换热网络优综合的智能设计方法及应用

　　1上海交通大学自动化系。上海200030e进化模型的系统结构优化和换热单元优化两部分，同时进行系统结构和换热单元的协作进化设计，终得到它们之间的优折衷。算例明，该方法较好地解决了较大规模的换热网络优综合问，且能避免传统方法中存在的收敛速度较慢易陷于局部小值月标函数必须可导等问，并已成功用于某厂乙烯装置的全过程用能优化综合问。

　　1引言换热网络优综合问，足尽可能经济地回收所有冷热工艺物流的有效能量，减少公用工程耗量，以达到节能的目的。其优化设计目标是以热力学第定律为基础，同时考虑所有投资费用因素换热面积换热单元数等和所有运行费用因素公用工程用量等及相互约束关系，目前，换热网络优综合的设计方法基本上形成了两种方法挟点设计法和数学规划法。经文献检索发现0挟点设计法不能同时考虑网络的投资费用和运行费用；数学规划法虽然可以在模塑中同时考虑这两种投资费用，但是若采用确定性方法，只能解决仅限于十几条工艺流股规模的问；若采用随机性方法，例如遗传算法，虽然具，鲁棒性可并行处理及高效率等特点，但也只能解决小于几条流股规模的问，易陷于局部优收敛速度较慢。因为对于具有况，个热流股和个冷流股级数为，的换热网络，每级多，=况个换热器，如果每种匹配顺序对应种换热网络结构，则共有=！

　　个换热网络结构。随着冷热流股数目，加，网络的拓扑结构将急剧增加，显然是组合爆炸，属于NPHard问；1针对上述情形，本文提出基于新型合作协作进化算法的换热网络优综合智能设计方法，2基于合作协作进化算法的换热网络优综合设计方法1问描述典型的换热网络综合问可定；另有温度已知的组冷热公用工程可以利用。其中，运行费用与所消耗的冷热公用工程成正比，而投资费用是所有换热器和公用工程换热器费用的总和。求解问需要确定是换热网络系统结构和换热器单元参数，包括所需公用工程用量流股匹配换热器设备数目每台换热器通常，采用个关联矩阵来换热网络的网络系统结构。不失般性，用冷流作为关键流，热流为非关键流。在换热网络中，冷热流交换热量的次序是重要的，为此在换热网络中引人级的概念。关联矩阵的列数等于关键流的数目，时其行数等于换热网络中的级数。关联矩阵中的元素值关键流与非关键流在第1级交换热量，如果值为零，则意味着关键岛与非关键流在第级没有热量交换。在同级内，每个非收稿日期20040215；收修定稿日期20040408基金项目国家863计划资助项目2002412，与科研工作；邵惠鹤1936，教授，博士生导师。

　　关键流可以和多个关键流进行热交换，1.

　　第级第级换热网络冷流热流第级第级冷流，3关联矩阵2算法描述系统优化设计思想明，网络的系统结构决定了换热网络所能够达到的性能；而个系统结构的好坏，通常需要根据目标函数，对该换热网络结构内的换热单元进行参数优化来判断。基于此思想，在利用新型合作协作进化算法解决换热网络优综合问的进化过程中5，存在两种物种的进化。主导物种和评优物种，分别进化网络的系统结构和换热单元参数。目的是利用主导物种进化来引导评优物种的进化方向；利用评优物种进化来评价已进化过的系统结构的优劣，它们之间是合作协作关系，终得到系统结构和换热单元之间的优折衷。

　　编码策略主导物种的个体代了网络的系统结构，采用关联矩阵来，其编码内容是正整数；评优物种的个体代了给定系统结构系统结构对应于主导物种中个个体。主导物种的个个体与评优物种的个个体可以组合个完整的换热网络。

　　评优物种的个体适应值函数=换热网络的综合目标函数。

　　主导物种的个体适应值函数=由评优物种中好个体给出。

　　设定主导物种的种群规模随机初始化主导物种民根据主导物种的个体数，确定评优物种的个数与主导物种的个个体相对，随机初始化个评优物种戈，评优物种与主导物种中个个体是对应的计算在又中每个个体的适应值选择1中的好个体，其适应值作为对应的主导物种5中个体的适应值end 1士每个物种5包括主导物种5和评优物种151dobegin基于适应值从3361中选择个体组成只计算在，86中每个个体的适应值其中，计算物种的个体适应值如下1评优物种5中的第汁个体如561该个体与主导物种中对应的个眯相协作，组成待解决问的个完整解根据目标函数计算这个完整解的目标函数值对第纟个个体，选择该目标函数值作为其适应值化主导物种5中的第纟个个体如8该个体与对应的评优物种中每个个体相协作，组成侍解决问的组完整解根据片标闲数计算这组完整解的1标函数值对第！个个体，选择好的目标函数值作为它的适应值换热网络适设计方案选择因为所得到验，从中选择适合的设计方案。

　　3应用事例为了验证本发明在换热网络优综合设计中效果，与前面所述的闰内外现有的方法进行比较。以典型的10印1问为例6，采用传统方法解决该问的优解为年费用49658美元。其中，所有换热器的费用计算式为145.63 6.利用本文方法可以得到组优化设计方案，2.

　　其中的种方案，其年费用为42 704美元，采用了7个换热器和3个冷流公用换热器。另用于。某厂现有乙烯装置的全过程用能优化综合问，其中热流股数为50，冷流股数为6，本文方法所求得年费用为893762.71美元，该结果得到生产单位认可。

　　4结语法较好地解决了较大规模的换热网络优综合问慢易陷于局部小值目标函数必须可导等实际问，可应用于化工炼油等过程工业中的能量回收网络设计，并已用于某厂乙烯装置的全过程用能优化综合问，得到生产单位认可。

　　Jj霍夫曼丁，马庆芳，等译。换热器设计弓理论源典。北京机械工业出版社，1983.

　　李志红，尹清华。华贲。换热网络优合成研究的进展与展望1.炼油设计，1997，273510.

　　肖云汉，朱明善，壬补宣。换热网络设计方法的研究张春慨。进化算法的若干研究及应用0.上海上海交通大学，2001.