换热网络结构序列生成技术及其应用研究 陈家星.docVIP

中国工程热物理学会 传热与传质学 学术会议论文 编号：143719 换热网络结构序列生成技术应用富裕义（上海理工大学新能源研究所，上海 200093）(Tel：188 0178 4534，Email：shaou26@163.com) 摘要：针对大规模换热网络全局问题了网络结构序列的方随机生成法和序列生成法研究表明，基于结构性能连续原理的M进制序列生成法能将物理问题与数学方法统结合，实现复杂整型变量的降维处理成为一种不同于传统整型变量连续性松弛技术的新方法，为连续变量全局最优化技术提供了应用基础。 技术0 前言 换热网络的典型的混合整数非线性规划问题其整型变量着网络的系统性能（）重要影响，原因在于：随着 针对上述问题，相关研究者了大量的研究工作，[1-4]为代表的确定性算法和以遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法和微分进化算法等[5-8]，针对网络热集成问题整数非线性的特点优化的难点，换热网络结构与性能之间的连续性特征进行分析验证，了网络生成法和M进制数序列生成法应用进行了分析1 模型的建立1.1 数学模型 本文的换热网络模型采用Grossmann分级超模型，以股热流体（NH=2）和股冷流体(NC=3)为例，其无分流的换热网络超结构如图1-1所示。所有冷、热流体的换热组合记为一个级，每一级每种换热组合匹配一个换热器，2×3换热网络一级内的最大换热器数目为6。图中用两个“○”及其连线表示换热器单元，单个“○”表示公用工程换热单元。换热网络的级数为NK，NK=max（NH，NC），最大换热器个数可以达到NH ×NC× NK，冷热公用工程分别加在第NK级面和第一级。 基金项目 国家自然科学基金资助项目；沪江基金研究基地专项（D14001）；上海市研究生创新基金项目（JWCXSL1401） 图1-1 无分流换热网络超结构 1.2 目标函数 以换热网络的年综合费用为目标函数，其包括设备投资费用及公用工程费用，设备投资费用包括换热单元的固定投资费用和面积费用，公用工程费用可分为热工用工程费用和冷公用工程费用，目标函数的表达式如下： (1) 式中，、分别为冷、热公用工程换热量；、分别为冷、热公用工程费用系数；、、分别为冷公用工程单元、热公用工程单元和换热器单元的换热面积，、、分别为冷公用工程单元、热公用工程单元和换热器单元的面积费用系数，、、分别为冷公用工程单元、热公用工程单元和换热器单元固定投资费用；B为面积费用指数。 约束条件为： 出口温度约束： (2) 式中，、分别为热流体和冷流体的出口温度；、分别为热流体和冷流体的目标温度。 换热单元面积约束： (3) 式中，、和分别为冷公用工程单元、热公用工程单元和换热器单元的面积。 换热单元换热量约束： (4) 式中，、和分别为冷公用工程单元、热公用工程单元和换热器单元换热量。 2 结构序列生成方法 2.1的表示Grossmann分级超模型所包含的表示匹配有和无/1变量，因此，在随机生成序列可用一组由的二进制包含物流的可能匹配及其组合顺序换热网络结构对于H股热物流和NC冷物流NK个级换热网络，为NH ×NC× NK 以包含2股热物流和2股冷物流的组成的换热网络为例，超结构的级数为3，矩阵中列表示热流体，行表示冷流体，元素0表示这两股流体之间不存在换热器，元素1表示存在换热器。为表示简单同时在序列生成0/1变量的方便，将矩阵表示写成一个列向量的形式，s=（0 1 1 0| 0 0 1 1 |1 0 0 0）T，此后可以用随机生成的列向量来对应表示一个换热网络的结构，将该列向量称为换热网络的结构序列。给定的结构和相对应的序列表示如图2-1所示。 K=1 K=2 K=3 J=1 J=2 J=1 J=2 J=1 J=2 I=1 0 1 0 0 1 0 I=2 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 图2-1 结构序列的表示 2.2序列生成法序列的生成采用伪随机的概率生成，序列的元素的值均按照公式（）赋值。 (5) 式中，分别代表热冷物流级的编号表示0~1的随机数实际计算中，上述随机序列包含大量的流体未参与匹配，计算效率较低，因此对上述随机序列的生成进行人工干预，3股热流体3股冷流体，级数为1为例，用列向量表示结构为s=(_ _ _ | _ _ _| _ _ _|)每一个分段内表示1股热流体与其他3股冷流体的匹配情况，人工干预为每1股热流体只与其中1股冷流