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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
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