一种用于求解换热网络综合的嵌套优化方法技术

本发明专利技术公开了一种用于求解换热网络综合的嵌套优化方法。该方法将换热网络综合问题分解为网络拓扑结构优化和换热单元参数优化两个嵌套部分。在外层利用禁忌搜索方法进行网络拓扑结构组合优化，在内层对给定拓扑结构的换热网络自动建立相应的模型并使用序列二次规划方法进行参数优化。与传统的换热网络综合优化方法相比，此方法原理简洁清晰，易于实施，且具有全局最优性和快速收敛性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及换热网络综合的优化方法，特别是涉及一种用于求解换热网络 综合的嵌套优化方法。
技术介绍
在过程工业中，换热网络的优化设计要求尽可能经济地回收所有冷、热工艺 物流的有效能量，以达到节能的目的。由于实际的换热网络综合含有较多物流 且需考虑约束、禁止匹配等多种实际因素，故其设计是一个复杂问题。换热网 络综合就是确定这样的换热网络，它具有最小的设备投资费用和操作费用，并 满足把每一个过程物流由初始温度达到指定的目标温度。常用解决换热网络最优综合的方法有挟点设计法和数学规划法。挟点设计法 简单易行，但由于不能同时考虑换热网络的投资和运行费用， 一般无法得到真正最优方案；数学规划法可以同时考虑这两种投资费用，其技术路线的核心是 建立并求解混合整数规划问题。Grossmann等人建立的换热网络综合的混合整数 规划模型具有很强的通用性，但按照这样建模方式得到的模型相对庞大，采用 传统确定性混合整数规划方法只能解决中小规模的换热网络的优化设计，而且 容易陷入局部最优。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于求解换热网络综合的 嵌套优化方法。本专利技术采用的技术方案的步骤如下1. 将换热网络综合问题分解为网络结构优化和换热单元参数优化两个嵌套 部分。在外层利用禁忌搜索方法进行网络结构组合优化，在内层对给定拓扑结 构的换热网络自动建立相应的模型并使用序列二次规划方法进行换热单元参数 优化。所述的内层自动建模是根据外层给定的换热网络结构，能够自动建立内层 的非线性规划模型。2. 该方法具体包括以下步骤l)初始化各种控制参数，包括最大迭代步数，特赦概率，禁忌表的最大长度， 然后随机选取一个匹配方式，初始化禁忌表为空；2) 产生当前流股匹配的初始邻域点集，首先去掉其中不可行的流股匹配方 式，然后选取其中没被禁忌或者满足特赦的匹配方式组成当前匹配的可行邻域 点集； .3) 根据可行邻域点集中的每种匹配方式，分别自动建立各自相应的换热单元 参数优化模型；4) 使用序列二次规划方法对建立的模型进行寻优，分别得到各自的优化解；5) 选取最优解作为当前解，并更新禁忌表；6) 判断终止准则是否满足，如果满足，结束搜索，输出最优结果。如果不满 足，转第2步。进一步地，所叙的内层自动建模方法是根据给定的换热网络结构以及参数， 自动建立内层非线性规划模型的方法，表现为三个方面 1 .决策变量及相应的上下限的生成。2. 约束方程系数矩阵的生成。3. 相应的目标函数的生成。 本专利技术具有的有益效果是1. 本专利技术的用于求解换热网络综合的嵌套优化方法，与现有换热网络优化 方法相比，同时发挥了随机优化方法(禁忌搜索算法)和确定性优化方法(序 列二次规划方法)各自的优点，具有全局最优性和快速收敛性。2. 本专利技术的用于求解换热网络综合的嵌套优化方法，原理简洁清晰，易实施。3. 本专利技术的自动建模方法可以大大简化原模型的维数和求解难度，同时提高 了求解的速度和成功率。附图说明图l是本专利技术的总的流程图。图2是内层自动建模示意图。图3是换热网络换热图。具体实施方式下面通过结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。图1为本方法的总的流程图。如图1所示，禁忌搜索方法进行网络拓扑结 构组合优化，产生可行的换热网络结构。在内层对给定拓扑结构的换热网络自 动建立相应的模型并使用序列二次规划方法进行参数优化，选出最优的解作为 当前解并更新禁忌表，重复整个过程直到外层的终止准则满足。其具体实现步 骤如下1) 初始化各种控制参数，诸如最大迭代步数，特赦概率，禁忌表的最大长度。 然后随机选取一个匹配方式。初始化禁忌表为空。2) 产生当前流股匹配的初始邻域点集，首先去掉其中不可行的流股匹配方 式，然后选取其中没被禁忌或者满足特赦的匹配方式组成当前匹配的可行邻域 点集。3) 根据可行邻域点集中的每种匹配方式，分别自动建立各自相应的换热单元 参数优化模型。4) 使用序列二次规划方法对建立的模型进行寻优，分别得到各自的优化解。5) 选取最优解作为当前解，并更新禁忌表。6) 判断终止准则是否满足，如果满足，结束搜索，输出最优结果。如果不满 足，转第2步o图2为内层自动建模示意图。如图2所示，在外层给定流股匹配信息后，其换热单元参数优化模型的自动建立过程则表现为三个方面1. 辅助决策变量义以及相应的上下限J^,X^的生成。2. 约束方程系数矩阵45,《,&的生成。3. 相应的目标函数/(x)的生成。自动建模后的内部非线性规划(NLP)的形式如下-min/(X)爿e《X = &《 %仿求解换热网络综合的嵌套优化方法实施例本实施例中，该换热网络具有两个热流股和两个冷流股需要换热，换热分 为3个级进行，如图3所示。该换热网络在进行换热时候，不考虑流股分流的情况。首先流股匹配的情况可以用一个O， l变量组成的向量y表示。为了实现 禁忌的作用，我们建立了两个禁忌表TL1和TL2; TL1主要用于存储过去50步 内己搜索的流股匹配的信息。而TL2用于存储已经搜索过的30个最优流股匹配 状态，对某个匹配而言，如果经过30步数的迭代，还没找个更好的匹配的话， 我们就认为该匹配状态较好，它将被存储到TL2，以禁忌搜索算法改进效率。 当然由于在给定匹配后，相应的换热单元参数优化模型有可能不只一个优化解。因此，为了减小序列二次规划方法陷入局部最优情况的出现，对处于禁忌区内 的匹配，都给予一定的特赦概率，使它们在被禁忌的情况下，仍然有一定的机 会被选取进行再一次的序列二次规划方法寻优。当前匹配y的初始邻域产生是充分考虑了集中性原则和分散性原则，进行选 取的。按照集中性原则产生的邻域方式1、 对y按位取反，即改变当前的换热网络一处换热匹配的形式。按照这种 方式可以得到m=16个邻域候选解。2、 对y随机选取2位取反，即改变当前换热网络的2处换热匹配的形式。 这一部分邻域候选解较多，为了提高效率，我们只选取0.5m种组合作为邻域候 选解。分散化搜索原则产生的邻域方式3、 对y随机选取3位取反，即改变当前换热网络的3处换热匹配的形式。 这一部分邻域候选解较多，为了提高效率，我们只选取0.4m个作为邻域候选解。4、 对y随机选取4位取反，即改变当前换热网络的4处换热匹配的形式。 这一部分邻域候选解较多，为了提高效率，我们只选取0.3m个作为邻域候选解。5、 对y随机选取5位取反，即改变当前换热网络的4处换热匹配的形式。 这一部分邻域候选解较多，为了提高效率，我们只选取0.2m个作为邻域候选解。参数设置方面，最大迭代步数Imax二50,并且30步内目标函数没有得到改进 我们就认为最优解己经找到。TL1和TL2的长度分别设置为50和30。特赦概 率设为0.08。用本专利技术方法进行10次求解，总共有9次收敛到全局最优解，有 一次为局部最优解，其中9次收敛的结果中平均迭代7步就能找到全局最优解。如上所述，本专利技术在换热网络优化方法方面具有快的收敛速度以及好的全局 最优性。原理简洁清晰，易于实施。其中的自动建模方法可以大大的简化原模 型的维数和求解难度，同时提高了求解的速度和成功率。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于求解换热网络综合的嵌套优化方法，其特征在于该方法的步骤如下：将换热网络综合问题分解为网络结构优化和换热单元参数优化两个嵌套部分。在外层利用禁忌搜索方法进行网络结构组合优化，在内层对给定拓扑结构的换热网络自动建立相应的模型并使用序列二次规划方法进行换热单元参数优化。

【技术特征摘要】
1.一种用于求解换热网络综合的嵌套优化方法，其特征在于该方法的步骤如下将换热网络综合问题分解为网络结构优化和换热单元参数优化两个嵌套部分。在外层利用禁忌搜索方法进行网络结构组合优化，在内层对给定拓扑结构的换热网络自动建立相应的模型并使用序列二次规划方法进行换热单元参数优化。2. 根据权利要求1所述的一种用于求解换热网络综合的嵌套优化方法，其特 征在于，所述的内层自动建模是根据外层给定的换热网络结构，能够自动建立 内层的非线性规划模型。3. 根据权利要求1或2所述的一种用于求解换热网络综合的嵌套优化方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈曦，李兆华，杨敬，邵之江，祝铃钰，钱积新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]