基于可行物流匹配机制的大规模换热网络优化设计方法

本发明涉及工业热交换网络的设计领域，具体涉及一种基于可行物流匹配机制的大规模换热网络优化设计方法。

背景技术：

1、换热网络在炼油厂、石化厂、钢铁厂等加工行业中担当着关键的能源系统角色，并对工业能源效率产生重大影响。通过优化和分析工艺流之间的热传递，可以降低外部公用工程的能耗。目前，解决换热网络合成问题的主要方法包括夹点分析法和数学规划法。

2、夹点分析法遵循热力学定律，通过将流温度分段划分为级联区间来消除换热网络的瓶颈。在夹点分析法中，热流的确定和夹点的位置影响着能量目标的确定，然而，该方法主要基于人工经验，无法直接考虑设备成本、物流匹配和灵活性等因素。

3、相比之下，数学规划法可以同时考虑热力学约束以及经济、物理等实际问题。通过建立数学模型来自动获取最优换热网络，数学规划法在自动合成换热网络方面具有优势。该方法可通过确定性方法、随机方法或它们的混合来求解，确定性方法适用于中小型换热网络问题，但在处理大规模换热网络问题时受到限制。相反，随机方法和混合方法能够更好地解决大规模换热网络问题，避免了非凸性和不连续性等限制，但也需要引入惩罚项以确保生成可行的解。

4、当前大规模换热网络研究主要存在两个不足之处：(1)确定性方法通常能够在合理的时间范围内解决中小型换热网络问题。然而，对于大规模换热网络问题，如果没有良好的初始值，确定性方法总是无法收敛到高质量的解，尤其在考虑非等温混合的情况下，甚至存在内存不足和耗时问题；(2)随机方法和混合方法不受换热网络模型的非凸性和不连续性的限制，因此在设计大规模换热网络时表现出优势。不过，这些方法一般都需要引入一些惩罚项，以防止生成不可行的解，这限制了随机方法和混合方法在寻求大规模换热网络设计的最优解或接近最优解的优化能力。

技术实现思路

1、针对现有研究技术存在的上述问题，本发明要解决的技术问题是：如何在有效时间内解决大规模换热网络优化问题，从而获取最优的网络设计方案。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于可行物流匹配机制的大规模换热网络优化设计方法，包括以下步骤：

3、s1：提取工艺物流与公用工程的温度、对流传热膜系数及热容流率等物性数据；

4、s2：定义新的集合hcp，以包括冷热工艺物流之间所有可行的匹配；

5、s3：通过s2定义的hcp，建立以年度总费用tac最小化为目标的换热网络超结构模型，该换热网络超结构模型为混合整数非线性规划minlp模型，它包含以下二进制变量：表示物流换热器he是否存在的二进制变量zi,j,k、表示冷却器是否存在的二进制变量zcu、表示加热器是否存在的二进制变量zhu；该换热网络超结构模型还包含以下约束：过程物流能量平衡约束、超结构各级能量平衡约束、公用工程能量平衡约束、非等温混合约束、换热单元逻辑约束、温度可行性约束和传热温差约束；

6、s4：初始化换热网络minlp模型参数，包括最小传热温差、换热网络超结构级数、换热器投资与公用工程费用参数；

7、s5：初始化遗传算法ga参数，包括：种群大小、最大迭代次数、交叉率及变异率；

8、s6：初始化种群，每个种群中的个体均由ga生成的二进制变量zi,j,k表示；

9、s7：遍历种群中每个个体的zi,j,k，并将其传入到minlp模型中，然后采用确定性算法(gams/dicopt)依次对每个个体求解该minlp模型，从而得到每个种群中个体的tac，该tac即为适应度；

10、s8：迭代开始；

11、s9：执行选择、交叉、变异操作；

12、s10：通过s9生成新的种群返回s7，得到新种群中每个个体的适应度；

13、s11：判断迭代是否达到最大迭代次数,若否，则返回s9，若是，则从当前新种群中选择适应度最高的个体；

14、s12：迭代结束，将s11适应度最高个体的zi,j,k传入到minlp模型中求解，得到he热负荷与面积、冷却器负荷与面积、加热器负荷与面积以及分流流率参数，从而获得最优的网络设计方案。

15、进一步的，步骤s2中，所述新集合hcp，是根据只有当热物流温度高于冷物流温度时才会发生热交换的可行物流匹配机制定义而来，公式如下：

16、hcp＝{(i,j)|(i∈hp)and(j∈cp)and(tini-tinj>δtmin)}

17、式中，hp、cp分别表示热物流与冷物流的集合；tini、tinj分别表示热物流与冷物流的进口温度；δtmin为最小传热温差。

18、进一步的，步骤s3中，所述目标函数tac包括换热器的投资成本以及公用工程的操作成本，公式如下：

19、

20、式中，st为换热网络超结构级数的集合；qi,j,k、qcui、qhuj分别表示he、冷却器、加热器的热负荷；cf、ca分别代表换热器的固定安装费用与购置费用；ccu、chu分别代表冷却器与加热器的单位操作费用；hi、hj、hcui、hhuj分别代表热物流、冷物流、冷却公用工程与加热公用工程的对流传热膜系数；touti、toutj分别代表热物流与冷物流的出口温度；tcuini、thuinj分别代表冷却公用工程与加热公用工程的进口温度；分别代表he热端和冷端的传热温差；dthui、dthuj分别代表冷却公用工程与加热公用工程的传热温差；β是衡量上述传热单元大小的经济参数。

21、进一步的，步骤s3中，所述过程物流能量平衡约束中，热物流的能量平衡约束为：

22、

23、式中，fi为热物流的热容流率。

24、所述过程物流能量平衡约束中，冷物流的能量平衡约束为：

25、

26、式中，fj为冷物流的热容流率。

27、进一步的，步骤s3中，所述超结构各级能量平衡约束中，热物流的每一级能量平衡约束为：

28、

29、式中，ti,k、ti,k+1分别代表热物流的第k级和第k+1级温度。

30、所述超结构各级能量平衡约束中，冷物流的每一级能量平衡约束为：

31、

32、式中，tj,k、tj,k+1分别代表冷物流的第k级和第k+1级温度。

33、进一步的，步骤s3中，所述公用工程能量平衡约束中，冷却公用工程的能量平衡约束为：

34、

35、式中，为热物流在换热网络最后一级的温度。

36、所述公用工程能量平衡约束中，加热公用工程的能量平衡约束为：

37、

38、式中，tj,1为冷物流在换热网络中第一级的温度。

39、进一步的，步骤s3中，所述非等温混合约束包含如下公式：

40、

41、

42、

43、

44、式中，与分别表示热物流与冷物流的分流流率；与分别表示he热端与冷端的出口温度。

45、进一步的，步骤s3中，所述换热单元逻辑约束为：

46、

47、

48、

49、式中，qi和qj分别代表热物流和冷物流的总热负荷。

50、进一步的，步骤s3中，所述传热温差约束中对于热物流i和冷物流j之间的he单元，温差约束为：

51、

52、

53、所述冷却器的传热温差约束为：

54、

55、所述加热器的传热温差约束为：

56、

57、进一步的，步骤s3中，温度可行性约束为：

58、

59、

60、

61、

62、

63、

64、相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：

65、1)基于可行物流匹配机制定义了新集合hcp，从而保证换热网络minlp模型中热物流与冷物流之间的匹配均是可行的，即无需引入惩罚项。

66、2)所提出的方法有效地结合了ga在优化整型变量方面与确定性算法在搜索全局最优方面的优势，能解决大规模换热网络优化设计问题。