基于非支配排序遗传算法的换热网络多目标优化

摘要

换热网络是化工、炼油等过程工业中能量回收利用的重要系统，其设计水平的高低对过程系统的能耗和经济性有着重要的影响。随着换热网络的综合优化逐渐成为人们研究的热点问题，而现有的各类换热网络的综合方法都存在一定的缺陷和问题，因此，有待进一步深入研究。
　　归纳换热网络综合方法，主要分为分步综合法和同步综合法，夹点分析法是分步综合法的典型代表，它从能量角度进行分析问题，同步综合法主要用到的是数学规划法。分步综合法和同步综合法主要是从单目标角度实现换热网络的优化设计，为了更好的权衡各个子目标，本文从多目标角度，利用快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行换热网络综合并考虑对环境的影响，围绕这一主题，主要开展的研究工作如下:
　　1.基于换热网络超结构，建立了以投资费用、公用工程费用和环境影响为目标的换热网络多目标优化的混合整数非线性规划(MINLP)模型，模型中去除了等温混合假设和引入了温差修正系数，同时允许采用多公用工程，这样，使得建立的模型相比已有的文献中的模型更具一般性，但同时也更复杂。为了求解这一复杂模型，求解过程中分为结构优化和参数优化两大步进行，为了降低模型的复杂性和计算量，结构优化时采用了简化结构的启发式规则，参数优化时采用了能量回收最大化原则，建立了求解热负荷分布的线性模型。考虑到模型的非凸性，传统的多目标优化算法可能会失效，选取了随机搜索能力较好的NSGA-Ⅱ算法来实现换热网络的多目标优化。求解带多公用工程的问题时，仅在已有的方法的基础上增加了一个简单的带约束的非线性模型，并没有增加问题的难度。
　　2.考虑到环境质量越来越为人们所重视，提出了以温室气体排放量作为环境影响程度的衡量标准，这样在换热网络优化过程中可以兼顾能耗、经济和环境影响，使得对换热网络优化问题的研究更加符合当前形势。
　　3.借助于MATLAB-GUI设计平台，在已有的换热网络综合软件系统HenDesign的基础上，开发了基于NSGA-Ⅱ算法的换热网络多目标优化模块，并结合一个案例介绍了软件的具体功能设计和操作步骤，丰富了软件系统HenDesign的内容。
　　4.根据建立的模型和提出的方法，对两个简单案例和一个工程案例进行了换热网络的综合优化，其中有一个案例带有多公用工程。每个案例均获得了令人满意的结果，其中各个案例中得到的Pareto前沿，清晰明了的显示了各个目标间的关系，从单目标角度看，得到的年度总费用最低的结果相比其他文献的结果较优。总的来说，案例结果证明了所提出的方法的有效性和可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 换热网络综合优化的研究状况

1．2．1 分步综合法

1．2．2 同步综合法

1．3 换热网络多目标优化

1．4 多目标优化算法

1．4．1 传统多目标优化算法

1．4．2 多目标进化算法

1．5 研究内容

1．6 论文创新点

第2章 换热网络多目标优化模型的建立

2．1 换热网络超结构

2．2 约束条件

2．3 目标函数

2．3．1 常规目标

2．3．2 环境目标

2．4 本章小结

第3章 利用NSGA-Ⅱ求解换热网络多目标优化问题

3．1 NSGA-Ⅱ的相关理论

3．1．1 快速非支配排序

3．1．2 拥挤度

3．1．3 NSGA-Ⅱ算法主流程

3．2 遗传算法基本操作

3．3 换热网络初始群的产生

3．3．1 换热网络模型中约束条件处理

3．3．2 初始解的产生

3．4 NSGA-Ⅱ算法优化换热网络集成问题的具体过程

3．5 本章小结

第4章 基于MATLAB的换热网络优化软件设计

4．1 概述

4．2 软件系统总体构架

4．3 具体功能设计

4．3．1 数据输入

4．3．2 数据处理

4．3．3 数据输出

4．3．4 图形输出

4．4 本章小结

第5章 应用案例Ⅰ

5．1 案例一

5．1．1 问题描述

5．1．2 利用NSGA-Ⅱ算法对换热网络进行优化

5．2 案例二

5．2．1 问题描述

5．2．2 利用NSGA-Ⅱ算法对换热网络进行优化

5．2．3 多公用工程的选择以及结果比较

5．3 本章小结

第6章 应用案例Ⅱ

6．1 问题描述(5×4网络)

6．2 利用NSGA-Ⅱ算法对换热网络进行优化

6．3 本文结果及与文献结果的比较

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

符号说明

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果