公用工程系統(tǒng)能量綜合與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、摘要隨著能源的日益緊缺，如何提高能源的利用率成為影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。作為耗能大戶一一過程工業(yè)中能耗最大的子系統(tǒng)，即公用工程系統(tǒng)必然要經(jīng)濟(jì)合理的用能，降低生產(chǎn)成本。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，多學(xué)科的交叉，已不再簡(jiǎn)單著眼于局部環(huán)節(jié)與單臺(tái)設(shè)備的用能效率，而是采用系統(tǒng)能量集成進(jìn)行系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)、改造。本文采用數(shù)學(xué)規(guī)劃這一強(qiáng)有力的工具對(duì)公用工程系統(tǒng)能量綜合和最優(yōu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。首先針對(duì)一般系統(tǒng)進(jìn)行集成建模，給出了具有普適性的混合整數(shù)非線性數(shù)

2、學(xué)模型，結(jié)合各單元的投資費(fèi)用和操作費(fèi)用，進(jìn)行了目標(biāo)函數(shù)，即年度總費(fèi)用或年度總收益，和相關(guān)約束，即物料、能量、物理性能、設(shè)計(jì)參數(shù)、熱力學(xué)約束等的相對(duì)具體化。其次針對(duì)該模型非線性、非凸、多峰等特點(diǎn)，討論了分支定界法、GBD法和OA法等傳統(tǒng)求解算法的局限性，提出了罰函數(shù)一湊整算法和遺傳算法的求解思路，對(duì)遺傳算法的選擇、交叉、變異等過程進(jìn)行分析，對(duì)遺傳算法初始點(diǎn)選擇、算子設(shè)計(jì)、適應(yīng)值調(diào)整和約束處理等具體實(shí)現(xiàn)問題提出了改進(jìn)措施，并編制了相關(guān)的求解

3、程序。最后本文結(jié)合結(jié)構(gòu)固定參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)與參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化的兩個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目來(lái)檢驗(yàn)優(yōu)化方法的正確性，統(tǒng)籌考慮構(gòu)成公用工程系統(tǒng)的各種可能單元和組合方式，建立包含多種可能方案的超結(jié)構(gòu)流程，進(jìn)行了詳細(xì)的MINLP建模和約束的進(jìn)一步細(xì)化，在傳統(tǒng)算法失效的前提下，利用提出的改進(jìn)算法進(jìn)行求解和分析，得到了較好的結(jié)果。本文從理論和實(shí)際兩方面對(duì)公用工程系統(tǒng)能量綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，形成了混合整數(shù)非線性規(guī)劃和遺傳算法相結(jié)合的更好的公用工程系統(tǒng)能量綜合和優(yōu)化

4、設(shè)計(jì)的方法。關(guān)鍵詞:公用工程系統(tǒng)，系統(tǒng)能量集成，罰函數(shù)一湊整算法，遺傳算法公用工程系統(tǒng)能量綜合與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究1文獻(xiàn)綜述1.1引言我國(guó)能源供應(yīng)不足，長(zhǎng)期緊張，能耗大大高于發(fā)達(dá)國(guó)家，制約了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展。造成能源短缺的原因有兩個(gè)方面，一方面是人口眾多，人均占有率低另一方面就是我國(guó)能源利用率低下，只是國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的一半左右。因此如何提高能耗大戶的能源有效利用率是擺在我們面前的一個(gè)重要而緊迫的問題，其中又以過程工業(yè)為代表.過程工業(yè)是廣義

5、的化學(xué)工業(yè)，包括化工、煉油、石油化工、冶金、輕工、建材等工業(yè)部門，是能源密集型工業(yè)。據(jù)2003年統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)nl，我國(guó)過程工業(yè)能耗約占全國(guó)能源消耗總量的11%為工業(yè)能源消耗量的20%，是耗能大戶。但長(zhǎng)期以來(lái)在粗放型經(jīng)濟(jì)的影響下，過程工業(yè)能源效率低下，以合成氨工業(yè)為例:我國(guó)合成氨工業(yè)的能耗占化學(xué)工業(yè)的52%，是化工行業(yè)的第一耗能大戶，而合成氨平均能耗比國(guó)際先進(jìn)水平大約高出5096“。因此，提高過程工業(yè)的用能水平又是提高我國(guó)能源總體利用率的重

6、要途徑。典型的化工過程系統(tǒng)可以分為工藝過程、換熱網(wǎng)絡(luò)和公用工程三個(gè)子系統(tǒng)，其中以公用工程系統(tǒng)為核心進(jìn)行相互連結(jié)。公用工程系統(tǒng)(以蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)為主)向各過程提供所需的動(dòng)力、電力、熱能、工藝蒸汽、精制水、冷卻水等公用工程，并與過程系統(tǒng)和換熱網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合，回收過程中的余熱。另外，在合成氨、乙烯和煉油等大型裝置中，蒸汽往往既是參與化學(xué)反應(yīng)的工藝原料或工藝過程的加熱介質(zhì)，又是通過透平驅(qū)動(dòng)各種機(jī)泵的動(dòng)力來(lái)源。蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)一般具有高、中、低壓等多個(gè)壓

7、力等級(jí)的蒸汽管網(wǎng)，各級(jí)管網(wǎng)之間通過蒸汽透平產(chǎn)生過程所需的動(dòng)力或電力，虧盈量可由電網(wǎng)購(gòu)入或輸出電力.蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)所提供的功率占全廠動(dòng)力消耗的絕大部分，而產(chǎn)生蒸汽的相當(dāng)一部分熱能都是來(lái)源于化工裝置本身錯(cuò)綜復(fù)雜的能量回收系統(tǒng)，其熱量的過剩區(qū)和熱量的需要區(qū)之間的熱交換，使化工過程和換熱網(wǎng)絡(luò)與公用工程系統(tǒng)緊密結(jié)合，相互交織。另一方面，公用工程系統(tǒng)不僅要面向過程系統(tǒng)提供所需要的各種能源，其本身也是過程工業(yè)中的耗能大戶，它的優(yōu)化設(shè)計(jì)和節(jié)能改造具有很大

8、的節(jié)能潛力，因而面對(duì)全局系統(tǒng)的能量利用率和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。特別是隨著能源和原材料的不斷漲價(jià)，其成本已經(jīng)占生產(chǎn)總成本的90%左右，對(duì)于公用工程系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理的利用能源，降低生產(chǎn)成本，已成為整個(gè)化學(xué)工業(yè)的緊迫任務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代化工過程工業(yè)裝置日趨大型化和聯(lián)合生產(chǎn)化。特別是在能源緊張，原材料短缺和環(huán)境污染日益加劇的情況下，從能量轉(zhuǎn)化和利用的角度分析，復(fù)雜系統(tǒng)的用能優(yōu)化，不能簡(jiǎn)單著眼于局部環(huán)節(jié)與單臺(tái)設(shè)備的用能效率，因?yàn)榫植績(jī)?yōu)化決不