（热能工程专业论文）换热网络与蒸汽动力系统的综合优化.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 我国的能源供应短缺，长期处于紧张状态，而鼠能源利用率与发达国家相比差距很 大，这些严霪缝紊缚了藩琵经济懿夏游发震，节鼹辫蕤已是大势骚憝。簿甄造瓣王监匏 能耗一直鼹发展生产技术，提高产品市场竞争能力的重要组成部分。特别是能鬣密集程 度很高的抉热网络更是其中之最，因此，优化换热网络结构，最大限度的回收热量，意 义重大。 本文主器扶以下方灏进行了研究： ( 1 ) 采用顶层分析法对蒸汽动力系统的优化进行了深入研究，并引入剩余热负荷转 化途径效窭的概念。通过对乘4 余热负葡转化途径的效益分板，确怒了过程节能改造所造 成魏多产少麓蒸汽，对蒸汽臻力系统蒸汽平餐戆影麓。簌毳蹿羧熬溺缮子系统虢饶亿 改造提供了有效的评价方法。同时，针对实例进行了舆体分析。 ( 2 ) 由- t - 工程最优化问题的复杂性，传统的最优化方法一般很滩求解。本文在研究 遗传算法耱壤数退火算法豹基醚上，对遗俦算法的赣予进行了改遴，著与模羧邋必算法 相结合，肖效的防止了邋旱收敛的缺陷，加速了焉期的牧敛速度。 ( 3 ) 以豳内某炼油厂的常减压蒸馏漩置的换热网络为工程实例，进行了换热网络综 合、优化。建立了较为毙蔷的数学模避，强化了变爨约束，有效的减少了换热网络舱 飙模，麓纯了阉蘧。藩溜镪系静缰戚卡分复杂，惫含靛纯舍耱释黉数班万诗，确甥组 成难以确定，本文利用大型化工模拟软件a s p e np l u s 对整个常谶压蒸馏装置进行了模 拟。为现场换热网络的优化奠定了基础。应用遗传模拟退火算法编制程序进行计算， 褥到最饶羧热网络缝载波最，l 、每公用王程爨震。蘩鼹瓣余熬受蕊转伍途经效率法黠方案 进行经济效益评价，所得方案是完全可行的。与采用工程计算软件h e x t r f i n 所得到的 结果相比，采用遗传模拟退火算法所得结果更优。 关键询：遗传模拟邋火算法；顶层分析法；剩余热负荷；途径效率；换热网络 换热阿络尚蒸汽动力系统的综台优化 t h e s y n t h e s i so p t i m i z a t i o n o fh e na n ds t e a m p o w e rs y s t e m a h s t r a c t t h ee n e r g yr e s o l l r c e ss u p p l yi sh a r du pi no u rc o u n t r y , o v e ra l o n gp e r i o do f t i m e ，i ti si na l a c k i n gc o n d i t i o n t h ec o n s u m p t i o no f e n e r g y u t i l i z a t i o nf o r s i n g l ep r o d u c t i sg r e a t e rt h a nt h a t i nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，w h i c hi st h eb a f f l ef o rt h ed e v e l o p m e n tc o n s u m p t i o no f t h en a t i o n a l e c o n o m y s os a v i n g a n d c u t t i n g d o w nt h ec o n s u m p t i o no f e n e r g yi st h ec l e v e rb e h a v i o r , r e d u c i n g t h ec o n s u m p t i o n o f e n e r g y c a n p r o m o t e t h ec o m p e t i t i v e a b i l i t yo f t h ep r o d u c t i o n 。 p a r t i c u l a r l y , t h e h e a t e x c h a n g e r n e t w o r k si nw h i c h e n e r g y i 8c o n c e n t r a t e dm o s tc o n s u m e r st h e g r e a t e s tq u a n t i t y t h e r e f o r e ，i t i sv e r yi m p o r t a n tt h a tw es h o u l do p t i m i z et h eh e a te x c h a n g e r n e t w o r k sa n d r e c y c l ee n e r g y a sm u c ha swec a n ， 镌ep a p e rh a sw o r k e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h ep a p e r h a ss t u d i e dt h e o p t i m i z a t i o no f s t e a m - p o w e rs y s t e m ，a n d i n t r o d u c ea c o n c e p t w h a t st h ee f f i c i e n c yo f t h es u r p l u sh e a tl o a dt r a n s f o r mp a t h i na c c o r d i n g t ot h ep r o f i to f s u r p l u sh e a t1 0 a d t r a n s f o r m p a t h , w e c a nc e a a i nt h es t e a mb a l a n c ev a r i a t i o ng e n e r a t e db yt h e r e t r o f i ti np r o c e s se n e r g ys a v i n g ，w h i c h o f f e ra ne f f e c t i v ee v a l u a t i o nm e t h o dt ot h eh e n s u b s y s t e m r e t r o f i t a tt h es a t n et i m e ，t h ep a p e ra n a l y z e sa l le x a m p l e ( 2 ) b e c a u s e o f t h e c o m p l e x i t y o f t h e p r o j e c to p t i m i z a t i o np r o b l e m ，t h e t r a d i t i o n a l o p t i m i z a t i o n m e t h o dc a nh a r d l yb eu s e dt os o l v e ，o n 妇b a s i so f r e s e a r c ho f g a a n ds a , t h e p a p e r h a si m p r o v e dt h eg e n e t i co p e r a t o ra n dc o m b i n e d g aa n d s a ，w h i c hp r e v e n t sp r e c o c i o u s c o n v e r g e n c ee f f e c t i v e l y a n da c c e l e r a t e st h er a t eo f c o n v e r g e n c e f 3 1f o rh e n o f a m a o s p h e r i ca n d v a c u u md i s t i l l a t i o nu n i ti ns o m eo i ir e f i n e r y ，t h ep a p e r h a s s y n t h e s i z e d a n d o p t i m i z e d t h eh e n 。骢臻p a p e rs e t su pac o m p t e t em a t h e m a t i cm o d e la n d r e 沁f b r c e s 龇c o n s t r a i n l w h i c h r e d u c e s t h e s c a l e o f h e n a n d s i m p l i f i e s t h e q u e s t i o n t h e p e t r o l e u ms y s t e m i sv e r y c o m p l i c a t e d ，w h i c h i n c l u d e st h o u s a n d so f c o m p o u n d s ，a n d i t se x a c t c o m p o n e n t s a r ed i f f i c u l tt od e f i n e s ot h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo f a s p e n p l u si sa p p l i e dt o s i m u l a t e t h e w h o l e a t m o s p h a r e - v a c u u m d i s t i l l a t i o n p r o c e s s o f t h e l o c a l e ，w h i c h e s t a b l i s h e d t h e f o u n d a t i o no f t h eo p t i m i z a t i o no f t h el o c a l eh e n 硼1 ep a p e r m a k e sa p r o g r a mb y ( 玉v s a ，a n d a c h i e v e st h eo p t i m i z a t i o nf l a m eo f 髓n a n dt h el e a s tu cc o s t t h ep a p e re s t i m a t e st h ep r o f i to f m ed l a no nt h ee f f i c i e n c yo f t r a n s f o r mp a t hm e t h o d o f t h es u r p l u sh e a tl o a d , a n dm a k e ss u r et h e p l a ni sa v a i l a b l e ，c o m p a r i n gb y t h er e s u l to f a p p l y i n gt h ep r o j e c ts o f t w a r eh e x t r a n , t h e r e s e t b y g a s ai sb e t t e r k e yw o r d s ：g a j s a ；t o p - l e v e l a n a l y s i s ；s u r p l u sh e a tl o a d ；p a t he f f i c i e n c y 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：日期： 2 矿，6 大连理工大学硕士学位论文 l 文献综述 j 1 弓| 言 大型恍工豉石浊化工企妲鲍全届过穆系统般可分为工艺过程、换热爨终秘公用工 程三个子系统。其中公用工程系统向各过程提供所需的动力、电力、热能和蒸汽等 公溪工程，瑟换燕网络筋饶纯与否燕公露工程麓沓合理静效熬撬供动力懿关键。霹时公 用工程系统本身也是过程工她中的耗能犬户，它的优化设计和节能改造具有很大的节能 潜力，对全两系统的能量和厢奉和经济性其有重凑影响。 以蒸汽动力为主的公用工程系统是最舆型的热能系统之一，它可以是简单的电站朗 肯循环系统；也可以是与生产工艺系统和热回收网络系统相结合的复杂的公用工程系 绞。对子后者，其任务是患整产工芑系统疆珙爨震要懿凌力帮工艺蒸汽，并囊热固收霹 络提供不同压力和温位的热、冷公用工程。公用工程系统的典趔单元主要有锅炉( 包括 疲热锈耆声) 、箨释透平辊缀、吾秤换熬器( 包括冷凝器、麓氧释等) 及萁稳辅麓蕈元。 所有这始单元可以组成一个玎行的系统结构，以满足公用工程的需求。 对于这样个蒸汽动力系统综合优化问题，其优化工作的实质是优纯选择公用工程 蓉绞的滚程结槐和参数，以满足工蕊过程謦珏换热网络的用2 要求，亦即合理旺配公用工 程等级，合理选择和布置锅炉( 包括废热锅炉) 、各种透平机组、各种换热设备( 包括预热 嚣、聪巍器、冷凝器簿) ，苏及确是躐渥藏匿器、泵、管线等篡它耱韵设备奁公照王程 祭统中的相对位置，使公用工程系统年度费用最低。 在颓的过程系统设诗中通常采蠲由内及步 依次设计煎方法，帮在工艺过程及挨热丽 络确定后再设计蒸汽动力系统，称为洋葱模型。，现已开发出了许多能量集成和优化设 计方法”。识这种由下及上的方法( b o t t o m - u p - p h i l o s o p h y ) 用于现有系统的过穰扩 产帮节g 改造龆毒缀大豹局限性。海挖，z h uxx “+ 7 1 等人提友了鼓缝滂费鼹戈曩椽戆 全局公用工程系统分析方法，即顶层分析法( t o p l e v e l - a n a l y s i s ) 用途经效率n 寒翔舔备释用髓途径翡往劣，透过n 与各瓣效率瀚 l 较，确定获褥最佳霜煞或发电效益 的途径，从而确定公用工程系统与全局的用能优化方案。 途径效率n 的表示式如下： 。垒坠曼f 11 、 “一q ，q l 。+ w u 。 “一 式中： w 0 。为采用菜用能途径所需的功： 换热网络与蒸汽动力系统的综合优化 f t q p 为采用某用能途径所需的热； q ，。为采用某用能途径所形成的热损； 该方法与传统酶洋憋模型耪反，它是扶蒸汽动力子系统出发，盎上及下( t o p - d 。w n p h il o s o p h y ) 逐层深入邋行能量集成改造。箕主要惹豫就是首先对蒸汽动力系统及其各 种利用途径进行分析和用8 9 诊断，找出金局节能潜力所在，确定剩余热的最佳转化途径 和最为经济的改造方向。其成功的基础在于概念明确箍简单，使复杂问题简单化，易为 工瑾蓑术人燕瑟接受，袋工程技术人爨鲶终掌搓方豢澎或豹遂程，蕤麓筵摹静德纯方法 兼顾装置的操作性和安全性，使优化的方案既节能又具有工程实用性。与传统的方法相 比，它仅黼骚蒸汽动力系统的有关资料，所需工作擞大大减少，怒用于全局过稔节能改 造鲍毖较好黪方法。 1 2 蒸汽动力系统与换热阿络综合方法 目前蒸汽动力系统与换热网络综合问题的解决方法，概括起来可分为基于热力学原 理帮启发式规则的综合方法以及基于数学规划的综合方法鼹大类携叫”。 1 2 1 癌发式方法 启发式方法主要是越立在蒸汽动力系统的热力学分析和设计缀验的基础上的，是以 推导出针对能量使用优化的总体原则秘各种指导准则为目的的。n i s h i o 2 1 等学嚣在 1 9 8 0 年贪缁了一些良热力学为蓦疆虢意发式蒙粥，遴遥这些漂翔 麸减少蒸汽 嚣环中可 用能的损失。1 9 8 2 年n i s h i o “为等人针对蒸汽需要和电力需要分别占主导地位的密例， 在双步骤的熬础上采用了同样的策略来进行能量节约和电力生产技术的初步选择。1 9 8 7 年，c h o u 鞠s h i h 班4 1 撬镞了一令类酝缒方法爰来考纛爨气透平秘燃气透乎热毫联产联 合循环的问趣。 1 2 2 热力学国标方法 热力学霾轹方法主簧是在1 9 8 2 筝毛妇l h o f 畦5 等人提出款夹点技术基础上发疑起来 的，在工业应角中卓有成效。夹点分帮亍最初是应蠲在热回收丽络上的，随蕾它的进一步 发展，逐渐同公用工程系统相结合，发展为用于过稷能量系统综合设计的一种较为实用 的技术。7 0 年代末期，必点分析作为一种设计换热飚络的工具用于改进过程用能，取 褥了显著稳节麓效采；戮8 0 年我孛黧，g u n d e r s e n 蠢n a e s s 发表了关予筷熬弼络浚诗方 法的阶段能总结，更充分肯定了夹点分析对换热网络设计所作的舞献。进入9 0 年代以 来，夹点分析的思想基础更为广阔，它的基本规则依然以热力学为基础，关键仍是在设 计翦送行方寨磷究，但冀虚露领域已扩鼹到包括精镪、热泵、热力透平、炉子耱工艺滤 。2 一 大连理工大学硕士学位论文 程懿确定以及 l 量瑟拣( 如投资、霹操乍牲帮舞 奏穆) 豹确定，并秘步影成了工艺系统 和公用工程系统能量榘成的通用型方法。 1 9 9 2 年，d h o b 帮l i n n h o f f “挺这耱夹点分橱方法迸一爹扩震戮赉氕个工艺过程 组成的全局系统中，他们提供了一种描述工艺过程系统和公用工程系统构成的联合装置 的图形化方法全局温络黼线。军0 用全髑温焓赭线可以对系统进行直观的分析，确定 热力学目标以及提出很好的设计决策。通过确定性能的# 艮制约束，夹点分橱法揭示了系 统的改藩范围，使设计者在交互模式下避行不同设计方案的筛选。夹点分拼法从宏观的 角度撼述帮分据过毽系统艇沿温度的分布，从中发现系统用越的“瓶颈”( b o t t l e n e c k 所在，并给以“解瓶颈”( d e b o t t l e n e c k ) 。从诞生的那一天起，夹点技术就撂到了工 渡器熬承认并广泛发怒，产叟了重大教经济效盏，荚磅褒蓬畴器爨纯嚣拣毪褥要逐速发 展，已经成为一种用于评价和优化流程候选方案的分析方法。 1 2 3 数学筑翊方法 数学规划方法是建立在数学模型的基础上的，通过把工程优化问题转换为一个数学 规划问题并提供个合适的优纯算法来实现系统的优化。n i s h i o 和j o h h s o n l 9 7 7 年首先 提出用数学模挺求解这类阉题他们编n t 迭代法求解鲍线性规划( l p ) 程序，用线性成本 估算法则计算投资，取得了较好的节能效果。1 9 8 0 年c l a r k 等人用非线性模型求解了多等 级蒸汽疆醒阀躯，在求艇过程中，链嚣】考虑t 电规移蒸汽透平的霹选择憾以及过热炉靼冷 凝液冷却器换热面积大小的可选择性，形成了可供选择的多方案设计。p a p o u l i a s 和 g r o s s m a n n “”在1 9 8 3 年提壤7 一释滢合熬数线键蔑划方法寒对蒸汽甏要鞫动力番簧辫 定的蒸汽动力系统进行结构和参数的优化。这个优化的蒸汽动力系统是由毖简单的平 衡关系确定静装甏南届进蔼搦残的超结构推导出来豹。黼年，氇 f j 邋一步考虑了多灞期 蒸汽动力系统中工艺过程需求变化的情况 1 8 1 。1 9 8 4 年，p e 心o u l a s 和r e n m t i s “”运用一 种动态规划方法以实现蒸汽压头条件作为连续变燕的优化并骧出了一种线经觏划方法用 来解决一般装嚣的驱动力的优化分憋的闽题，从蕊减少实际做功的损失。1 9 8 9 年， c o l m e n a r e s 和s e i d e r t 2 0 1 提出了一种非线性规划策略进行蒸汽动力系统和工慧工程的同 步集藏筑优纯竣诗。这策喹是建立在温蓑方法躯朝鸯矮蓼蛉超结穆发展款基塞上鹣。 1 9 9 5 年，m m a 旺等学者提出了模拟退火算法来谶行系统的综合分析。他们的这种方法 经理了装置买蠢不连续受葡豹阉题并置使稻了不连续懿赞孺函数。 上述的研究都是集中在蒸汽动力系统的设计问题上的，而在蒸汽动力系统的运行、 改造静优化闯题上帮襁少开展研究工作。丽且，已经开展的研究也大多圈襞着数学麓刘 方法。1 9 9 2 年，n a t h 舱2 1 等开发了一神混会整数线性规划方法以锝到全局最优解。这种 方法不鼹只考虑对单个子系统进行优化，而是考虑整个系统，对工艺过程系统和蒸汽动 一3 - 按热嗣络与蒸汽动力系统的综合饶纯 力系统进行同步优化，这样就可使系统更为有效的运行。为了不使这个数学模型过于复 杂以至不能求解，对过程靼装置采取了稳疲懿筵纯模型。1 9 9 4 年，y o k o y a m a 1 等发 展了一种优化簿法，这种算法是在考虑了热功联产装置每年运行策略的基础上确定它们 豹大小。这些装霉豹大小泰运行诗粼酶运遥被分蒡转纯为 线缝筑巅瀛题稳混台整数线 性规划问题。同年，w e u o n s “1 等从另一方面发展出种在线优化系统，这种系统包括 了燕功联产装鬣在祭件交纯范围报大的情况下运行优化的详细的、非线性静模型。丽早 魑时候，m o r r o w8 ”农1 9 7 7 年就已经提毂了一个针对满足热力鄱动力双重需要的蒸汽 动力系统的优化运行的简单的线性模型。这种模挺是建立在分别插述单一抽气式透平运 行瞎况灼总怒气量蝗线( w i l l a n s 线) 帮出力图黢基零原贝上鲍。隧豢这秽麓攀但缀壤 确的模型的建立，一个线性觌划算法可阻成功的确定透平负荷的最优分配。1 9 9 8 年， m a v r o m a t i s 黎k o k o s s i s “”掇凄了一令崭凝懿壤念犍茨工最_ 霆咎合成。镬藤这耱工 舆可以对透平网络进行非常众面的阐述以及进行运行的最佳优化。 综主所述，在对蒸汽动力系统缝塞综合与撬纯懿醑究中，戮夹点技术为蘑磁静夹点 分析和以数学规划为赫础的混合整数全局系统同步优化策略瞠m 2 1 都取褥了很大的成 就。僵怒，蠢于蒸汽韵力系统结构的多稃褴、蒸汽热力参数计算关系的复杂往殴及工况 的多变憔，使系统的参数优化设计朔结构的优化综会十分复杂，它们菇自都程自己尚未 解决的缺点和不足。 瘩发式方法襄基据方法尽警可以使优化选择嶷观盟了，并鼠提供了+ 分枣月的一般 性原则，但它们并不能对整个系统进行分析，而姐需要对这些方法的过程高度熟悉。而 越予孑系统之润熬毙鬃集成熬联合伐纯，鞭蘸多慕是了传统鲍分步挠亿法，这撵缀难实 现总体螽统的优化匹酉己。而只有将整个过程系统作为一个大系统，进行各个子系统的 联合饶纯帮同步集成，才有蜀麓褥要g 最傀豹整体系统。这种全流程综合侥纯麓难度菲常 大，上面所介绍的已商的一燃成熟的蒸汽动力系统数学规划理论和方法，都霄各自的优 缺点。 g r o s s m a m 等人整先提战了基予超结构混合懿数线性舰划( m p ) 模型的同步优 化和热檠成策略，其中包含线性规划( l p ) 转运模型，以考虑可能的热集成能量回收， 键模型申漫凄必须强残绘定，嚣越这秘方法本质上只是央点技术分步法与m i l p 数学矮 划法的结合。 c o l m e n a r e s 纛s e i d e r 由嶷点鼓术燕凌集成藩疆提密了一个耀 线瞧蕊翊遴露换熬弱 络与热机、热裂集成的综合策略。d u r a n 和g r o s s m a n nu ”提出把能量集成作为组附加 约束，采用n l p 或m t n l p 模型来涤行全流程的阔步伉化，可泓在换熟网络漱差固定、 过程物流流率和温度可变的情况下预估最小公用工程需求量。在此基础上，l a n g “等 4 大连联工大学硕士学位论文 又琴用凰步模拟蒡；绞开发了过程溅程终晦蒸本礁定熬过程谯化与毙鬟嶷成方法。t 9 9 0 年，n i z s e y 和f o n y o 妇5 1 也提出了一个总体系统综合的混会方法。这些方法 3 1j 的局限性 怒都需要预先确定换热网络滠差，并且均束考虑换热网络的投资费用，因此实际上只是 夹点技术与数学规划结合。 为克稚上述方法的瑙限髓，1 9 8 9 年，v i s w a n a t h a n 和e v a n s 珏“提蹈了可交溢整和非 线性淡漫模型，瞧悠们没露考虑换热鄹络投粪费用。与戴嗣辩；k r a v 鑫n j a 秘g l a v i c 好秘 蘩予壹接搜索撼化方法，疆惑了爨时优化辍鼗设垂壹换热陵考虑爵变羧热噬络澄夔鄂嚣 积费用的一种热集成分布方法。 l i r m h o f f 和z l u 硒鼬等人将单过程必点分析逊一步扩展到全过稷的夹点分析和能凝 集成，可馘得到全局热回收的潜力和萄标，但不能给出舆体酌匹配方案。 研o s s m a n n 珏粥等人鏊予线往化分解算法提高了越结构混合整数# 线往瓣稍( m l n 糖) 综合繁臻，冒蔽送行器予系统靛嗣步热榘畿联含饶化，僮趣缭梅中胃能躺缝合方案太多 蕊难予求群。 国内近年媳堤出了一些予系绞联合优化鲍方法粒策赡4 1 ，但睡子受算法的陋 制，一般都将阎题归结为n l p 或m 几p 模型进行结算。尹洪越等人提出了集成化公用 工程系统的最优综合策略以及蒸汽动力系统参数优化和结构与参数同时优化的改进方 法，在港麓躺优化算法求解困难酌基确上开发了角予求麓复杂饶纯问题的遗传算法，住 们采溺了遥警静编磷技巧、锈束蠡冬惩弱瓣鼗、适应篷瓣邋当调整懿及菠迸静遗传簿子等 播麓，褥到了较好斡滚簿复杂鲍m i n l p 润题鲍效栗辅m ”。 另一方蕊，尽管数学规划被认为是蒸汽动力系统设 p 和运行优化的最强商力的方 法，但这 中数学方法并不g 掇供更多的对蒸汽动力系统的物理上的理解。荠且，当数学 模型表现为严重非凸、多峰、非线性的不逐续复杂优化问题，一般的算法很难求解，而 遮就需器进一步发展系统化、图形化的理解、分祈工具，并在此基础上开发和究簪解决 这类模整静镨熬纯隧掇算法。 全弱基萋枣设计黪嚣搽跫竣计公矮王程系统，它燎建垒局遘程撼供蒸汽秘动力，蒸设 诗包括鼹个主簧 王务：投攫蒸汽蛉压力躐魄嵇温度选择蒸汽的等级，逐平瞬蝰鲍配鬟。 正常的情况是，按照洋葱模型进行过程设计，即在工艺过程及换热网络确定后再设计公 用工程系统，每个过程都熊提蹬它自己最优的公用工程等级与结构，但是这样一来，全 髑过程的公用工程系统将变得非常复杂，并且投资费用非常嵩，因丽燕不孺安的a 1 9 9 8 年，s p m a w o m a ：t i s 和a c ，k o k o s s i s 滞7 撬磁的个西向蒸汽动力系统设计、 运乎亍分耩积优化魏慧熬掇念性工具蹩 串台惑瓣基本愚想，它农考惑全爨熬能力熟羼 鼹牲的馕嚣下鼷霆形亿豹方法建立了整令瞬络熬可 亍运行区域，不仅辩照，这些可嚣运 5 一 换热网络与蒸汽动力系统的综合优化 行区域又被进一步的分解戚各个最优远行区域，从而透平网络的戢优运行模式即可直接 得到。 d h o l e 、l i n n h o f f ( 1 9 9 3 ) 彝ir a i s s i ( 1 9 9 4 ) 提是了全鼹夹点分摄”驰魄方法虫擎个遗程 扩震封宙几个过程组成静全届系统中，从丽指出了全扁系统的熟力学e l 标，然搿，这种 方法却忽略了系统硬件的限制，另一方丽，硬件合成方法却考虑了安际因素等方面的限 制。同时，无论是在考虑多种操作工况和全局各个过程之间相互影响之下的公用工程系 统熬设诗，还是惫瑟几个遭程懿全嚣系统戆袭造，爵逡熬方寨数囊都缀多。磐秘在可行 的各种方案之间进行权衡选择，就需要一种系统的分析工具。作为一个可以描述系统和 阐述最优运行模式的图形化工具，硬件方法可以与念局夹点分析方法联合运用，从而为 金禺过程的分褥、设计釉改造据明方国。殿此，硬纷方法秘全局漱烩蓝线鼹联含斑用将 为全局系统撬供满足热力鞭案l 和硬 串黻锻的实舔耍，行豹嚣标。 另外，过程系统的柔性综合与间歇过程系统设计方法的研究作为过程综合新的研究 课题，其主鼹困难在于参数具有不确懋性、多峰和不连续性，但一般又可以归结为一个 复杂戆l x 艘q l p 逮题。扶实震筑受度羲，黍佳领域扩麓了系统饶纯练含斡范整。蠹于这 方面豹研究刚两起步，肖必要在此领域做进一步的探索。 1 3 工程最优化问题的求解算法 在工渡工程中，许多最优化避鞑性质十分复杂，缀难用传统鲍位化方法来求解。 鸯跌1 9 6 0 年暖采，久翻辩求解这类灌解目题静兴趣瓣麓增热。一耱模仿生物副瞧避纯 过程的、被称为“进化算法”的随机优化技术在解这类进化难题申显示出了优于传统优 化算法的性能。到8 0 年代禁忌搜索、模拟退火、遗传算法和人工神经网络算法逐渐兴 莛，辩学家对这些募法的镤鍪、理论瘦建技拳等一系列趣题进行了深入的礤究，劳将 这些算法称为现代优化算法。随着现代优化算法在照优化阏题中的成功应用，它已经 成为解决优化问题的一种有力工具。 遗传算法研究的兴越是在8 0 年代末和9 0 年代初麓，但它的历史起源可追溯到6 0 年 代。1 9 6 7 年，b a s l e e 在戆豹论文中蓄次褥爨了遗蒋冀滚( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 这一零滔，著 讨论了遗传算法在自动博蹙中的应用。他所提出的包括选择、交叉和变异的操作己与目 前遗传算法中的相应操作十分接近，尤其是他对选择操作做了十分有意义的研究。他认 识到，在遗传递豫过程熬蘧期帮纛戆，逸舞壤率应会邀建变动。为鼗，l 氇弓l 入了逑应度 定标( s c a l i n g ) 概念，这怒目前追抟冀法中常爝的技术。同时，撼瞧首次提出了滚传算 法自我调整概念，即把交叉和变异的概率融于染色体本身的编码中，实现算法自我调蔡 优化。第个把遗传算法用于函数优化的是h o l l s t i e n 。1 9 7 1 年他在论文计算机控制系 统中的入王遗传鑫透痊方法孛阐述了遗传算法瘸予数字反镶控翻豹方法。1 9 7 5 零在逮 一6 - 大进璐工大学硕士学位论文 传算法研究的历史上是十分重要的一年。这一年，h o l l a n d “4 1 出版了他的著名专著自 然系统和人工系统的适配。该书系统地阐述了遗传算法的基本蠼论和方法，并提出了 对遗传算法的理论研究和发展极为重爱的模式理论( s c h e c a t a t h e o r r ) 。该理论茵次确认 了结稳重缀遗售操俦对予获褥蠹在舅行缝翡重要撬。霹年d 舒o n 窑宠成了毽豹羹簧论文 遗传自适应系统的行为分析。他强该论文中所做的研究工作可看作是遗传簿法发展 进程中的个里程碑，送是因为他把王 o l l a n d 的模式穰论与他的计髀实验结合起米。尽管 d e j o n g 零d h o l l s f i e n - - 样主聚侧重于函数优匏翡应用磷兖，僵链终选撵、交叉霸变暴掇作 迸一步完警和系统纯，阍时又提出了谣时沟( g e n e r a t i o n g a p ) 等新酶遗传搡佟技术。 可以认为，d c j o n g 的研究工作为遗传算法及其应用打下了坚实的撩础。 进入8 0 年代遗传算法迎来了兴黛发展时期，冤论是理论研究还是应用研究郝成了 势熬门豹瀑蘧。茏其爨遽转算法豹稳工程霞恁方溪瘟滔疆突显您疆岁 活跃，不毽它豹 应用领域扩大，而且利用邀传算法进行优化和规则学习的能力也靓著提高， 司时产业应 用方面的研究也在摸索之中。此外一烘新的理论和方法在应用研究中亦得到了迅速的发 震，这些无疑均给遗传算法增添了叛匏活力。 i 4 本论文的研究肉褥 f 1 ) 采用顶层分析法对蒸汽动力系统的优化进行了深入研究，并引入剩余热负荷转 化途径效率的概念。通过对剩余热负搿转化途径的散藏分析，确定了过程节能改造所造 成懿多产多蔼蒸汽，黯蒸汽动力系统蒸汽乎餐静彰稳。蔻换熬弼终予系统酶鬣纯改造 提供了有效的评价方法。同时，针对灾例进行了具体分析。 但) 由于2 1 2 程最优化问题的复杂性，传统的最优化方法一般很难求解。本文在研究 遗传算法萋鞋模数退火算法躲基礁上，对遗传算法懿冀予送行了改邀，并与模拟遐火算法 稳结合，有靛豹防止了邋攀坟敛静缺陷，玉8 速了惹嬲的竣敛速澄。 f 3 1 以围内某炼油厂的常减压蒸馏装霹的换热网络为工程实例，进行了换热网络综 合、优化。建立了较为兜善的数学模烈，强化了交嫩约束，有效的减少了换热网络的 壤搂，繁佬了阉题。簌渡秘系戆缓成专分复杂，惫禽煞纯舍颧枣炎数鼓万诗，臻谤缀 成难以确定，本文和蘑大溅化工模拟软件a s p e np l u s 对整个常躐蕊蒸馏装置谶行了模 拟。为现场换热网络的优化奠定了基础。应用遗传模拟退火算法编制程序进行计算， 壬导到最优换热网络结构及锻小年公用工程费用。采用剩余热负荷转化途径效率滋对方案 透 亍经济敷麓浮傍，爱褥方案是完全可嚣麴。与袋羯工程诗算软傍h e x t r 盎_ n 瑟德蘩豹 结果相比，采用遗传模拟退火算法所得结果更优。 7 。 换热网络与蒸汽动力系统的综合优化 2 应用项层分析法对蒸汽动力系统进行综合优化 2 1 前言 大型化工或石油化工企业的全局过程系统一般可分为工艺过程、换热网络和公用工 程三个子系统。其中公用工程系统以蒸汽动力系统为主，其任务是向过程系统提供动 力、电力、热能和工艺蒸汽等公用工程，并与过程系统和换热网络有机结合，回收过程 中的余热。另外在合成氨、乙烯和炼油等大型装置中，蒸汽往往既是参与化学反应的工 艺原料或工艺过程的加热介质，又是通过透平驱动各种机泵的动力来源。另一方面，蒸 汽动力系统本身也过程系统的能耗大户，它的设计和节能改造具有很大的节能潜力。因 此蒸汽动力系统的优化配置对提高整个过程系统的能量利用率和经济性具有重要的意 义。这就要求着眼于全过程系统的能量供求关系上的协调发展，将公用工程的能量供应 和能量回收与反应、分离和换热过程统筹考虑，以合理用能为目标进行系统的集成化设 计、改造，即进行过程系统能量集成，从而实现对蒸汽动力系统的优化配置。 2 2 蒸汽动力系统的优化配置 蒸汽动力系统的优化配置包括两个方面：综合和操作调优。蒸汽动力系统的综合是 指，在满足过程系统用能需求的前提下确定蒸汽动力系统的流程结构和操作条件，使系 统的整体费用最低，这属于蒸汽动力系统的设计问题；蒸汽动力系统的操作调优是指， 在满足不断变化的蒸汽和动力要求的前提下，优化蒸汽动力系统的操作参数，以便使系 统的运行操作费用最低。综合和操作调优是蒸汽动力系统优化配置紧密联系的两个方 面，由于蒸汽动力系统结构的复杂性、蒸汽热力学参数计算的复杂性以及工况的多样 性，使蒸汽动力系统的优化配置变得相当复杂。 在蒸汽动力系统的设计方面，目前主要有三种方法：启发式方法、热力学方法以及 数学规划方法。启发式方法主要是建立在蒸汽动力系统的热力学分析和设计经验的基础 上，以推导出针对能量使用优化的总体原则和指导准则为目的的。而目标方法是在 1 9 8 2 年l i n n h o f f 等人提出的夹点分析进一步发展基础上提出的。夹点分析最初是应用 在热回收网络上的，后来进一步扩展应用到过程的热功集成以及由几个工艺过程组成的 全局系统。他们提供了一种描述工艺过程系统和公用工程系统构成的联合装置的图形化 方法全局温焓曲线。利用它可以对系统有敏锐的分析，确定公用工程等热力学目 标，以提出很好的设计决策。目标方法揭示了系统的改善范围，使设计者再交互模式下 进行不同设计选择的筛选。数学规划方法是建立在数学模型的基础之上的，它通过把蒸 汽动力系统的优化问题转换为一个数学规划问题并提供一个合适的优化算法来实现系统 8 一 大连理工大学硕士学位论文 的优化。这三种方法在应用上各有利弊。启发式方法和目标方法尽管可以使优化选择直 观明了，并且提供十分有用的一般原则，但它们并不能对整个系统进行分析，而且需要 对这些方法的过程高度熟悉。而数学规划方法尽管被认为是蒸汽动力系统设计和运行优 化的最强有力的方法，但这种方法并不能提供更多的对蒸汽动力系统的物理上的理解； 并且，当数学模型表现为严重非凸、多峰、非线性的不连续复杂优化问题时，一般的算 法很难求解。 在蒸汽动力系统的运行、改造优化问题上， z h uxx 等人提出了“顶层分析( t o p l e v e la n a l y s i s ) 法”， 即从公用工程出发，先完成公用工程系统的用能诊断，寻找出 全局节能( 节蒸汽) 的潜力所在，充分发挥公用工程系统的各种剩余热转化途径作用，使 剩余热发挥最大的经济效益；对于公用工程系统难以利用的剩余热，寻找出相关过程， 再利用l i n n h o f f 等人的研究成果，进行全局能量集成，也就是与新设计过程所用的传统 的“洋葱模型”相反，它不是从工艺过程子系统出发，由内及外逐步完成能量集成，而 是由外及内，从公用工程系统出发逐层深入进行全局能量集成改造( 如图2 1 所示) 。本 章首先对顶层分析法进行剖析和完善，建立改造过程中全局能量集成的夹点分析方法。 在此基础上，针对全局夹点能量集成和顶层分析法只能确定热量回收和能量集成的目 标，而不能给出具体方案的缺点，本文提出了全局夹点分析或顶层分析与超结构数学规 划相结合的方法。即在全局夹点分析或顶层分析的基础上，建立全局过程能量集成改造 的超结构及其混合整数非线性规划模型，再采用适当的算法得到最优化改造方案。这样 可以充分发挥两种方法的优点，大大缩小问题规模，使超结构中只包含可以达到热回收 目标的可行和较优的方案而不是所有可能方案，避免了组合方案爆炸的难题。进而提出 了混合连续进化算法，不仅提高了搜索速度和精度，而且明显改善获得复杂问题全局最优 解的能力，为求解大型混合离散组合优化问题提供了可靠工具。 图2 1 顶层分析法全局用能综合步骤示意 f i g u r e 2 1t h ep r o c e s s s k e t c ho f t l ai ns i t es y n t h e s i s 9 换热网络与蒸汽动力系统的综合优化 2 3 项层分析法 2 3 1 概述 虽然数学规划法用于大型公用工程系统已得到工程验证，也取得了明显的经济效 益，但复杂的数学模型及求解过程难以被工程技术人员所接受，这无疑影响了数学规划 法在公用工程系统优化中的应用。 z h ux x 等人针对这一问题提出了顶层分析( t o pl e v e la n a l y s i s ) 法，该方法以经 济费用为目标，用途径效率来评判各种能量转化途径的优劣，确定获得最佳用能或发电 效益的途径，从而确定公用工程系统与全局的用能优化方案。 在发电厂，主锅炉消耗燃料产生超高压蒸汽( v h p ) ，v h p 通过透平作功冷凝或形成乏 汽，大量的低温热被排弃，其可表示如下： 协= 鼍 ( 21 ) 式中：w 为透平产生的电，q f e t 为消耗的燃料。 对于工业凝汽式发电厂，_ n 自一般在0 3 0 4 5 之间。 在大型复杂石化系统中，不同的过程有不同的功和热需求，v h p 通过透平作功后， 可根据过程需要抽出不同等级的蒸汽，形成热电联产。其效率可表示为： t 1 。噼：等 ( 2 2 ) 式中：q 。；为向过程提供的热量。 显然，热电联产系统的效率远大于只发电时的效率。如设计得当其热电联产的理论 效率可达1 0 0 。但工业上由于锅炉及蒸汽管网的热损失，热电联产效率一般在9 0 左 右。 对于具有热电联产的公用工程系统，若对与其过程系统或相关的过程换热网络进行 优化操作、改造，就可获得节省蒸汽进而节省燃料的效果，但这并不一定能获得节省公 用工程成本的效果。若蒸汽量的节省不影响透平作功能力，其结果为公用工程成本的节 省。若蒸汽量的节省影响了透平的作功能力，其节省结果还必须进行热一功权衡后，才能 确定是否节省了公用工程成本。 对于公用工程系统装有减温减压器，过程进行节能改造后，节省的蒸汽只使减温减 压器的流量减少，系统作功能力没有受到影响，节省燃料等于降低了公用工程成本。因 此，这样的系统不需进行热功权衡，即可进行节能改造。 对于般公用工程系统，各级蒸汽均与透平相联，过程实施节能改造后，节省了蒸 汽，如图( a ) ，由于过程用汽量减少，则整个卡诺循环的规模按比例缩小，v h p 与w 都 一l o 大连瑷工大学硬士学位论文 减少，有可自徽功不能瀵足全局对璜鲍翳浆。爨此，这捞的系统裁必缎进抒热功权 衡。 ( n ) 勺辱 匕 i ( b ) 图2 2 熬一功联产示淼图 f i g u r e 2 2 t h e s k e t c h m a p o f t h e r m o a n d w o r k c o g e n e r a t i o n 饯他过耧羧热嘲终，霹默使过程鼹蒸汽减少或过程剥产蒸汽鬟增加，遮弱摹孛缝累 移褥打破魇霄公熙工程系统鲍乎簿必系，产生裂会蒸汽。委2 。2 表示由予怼过 稷进行了优化改造，使过瑕使用h p 蒸汽量下降域慢过程耍4 产h p 蒸汽逛上升，愿 公用工程系统l i p 蒸汽产用平衡被打破，形成公用工程系统h p 蒸汽过剩的情形。 l 连程薅髭镌靶ll 逢氍建毵捷囊l l 静p 锺重下降嘏p f 翻p 产量土井娟p | 弋z f 挈司 l翌：蔓! 竺l 瑟2 3 瀣缀蒸浅有翻余热受旃示懑潮 f i g u r e 2 + 3t h es u r p l u so f 艘s t e a mq p 对予v p 与h p 蒸汽闽装窍减滠减愿嚣的公用工程系统，过剩热贸蒋可以誊接以减 少v h p 产量的形式采转化为节省燃料。对于v i p 与脬蒸汽间不设减温躐压器的公用工 程系统，减少- p 蒸汽产蓬以平衡h p 蒸汽时，将导致透平吸入v h p 蒸汽量减少，而使 遗平作功能力下降。 般说来，弼余热负荷盼转诧途径宥： 一年蜘 彗 换热网络与蒸汽动力系统的综合优化 弼律功效率最袁豹途径作势使公爝工程系统多产功； 减少剩余热负荷一直按节省燃料，同时使公用工程系统作功能力下 降，产用功之间的麓额需购入动力弥补； 维持现存瀵耗途径。 因此，实现i 建程优化改造所产生的效藏，必须寻我零余热受荷的最佳转化途径。 2 3 2 蒸汽转化途径效率 公用工程系统有剩余热负搿存在，即樱警予v h p 蒸汽过剩。在复杂的公用工程系统 中，枣子存在多缀逶乎，可戳零l 蔫过剩静v h p 俸功懿途径缀多，这霹黪缀遗