（热能工程专业论文）换热网络优化规则及求解策略研究.pdf

独创性说明 作者郑重声骧：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 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 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。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：鱼塾： 导师签名：! l ! 垒 大连理工大学硕士学位论文 摘要 换热网络是能量回收利用中的一个重要系统。它的结构是否合理，参数是否最优， 对于过程工业实现节约能源、降低能耗具有重要意义。要解决这些方面，就提出了换热 网络优化综合问题。 ( 1 ) 本文在总结前人在换热网络优化的工作成果的基础上，通过阅读大量文献， 以换热网络优化综合的基本指导原则作为切入点，分别从换热网络总传热面积为最小、 能量目标为最小、换熟单元数为最少等几个方面对换热网络优化原则进行了总结。得到 了8 个换热网络优化综合的指导准则；并讨论了换热网络总换热面积与传热温差分布的 关系以及换热网络公用工程用量与有效能损失的关系；这些准则对于换热网络优化综合 具有定性的指导意义。 ( 2 ) 对于非凸、非线性、多峰的复杂m i n l p 问题，在传统优化算法难于求解的情 况下，对禁忌搜索算法进行了深入的探讨和研究，论述了禁忌搜索算法的基本思想、特 点以及：它的基本要素；并对禁忌搜索算法进行了改进，得到了改进的禁忌搜索算法；并 用一个测试函数对其进行了验证；通过计算和分析讨论，表明本文建立的改进的禁忌搜 索算法能跳出局部最优解，并能很快找到全局最优解；证明本文所建立的算法在解决非 凸、非线性、多峰的复杂m i n l p 问题时是非常有效的。 ( 3 ) 最后利用本文提出的改进的禁忌搜索算法，用c 语言编制了程序，分别对换 热网络结构固定时参数进行优化和有分流时对换热网络参数进行优化的两个具体算例 进行了计算；对每个算例给出了建模方法，并建立了具体的数学模型；得到了满意的结 果。并与文献的结果进行了比较，结果表明，佣改进的禁忌搜索算法得到的结果优于文 献中的结果，而且求解所用的时间比一般方法要少，这在解决工程实际问题时是很可贵 的；证明本文提出的改进的禁忌搜索算法在换热网络优化综合应用中是非常有效的和实 用的。 关键词：换热网络；禁忌搜索算法；优化综合：节能 苏文杰；换热网络优化规月煅求解策略研究 s t u d y o nt h eo p t i m i z a t i o nr u l e sa n ds o l u t i o nt a c t i c so f h e n a b s t r a c t h e a te x c h a n g e rn e t w o r k ( j 匿 唧i sa ni m p o r t a n ts u b s y s t e mo fe n e r g yr e c o v e r yp r o c e s s t h a tw h e t h e rt h es t r u c t u r eo f h e ni sr a t i o r l a ia n dt h ep a r a m e t e r so f h e n a r ee x c e l l e mo rn o t i si m p o r t a n tf o re c o n o m i z i n ge n e r g yi np r o c e s si n d u s t r ya n dr e d u c i n gc o n s u m e de n e r g y t o s o l v et h e s ea s p e c t s ，w em u s ts y n t h e s i z ea n d o p t i m i z eh e a te x c h a n g e rn e t w o r k s ( 1 ) o nt h ef o r m e rw o r k so ft h eo p t i m i z a t i o no fh e n ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h e o p t i m i z a t i o np r i n t i p l e si nm a n ya s p e c t s ，s u c h 踮o nt h em i n i m i z a t i o no ft h ea r e ao fh e a t e x c h a n g e r s ，t h em i n i m i z a t i o no ft h ee n e r g y ，t h em i n i m i z a t i o no ft h en u m b e ro fh e a t e x c h a n g e r s a tl a s t ，e i g h tp r i n c i p l e so ft h eo p t i m i z a t i o no fh e n a l es u m m a r i z e d t 1 l i sp a p e r a n a l y s e st h ec o n n e c t i o no ft h et o t a la r e ao f h e a te x c h a n g e r sa n dt h ee x c h a n g i n gt e m p e r a t u r e s a n dt h ec o n n e c t i o no ft h ea m o u n to fu f i l i t ya n dt h ee x d e n s eo fe f f e c t u a ie n e r g yi sa l s o a n a l y s e d t h eo p t i m i z a t i o np r i n c i p l e sc a nq u a l i t a t i v e l yg u i d et h eo p t i m i z a t i o no f 髓n ( 2 ) f o rt h en o n - p r o t u b e r a n t 、n o n l i n e a r 、m a n ya p i c e sa n dc o m p l e xm d 虹p ，t h et r a d i t i o n a l m e m o & a r eh a r d l yt os o l v ei t s oi 仃yt of m daa p p r o p r i a t em e t h o d t h r o u g hr e a d i n gag r e a t d e a lo fl i t e r a t u r e ，if i n dt a b us e a r c hm e t h o di sf e l i c i t o u s t h e r e f o r et h i sp a p e rd e e p l ys t u d y a n dd i s c u s st h em e t h o do f t a b us e a r c ha n dp r o b ei n t ot h eb a s i ct h e o r yo f t a b us e a r c h a n dt h i s p a p e ra l s od i s c u s s e st h et a b us e a r c hm e 血o d sc h a r a c t e r i s t i ca n db a s i ce l e m e n t s a tl a s t , t h e t a b us e a r c hm e t h o di si m p r o v e dt os o l v et h em i n l po fh e n t bv a l i d a t et h ei m p r o v e dt a b u s e a r c hm e t h o df e a s i b l e ，at e s t - f u n c t i o ni su s e d t h r o u g hc o u n ta n dd i s c u s s i n g ，if i n dt h a tt h e i m p r o v e dm e t h o dc a ne s c a p ef r o mt h el o c a l l yb e s ta n s w e ra n ds o o ng e tt ot h ee n t i r e l yb e s t a n s w e r n d sp r o v e dt h a tt h ei m p r o v e dt a b us e a r c hm e t h o df i t s m ) o ns o l v i n gm i n l pi s f e a s i b l ea n de f f e c t u a l ( 3 ) u s i n gcl a n g u a g e1w r i t et h ec o m p m e rs o r 咄1 1 l i sp a p e ra n a l y s e st w oe x a m p l e s o n ei sh o wt oi m p r o v ep a r a m e t e r so fah e a te x c h a n g e rn e t w o r kw i t hac e r t a i ns t r u c t u r ea n d m a k et h e mt ob eo p t i m a l a n o t h e ri sw h e nt h es t r e a m sh a v eb r a n c h e s h o wt oo p t i m i z et h e f l o wo f t h el i e na n dt h ei n l e ta n do u t l e tt e m p e r a t u r e so f t h es t r e a m st or e c o v e rt h em a x k m u m e n e r g y 1 1 l em a t h e m a t i c a lm o d e lo f 恤eh e n i se s t a b l i s h e d a n dt h er e s u l t sa r es a t i s f y i n g c o m p a r e dw i t hi i t e r a m r e i ti n d i c a t e st h a tt h e r e s u l t sb ya p p l y i n gi t s ma eb e t t e r a n d a n o t h e ra d v a n t a g ei st h a ts o l v i n gq u e s t i o n sb ya p p l y i n gi t s mi sm u c hf a s t e r 1 1 l i si s m e r i t o r i o u si nt h ee n g i n e e r i n gr e s e a r c ha n di n n o v a t i o n s ot h ei t s mi s e r e c t u a la n d p r a c t i c a l k e yw o r d s ：h e n ；t a b us e a r c ha l g o r i t h m ；o p t i m i z a t i o ns y n t h e s i s ；e n e r g y c o n s e r v a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 1 换热网络优化综合的研究现状综述 1 1 引言 在一些工业生产过程中( 如石油、化工生产) ，由生产工艺条件所确定，往往有多 股需要把它们冷却到一定温度的热物流，以及多股需要把它们加热到一定温度的冷物 流。合理地、有效地组织热物流及冷物流之间的热交换显然是提高整个工艺设备装置经 济性的重要方面，而研究解决这类问题的方法就是换热网络最优综合的任务。 节能优化综合问题，涉及面很广，它既有能源政策、能源管理方面的问题，又有工 艺、设备、控制、材料以及其他的技术性问题。就换热网络优化综合技术而论，各行业 有其各自的特点和具体情况，可以提出很多具体措施，然而其基本的原则有共同点，其 中必须遵守合理用能的基本原则。只有合理用能，才能获得高的能量有效利用率，从而 达到节能优化的目的。 换热网络是能量回收利用中的一个重要子系统，在化工生产过程中，当遇到某些物 流需要加热，而某些物流需要冷却时，若用热物流来加热冷物流，这样就可以回收能量。 此外，为了保证过程物流达到指定的温度要求，往往还需要设置一些辅助的加热设备和 冷却设备，因此换热过程中的换热器、加热器、冷却器、混合器和分流器的组合便构成 了换热网络。对于换热网络结构已定或已在运行的换热网络，如何优化改进使其达到最 优，或在换热网络中的某些过程物流的流量、进出口温度发生变化时，要求抉热网络的 换热仍能满足工艺上的换热要求，并能在最优或接近最优状态下运行，要解决这些问题， 就提出了换热网络的优化问题。 换热网络的作用是把工作介质流( 或称为物流) 的温度提高或降低到生产工艺过程 所要求的规定值。当工作介质流的数目大于两个，而其中有的需要加热。有的需要冷却 时，显然首先应该考虑的是组织好冷热工作介质流之间的热交换。但是往往工艺过程所 要求加热或冷却到的规定值会超过单纯用工作介质流来进行热交换所能达到的最高 ( 低) 值，这时就必须装设( 公用工程系统) 辅助的加热或冷却设备。是否安装辅助的 加热或冷却设备，它们的容量应该多大，这是在换热网络进行综合时必须考虑的问题。 由于工作介质流的数目可能很多，对这样一个系统的最优综合就成为一个很复杂的问 题。 现在很多化工企业中有一些老装置，由于初建时比较落后，对节能要求不高，过程 物流的换热不合理，有许多需要优化改进；有些生产工艺由于生产能力或条件的变化， 苏文杰：换热网络优化规则及求解策略研究 对已有的换热网络产生了影响，也需要对已有网络进行调整改进、优化综合。所以换热 网络优化综合的应用面是非常广泛的，也是非常重要的。 1 2 国内外研究状况 对换热网络的研究一直比较活跃，3 0 多年来，国内外学者都作了大量的研究工作， 开发了很多方法，涵盖了换热网络研究的很多领域。 设计一个由热交换器、辅助加热器和辅助冷却器组成的抉热网络，使系统中所需要 加热或冷却的过程物流都达到规定的出口温度，并使系统的总费用最小，这就是换热网 络的优化合成问题。最优换热网络的合成包括各个换热器、辅助加热器和冷却器的热负 荷分配和布局最优，即系统结构的设计最优；也包括在给定的系统结构条件下，换热设 备本身的设计最优。后一个问题可用一般的最优化方法进行设计，但前一个问题，由于 系统结构不存在，不知道要设置多少个换热设备以及如何设置，更无从知道设置一个换 热设备对整个系统的影响，所以直接采用一般的最优化方法是无法解决换热网络合成问 题的。 确定一个具有最小的设备( 换热器、加热器和冷却器) 投资费用和操作( 公用工程等) 费用，并满足把每一个过程物流由初始温度加热或冷却到指定的目标温度，这样的换热 网络问题，就是换热网络综合问题。在现代的研究中，换热网络综合的目标主要涉及有 最小公用工程用量、最小换热面积、最小单元数及最低年度化总成本等几种。自从 w e s t e b e r g 于1 9 6 1 年提出的动态规划及1 9 6 5 年脚a 首次考虑有多种热物流和冷物流的 最佳换热结构设计问题，提出可分离规划法以来，许多学者对换热网络最优综合问题进 行了深入的研究，同时提出了多种换热网络综合方法。尤其是七十年代末、八十年代初 l i n n h o f f 提出的夹点技术闯世以来，换热网络的设计方法取得突破性的进展，人们在此 基础土又提出了更多较成熟的方法，如c h a l l a n d 等提出双温差设计法，使得设计工作 更加灵活、有效。f l o u d a s 1 】和g r o s s m a n n j 采用数学规划法自动生成最优的网络结构， 同时考虑了网络的柔性问题，v i s w a n t h a n 等采用专家系统把几种方法结合起来求解网络 的最优综合。c i r i c 和f l o u d a s 【4 】提出采用非线性规划法同时求解公用工程负荷、物流间 的匹配和最佳网络结构。 近年来，许多学者致力于综合出更加接近实际的换热网络，考虑了很多工程实际因 素，如不同的物流具有不同的传热膜系数、不同的换热器材质费用相差很大、物流问匹 配换热具有不同的适宜传热温差、物流间匹配换热有限制、系统存在多个夹点以及对温 度和热容流率有波动的网络进行综合等。 大连理工大学硕士学位论文 换热网络的综合方法从求解策略上可分为启发探试法和数学规划法两大类，髓着换 热网络综合技术的发展，近年来又有一些研究者提出了换热网络综合的人工智能方法： 从各温差之间的关系上可分为单温差法、双温差法和三温差法；从优化费用目标上可分 为同步优化方法和分步优化方法。下面就对换热网络优化综合领域发展过程中具有代表 性的几种优化方法进行综述。 1 2 1 启发探试法 启发探试法是根据最优换热网络所具有的必要条件和特征，从热力学原理及经验知 识出发，规定一些设计目标和探试规则来构造网络，进行综合评价调优，最后找出接近 最优的换热网络。这种方法虽然不能保证一次得到最优解，但可以此为基础，采用一些 调优规则或方法使系统逐步优化。这种方法也称为直观推断调优法，它是工程实际设计 中应用最多的方祛。 m a s s o 和r u d d 的启发探试法：利用一些匹配过程物流的经验规则，在电子计算机上 合成最优系统结构。他们先把大问题逐级分割成比较小的容易处理的子问题，得到问题 的各个分解水平，然后，依次解出各个分解水平上的子问题。选择的子问题必须立即能 解，解子问题的过程即为选择某一判据，从而确定一对相匹配的过程物流，所用的判据 是一组等权的经验规划。到所有子问题都解出，便完成了一次合成试验。同时，根据每 个子问题所选择的判据，可得到按照分解水平雨排列的一组判据序列。在第一次实验时， 各判据的权是任意的，因而判据的选择是随机的。在以后的实验中，根据所得的结果不 断修改判据的权，经过一定次数的试验，可得到一组判据的最优序列，相应也得到一个 最优的网络。对于无从着手的合成问题，用此方法可能会得到比较满意的结果，但却不 能保证最优。因为探试是在经验的基础上进行的，方法的收敛与否完全取决于所用经验 选择规则的性质和有效性。在合成过程中，权因子可能成为一种束缚，使重复生成的解 不是最优解，也可能这些探试都不能得到最优的匹配。而且，对一个问题所得最优解的 权，对于其他问题不一定有效。另外，在使用此法时，做了一些假定，诸如，过程物流 不能分流：当过程物流之间能进行匹配时，不能采用辅助的加热器或冷却器等等。使用 此法不能解决复杂的换热网络的综合问题u 】。 1 2 2 直接最优化搜索法 继m a s s o 和r u d d 的探试法后，又发展了有理论指导的直接最优化搜索法。如l e e 等人的分支界限法，p h o 和l a p i d u s 以及r a t h o r e 和p o w e r s 的树搜索法。还有将探试法 苏文杰：换热网络优化规则及求解策略研究 与直接最优化方法结合应用的，如m e n z e i e s 和j o h n s o n 将分支界限法与探试法一起应 用，进一步提高了方法的效率。 l e e 等人的分支界限法：l e e 等人用分支界限原理指导系统合成的设计。他们指出， 在设计换热网络时，为了生成一些界限问题，必须放松网络可行性的一个约束，即需要 做出这样的假定：过程物流只允许多次使用，而不能分流使用；在热交换过程中，过程 物流必须交换其能交换的所有能量。在此假定下，他们先提出了基本的分支界限法，然 后又用分支策略缩减问题的规模，精简合成程序。 分支界限法实质上是在某些限定范围内穷举了所有可能的情况，而且还包含了许多 不可行的情况在内，故能找到某些限定范围内的最优解。但此法也因此而未能排除基本 的组合困难。此外，分支界限法本身要求做出的一些假定，如：物流不能分流，不能组 成循环网络，以及辅助加热器和冷却器只能在最后使用等等，也往往排除了一些更好的 网络，因此，分支界限法也不能有效地解决最优换热网络的合成问题【6 l 。 p h o 和l a p i d u s 的树搜索法：他们首先提出用简单的合成矩阵表示换热网络的结构。 利用合成矩阵可以试验能否在一个可行的换热网络中增加新的热交换器而生成另一个 可行的换热网络。根据合成矩阵的这一特性，他们把只有辅助加热器和冷却器，而没有 一个供过程物流之间换热的热交换器的网络作为起始节点，逐步扩展，最后可生成一棵 判定树的图。其中，树的所有节点代表了所有可行的网络。最优的网络必定也嵌入树中 的一个节点。通过对所有节点的网络进行计算或按照某些规则进行部分的计算，就可得 到最优的网络或接近最优的网纠”。 1 2 3 数学规划法 继脚8 的可分离规划法后，许多研究者致力于用数学语言把合成问题表示为数学模 型，能应用通常的直接最优化技术有效地解决问题。 k o b a y a s h i 等人的线性规划法：他们把最优换热器网络的合成分成两个不同水平的 问题。一是对给定系统结构的最优设计( 第一水平问题) ，另一个是在第一水平问题已 最优解决的假定下研究最优结构( 第二水平问题) 。先把合成问题化为“基本问题”的 形式，将各个过程流进行相继的或平行的划分，形成许多近似相等的热单元，以使总网 络最优化的目标函数近似地线性化，然后解两个水平的问题。第一水平问题用复合形法 进行最优设计，第二水平问题则用线性规划的最优分配算法求解。重复进行迭代计算， 直至得到最优的换热网络。线性规划法没有排除基本的组合困难。方法中，虽然使用了 大连理工大学硕士学位论文 分解物流，但是过程物流按照单元可交换热容流率的分解不一定是擐优的分解。而且， 辅助加热器或冷却器也只能在最后应用。这些都限制了此类方法难以生成最优的网络。 k e l a h a n 和g a d a y 提出将网络的合成作为混合整数最优化问题处理，用于适应的随 机搜索技术使热交换器的传热和排列同时最优化，对于较简单的合成问题得到了较好的 方法。 n i s h i d a 等人发展了算法加调优的方法。它们应用数学原理推导出最优结构的必要 条件，从而解析地搜索并根据一组调优规则改进所得网络，由此法得到的网络比起以前 诸法所得到的网络都有不同程度的改进。但此法对用算法得到的初始网络要进行逐步调 优方能得到最后的网络，没有解决一次就合成最优换热网络的问题。另外，此法不能解 决换热过程有相变的换热网络的合成问题。 以上方法多数用到的都是分步优化法，即将换热网络的合成分解为： ( 1 ) 最小公 用工程的计算；( 2 ) 最小匹配数目的选择； ( 3 ) 最小投资费用的计算等多个子问题， 这些子问题原则上存在多解，又相互影响，如果不能正确反映子问题的相互关系，即使 各子问题是最优的，对整体问题也可能偏离最优解甚远。为克服多目标分步优化的缺点， g r o s s m a n 等人在研究换热网络优化设计时首次提出了超结构m i n l p 模型，并用来确定换 热网络的最小投资费用。在此基础上许多学者又研究了多种同步综合方法。文献 8 - 9 1 提 出了同时考虑网络运行费用和投资费用的同步综合方法，但文献 g 】的模拟退火算法需涉 及大量的试探解，一方面由于要产生一个可行解需要多次搜索，另一方面退火算法本身 需要合理的算法参数，而这些参数很难精确给定，求解效率很低：文献【9 j 只考虑网络的 面积费用和能耗费用，没考虑涉及单元设备数日的固定费用，问题原则上可归结为一非 线性规划( n l p ) 问题求解，但结果中可能包含较多的单元数目；文献 4 1 所提出的混合整数 非线性规划( m i n l p ) 模型严重非凸，约束是二次型的，虽然所采用的分解算法大大改善 了解的质量，但由于主问题仍为非凸，无法克服局部极小点，同时建立的模型依赖于夹 点技术的网络温差及子网络的划分；文献1 3 所提出的线性约束m i n l p 模型可同步优化公 用工程、面积费用和单元设备数，但模型的等温混合假设造成了有分流情况下必须进行 二次优化：文献1 1 0 】所提出的非等温混合m i n l p 模型可消除文献【3 】的缺陷，但目标函数和 约束中均存在非凸的非线性项，使一些传统的m i n l p 算法失效。文献【l l 】在现有综合方法 的基础上，沿用分级超结构转运模型和剩余吸、放热潜力的概念提出了一个换热器网络 同步最优综合m i n l p 的改进模型，不仅同时考虑了网络设计的不同费用目标，而且在线 性约柬条件下消除了等温混合的不合理假设，只需求解一次m i n l p 问题就可得到包括分 流情况在内的同步优化网络结果。模型不依赖于夹点技术的网络温差、夹点位置及子网 苏文杰：换热网络优化规则及求解策略研究 络的划分，亦可考虑不分流、限制性匹配等实际网络约束。由于模型中所有约束均为线 性，提高了模型的健壮性。文献【捌通过网络的热力学分析和经济分析，提出了换热网络 的一种新的同步优化方法和模型，并研制了相应的软件。自动产生换热网络的最优公用 工程费用、换热面积与冷熟流问的匹配。该方法可以同时考虑物流问的不同传热条件( 气 一气、气一液、液一液) 、不同材质、不同压差和不同类型的换热器引起的不同费用，可 以考虑实际问题的“软硬”约束：一些物流的供给或目标温度允许在一定范围内变化， 还可以从可操作性、弹性、安全性和可控制性角度考虑物流间的匹配约束。 数学规划法可用于解决具有大量变量和多种反馈的问题，很适合工业系统的网络设 计，它可求出经验规则无法求出的优化网络。从理论上说，数学规划法是最完美的方法。 然而即使是全部由换热器构成的网络，其有关的影响因素也非常多，而且关系十分复杂。 所以，各种网络优化的数学规划方法都不可避免的对单元模型做出许多简化的假设。假 设越多，所得结果偏离工程实际的真正优化解也必然愈大。因此，数学规划法至今未能 在工作设计中广泛应用。 1 2 4 热力学调优法 l i n n h o f f 屹】等人提出一种由热力学定向排列合成换热网络的方法。此法分两步：第 一步合成具有最大热回收量的初始网络；第二步将第一步得到的网络调优以得到最佳的 网络。他们应用温度间隔法合成最大能量回收网络，此步产生的网络必须通过第二步调 优以减小初始网络中的设备数。此法只能解决一些简单的合成问题。j o h n 等人提出一种 热力学组合法合成最佳的换熟网络，对于给定的换热问题，此法使用规定的热回收量、 最少换热器、加热器和冷却器数目及不分流的条件，给出一个所有可能存在解的完整表， 从此表中找出最优的网络。此法的缺点是：在合成换热网络之前，热回收量及传热设备 数并不容易直接给定或给定后在解的表中可能不存在最优网络，因此要反复迭代计算。 此法也不允许物流分流，对合成复杂的换热网络很难得到最优解。 s o t e r i o s 1 6 】等人和c h r i s t o d o u l o s 等人把换热网络的合成问题用数学语言描述成 转运模型，使用线性规划方法( l p ) 和混合整数非线性规划( m i n l p ) 合成最优换热网络， 同样此法也需迭代计算。 以上各方法，都存在着迭代调优计算问题，在利用数学方法描述换热网络的合成问 题时，引进了许多假设，致使难以找到最好的网络；直接最优化搜索法，虽然采用了一 些方法缩小最优解所在的空间，但所要比较计算的网络也很多。上述各方法没有一种能 用解析的方法一次就合成最优的挟热网络。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 5 夹点设计法 在众多的换热网络优化综合策略中以l i n n h o f f 等为代表的夹点技术( p i n c h t e c h n o l o g y ) 最为简便、实用。夹点技术是通过建立物理模型较深入地揭示问题的内在 特性，物理意义比较清楚，且简便易行、效果显著。夹点技术的核心是根据能量目标构 造一个具有最大能量回收特性的换热初始网络，其基本点是找出夹点，不允许通过夹点 换热；再以最少换热设备数为目标。对初始网络进行调优，以减少换热设备数及设备投 资费用，从而获得一个最优或接近最优的换热网络。夹点技术以热力学理论为基础，形 成了较为系统的理论基础。 夹点技术的一个重要特征是预测设计目标，即在合成具体换熟网络之前，确定独立 于网络结构的设计目标。在1 9 8 6 年前，研究者的工作都是针对给定夹点温度气n 展开 的。1 9 8 6 年，l i n n h o f f 1 3 l 和a b r o a d 及f l o u d a s 等两组研究人员独立地提出了求解h e n 优化夹点温差t 咖的不同方法，前者称为“超目标法”( s u p e r t a r g e t i n g ) 。1 9 9 2 年，尹清华、华贲等人提出不考虑流动有效能损失及匹配单元优化可能会导致所求出的 解并非真正的k m 。，并详细论证了同时考虑流动有效能损失、匹配单元优化及传热 强化对a t m i n o p , 的影响，提出改进的优化策略，导致了换热网络合成步骤的改变，可以 用l i n n h o f f 1 4 - 1 5 等的简单算法s u p e r t a r g e t i n g 先求得名抽o p t 的初值，按经济条件和 结构类型判断后再决定是否搜寻真正的k i n 。 换热网络中的温度“夹点”限制了可能达到的最大热回收量，充分掌握夹点的特性， 可以有效地进行换熟网络的最优设计，而且方法实用，工程技术人员可以发挥多年的工 程设计和生产经验，合理地考虑一些必要的工程因素。 换热网络的成本主要由外供能量、换热单元个数和总面积所决定，按照l i n n h o f f 等人提出的夹点设计法，在网络初步合成时，认定组合曲线及个别换热单元具有相同的 最小换热温差。为了满足最少外供能量这一目标，在网络初步合成时，禁止能量穿越夹 点，因而必须在夹点把网络截然分为两个部分，分别进行合成。这一原则与热力学第二 定律是相一致的，然而其结果却是使得初步合成的网络的换热单元个数增加，最终为了 获得成本最低的网络结构，在进一步改进网络结构时，往往要进行能量松弛和最小换热 温差松弛，以减少换热单元数。但事实上这意味着此时已有能量穿越了夹点，显然，这 同原先禁止能量穿越夹点是相矛盾的。在进行旧系统改造时，可能出现因未考虑辅助设 苏文杰：换热网络优化规则及求解策略研究 各的影响( 辅助设备费用可能太大) ，使改造方案难以实现，而且在设计的时候必须预 先给定最小换热温差，实际工作中往往依赖于设计人员的经验【l7 1 。 1 2 6 人工智能法 随着人工智能技术的发展，人工智能也逐步应用于换热网络综合领域。人工智能是 - f q 探索和模拟人的感觉和思维过程的规律并进而设计出类似人的某些智能的智能机 的科学。它把人的思维过程的模拟作为自己的研究对象。人工智能研究往往是结合某一 特定的问题进行的。专家系统作为人工智能的重要分支，始创于六十年代后期，迄今己 在众多领域得到应用，专家系统正在逐步应用于化工生产的各方面，它对现代化工生产 的发展将产生深远的影响。所谓专家系统实际上就是一种以知识为基础的计算机程序系 统。8 0 年代，专家系统的迅速发展也影响到换热网络综合的研究，j e z o w s k i 第一个尝 试建立换热网络综合的专家系统，他的方法是：先产生一个多种网络结构的树形结构， 然后用人工智能中的搜索技术找到最佳网络。1 9 8 2 年g r i m e s 设计的专家系统h e a t e x 含有1 1 5 条产生式规则，利用推理技术可以求出最小公用工程消耗。1 9 8 6 年，h a r t m a n n 提出换热网络综合问题存在大量可行方案和评价准则，这些准则具有一定程度的模糊 性，因此，他提出了一种简单的将产生式规则与模糊理论相结合的专家系统。我国清华 大学的陈丙珍等也开发了换热网络综合的专家系统，它由数据库、知识库、控制策略与 人机接口组成。数据库记录了原始问题与事实，用来完成问题的机器描述。知识库中的 知识用框架结构与产生式规则相结合的方式表示。控制策略首先根据问题特征分类，确 定合适的综合方法，然后运用正向推理搜索对应的规则集。人机接口使用户可根据屏幕 提示简便地进行操作。高维平等提出智能法合成换热网络，它是通过给出合成最优换热 网络时物流匹配换热的规则和一套人工智能图表合成最优换热网络的。但它没有考虑到 诸如换热器的材质、类型、压力降及各种工程因素等限制条件。李志红( 1 8 - 1 9 等将专家系 统与数学规划法相结合来进行换热网络的综合，利用专家系统来确定换热器的投资费用 公式和流股的分流，根据流股的分流情况来确定换热网络的超结构，并通过遗传算法来 进行换热网络的求解。陆明亮针对换热网络综合问题开发了专家系统工具一c h e e s t 。 人工神经网络是人工智能研究的另一个重要分支，人工神经网络是一个并行分布式 的信息处理系统，它是由单向信号通道将大量的处理单元连接而成的一个网络结构( 每 个处理单元可以有局部存储器，存储某些关于局部计算操作的信息) 。毕立群口o 】等首先 利用h o p f i e l d 神经网络( h n n ) 进行换热网络最小单元数的综合，建立了能够实现换热网 络物流自动匹配的人工神经网络模型，该模型与传统的数学方法一样能够自动完成物流 大连理工大学硕士学位论文 的匹配，模型所使用的变量要少得多，且寻优速度快。h u a n g 和f a n 以换热网络的综合 设计与控制为对象，建立一个以专家系统、模糊理论和人工神经网络相结合的混合智能 系统。 现在人工智能技术在换热网络综合方面的应用还处于初始阶段，对其有待于进一步 的研究。 当然，对换热网络的研究还有很多其他方面，比如对换热网络的流程模拟研究、对 换热网络的灵敏度分析以及对换热网络的弹性分析和最优控制研究等等，在这里不再一 一详述，有兴趣的话可以参看相关文献。 1 3 本论文研究的内容 ( 1 ) 在对换热网络问题的性质研究的基础上对换热网络作了合理的简化，分别从 换热网络总传热面积为最小、能量目标为最小、换热单元数为最少等几个方面对换热网 络优化原则进行了总结，得到了8 个换热网络优化综合的指导准则：并讨论了换热网络 总换热面积与传热温差分布的关系以及换热网络公用工程用量与有效能损失的关系；这 些准则对换热网络优化综合具有定性的指导意义。 ( 2 ) 对于非凸、非线性、多峰的复杂m i n l p 问题，在传统优化算法难于求解的情 况下，本文对禁忌搜索算法进行了深入的探讨和研究，论述了禁忌搜索算法的基本思想、 特点以及它的基本要素；并对禁忌搜索算法进行了改进，得到了改进的禁忌搜索算法； 并用一个测试函数对其进行了验证；通过计算和分析讨论，表明本文建立的改进的禁忌 搜索算法能跳出局部最优解，并能很快找到全局最优解；证明用本文所建立的算法在解 决非凸、非线性、多蜂的复杂m i n l p 问题对是非常有效的。 ( 3 ) 利用本文提出的改进的禁忌搜索算法，用c 语言编制了程序，分别对换热网 络结构固定时参数进行优化和换热网络有分流时对参数进行优化的两个具体算例进行 了计算；对每个算例给出了建模方法，并建立了具体的数学模型；得到了满意的结果。 并与文献的结果进行了比较，结果表明，用改进的禁忌搜索算法得到的结果优于文献中 的结果，而且求解所用的时间比一般方法要少，这在解决工程实际问题时是很可贵的； 证明本文提出的改进的禁忌搜索算法在换热网络优化综合应用中是非常有效的和实用 的。 苏文杰：换热网络优化规则及求解策略研究 2 换热网络优化综合的基本原则 2 1 前言 在化工生产过程中，换热网络的优劣直接关系着整个化工企业用能水平的高低。如 何用最快的方式或用简捷的方法准确地判断出换热网络结构是否合理、参数是否最优， 是很值得探讨的问题。 我们知道，换热网络是由换热器、加热器、冷却器、混合器和分流器等设备组成的 复杂的热交换系统。如何优化改进使其达到最优，或者用什么方法能够快速地定性判断 出复杂的换热网络系统的不合理之处，对于快速提高整个工艺设备装置经济性具有重要 意义。而研究解决这类问题的方法就是研究换热网络最优综合的基本原则。 节能优化综合问题，涉及面很广，各行业有其各自的特点和具体情况，可以提出很 多具体措施，然而其基本的原则有共同点，其中必须遵守合理用能的基本原则。只有合 理用能，才能获得高的能量有效利用率，从而达到节能优化的目的。 2 2 换热网络问题的性质 换热网络的作用是把工作介质流( 或称为物流) 的温度提高或降低到生产工艺过程 所要求的规定值。当工作介质流的数日大于两个。而其中有的需要加热，有的需要冷却 图2 1 换热阿络系统 靠辅助于摹绽 时，显然首先应该考虑的是组织好、冷热工作介质流之间的热交换。但是往往工艺过程 所要求加热或冷却到的规定值会超过单纯用工作介质流来进行热交换所能达到的最高 大连理工大学硕士学位论文 ( 爨) 篷，这露裁必须装设( 公羯工程系笺) 耱裁夔麓蒸袋冷帮设冬。戆否安装辏韵熬 加热成冷却设备，它们的容量殿该多大，这怒在换热网络进行综合时必须考虑的问题。 由于工作介质流的数目可能很多，对这样一个系统的最优综合就成为个很复杂的问 题。 狡热随缮豹最优综合同遂霹定义为：已知各工作奔藤流静温度及箕各项裙毽参数 ( 流嫩、比热等) ，已给定各工作介质流要求加热( 或冷却) 到的温度，寻求包括辅助 加热器及冷却器在内的整个换热网络的系统结构，以使得某个表示该系婉总费用的目标 嚣数壤舞囊奎。翔莱考悫多 燕戆公蔫王程系统，整今系统豫淤分为嚣帮分，帮连都换熬 系统和外部换热系统。内部换热系统纯由冷、热工作介质流之间进行换热的换热器组成， 外部抉热系统则由辅助加热器及冷却器( 即公用工程系统) 组成。如果增加冷、热工作 介质流之闼豹换热慧，则必然要增热内部换热系统戆设备投瓷费用，面援应地用于岁 郝 换燕系统鹣授资及运行费霜羹豫 减小。嚣诧淹了使褥整个系统静总费焉为最小，确定冷、 热工作介质流之间换热量的晟优值显然是十分重要的【2 0 j 。 2 3 简化条 牛 为了得到抉热潮络优诧综合静麓刘，首免需要对换热阏络系统进行台瑾遗篱纯，然 后用分析方法来得出使换热网络系统结构或参数为最优的舰则( 即必要条件) 。在简化 的过稳中，一方面浚意有可能进行分析求勰的尽量用分析求解，另一方灏注意不要因为 篱馥瓣毽撰整个系绫豹往囊发釜稷本静变证，这棒叁筵纯掰褥弱努辑缝论方莛毒实鬟塞 义的。 假设有m 股需溪冷却的热z 作介质流e ( i = 1 ，2 ，m ) ，m 股需要加热的冷工作介 矮滚g ( i = 1 ，2 ，捍) 。假设还露芦毅藕动燕会度及冷分矮嚣( 圣= 1 ，2 ，p ) 。首先霹 把整个系统分解成为两个子系统，即由换热器维成的内部系统戳及由辅助加热器及冷帮 器组成的外部系统。此外，认为辅助介质流是最热的或者烧最冷的，也就是说所有的辅 助热热器或冷却器都是设置在融部系统的出嗣处，辘助加热兢冷却是在工作介质之阅国 经避襻7 燕交按之嚣霉迸孬挟熬夔。这一分解餐褥我霞可淡辩蠢豁系绞凝静部系统努麓 来进行综合，然后稃把它们合并成一个系统来考虑。 照然，内部系统总换热量的火小会影响到内部系统的结构，相应地公影响到它的总 费廷， 嚣弱嚣它迄影豌蘩癸罄系统戆蕙费翅，瓣嚣必须逶避慧换热量熬大小来势谖内帮 及外部子系统。下黼我们首先来讨论在给定憨挟热量的条件下如何对系统进行最优综 合。为简化这一问题，作如下假定： 1 菘统内每个( 第i 个) 换热器的投资费罔中封头、外隽、土建基础簿占很大比例， 苏文杰：换热网络优化规n 及求解策略研究 而管束面积只是费用中的一部分，因而可以把换热器费用与其传热面积近似成指数关 系，一般可表示为： c=a+b a j( 2 - 1 ) 式中 4 一一第i 个换热器的换热面积； a ，b ，c 价格系数，一般c = 0 6 。 2 在内部子系统中应用壳一管式换热器，每个换热器的传热面积可表示为： 1 9 生生 小争格a t z ， u ，一f ， 7 式中 q 一一第i 个换热器的换热量； u 一一该换热器的传热系数； a t i = t 。t n ，一t 罗o u ； a t 2 = t 岔o u t 。j n ，； t ”一换热器进口处第皿热工作介质及第c ，冷工作介质的温度； f 一一换热器出口处第4 , 热工作介质及第c ，冷工作介质的温度。 3 _ 设定冷热工作介质在换热过程中均为单相介质，因而换热量g f 等于： q ，= 形乩( f 置一t 。o u ，) = w c ，( f ；：一f 岂) ( 2 - 3 ) 其中，分别为第q 热工作介质及第q 冷工作介质的热容流率。于是有： ( 2 - 4 ) 4 对于相似的换热器，认为它们的传热系数值都是相同的( 当然，对特殊工艺传热 的换热器，其传热系数可以不同) 。 糍糍 吉 一一 塑三查塑主燮奎 2 4 换热网络优化综合的基本原则 通过阅读大量的文献资料，下面总缝出一些换热网络优化综合的基本规则，介绍如 下。 2 4 1 优化综合的基本指导原则 首先从节能优化大的方面来讲，主要有以下几个方面。 1 最小外部损失原则 外部损失，即有形损失，包括有废气、废液、废渣、冷却水、各种中间物或产品带 走能量造成的损失