一种基于优选匹配原则的换热网络分步优化方法.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123159
一种基于优选匹配原则的换热网络分步优化方法
彭富裕,崔国民,万义群,李智川
上海理工大学新能源科学与工程研究所上海200093
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摘要针对大规模复杂换热网络优化综合中存在可操作性、计算效率及优化质量的矛盾,提出优选匹配原则与确定性优化相结合的分步优化方法。以费用为匹配的目标函数,通过对单股流体的优选匹配,生成初始的换热网络优化结构,并以此为寻优的初始点,结合确定性优化中的Powell方法进一步优化换热网络面积参数。通过优化算例证明,该方法在提高换热网络优化计算效率的同时也可以保证不错的优化质量。
关键词换热网络综合(HENS);分步优化;优选匹配;Powell法
0 前言
在能源问题日益突出的当今世界,换热网络综合(HENS)方面的相关研究对石油、化工、冶金等工业领域的节能环节有着重要意义。换热网络综合即在满足目标出口温度的前提下,充分利用工艺物流的能量,使系统回收的能量最大或投资运行费用最小。
针对换热网络综合的优化方法主要可分为热力学方法和数学规划法。窄点技术最早由Linnhoff[1]等提出,这种热力学优化方法具有物理意义清晰,简单易操作等优点,但也存在无法得到全局最优解的不足。1983年,Cerda[2]建立了适用于换热网络综合问题的数学模型,使得数学规划法在换热网络优化问题中的应用得以实现。理论上,确定性方法的寻优过程以优化函数的性质为基础,一步一步逐渐收敛于全局最优解,但其计算过程却受到网络规模的限制,对于大规模的问题很难求解。这是由于随着换热流体数目的增加,换热网络的结构数量也呈几何级数增加,产生严重的非线性及非凸性等问题。
优化效率和优化质量是评价换热网络优化方法的两个重要指标。在小型网络的优化中,同步方法可以较好地满足这两个要求,但对复杂的网络结构并不适用。分步优化方法的基本思想是将复杂系统或者繁琐优化过程分解成多个相互关联的子系统或子问题,使得复杂过程得到简化,在此基础上实现优化目标的最优。这种方法可以大幅度提高计算过程的效率,符合大规模换热网络的优化特点,一旦其求解质量也能够得到保证,将有望解决以往复杂换热网络中可操作性、优化效率及优化质量三者间的矛盾问题。
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51176125);上海市人才发展基金(2009022);教育部博士点基金(200802520007)。
因此,本文针对大型复杂换热网络的优化问题,提出一种采用优选匹配原则对复杂换热网络初始结构进行优化,再以此结构作为确定性方法的初始寻优点,进一步提高优化质量的分步优化方法,有助于解决大规模复杂换热网络的优化问题中所存在的优化效率与优化质量不能同时兼顾的难题。
1 换热网络优化数学模型
换热网络模型
在描述换热器网络的诸多结构模型中[3],尤以Grossmann[4]在线性化分解算法的基础上提出混合整数非线性规划(MINLP)的超结构模型最为经典。以2股热流体,3股冷流体为例,其无分流的换热网络分级超结构如图1所示。其中每条水平线代表一股流体,箭头代表流体的流动方向,表示热流体,表示冷流体,两个“○”以及他们之间的纵向连线表示一个换热器,即与该换热器相连