换热网络结构性能连续性序列的生成方法研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：083143 换热网络结构性能连续性序列的 生成方法研究 蔡康 关欣 刘鹏 崔国民 郭春雨 (上海理工大学热工程研究所432信箱 上海 200093) （Tel：021Email：supermynameiscai@163.com） 摘要：换热网络规模逐渐向巨型化发展，使得换热网络的综合和优化面临挑战，传统的优化方法不能 很好得应用。本文在分析换热网络结构和性能的基础上，将连续性原理引入进来，并研究了连续性序 列的生成规则，为最终引入模拟退化算法来优化换热网络问题奠定了基础。 关键词：换热网络优化；结构性能连续性原理；模拟退火算法 0 前言 换热器网络是化工系统工程的重要的组成部分，其设计的合理性和高效性直接关系 到系统的整体性能。对于换热网络的综合和优化，夹点技术从热力学角度来考虑，提供 了一种切实可行的方法，但是由于技术本身的分布求解的限制，因此并不能得到全局最 优解。换热网络优化是混合整数非线形规划的问题，目标函数和约束条件都是非线性的， 局部最优解很多，呈现强烈的非凸和非线性，单纯通过数学的方法对此问题进行求解效 率低，还不能进行实际的工程应用。而且随着现代工业的发展，系统规模向大型化发展， 整型变量的增加造成关于这些变量组合的激增，使得优化的难度越来越大，更不要说求 得最优解了。数学规划法从理论上是最合理的方法，但是往往受限制于换热网络规模的 大小，还不能将其用于大规模网络的综合和优化问题。全局优化算法可以求得网络的全 局最优解，但是只能应用于小规模网络。近年来发展迅速的基于随机技术的启发式优化 方法，能够从全局同步地对换热网络进行优化，从而得到一个解，但是并不能证明此解 就是全局最优解。 鉴于此，本文将连续性原理引入换热网络的优化问题中，提出换热网络的结构性能 连续性原理，这种连续性不是指数学上严格意义的连续性，而是指结构的微小变化不会 引起网络性能的突变。文献[1,2]应用结构性能连续性原理对多股流换热器通道排列进行 了研究。但把此原理应用在换热网络的优化和综合上，还有一定的难度。因此，结合具 体的问题，在超结构的基础上对各物流之间的匹配关系进行有机的整合，便可以形成一 个关于换热器如何组合的序列，此序列表现为网络性能的连续性。在结构性能连续性原 理的指导下，生成性能连续性序列，最后基于该连续性序列对换热网络进行优化。将换 热网络优化问题的整型变量进行了多维到一维的处理，从物理方面对问题的求解空间进 行有效的处理，降低了问题的优化难度。 这样就为换热网络的综合及优化提供了一种有效的方法，而且不会受限于网络规模 资助项目：国家自然科学基金(No 的巨型化的发展趋势，从理论上可以保证全局最优解的获得。 1 换热网络综合优化与结构性能连续性原理 1.1 换热网络综合优化中若干问题分析 换热网络优化的实质是确定热物流和冷物流的合理匹配，并确定换热器的面积，使 得尽量回收能量的同时年费用最少，即求得能量回收与经济效益之间的平衡。但是对于 大规模网络，整型变量激增，所有可能的结构数目众多，传统的优化方法不能用来优化。 因此，换热网络优化问题属于混合整数非线性规划，而其中整型变量的难以处理一直是 制约换热网络优化的一个很重要的方面。 不同的流体之间的匹配方式对应着一种结构，很显然不同的结构性能是不同的，在 所有的结构中总能够分出性能的高低。基于随机技术的优化方法，正是以此隐含的序列 为基础，找到最优解所在区间内的解，但是要找到全局最优解却不能实现，而且不能够 知道找到的解与全局最优解之间的差距到底有多大。对于大规模的网络，在众多的结构 中，在某一性能附近存在着大量的与之性能接近的结构，那么便可以结合此序列，应用 模拟退火方法，来解决大规模网络的优化问题。因此，这样就实现了难于处理的整型变 量的降维处理，即换热器个数表示的多维整型变量到序列代表的一维变量的改变。 1.2 模拟退火算法描述 退火