杨国忠[1]2003年在《多周期公用工程系统最优综合与运行优化问题研究》文中研究说明公用工程系统优化综合对于过程工业能源节约、提高经济效益具有重要意义。本文针对多周期公用工程系统最优综合与运行优化问题进行了系统地分析研究。主要研究内容包括以下几个方面：（1）将普遍的多周期综合与运行优化问题应用到公用工程系统，建立了多周期公用工程系统最优综合与运行优化问题的数学模型，并对该模型进行了具体化处理使之便于数学求解。（2）针对多周期公用工程系统运行优化问题的特点及传统分枝定界算法的局限性，采用加速算法思想，引入了改进的分枝定界算法进行求解，减小了问题的可行解空间，使得求解所需机时大为减少，最优解搜索能力增强，并通过求解实际应用算例验证了改进算法的有效性。（3）当多周期公用工程系统最优综合与运行优化PM问题的单元和周期增多时，可能的组合数将呈指数增长，采用通常的算法往往不能在合理的时间内获得问题最优解。针对这一问题，采用了两级分解算法，将PM问题分解为两个规模较小的子问题，建立了多周期公用工程系统最优综合模型和运行优化模型，分先后进行分步求解，减少了求解所需机时，增大了能够求解的问题规模，应用算例求解结果表明，两级分解算法对于PM问题是一种行之有效的算法。
张晓玲[2]2011年在《换热网络设计与运行优化技术研究》文中认为换热网络是化工、炼油等过程工业能量回收的重要组成部分,其设计水平的高低对过程工业实现节约能源、降低能耗具有重要意义。换热网络优化设计技术经过多年的研究,至今已取得一定的进展,但大多数都仅限于理论上固定工况的网络优化设计,而实际过程中充斥着各种不确定性,柔性换热网络的发展解决了这一困难,实现了换热网络设计及运行优化从理论到实践的过渡,引起了越来越多研究者的高度重视。针对换热网络设计问题,本文研究了基于分级式超结构换热网络同步综合优化模型,采用标准粒子群算法求解策略,提出有分流非等温混合单／多周期换热网络优化设计方法,并通过叁个算例验证了该方法的有效性和实用性。针对柔性分析方法研究问题,本文提出了应用标准粒子群算法对求解柔性指数的MINLP模型进行编程计算,并应用下游途径法对仿真研究的结果进行了合理解释和分析,得出了在搜寻最优网络结构时,必须建立柔性与费用之间的适当权衡,为工程实践提供了理论依据。针对换热网络运行优化问题,本文提出一种易于实现、通用性好、求解速度快的换热网络运行模拟、优化方法。该方法以换热器、旁路、分流器和混合器等单体设备数学模型为基础,采用前人提出的分级超结构模型表述换热网络结构,形成一个NLP优化数学模型。NLP问题的求解采用标准PSO算法,算法简洁、有效、搜索速度快。并通过多个计算实例验证其有效性和实用性。
常润秀[3]2016年在《基于长周期节能的换热网络最优综合》文中提出换热网络是石油化工行业中能量回收、实现节能降耗的重要手段。换热网络由多个换热器组成,在换热网络运行周期内,换热器管壁内产生的结垢现象会随着时间推移越来越严重,结垢阻值会不断增大。因此,导致换热器传热系数会不断降低,换热网络的传热性能也逐步下降。为了避免结垢对换热网络造成的不良影响,许多学者从不同角度提出了不同的解决方案,以求得更优的换热网络设计方案,如换热网络面积裕量优化设计、柔性弹性分析与设计、多周期换热网络优化等。然而,这些方法往往以满足换热网络中各换热器结垢最严重情况下的操作要求为目标,即换热网络的优化设计是在其运行周期末期进行的优化,而结垢本身具有的慢时变、长周期特点,使得优化得到的换热网络并不能达到整个生命周期内的持续节能优化。针对以上问题,提出基于换热器结垢动态数学模型,建立换热网络全周期累积总费用数学表达,并在此基础上分析全周期累积总费用与系统总费用的关系及其对换热网络最优综合结果的影响。以换热网络运行全周期内累积总费用最小为目标函数,为简化计算将换热网络运行的整个周期分段,提出一种分段优化求解换热网络面积裕量的方法;在此基础上,基于换热网络的动态仿真,以换热网络累积总费用最小为目标,得出一种长周期持续节能的换热网络面积裕量优化设计方法;最后建立换热网络超结构模型,以全周期累积总费用最小为目标,实现长周期持续节能的换热网络最优综合。
霍兆义[4]2012年在《基于分级超结构的换热网络同步综合与改造方法研究》文中进行了进一步梳理能源供应日趋紧张是当今全球面临的巨大挑战,提高能源利用效率、发展低碳经济已经在世界范围内达成共识。在此背景下,以提高能量系统集成水平和能量回收最大化为目标的换热网络综合与改造问题已成为过程系统能量集成领域研究的热点。其中换热网络综合方法的研究起步较早,众多学者和工程技术人员投入了大量的研究精力,在学术上和工程应用方面均取得了重大进展。然而换热网络综合本质上是涉及庞大优化变量和约束条件的数学优化问题,现有换热网络综合方法在求解中等、大型换热网络综合问题时的能力仍有不足,相关研究还有待完善。另一方面,过程工业中常常需要对已经存在的换热网络系统进行改造以实现节能降耗,但是针对换热网络优化改造方法的研究相对较少,近年来这方面的研究工作正逐渐引起人们的重视。针对这两个研究方向存在的问题,本文进行了以下的研究工作：1.本文基于无分流分级超结构、有分流分级超结构和混合分级超结构分别建立了以年度总综合费用最小为目标函数的换热网络同步综合数学模型。其中,混合分级超结构将超结构的所有级划分为“有分流”级和“无分流级”,从而在数学建模之前可以预先在分级超结构的完整性和数学模型的求解难度之间进行权衡。建立在此基础上的数学模型改进了等温混合的不合理假设,使得换热网络同步综合数学模型更加严格,更加符合工程实际,但同时在模型中增加了非线性等式约束条件,该模型的全局最优化求解将更有挑战性。2.换热网络同步综合数学模型是一个复杂的混合整数非线性规划问题(MINLP)该问题具有不连续、非线性、非凸和多维等特点,属于最难于求解的NP-hard问题。求解此类优化问题的全局优化算法主要分为确定性算法和随机算法两大类,其中随机算法由于不需要利用优化函数的解析性质,在处理规模庞大的MINLP时相比确定算法显示出了较好的性能,在全局最优搜索过程中不易陷入局部极值陷阱。因此,随机性算法在换热网络同步综合领域具有非常高的研究价值和应用前景。本文针对非线性规划问题(NLP),建立了一种辅以遗传算法(GA)的改进粒子群算法(PSO),并应用于多个经典算例以验证混合优化算法的有效性。3.基于本文提出的PSO/GA混合优化算法,建立双层优化策略用于换热网络同步综合数学模型的求解。双层优化策略能够有效处理MINLP (?)司题中离散与连续优化变量之间的层次性和关联性。上层优化是考虑换热匹配选择的离散组合优化问题,采用遗传算法能够非常有效的处理离散优化问题,寻找到较优的网络结构,从而避免计算大量下层优化问题；下层优化是在换热网络结构给定情况下,以年度最小总综合费用为目标函数确定最佳操作参数的NLP优化问题,本文将初始可行解产生策略、不可行解修复方法和PSO/GA混合优化算法成功地相结合应用于下层优化问题求解。5个不同规模的换热网络综合问题求解证明了本文提出的双层优化策略非常有效。4.建立了基于混合分级超结构的换热网络同步优化改造数学模型。该模型不依赖于夹点约束,不需要预先给定最小传热温差,能够有效权衡改造投资费用与运行费用之间的关系。改造投资费用中考虑了现有换热器的重新配置费用、现有换热器新增换热面积费用和新增换热器费用,符合工程实际要求。换热网络同步优化改造数学模型也是一个复杂的MINLP模型,相比同步综合数学模型,优化变量和约束条件均有所增加。本文提出的双层优化策略同样适用于求解改造问题数学模型。4个不同规模的换热网络改造问题用于验证本文提出方法的有效性。
冯铁军, 霍兆义, 尹洪超[5]2011年在《多周期多设备公用工程系统的混合整数优化算法及应用》文中研究表明本文提出了多周期公用工程系统的混合整数双线性优化模型,它含有两种优化变量和系统运行过程的离散动态约束,期望系统总设备投资(含设备折旧)与全周期运行操作费用之和最小。针对混合整数双线性优化求解上的困难,把混合整数双线性优化问题模型分解成有限多个关于连续变量的线性规划。并论述了混合整数双线性优化问题与分解模型的等价性,以及两种模型的主要数学性质。在此基础上构造了分解优化算法。最后将混合整数双线性优化模型应用于某石化企业的蒸汽动力系统最优设计与运行优化集成实例。
赵浩[6]2016年在《石化企业生产与能量系统集成建模与优化研究》文中认为随着整个社会对能源问题的日益关注,如何提高石化企业生产和管理效率,同时降低生产成本和能耗,已成为企业亟待解决的问题。能量系统作为石化企业的能源产耗核心系统,其运行优化不仅可以提高企业的经济效益,同时也能促进生产过程节能降耗。然而,目前学术界和工程界对石化企业生产计划优化的研究主要从物流方面展开,对能量系统的运行优化,尤其是在生产计划中兼顾能量系统优化的研究与应用还较少。本文首先回顾了国内外石化企业以物流为主的生产计划研究现状和能量系统运行优化进展,根据石化企业工艺生产的实际情况,按照空间和生产流程分解,以炼厂和乙烯厂为典型对象,分别构建集成工艺操作条件的生产计划非线性优化模型,能量系统多周期混合整数线性规划(Mixed-integer programming, MILP)运行优化模型。以此为基础,建立集成炼厂生产系统与能量系统的混合整数非线性规划(Mixed-integer nonlinear programming, MINLP)模型,集成能耗和工艺条件的乙烯厂计划优化模型,以及集成上游炼厂与下游乙烯厂的多周期生产计划模型。通过对多系统集成优化进行系统而深入的研究,说明未来石化企业实现多介质多系统多周期集成优化的必要性与可行性。本文的主要内容和创新点如下：1)针对目前炼油企业生产计划与实际生产操作脱离较大的应用现状,根据炼油厂的实际生产情况,采用数学规划方法,在装置物料平衡模型中引入可变产率约束条件,建立集成常减压装置(Crude oil Distillation Unit, CDU))切割温度和催化裂化装置(Fluid Catalytic Cracker, FCC)转化率的非线性规划模型。提出基于物料质量平衡和产品质量指标约束的集成优化框架,优化求解确定具体的装置操作条件,提高炼厂生产计划的可执行度。2)提出石化企业能量系统各类产耗能设备的通用建模方法,构建能源量系统运行优化框架,采用数学规划法思想,引入分段线性(piecewise linear)方法对锅炉、透平等重点产能设备进行线性回归建模。通过混合整数线性规划数学模型来描述蒸汽动力系统的运行状况,从物料传递、能量平衡、环境影响叁方面建立石化企业能量系统多周期运行优化模型,为石化企业能量系统的操作优化,以及接下来与物流系统的集成提供建模基础。3)通过分析炼厂生产工艺特点,提出物流与能流系统的耦合建模方法,在考虑能源供需平衡、生产单元能耗核算与环境影响的前提下,建立系统间物料与能源多周期质量平衡约束模型,关联负荷与操作方案的生产装置能产能耗核算模型,以及耦合调和物性和锅炉燃料消耗的物性传递模型。从而构建面向炼厂节能减排的生产计划模型,通过对多场景案例验证,为企业的高效生产与节能减排提供优化决策支持。4)针对集成物流与能流的生产计划模型复杂度高与求解时间长等问题,提出一种基于启发式的模型分解策略,引入传统序列分步优化策略确定模型寻优起始点。通过对生产工艺与耦合模型的非凸性分析,对模型双线性约束进行松弛。将原集成混合整数非线性规划模型分解为一个混合整数线性规划模型和一个非线性模型,并迭代求解,通过多场景案例说明算法的实用性。5)针对目前乙烯生产计划优化中,对能源产耗与工艺条件影响考虑不足的现状,构建集成炉管出口温度(Coil outlet temperature,结焦深度等核心工艺条件的裂解炉半机理非线性产率模型和能源产耗模型。通过分析乙烯生产过程中各单元工艺特点,建立集成过程操作和能耗的乙烯装置多周期混合整数非线性规划模型。以某真实化工厂为例,分析集成模型的优化结果,包括装置物流走向、能源产耗计划、设备运行负荷与组合以及蒸汽供需平衡,验证模型实效性。6)从石化企业上下游生产物料和库存平衡,以及生产与能量系统间的能源产耗平衡角度,分析炼厂与乙烯装置间物料与能源工艺耦合关系,建立石化企业多系统集成的混合整数非线性规划模型。基于炼厂和乙烯装置的产品质量平衡与能源供需平衡特点,采用拉格朗日分解算法将原集成模型分解为一个非线性规划炼厂模型,一个混合整数非线性规划乙烯厂模型和一个混合整数线性规划能量系统模型。通过迭代求解,从整个企业网络层面,同时完成炼厂生产计划优化、乙烯装置调度、中间产品库存管理和能量系统运行优化。通过实际案例确定该集成模型与算法的有效性,突出该集成模型在提高生产利润空间与物料利用率方面的优势。7)本研究提出的多系统集成建模框架,立足于石化生产工艺特点,基于国内某大型石化企业中的炼油厂和化工厂生产流程,建立能源设备和生产工艺通用数学模型,可组合为面向炼厂或乙烯厂的生产计划模型,为企业生产运营集成建模奠定了基础。同时,生产系统与能量系统的集成优化,深化了生产过程中物流与能流关系,提高了企业经济效益和能效。
马相坤[7]2007年在《低温过程多流股换热器网络柔性综合的研究》文中指出低温过程换热器网络大部分采用多流股换热器,由于传热温差小,在工程实践过程中,更容易受到操作条件变化带来的影响,因此低温过程换热器网络的柔性问题更为突出。目前大多数文献主要集中在双流股换热器网络柔性综合方面的研究,由于多流股换热器网络柔性综合问题的复杂性以及非线性数学模型全局最优解的求解难度,使得这方面的研究极富挑战性。本文为德国国家科学研究会DFG合作项目(多流股换热器网络最优设计、柔性分析和动态模拟)的子课题,主要的研究内容有以下几个方面:(1)通过对传热过程本质的热力学分析,提出了一种基于流股虚拟温度的T-H图以及多个操作点换热器网络的拓扑并集策略,建立了一个新的有效的多流股换热器网络柔性综合NLP模型。该模型的决策变量为流股的传热温差贡献值,有效地解决了由于低温过程传热温差小而难以选择的问题,并且该模型不需要超结构,没有0-1变量,采用流股虚拟温度的T-H图垂直匹配法解决了复杂的传热过程可行性约束问题,进化过程中的解均可行,从而显着地降低了多流股换热器网络柔性综合问题的复杂性,为大规模柔性多流股换热器网络综合问题提供了有效方法。(2)提出了柔性多流股换热器网络换热器面积同步优化的方法。本文指出目前多流股换热器网络柔性综合存在着“过度综合”的问题,综合出的换热器网络设备投资费用较高,在换热网络运行时换热器面积相对过剩。因此本文以多个操作点换热器网络的拓扑并集策略构成的柔性多流股换热器网络的换热器面积为优化变量,重新分配换热器网络中换热器的面积,实现了换热器面积与柔性多流股换热器网络年度总费用的同步优化,有效地降低了柔性多流股换热器网络的年度总费用,克服了以往换热器网络柔性综合“过度综合”的问题。(3)以更大的概率求取多流股换热器网络柔性综合问题的全局最优解。多流股换热器网络柔性综合问题本质上是求解混合整数非线性规划问题(MINLP),其非线性、非凸以及不可微的特性使得目标函数存在多个局部最优解。本文将遗传/模拟退火算法应用到多流股换热器网络柔性综合及调优问题的求解过程中,提出了多流股换热器网络柔性综合以及换热器面积优化问题初始可行解的产生方法,设计了用于多流股换热器网络柔性综合及换热器面积优化问题的交叉算子、变异算子、保留父代良好信息的OCX算子、保持多样性的EC算子,引入了小生境技术、多种群进化机制,有效地提高了遗传算法的计算效率,能以更大的概率获得全局最优解。通过算例表明本文提出的方法对于解决柔性多流股换热器网络综合问题是有效的。(4)本文以国内某乙烯装置脱甲烷塔前预冷系统换热器网络用能分析为例,针对低温过程换热网络的特点,提出了低温过程多流股换热网络综合的方法;同时利用本文提出的方法进行乙烯装置脱甲烷塔前预冷系统多流股换热器网络柔性综合。结果表明该方法对于大规模多流股换热器网络柔性综合问题是可行的,对工程实际问题具有一定的理论指导作用。
戴文智[8]2009年在《石化企业蒸汽动力系统运行优化研究》文中研究说明蒸汽动力系统是石化企业的重要组成部分,同时消耗大量燃料而产生大量污染物,造成了严重的环境问题。因此,蒸汽动力系统的优化操作,不仅是石化企业节能降耗、提高效益的重要途径,也对环境保护和人类社会的可持续发展有着重要的意义。依据蒸汽动力系统自身复杂运行特性对其进行深入理解和分析,是制定系统合理的运行优化方案的前提,对实现石化企业能量系统总体优化也至关重要。本文在阅读大量国内外与蒸汽动力系统多层次集成建模体系结构相关文献基础上,建立了蒸汽动力系统物理结构、流结构、功能层次模型和蒸汽动力系统多周期运行优化的数学模型。并基于粒子群算法收敛速度慢、全局寻优能力弱的缺点,提出了一种新的优化算法——线性变化参数的粒子群(ICPPSO)算法,对约束的处理进行了简化,把约束问题转化为无约束优化问题。运用ICPPSO算法对部分文献中的算例和实际算例进行优化求解,与其他方法相比能很快得到运行优化方案,降低了大量运行成本,表明了其实用性和有效性。石化企业中,由于生产量和季节变化等原因,造成了各周期间蒸汽和电的需求变化比较大,导致锅炉和汽轮机的频繁启停,不仅增加了运行费用,而且对设备的寿命影响较大。在对以往研究设备启停费用模型基础上本文提出了修正,如果不考虑设备启停时间,进行了数学意义上的修正；如果考虑设备启停时间对其模型提出两种修正方案,种方案是把蒸汽和电力需求约束分成叁个时间段：设备启动、设备正常运行和设备停运时间；另一种方案是对设备启停逻辑约束进行修正,把启动周期提前、停运周期推迟。本文结合某石化企业的蒸汽动力系统实际情况建立了设备启停费用数学模型,运用ICPPSO算法采用分步求解策略得到了合理的优化运行方案,两种优化方案总运行费用分别减少1.4%和2.3%。该修正模型不仅具有数学方面的意义,而且对具有转运关系的调度问题也有参考作用。我国能源状况面临着经济增长和环境保护的双重制约,能源短缺和环境污染的压力会急剧加大。对此本文提出了包括环境成本在内的石化企业蒸汽动力系统多周期运行优化模型,该模型不仅考虑了污染物的排放,也考虑了污染物的减排因素,增加了污染物排放限制约束,加大了对气体污染物的惩罚力度。结合某石化企业的蒸汽动力系统实际情况建立了多周期运行优化数学模型,运用ICPPSO算法对其优化求解,得到了合理的单元配置、燃料选择和不同操作周期的动力输入、输出和购买蒸汽及环境成本的运行优化方案,并给出了降低包括环境成本在内的运行总成本的合理性建议。
罗向龙, 华贲[9]2009年在《蒸汽动力系统设计与综合优化研究综述》文中研究说明蒸汽动力系统是过程工业企业的重要组成部分,其设计水平、运行和控制性能对过程工业的能量利用效率和经济性具有重要影响,在过去的30多年里,蒸汽动力系统的优化研究一直是国内外学者研究的热点。本文归纳了过程工业蒸汽动力系统设计与综合优化方面的研究内容;从优化内容、优化方法、优化准则目标等方面详细介绍了过程工业蒸汽动力系统研究工作进展;针对当前研究工作的局限展开了评论,对蒸汽动力系统设计与综合的深入研究重点和方向提出了展望。
肖丰[10]2011年在《柔性换热网络综合与设备清洗安排同步优化》文中研究表明柔性换热网络能够在一定程度上克服由于操作工况扰动以及外部环境发生变化对系统造成的不利影响。因此近些年来在确定操作工况下的换热网络综合研究的基础上逐渐开展了柔性换热网络综合研究。考虑换热网络设备结垢对传热性能影响也是柔性换热网络研究内容之一,但通常采用选择保守的污垢热阻系数的方式来表达结垢的影响,虽然能够满足系统柔性需求,但增加了设备成本而失去了经济最优性。针对此点,本文提出柔性换热网络综合与设备清洗安排同步优化的新思路。论文主要内容分为：(1)在柔性换热网络综合阶段充分考虑设备结垢过程对换热网络单元传热性能的影响,并采用优化清洗周期的方式来满足系统柔性的约束,实现了柔性换热网络综合与设备清洗周期同步优化获得最优的热经济性能。(2)柔性换热网络综合和设备清洗周期的优化问题均属于组合优化,归属于NP-hard问题。为了有效降低其复杂性,提出采用两阶段分步求解策略。首先在初选阶段根据污垢生长周期各时间段基于虚拟温焓图法进行柔性换热网络综合,采用双重并集策略识别出最优匹配候选。在此基础上通过动态模拟方式对随机优化的时变换热网络系统公用工程用量进行统计,并根据各设备清洗周期对其进行维护恢复其传热性能,进而获得整个大修周期的运行费用、清洗费用,结合设备投资折旧得到年度化经济目标函数值。利用遗传/模拟退火算法实现柔性换热网络综合与设备清洗维护周期同步优化。(3)不同以往研究采用离散时间描述对换热网络设备清洗周期进行优化的方法,提出连续时间描述法对运行周期进行分割获得非等长子时间段,并采用网络运行状态矩阵及状态转移矩阵实现在每个时间段的边界交替进行设备清洗和运行操作,该方法能够有效减少优化变量降低问题的复杂性,其有效性在算例2中得到了确认。(4)提出了在进行柔性换热网络综合与清洗时序安排同步优化阶段依据各匹配候选存在于污垢生长周期各时间段柔性换热网络结构中的概率来确定预选的网络结构,改善了优化解的初值,能够有效地提高同步优化的计算效率。(5)给出叁个具体计算案例。算例1结果中年度总费用较单纯柔性换热网络综合年度总费用降低1.5%,表明采用清洗策略并同柔性换热网络综合同步优化是更有利的；算例2说明所提出的方法能够解决大规模柔性换热网络综合问题；最后是工程实践将所提出方法用于某乙烯装置脱甲烷塔前预冷系统换热网络的用能分析。
参考文献：
[1]. 多周期公用工程系统最优综合与运行优化问题研究[D]. 杨国忠. 大连理工大学. 2003
[2]. 换热网络设计与运行优化技术研究[D]. 张晓玲. 大连理工大学. 2011
[3]. 基于长周期节能的换热网络最优综合[D]. 常润秀. 中国石油大学(北京). 2016
[4]. 基于分级超结构的换热网络同步综合与改造方法研究[D]. 霍兆义. 大连理工大学. 2012
[5]. 多周期多设备公用工程系统的混合整数优化算法及应用[C]. 冯铁军, 霍兆义, 尹洪超. 中国企业运筹学[2011（1）]. 2011
[6]. 石化企业生产与能量系统集成建模与优化研究[D]. 赵浩. 浙江大学. 2016
[7]. 低温过程多流股换热器网络柔性综合的研究[D]. 马相坤. 大连理工大学. 2007
[8]. 石化企业蒸汽动力系统运行优化研究[D]. 戴文智. 大连理工大学. 2009
[9]. 蒸汽动力系统设计与综合优化研究综述[J]. 罗向龙, 华贲. 化工学报. 2009
[10]. 柔性换热网络综合与设备清洗安排同步优化[D]. 肖丰. 大连理工大学. 2011