基于NSGA-Ⅱ的換熱網(wǎng)絡經(jīng)濟性與系統(tǒng)可靠性優(yōu)化.pdf

1、換熱網(wǎng)絡優(yōu)化設計是過程系統(tǒng)工程（PSE）的重要研究領域，對于工業(yè)節(jié)能減排具有重大的意義。一直以來，傳統(tǒng)換熱網(wǎng)絡優(yōu)化設計主要以換熱面積、公用工程費用和年度總費用等經(jīng)濟性指標為目標。然而，隨著資源和能源可持續(xù)發(fā)展步伐的不斷加快，人們不再僅僅關注換熱網(wǎng)絡的經(jīng)濟性指標，同時開始致力于對柔性、可靠性、可操作性、安全性和環(huán)境影響度等指標的研究。近年來，雖然考慮多個目標函數(shù)的換熱網(wǎng)絡優(yōu)化設計得到了發(fā)展，但是進行換熱網(wǎng)絡經(jīng)濟性和可靠性多目標優(yōu)化的研究還

2、較少。因此本論文基于換熱網(wǎng)絡的系統(tǒng)可靠性模型和換熱網(wǎng)絡綜合分級超結構模型，建立了以經(jīng)濟性和系統(tǒng)可靠性為目標函數(shù)的多目標數(shù)學模型，并利用NSGA-II（第二代非支配排序遺傳算法）算法對數(shù)學模型進行求解，從而得到換熱網(wǎng)絡的經(jīng)濟性和系統(tǒng)可靠性同步權衡協(xié)調的優(yōu)化解集。
　　建立了包含經(jīng)濟性和系統(tǒng)可靠性為目標函數(shù)的換熱網(wǎng)絡MINLP（混合整數(shù)非線性規(guī)劃）多目標優(yōu)化數(shù)學模型。冷熱流股之間通過分流的方式相互匹配，改進了模型中有關于流股等溫混合的

3、假設，并且模型不依賴于夾點技術。以年度化費用作為換熱網(wǎng)絡的經(jīng)濟性目標函數(shù)，主要包括公用工程費用和換熱設備費用。以換熱網(wǎng)絡中換熱器的連接方式評估換熱網(wǎng)絡的系統(tǒng)可靠性，通過換熱網(wǎng)絡的連接矩陣識別出換熱網(wǎng)絡的最大不相關子系統(tǒng)，最大不相關子系統(tǒng)是換熱網(wǎng)絡系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，通過最大不相關子系統(tǒng)中換熱器的個數(shù)評估系統(tǒng)可靠性。
　　開發(fā)了利用NSGA-II算法進行換熱網(wǎng)絡多目標優(yōu)化的程序。提出了可行有效的初始可行解的產(chǎn)生策略以及不可行解的修復策

4、略。優(yōu)化的變量有冷、熱流股的熱容流率和熱負荷，同時通過系統(tǒng)可靠性目標尋找優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡結構。設計了適應于本論文所建立的多目標換熱網(wǎng)絡模型的進化算子，包括快速非支配排序、精英保留策略以及擁擠度比較算子等。在種群遺傳進化過程中，保留在不同系統(tǒng)可靠性下，年度總費用較低的個體。
　　將提出的優(yōu)化策略和算法應用于3個不同規(guī)模的換熱網(wǎng)絡綜合案例的多目標優(yōu)化中。運用所提出的換熱網(wǎng)絡多目標優(yōu)化求解策略，對三個不同規(guī)模的案例進行求解，分析了三個案例

5、的經(jīng)濟性和系統(tǒng)可靠性之間的關系。三個案例都搜索出與文獻所優(yōu)化出的年度總費用相近，但可靠性相對比較高的解，選出的典型優(yōu)化解和文獻結果對比如下：案例1同時優(yōu)化了年度總費用和系統(tǒng)可靠性，年度總費用降低了2.91%，系統(tǒng)可靠性提高8.42%；案例2在經(jīng)濟性犧牲2.87%的基礎上將可靠性提高了8.42%；案例3在經(jīng)濟性犧牲1.88%的條件下將系統(tǒng)可靠性提高24.89%。因此經(jīng)濟性和可靠性兩個目標函數(shù)可以相互協(xié)調并同時優(yōu)化，從而驗證本論文提出的從多