基于Linux集群系统的乙烯裂解炉分布式并行优化

摘要

乙烯是石油化学工业中重要的基础原料之一，其产量和技术水平一直以来被作为衡量一个国家石化工业发展水平的标志。裂解炉是乙烯生产装置的关键组成部分，对裂解炉工艺流程的模拟和优化成为一种有效提高乙烯工业经济效益的辅助手段。由于裂解炉系统的复杂性，基于过程机理和严格物性计算的裂解炉数学模型具有大规模、非线性等特点，导致基于裂解炉机理模型的优化命题求解需要耗费大量时间，随着计算机科学技术的不断发展，利用并行计算技术提高此类优化问题的求解效率成为引人注目的热点。由于分布式计算的趋势，在并行优化领域的研究主要集中在开发大粒度的并行算法上，粒子群算法是一种重要的非数值并行算法，其优良的天然并行性为开发大粒度的并行算法提供了有利条件。本文以乙烯裂解炉分布式并行优化为研究课题，主要研究工作包括:
　　 (1)结合Kumar分子反应动力学和结焦动力学模型，基于拟稳态假设条件，建立了具有参数校正模块的SRT-Ⅲ型石脑油裂解炉辐射段运转全周期稳态工艺数学模型并进行了仿真，模型仿真结果与实际生产工况吻合，可以真实反映裂解炉的操作特性。
　　 (2)在比较各种并行计算机体系结构的基础上，利用Linux集群系统构建了高性能计算平台，给出了集群系统的具体设计方案。通过基于HPL(HighPerformanceLinpack)的集群性能测试结果，提出了对集群系统性能进改进的优化方法。
　　 (3)为满足开发大粒度并行算法的需要，提出了一种新的基于主从通信模式的并行协同粒子群优化算法(LPC-PSO)，提出的算法通过基于MPI消息传递接口的Linux集群系统并行实现，利用五个常用基准测试函数对其性能进行了验证，并研究了通讯周期和处理器数目对于并行算法性能的影响;仿真结果验证了算法的有效性和可靠性，尤其对于复杂的高维多模态函数具有较好的优化性能，并且表明通讯周期的选取对算法收敛性能有较大影响。
　　 (4)研究了裂解炉全周期内调整操作参数的一类优化命题，以裂解全周期内乙烯和丙烯平均收率和为目标函数，选取全周期内各拟稳态出口温度(COT)作为操作变量，建立了全周期操作优化模型，基于所建立的高性能计算Linux集群系统，利用LPC-PSO算法进行了分布式并行优化求解;与串行优化结果比较表明，对裂解炉进行分布式并行优化可以显著提高优化计算的效率，并且乙丙烯平均收率和比优化前提高了3.95％，表明对裂解炉实行全周期操作优化可以显著提高经济效益。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 乙烯裂解炉建模技术研究进展

1．2．1 裂解反应动力学模型研究现状

1．2．2 裂解炉辐射段炉膛传热模型

1．2．3 结焦动力学建模

1．3 乙烯裂解炉优化技术研究进展

1．4 并行计算及相关技术

1．4．1 并行计算机分类

1．4．2 并行开发环境

1．4．3 基于MPI的并行程序开发

1．4．4 集群系统及其性能测试

1．5 并行计算在化工模拟与优化中的应用

1．5．1 并行计算在化工模拟领域的应用

1．5．2 并行计算在化工优化领域的应用

1．6 并行粒子群优化算法

1．7 全文各部分内容及安排

第二章 裂解炉全周期稳态模拟

2．1 引言

2．2 SRT-Ⅲ型裂解炉简介

2．3 全周期工艺数学模型

2．3．1 基本假设

2．3．2 物料衡算模型

2．3．3 炉膛烟气温度分布模型

2．3．4 热量衡算模型

2．3．5 动量衡算模型

2．3．6 结焦动力学模型

2．3．7 模型求解策略

2．4 模型参数优化

2．5 模型验证

2．5．1 清洁管仿真及分析

2．5．2 结焦管仿真及分析

第三章 高性能计算集群系统的设计与实现

3．1 引言

3．2 集群系统硬件构成概述

3．2．1 系统节点说明

3．2．2 系统网络环境说明

3．3 集群系统软件架构概述

3．3．1 操作系统支持层

3．3．2 应用支持层

3．3．3 并行服务层

3．3．4 并行应用层

3．3．5 组件支持

3．4 MPI并行开发环境搭建

3．4．1 配置ZFS+NFS

3．4．2 配置RSH

3．4．3 配置NIS

3．4．4 MPICH安装

3．5 基于HPL的浮点数运算集群性能测试分析

3．5．1 Linpack与HPL概述

3．5．2 HPL算法介绍

3．5．3 HPL测试结果与分析

3．5．4 基于HPL测试的集群系统性能优化

第四章 双层并行协同粒子群算法

4．1 引言

4．2 标准粒子群算法

4．3 LPC-PSO算法

4．3．1 算法描述

4．3．2 探测种群进化策略

4．3．3 开发种群更新策略

4．3．4 LPC-PSO算法流程

4．4 仿真试验

4．4．1 测试函数

4．4．2 并行实验环境

4．4．3 实验参数设置

4．5 仿真结果

4．5．1 测试三种算法性能

4．5．2 测试通讯周期对LPC-PSO性能的影响

4．5．3 测试处理器数目对LPC-PSO性能的影响

第五章 乙烯裂解炉全周期并行操作优化

5．1 引言

5．2 石脑油裂解过程工艺参数分析

5．2．1 炉管出口温度参数分析

5．2．2 炉管入口流量参数分析

5．2．3 物料汽烃比参数分析

5．3 全周期操作优化模型

5．4 优化结果和分析

第六章总结和展望

6．1 主要成果

6．2 研究展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书