一种低温热系统的优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种低温热系统的优化方法，包括以下步骤：建立低温热系统的数学机理模型；利用联立模块法建立低温热系统的优化模型；使用有约束变尺度法WHP对所述低温热系统的优化模型进行求解。该方法大大提高了有约束的多变量化工行业低温热系统模型最优化问题的求解速度，较好地解决了现有数学求解模型不能针对低温热系统进行快速而准确的模拟和优化的问题，基于本方法产生的优化方案更加切合企业实际，节能效果更为显著。

【技术实现步骤摘要】
一种低温热系统的优化方法
本专利技术属于石化领域，具体涉及一种低温热系统的优化方法。
技术介绍
全球经济的快速发展和人口的增长，持续增长的能源消耗造成了紧张的能源形势。面对逐渐枯竭的一次能源(煤、石油、天然气、核能)，现阶段还未能找到合理的替代物。所以，开发新能源和提高一次能源的利用率是解决目前面临的能源危机的途径之一。但是太阳能、地热能、核能、生物质能、风能等新型能源的利用尚存在许多问题没有得到有效地解决，难以承担替代能源的重任，所以提高一次能源的利用率仍然是解决当前能源问题的主要措施。目前，一次能源利用的主要问题是其利用效率偏低，致使工业生产排放大量低温余热资源，这些余热未能得到充分处理和有效利用而向环境直接排放，造成了资源浪费和环境污染。现阶段可以利用的余热资源不仅仅包括一次能源燃烧产生的热量，还包括化工工艺产生的化学反应热等，这些余热亦可称之为工业废热。工业余热资源广泛存在于各种生产过程且含量十分丰富，特别是在钢铁、化工、石油、建材、机械、煤炭等行业。工业余热被视为是继一次能源煤、石油、天然气以及水力之后的第五大常规能源。在工业使用的热量中最终约有50％未被利用而变成低品位的废热直接排放，回收潜力巨大。回收和利用这部分余热，是解决现阶段的能源问题以及余热排放过程产生的环境污染问题的有效手段。但是低温热系统涉及到的装置及系统较多，相互之间的影响较为明显，特别是在大范围内的开停工车期间或者事故期间，低温热系统的间断会引起大范围的连锁反应，尽管使用了例如夹点分析等换热网络优化方法，但实际遇到生产操作调整及运行波动时对系统的冲击仍然较大。低温热系统流程较为复杂，通常都有循环流股，并且低温热系统的运行方式随着生产装置的运行波动较大，目前针对低温热系统优化的研究工作主要基于序贯模块法，建立低温热系统流程模型，低温热系统优化方法效率不高，考虑因素不够全面，效果不甚理想，优化方案脱离现场实际，与现场的实际应用存在一定的差距。当前求解算法虽然在一定程度上解决了低温热系统数学模拟的需求，提高了低温热系统优化的研究深度。但序贯模块法求解复杂流程模型需要不断切断再循环流股进行降阶，求解速度慢，计算结果与现场实际存在一定差距，求解速度和精度远不能满足低温热系统复杂多变的实际操作状况。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种石化行业低温热系统的优化方法，该方法以低温热运行成本最小为优化目标，考虑低温热系统运行过程中的诸多等式约束和不等式约束，最大限度地在模型中还原低温热系统的运行状态，在此基础上创新性地使用联立模块法建立低温热系统的优化模型，解决复杂低温热模型的求解问题，依托有约束变尺度法WHP求解优化模型，大大提高了有约束的多变量化工行业低温热系统模型最优化问题的求解速度，较好地解决了现有数学求解模型不能针对低温热系统进行快速而准确的模拟和优化的问题，基于本方法产生的优化方案更加切合企业实际，节能效果更为显著。本专利技术提供的低温热系统的优化方法包括以下步骤：A、建立低温热系统的数学机理模型；B、利用联立模块法建立低温热系统的优化模型；C、使用有约束变尺度法WHP对所述低温热系统的优化模型进行求解。根据本专利技术的一些实施方式，所述步骤A包括以下步骤：A1、根据低温热系统的实际操作参数以及实际热媒和热源热阱的换热流程，建立低温热系统的数学机理模型；A2、根据低温热系统的数学机理模型的运行方式和物流介质的性质，使用相应的状态方程和活度系数法还原低温热系统，在此基础上对低温热系统的数学机理模型进行迭代求解，获得操作参数的模拟结果；A3、根据所述操作参数的模拟结果对低温热系统的数学机理模型的求解方法进行参数优化和方法选择，控制模拟结果和实际操作参数的相对误差在工程允许的误差范围之内。进一步地，所述实际操作参数包括实际操作工况数据和设备结构参数。进一步地，所述实际操作工况数据包括热源的流量、温度和压力数据以及热阱的流量、温度和压力数据。进一步地，根据本专利技术的一些实施方式，所述工程允许的误差范围为小于5％。根据本专利技术的一些实施方式，所述步骤B包括以下步骤：B1、对低温热系统的数学机理模型的参数进行初始化，设置联立模块法求解的初值，识别并调用联立模块模式下的变量和组分集，使用联立模块的方法求解数学机理模型并保证模型收敛；B2、选择成本计算所需的变量及其单位成本，形成低温热系统的可变运行成本公式，从而定义数学模型的求解目标函数，根据低温热系统实际操作状态设置优化变量及其约束范围，形成可变约束和不可变约束方程组；B3、建立联立模块优化模式，模型将实际化工过程抽象为多个方程并将其作为求解对象，所述多个方程包括线性方程组、非线性方程组、微分方程组和偏微分方程组。根据本专利技术的一些实施方式，所述线性方程组包括：其中：G：流量；ΔG：设备累计流量；Q：热量；ΔQ：热量损失；p：压力；c：冷流体；h：热流体；n：入口流股数目；k：出口流股数目。根据本专利技术的一些实施方式，所述非线性方程组包括：其中：pA：液体中物质A在气相中的蒸气分压，Pa；物质A的饱和蒸气压，Pa；xA：物质A在溶液中的摩尔分数，％；Tr：对比温度，无量纲；T：温度，K；Tc：临界温度，K。根据本专利技术的一些实施方式，所述微分方程组包括：其中：U：内能，J；T：温度，K；S：熵，J/K；p：压力，Pa；V：体积，m3；H：焓，J；所述偏微分方程组包括：其中：VB：物质B的偏摩尔量，m3/mol；V：体积，m3；nB：物质B的摩尔量，mol；T：温度，K；p：压力，Pa；nc：物质C的摩尔量，mol；H：焓，J；S：熵，J/mol。根据本专利技术的一些实施方式，所述步骤C为使用复合算法对优化后的低温热系统的运行参数进行验证，并根据验证结果对低温热系统的运行参数进行优化，以节省系统运行过程中的能耗。根据本专利技术的一些实施方式，所述步骤C包括以下步骤：C1、联立多个方程形成过程系统模型，配合物性估算方程和设计规定方程，以选定的目标函数作为优化方向，形成优化模型的求解对象，其中，所述多个方程包括线性方程组、非线性方程组、微分方程组和偏微分方程组，优选地，包括物料平衡方程、化学平衡方程、反应动力学方程和化工传递过程方程；C2、针对求解对象，使用低温系统的数学机理模型求解的初值，借助有约束变尺度法在满足约束条件的前提下求解目标函数，获得决策变量和特征变量的优化结果；C3、分析决策变量和特征变量的优化结果，根据低温热系统实际运行状态改进计算方法，逼近目标函数，形成满足低温热系统实际操作的决策变量优化结果。根据本专利技术的一些实施方式，所述步骤B2包括以下步骤：I、参考低温热系统运行可变成本，定义优化目标函数；II、设置决策变量和约束条件。进一步地，所述步骤I包括以下步骤：Ia、将迭代求解的机理模型初值赋予联立模块的机理模型，运行联立模块模式的机理模型形成优化模型变量库；Ib、根据低温热系统实际运行过程，从所述优化模型变量库中选择目标函数所使用的特征变量，定义变量的单位价值成本向量，按照线性模型的方法新建目标函数评价优化模型的性能优劣，设置目标函数的优化方向和优化过程中的参数，如迭代次数、收敛精度等，f(XY)→min其中：X：目标函数特征向量，x＝(x1，x2，…，xn)T，n维；Y：特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温热系统的优化方法，包括以下步骤：A、建立低温热系统的数学机理模型；B、利用联立模块法建立低温热系统的优化模型；C、使用有约束变尺度法WHP对所述低温热系统的优化模型进行求解。

【技术特征摘要】
1.一种低温热系统的优化方法，包括以下步骤：A、建立低温热系统的数学机理模型；B、利用联立模块法建立低温热系统的优化模型；C、使用有约束变尺度法WHP对所述低温热系统的优化模型进行求解。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括以下步骤：A1、根据低温热系统的实际操作参数以及实际热媒和热源热阱的换热流程，建立低温热系统的数学机理模型；A2、根据低温热系统的数学机理模型的运行方式和物流介质的性质，使用相应的状态方程和活度系数法还原低温热系统，在此基础上对低温热系统的数学机理模型进行迭代求解，获得操作参数的模拟结果；A3、根据所述操作参数的模拟结果对低温热系统的数学机理模型的求解方法进行参数优化和方法选择，控制模拟结果和实际操作参数的相对误差在工程允许的误差范围之内。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述实际操作参数包括实际操作工况数据和设备结构参数，所述实际操作工况数据包括热源的流量、温度和压力数据以及热阱的流量、温度和压力数据；所述工程允许的误差范围为小于5％。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括以下步骤：B1、对低温热系统的数学机理模型的参数进行初始化，设置联立模块法求解的初值，识别并调用联立模块模式下的变量和组分集，使用联立模块的方法求解数学机理模型并保证模型收敛；B2、选择成本计算所需的变量及其单位成本，形成低温热系统的可变运行成本公式，从而定义数学模型的求解目标函数，根据低温热系统实际操作状态设置优化变量及其约束范围，形成可变约束和不可变约束方程组；B3、建立联立模块优化模式，模型将实际化工过程抽象为多个方程并将其作为求解对象，所述多个方程包括线性方程组、非线性方程组、微分方程组和偏微分方程组。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤C为使用复合算法对优化后的低温热系统的运行参数进行验证，并根据验证结果对低温热系统的运行参数进行优化，以节省系统运行过程中的能耗。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括以下步骤：C1、联立多个方程形成过程系统模型，配合物性估算方程和设计规定方程，以选定的目标函数作为优化方向，形成优化模型的求解对象，其中，所述多个方程包括线性方程组、非线性方程组、微分方程组和偏微分方程组，优选地，包括物料平衡方程、化学平...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴旭，关新虎，焦云强，王建平，邸雪梅，朱贤琨，
申请(专利权)人：石化盈科信息技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11