换热网络全局最优化研究

论文摘要

随着工业化的推进，能源日益短缺。换热网络作为过程工业的一个重要组成部分，对整个系统能量的合理利用具有决定性的作用，对降低生产能耗及降低生产成本具有重要的意义。目前换热网络优化问题的研究工作绝大部分仍然采用局部最优化方法和随机性优化方法。随机性优化方法虽然对优化目标函数要求很低，容易得到优化结果，但该方法基于概率统计学原理和模拟某些自然现象或过程而形成的，得到的换热网络优化结果不能证明是最优解。局部最优化方法虽然发展的比较成熟，形成了一系列经典理论，对于单峰问题的求解，能够搜索到最优解，但应用于换热网络综合时，该方法对初始值的依赖性很强，由于其优化方法本身的局限，也不可能得到全局最优解。鉴于此，本文进行换热网络全局优化确定性方法的研究，使其在换热网络变量寻优的过程中，跳出局部最优解，寻找更优的换热网络结构和解，直至全局最优解。首先，本文以综合费用为目标函数，建立了换热网络优化数学模型，通过典型算例的优化结果揭示了换热网络优化的目标函数具有多峰值的特点，并对优化变量中整型变量和连续型变量造成的非线性特点进行了分析。然后，本文应用确定性方法优化换热网络，提出了填充打洞函数优化换热网络，并构造了适当的填充打洞函数跳出局部极小点，对换热网络进行优化，通过实例验证了该方法的可行性；并首次提出峰谷轮换法优化换热网络，建立了峰谷轮换算法跳出换热网络局部极小点陷阱。继之，基于全局优化方法不断跳出局部极小点的思想，本文提出外推内插法跳出换热网络局部极小点的思想，并建立单变量一维向量搜索、多变量多维向量搜索和多维空间多面体搜索算法对换热网络进行优化，通过实例验证并比较了各种算法优化结果的质量。最后，针对大规模换热网络综合问题的特点，提出了大规模换热网络的优化策略，结合了随机性方法和确定性方法的优点，应用随机性方法缩小换热网络结构规模，在此基础上，应用确定性方法优化各换热器面积，提出了换热网络混合优化算法。总之，本文立足于全局优化确定性方法思想，对换热网络确定性方法进行了深入研究，提出了多种跳出换热网络局部极小点的优化方法，对换热网络的全局优化与综合有着重要的理论和现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 课题研究背景及意义
• §1.2 国内外研究现状
• §1.2.1 换热网络优化模型的研究现状
• §1.2.2 换热网络优化方法的研究现状
• §1.3 本文主要研究内容
• 第二章 换热网络优化存在的问题及难点
• §2.1 换热网络优化模型
• §2.1.1 换热器热力计算
• §2.1.2 换热网络优化数学模型
• §2.2 换热网络优化存在的问题及难点
• §2.2.1 换热网络优化问题存在多个极值
• §2.2.2 连续变量优化的非线性特性分析
• §2.2.3 整型变量引起的问题非线性分析
• §2.3 本章小结
• 第三章 换热网络确定性优化方法研究
• §3.1 全局优化确定性方法介绍
• §3.2 填充打洞函数算法优化换热网络
• §3.2.1 换热网络填充打洞算法
• §3.2.2 优化算例
• §3.3 峰谷轮换法优化换热网络
• §3.3.1 换热网络峰谷轮换法
• §3.3.2 优化算例
• §3.4 本章小结
• 第四章 换热网络优化的外推内插算法
• §4.1 多维向量跳出局部极小值点
• §4.1.1 单变量一维向量搜索
• §4.1.2 多变量多维向量搜索
• §4.2 多维空间多面体跳出局部极小值点
• §4.3 优化算例
• §4.4 本章小结
• 第五章 随机方法和确定方法混合优化换热网络
• §5.1 全局优化随机性方法介绍
• §5.2 大规模换热网络优化策略
• §5.3 换热网络综合的混合峰谷轮换法
• §5.3.1 Monte Carlo 方法
• §5.3.2 混合峰谷轮换法优化换热网络
• §5.3.3 混合峰谷轮换法算例
• §5.4 换热网络综合的混合外推内插法
• §5.4.1 遗传算法
• §5.4.2 混合外推内插法优化换热网络
• §5.4.3 混合外推内插法算例
• §5.5 本章小结
• 第六章 结论
• §6.1 主要结论
• §6.2 展望
• 附录
• 主要符号表
• 参考文献
• 在读期间公开发表的论文、专利及承担科研项目
• 致谢