低温过程多流股换热器网络柔性综合的研究

摘要

低温过程换热器网络大部分采用多流股换热器，由于传热温差小，在工程实践过程中，更容易受到操作条件变化带来的影响，因此低温过程换热器网络的柔性问题更为突出。目前大多数文献主要集中在双流股换热器网络柔性综合方面的研究，由于多流股换热器网络柔性综合问题的复杂性以及非线性数学模型全局最优解的求解难度，使得这方面的研究极富挑战性。本文为德国国家科学研究会DFG合作项目(多流股换热器网络最优设计、柔性分析和动态模拟)的子课题，主要的研究内容有以下几个方面： (1)通过对传热过程本质的热力学分析，提出了一种基于流股虚拟温度的T-H图以及多个操作点换热器网络的拓扑并集策略，建立了一个新的有效的多流股换热器网络柔性综合NLP模型。该模型的决策变量为流股的传热温差贡献值，有效地解决了由于低温过程传热温差小而难以选择的问题，并且该模型不需要超结构，没有0-1变量，采用流股虚拟温度的T-H图垂直匹配法解决了复杂的传热过程可行性约束问题，进化过程中的解均可行，从而显著地降低了多流股换热器网络柔性综合问题的复杂性，为大规模柔性多流股换热器网络综合问题提供了有效方法。 (2)提出了柔性多流股换热器网络换热器面积同步优化的方法。本文指出目前多流股换热器网络柔性综合存在着“过度综合”的问题，综合出的换热器网络设备投资费用较高，在换热网络运行时换热器面积相对过剩。因此本文以多个操作点换热器网络的拓扑并集策略构成的柔性多流股换热器网络的换热器面积为优化变量，重新分配换热器网络中换热器的面积，实现了换热器面积与柔性多流股换热器网络年度总费用的同步优化，有效地降低了柔性多流股换热器网络的年度总费用，克服了以往换热器网络柔性综合“过度综合”的问题。 (3)以更大的概率求取多流股换热器网络柔性综合问题的全局最优解。多流股换热器网络柔性综合问题本质上是求解混合整数非线性规划问题(MINLP)，其非线性、非凸以及不可微的特性使得目标函数存在多个局部最优解。本文将遗传/模拟退火算法应用到多流股换热器网络柔性综合及调优问题的求解过程中，提出了多流股换热器网络柔性综合以及换热器面积优化问题初始可行解的产生方法，设计了用于多流股换热器网络柔性综合及换热器面积优化问题的交叉算子、变异算子、保留父代良好信息的0CX算子、保持多样性的EC算子，引入了小生境技术、多种群进化机制，有效地提高了遗传算法的计算效率，能以更大的概率获得全局最优解。通过算例表明本文提出的方法对于解决柔性多流股换热器网络综合问题是有效的。 (4)本文以国内某乙烯装置脱甲烷塔前预冷系统换热器网络用能分析为例，针对低温过程换热网络的特点，提出了低温过程多流股换热网络综合的方法；同时利用本文提出的方法进行乙烯装置脱甲烷塔前预冷系统多流股换热器网络柔性综合。结果表明该方法对于大规模多流股换热器网络柔性综合问题是可行的，对工程实际问题具有一定的理论指导作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1文献综述

1.1换热器网络综合

1.2基于给定操作条件的换热器网络综合

1.2.1启发探试法

1.2.2数学规划法

1.2.3其他综合方法

1.3换热器网络柔性问题

1.3.1换热器网络柔性分析与改进

1.3.2换热器网络柔性综合

1.4换热器网络综合问题的复杂性

1.5多流股换热器网络综合

1.6本论文的研究范围及组织结构

2多流股换热器网络柔性综合

2.1换热器网络综合问题的柔性约束

2.2考虑等有效能损失分布的虚拟温度法

2.2.1传热过程的有效能损失

2.2.2虚拟温度法

2.2.3根据流股虚拟温度的T-H图综合换热器网络

2.3基于流股虚拟温度T-H图法的多流股换热器网络柔性综合

2.3.1换热器网络拓扑并集策略

2.3.2多流股换热器的合并规则

2.4多流股换热器网络柔性综合数学模型

2.5本章小结

3柔性多流股换热器网络的调优

3.1换热器网络过度综合的局限性

3.2柔性多流股换热器网络换热器面积优化

3.2.1问题的提出

3.2.2柔性多流股换热器网络换热器面积优化的步骤

3.3稳态多流股换热器网络模拟

3.3.1传热效率与传热单元数法

3.3.2多流股换热器网络模拟方法

3.3.3多流股换热网络模拟的收敛方法

3.4柔性多流股换热器网络换热器面积优化的数学模型

3.5本章小结

4遗传/模拟退火算法及其在多流股换热器网络柔性综合中的应用

4.1遗传算法和模拟退火算法概述

4.2遗传/模拟退火算法的实现过程

4.2.1问题的编码方式

4.2.2适应值函数的选取

4.2.3选择策略

4.2.4进化算子

4.2.5控制参数的选取

4.2.6结束准则以及最优解的确定

4.2.7小生境技术

4.2.8 EC算子

4.2.9 OCX杂交算子

4.2.10多种群并行进化机制

4.2.11遗传/模拟退火算法的步骤

4.3用GA/SA求解多流股换热器网络柔性综合问题

4.3.1基于GA/SA的多流股换热器网络柔性综合

4.3.2基于GA/SA的柔性多流股换热器网络换热器面积优化

4.4计算算例

4.5本章小结

5多流股换热器网络柔性综合在工程实践中的应用

5.1问题背景

5.2乙烯装置脱甲烷塔前换热网络系统的用能分析

5.3乙烯装置脱甲烷塔前预冷系统换热器网络综合

5.4乙烯装置脱甲烷塔前预冷系统多流股换热器网络柔性综合

5.5本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录 符号说明

攻读博士学位期间发表学术论文情况

博士研究生期间参与科研项目

致谢