基于流股有效温位的大规模多流股换热器网络综合

论文摘要

与双流股换热器相比,多流股换热器以其高效率、结构紧凑及投资低在气体加工和石油化工等过程工业中有着广泛的应用。但是以往人们把大部分精力用于传统的双流股换热器网络综合的研究,而有关多流股换热器网络综合问题的研究目前仍然很有限,尤其是对于工业大规模多流股换热器网络。本文在德国科学研究会项目（DFG）的资助下进行了多流股换热器网络综合方法的研究,主要的进展有以下几个方面: 1)提出了产生初始的近优可行解的有效方法。基于传热过程等有效能损失分布原则的热力学原理提出了一种新的确定流股传热温差贡献值的方法,从而确定流股的虚拟温度—有效温位,在温-焓（T-H）图上构造组合曲线,在分割的焓间隔内进行流股垂直匹配,能够得到合理的网络,原则上实现了有效温位的流股逆流换热,能以很高的概率获得热力学和经济上近优的网络作为初始可行解和进化过程中的逐次优化解。 2)建立了一个新的有效的多流股换热器网络综合数学模型。基于流股有效温位和在T-H图上的垂直匹配法,建立了多流股换热器网络综合NLP数学模型。该模型以流股的传热温差贡献值为网络综合的决策变量,明显地降低了问题的维数,而且不含有0-1变量,采用T-H图上的垂直匹配法解决了复杂的约束问题,进化过程中的解均可行,这一新的换热网络综合模型显著地降低了求解大规模多流股换热器网络综合的复杂性。而且此模型也可以用于求解具有不同传热膜系数和不同换热器材质的网络。 3)大规模多流股换热器网络综合问题的求解。提出了多流股换热器网络初始近优可行解的产生方法,设计了用于多流股换热器网络综合问题的交叉算子、变异算子、保留父代良好信息的OCX算子、多样性保持EC算子,引入了多种群进化机制,提高了遗传算法的搜索能力和计算效率。最后,基于多流股换热网络综合NLP模型,采用改进的遗传/模拟退火算法求解100对100流股分支的大规模多流股换热器网络综合问题,能够得到优化解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 换热网络综合问题
• 1.2 换热器网络综合方法
• 1.2.1 启发探试法（Heuristic Method）
• 1.2.2 数学规划法（Mathematical Programming）
• 1.2.3 人工智能法（Artificial Intelligence）
• 1.3 弹性换热网络综合问题
• 1.4 换热器网络综合问题计算复杂性分析
• 1.5 进化算法
• 1.6 多流股换热器网络综合
• 1.7 本论文的研究范围及组织结构
• 2 基于流股有效温位进行最小面积网络综合
• 2.1 流股的有效温位—虚拟温度
• 2.2 确定流股传热温差贡献值的方法
• 2.2.1 考虑传热膜系数与单位传热面积费用的流股传热温差贡献值
• 2.2.2 考虑等有效能损失的传热温差贡献值
• 2.3 基于温-焓（T-H）图的垂直匹配法
• 2.3.1 最小面积网络的影响因素
• 2.3.2 基于虚拟温度在T-H图上垂直匹配综合换热器网络
• 2.3.3 焓间隔内多流股换热器网络的匹配方法
• 2.4 应用案例
• 2.5 本章小结
• 3 多流股换热器网络综合数学模型
• 3.1 换热器网络建模问题
• 3.1.1 换热器网络综合问题的数学描述
• 3.1.2 换热器网络匹配结构的可能方案
• 3.1.3 换热器网络综合数学模型的介绍
• 3.2 多流股换热器网络（MSHEN）综合问题
• 3.2.1 多流股换热器
• 3.2.2 多流股换热器网络综合和双流股换热器网络综合复杂性比较
• 3.2.3 多流股换热器的识别和合成规则
• 3.3 多流股换热器网络综合模型
• 3.3.1 多流股换热器网络综合问题
• 3.3.2 多流股换热器网络综合的NLP模型
• 3.4 关于多流股换热器网络综合NLP模型的分析
• 3.5 小结
• 4 拟并行遗传／模拟退火算法及大规模多流股换热器网络的求解
• 4.1 遗传算法
• 4.1.1 遗传算法实现技术
• 4.1.2 传统遗传算法的局限
• 4.2 模拟退火算法
• 4.2.1 模拟退火算法实现技术
• 4.2.2 模拟退火算法求解连续全局优化问题的步骤
• 4.3 拟并行遗传／模拟退火算法（PPGA／SA）
• 4.3.1 遗传参数的自适应选择
• 4.3.2 小生境技术
• 4.3.3 EC（Effective Crowding）算子
• 4.3.4 OCX（Orthogonal Crossover）杂交算子
• 4.3.5 与模拟退火算法的结合
• 4.3.6 多种群并行进化机制
• 4.3.7 PPGA／SA算法步骤
• 4.4 用PPGA／SA求解多流股换热器网络综合问题
• 4.4.1 初始可行解产生的策略
• 4.4.2 遗传操作的实现
• 4.4.3 约束条件的处理
• 4.4.4 基于虚拟温度用遗传／模拟退火算法进行多流股换热器网络综合步骤
• 4.5 计算实例
• 5 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献：
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书