本發(fā)明涉及工業(yè)熱量交換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種基于結(jié)構(gòu)枚舉算法的無分流換熱網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、換熱網(wǎng)絡(luò)在化學(xué)工業(yè)過程中發(fā)揮著重要的功能，是提高能源利用效率的重要手段。通過對冷熱工藝物流之間進(jìn)行合理的匹配，能使冷熱物流之間充分地進(jìn)行熱量傳遞，進(jìn)而提高工業(yè)過程的能量利用效率，減少冷熱公用工程的消耗，節(jié)約投資成本，不僅能為化工廠的節(jié)能減排工作提供強有力的支撐，還能使整個工廠的運營投資最小化，運營收益最大化。

2、換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化涉及復(fù)雜的混合整數(shù)非線性規(guī)劃(minlp)問題，其數(shù)學(xué)模型因非凸性和非線性導(dǎo)致求解難度大、易陷局部最優(yōu)等問題。常用的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法包括夾點分析法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法。夾點分析法是一種操作簡便、實用性強，但高度依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗，不能同步考慮能量回收和設(shè)備投資，往往難以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的最優(yōu)解。數(shù)學(xué)規(guī)劃法通過建立數(shù)學(xué)模型并利用確定性算法與隨機優(yōu)化算法對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。然而，確定性算法在求解時存在組合爆炸、求解耗時、易陷入局部最優(yōu)等問題。隨機優(yōu)化算法高度依賴人工經(jīng)驗，通常需要人工設(shè)定很多參數(shù)，不能保證設(shè)計質(zhì)量。

3、目前，無分流換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法主要包括確定性算法和隨機優(yōu)化算法，這兩種方法存在以下兩個明顯的缺陷：

4、(1)無分流換熱網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型是一個復(fù)雜的混合整數(shù)非線性規(guī)劃(minlp)問題，直接使用局部求解器(確定性算法)只能獲取局部最優(yōu)解，而使用全局求解器(確定性算法)通常存在收斂問題，很難在有限的時間內(nèi)收斂到全局最優(yōu)解。

5、(2)無分流換熱網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型包含了很多熱量傳遞約束，開發(fā)隨機優(yōu)化算法需要引入很多懲罰函數(shù)，導(dǎo)致優(yōu)化時間過長，在有限的時間內(nèi)很難獲取高質(zhì)量的可行解，更不能保證可行解和設(shè)計方案的全局最優(yōu)性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對傳統(tǒng)無分流換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法存在的缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：通過結(jié)構(gòu)枚舉算法對無分流換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化求解，獲取全局最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于結(jié)構(gòu)枚舉算法的無分流換熱網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、s1：提取工藝物流和公用工程物流數(shù)據(jù)，包括冷熱工藝物流和冷熱公用工程的進(jìn)出口溫度、熱容流率、對流傳熱膜系數(shù)、換熱器及公用工程的費用參數(shù)；

4、s2：采用分級超結(jié)構(gòu)建立無分流換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，在數(shù)學(xué)模型中添加重復(fù)性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的排除約束，數(shù)學(xué)模型是一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型minlp；

5、minlp的目標(biāo)函數(shù)：

6、

7、其中，zi,j,k、zcui、zhuj分別代表工藝物流間換熱器、熱物流末端冷卻器、冷物流末端加熱器是否存在的二進(jìn)制整型變量；qi,j,k、qui、quj分別代表工藝物流間換熱器、熱物流末端冷卻器及冷物流末端加熱器的熱負(fù)荷；和分別代表換熱器的固定安裝費用與面積費用，表示面積費用的指數(shù)系數(shù)；和分別代表冷熱公用工程的操作費用系數(shù)；分別代表工藝熱物流、工藝?yán)湮锪?、冷卻公用工程與加熱公用工程的對流傳熱膜系數(shù)；dti,j,k代表第k級工藝物流間換熱器的傳熱溫差，dti,j,k+1代表第k+1級工藝物流間換熱器的傳熱溫差；dtcui和dthuj分別是超結(jié)構(gòu)中冷卻器熱端與加熱器冷端的傳熱溫差；和分別是加熱和冷卻公用工程的進(jìn)口溫度；hp、cp、st分別代表工藝熱物流、工藝?yán)湮锪?、換熱級數(shù)的集合；

8、冷熱工藝物流的能量平衡約束方程：

9、

10、其中，分別代表工藝熱物流和工藝?yán)湮锪鞯臒崛萘髀?；和分別代表工藝熱物流與工藝?yán)湮锪鞯倪M(jìn)口溫度；和分別代表工藝熱物流與工藝?yán)湮锪鞯某隹跍囟龋?/p>

11、冷熱工藝物流在超結(jié)構(gòu)各級中的能量平衡約束方程：

12、

13、其中，ti,k，ti,k+1分別表示工藝熱物流在第k級和k+1級的溫度，tj,k，tj,k+1分別表示工藝?yán)湮锪髟诘趉級和k+1級的溫度；

14、冷卻器和加熱器的能量平衡約束方程：

15、

16、其中，ti,nok+1表示工藝熱物流在最后一級的溫度；

17、換熱單元邏輯約束方程：

18、

19、其中，和分別代表工藝熱物流和工藝?yán)湮锪鞯目偀嶝?fù)荷；

20、工藝物流進(jìn)入超結(jié)構(gòu)時的初始溫度：

21、

22、

23、其中，ti,1表示工藝熱物流在第1級的溫度；tj,nok+1表示工藝?yán)湮锪髟谧詈笠患壍臏囟龋?/p>

24、溫度可行性約束方程：

25、

26、

27、冷熱工藝物流間換熱器、加熱器及冷卻器的溫差約束方程分別為：

28、

29、其中，分別代表工藝物流間換熱器、冷卻器與加熱器兩端溫差的上限；和分別是冷熱公用工程的出口溫度；是最小傳熱溫差；

30、冷熱工藝物流無分流限制約束：

31、

32、s3：開發(fā)無分流換熱網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化的結(jié)構(gòu)枚舉算法；在結(jié)構(gòu)枚舉算法中，采用混合整數(shù)線性規(guī)劃模型milp枚舉換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其數(shù)學(xué)模型包括方程(2)-(22)和方程(23)-(27)：

33、milp將目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為零：

34、min?pbj＝0?(23)

35、換熱器數(shù)量

36、

37、添加網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)枚舉約束：

38、

39、其中，card(str)是指當(dāng)前無分流換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中換熱器數(shù)目；循環(huán)迭代運行上述milp能夠枚舉得到無分流換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將每一個無分流換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的二進(jìn)制整型變量的數(shù)值，即zi,j,k,zhuj,zcui的數(shù)值存儲于參數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)集合str中，逐步更新方程(25)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)枚舉約束，剔除掉重復(fù)性的無分流換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，直至運行milp得不到可行解，從而獲取所有可行的無分流換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

40、添加排除重復(fù)性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的約束：

41、

42、其中，ni表示迭代次數(shù)；bj,j,k,n、bcui,n和bhuj,n分別表示在milp中第n次迭代時存儲整型變量zi,j,k、zcui和zhuj的值；使用限制條件式(27)，使milp枚舉出來的整型變量不重復(fù)，剔除掉重復(fù)性的無分流換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中ω為常數(shù)：

43、

44、在結(jié)構(gòu)枚舉算法中非線性規(guī)劃模型nlp包括方程(2)-(7)、方程(11)-(16)、方程(28)-(35)。目標(biāo)函數(shù)為年度總費用tac：

45、

46、換熱單元邏輯約束方程：

47、

48、冷熱工藝物流間換熱器、加熱器及冷卻器的溫差約束方程分別為：

49、

50、s4：利用所開發(fā)的結(jié)構(gòu)枚舉算法對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對無分流換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化求解，獲取無分流換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的全局最優(yōu)解，記錄優(yōu)化求解時間和最小化年度總費用。

51、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點：

52、(1)本發(fā)明建立了無分流換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型(minlp)，通過添加結(jié)構(gòu)剔除約束，剔除掉重復(fù)性的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少可行的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)目，縮小了可行解設(shè)計方案的搜索空間，進(jìn)而可以提高優(yōu)化求解效率。

53、(2)本發(fā)明開發(fā)了無分流換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的結(jié)構(gòu)枚舉算法，通過添加結(jié)構(gòu)枚舉約束，得到所有可行的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。針對每一個結(jié)構(gòu)固定的換熱網(wǎng)絡(luò)，采用商業(yè)求解器進(jìn)行優(yōu)化求解，對比不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的年度總費用，獲取最小化年度總費用的全局最優(yōu)解和設(shè)計方案，以便降低工業(yè)過程的生產(chǎn)成本，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的效果。

54、(3)相較于商業(yè)全局求解器，所開發(fā)的算法能夠降低無分流換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的優(yōu)化求解時間；相較于商業(yè)局部求解器，所開發(fā)的算法能夠獲取年度總費用更低的全局最優(yōu)解和設(shè)計方案，保證設(shè)計質(zhì)量，通過該發(fā)明的結(jié)構(gòu)枚舉算法的無分流換熱網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化方法可以解決換熱網(wǎng)絡(luò)存在能源成本高的問題，從而顯著提高整個換熱網(wǎng)絡(luò)的效率和經(jīng)濟性。