前的主要研究方向。典型的过程系统划分为工艺子系统、换热网络（HEN）子系统和公用工程子系统，近年来大多数的研究集中在单一子系统的综合，对于多个子系统同步综合研究还较少，且在实际应用方面的能力仍有不足，相关研究还需进一步完善。本论文进行了如下研究:
　　(1)在Bruno等人提出的蒸汽动力系统(SPS)模型基础上考虑设备大小和操作条件影响的设备性能模型，建立更合理的蒸汽动力系统综合优化MINLP模型，并提出基于拟并行遗传模拟退火算法(GA/SA)的蒸汽动力系统优化设计方法。通过对一实例进行研究，结果表明基于GA/SA的蒸汽动力系统设计方法能够获得费用更低的设计方案。
　　(2)在尹洪超等人提出的换热网络（HEN）非等温混合分级超结构模型基础上，根据蒸汽等级的温位情况，建立了具有多种蒸汽需求的HEN超结构模型。联立第2章的蒸汽动力系统超结构模型，建立HEN与SPS的同步综合混合整数非线性规划(MINLP)数学模型。同步综合模型通过蒸汽的产生和需求关系式建立了两个子系统的准确联系，且在目标函数中直接由燃料价格计算系统操作费用，与分步综合模型相比，避免考虑复杂的蒸汽价格模型，能够实现全局系统的集成优化。
　　(3)提出GA/SA进行了复杂MINLP问题的求解。将复杂问题解由个体代替，通过对个体的搜索过程即问题优化求解的过程，实现了GA/SA进行全局系统的优化。在C语言平台上进行编程处理，研究并实现了初始解的产生、算子的设计、约束条件的处理。结合一实例对本论文提出的综合优化方法进行验证，结果表明同步综合模型和采用的GA/SA能够获得费用更低的方案。
　　(4)将基于GA/SA的HEN与SPS同时优化设计方法运用于多组分分离工艺流程的用能系统设计。相比于文献结果，所优化的方案能为企业带来较高的经济效益，表明本论文提出的全局综合优化方法在实际问题的运用中是有效的，可应用于中等规模的生产实践中。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 过程系统综合优化方法

1．1．1 启发式方法

1．1．2 热力学目标法

1．1．3 数学规划法

1．2 过程系统综合策略

1．2．1 分步综合策略

1．2．2 同步综合策略

1．3 拟并行遗传模拟退火算法(GA／SA)

1．3．1 GA／SA的发展

1．3．2 GA／SA的基本操作

1．3．3 GA／SA的基本步骤

1．4 用能一致性原则

1．5 换热网络与公用工程综合优化研究进展

1．5．1 换热网络综合优化研究进展

1．5．2 蒸汽动力系统综合优化研究进展

1．5．3 换热网络与蒸汽动力系统间同步综合优化研究进展

1．6 选题依据和研究内容

2 基于GA／SA的超结构蒸汽动力系统优化设计

2．1 蒸汽动力系统超结构物理模型

2．2 蒸汽动力系统综合数学模型的研究

2．2．1 锅炉设备模型

2．2．2 燃气透平设备模型

2．2．3 蒸汽透平设备模型

2．2．4 除氧器设备模型

2．2．5 其它约束条件

2．2．6 目标函数

2．3 GA／SA进行蒸汽动力系统结构和参数同步优化

2．4 实例计算

2．5 本章小结

3 基于GA／SA的超结构换热网络与蒸汽动力系统同步优化设计

3．1 具有多蒸汽等级的换热网络级间超结构模型

3．2 换热网络与蒸汽动力系统间同步综合数学模型的建立

3．2．1 约束条件

3．2．2 目标函数

3．3 GA／SA进行换热网络与蒸汽动力系统的优化设计

3．3．1 初始可行解产生策略

3．3．2 GA／SA进行换热网络与蒸汽动力系统同时优化过程算子设计

3．3．3 约束条件处理

3．3．4 GA／SA同时优化换热网络与蒸汽动力系统的步骤

3．4 实例研究

3．5 本章小结

4 换热网络与蒸汽动力系统同时优化设计方法在工程中的运用

4．1 问题背景

4．2 换热网络与蒸汽动力系统同步优化设计

4．2．1 换热网络与蒸汽动力系统设计参数的提取

4．2．2 GA／SA进行系统间同步优化综合结果

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

附表 公用工程设备费用计算表

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢