用水与换热网络同步优化综合

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1、万方数据第26卷第9期2009年9月28日计算机与应用化学ComputersandAppliedChemistryV01．26，No．9September,2009用水与换热网络同步优化综合肖武，董宏光’(大连理工大学化工学院，辽宁，大连，116012)摘要：通常采用分步策略进行用水与换热网络综合集成，难以实现新鲜水与公用工程的同时权衡。因此本文提出首先序贯求解用水网络综合子问题的非线性规划和换热网络综合子问题的混合整数非线性规划，以获取可行初值；然后，进行流程完备结构拓扑，并构造连接方程实现相关变量的传递：最后，联立用水与换热网络优化综合问题，基于GAMS平台采用DICOPT求解器，通过M

2、ATLAB接口控制求解程序流程，采用随机初值策略强化获得全局最优解的机会，以获取高置信度的全局最优解。最后通过对单杂质和多杂质系统实例计算，结果表明本文提出的方法能实现用水和用能网络的权衡．不但获得了比文献结果更好的优化网络方案，而且找出了包括文献结果的若干近优方案，为过程设计提供了多种备用选择。关键词：用水网络；换热网络：数学规划；综合；集成中圈分类号：TQOL5．9；TP391．9；06-39文献标识码：A文章编号：1001-4160(2009)09．1101．LL051引言资源短缺的危机与环境污染的压力将是影响本世纪可持续发展的主要因素。过程工业广泛存在着各种用水和众多用能单元操作，有

3、效进行水回用和热回收是备受关注的课题。水资源和能源的短缺与环境污染的现状，迫使过程工业必须采取节能降耗、节水减排的措施以缓解矛盾。用水和换热网络(wuN．HEN)分别是能量和质量集成的典型代表。尽管基于热力学目标的夹点分析技术，分别在换热与用水网络综合实际应用和理论研究方面获得成功【l{】，然而作为过程综合与过程集成研究领域追求的全局经济优化目标，基于超级结构的数学规划仍是问题最终得以解决的重要策略【4】，文献【5．9】采用数学规划手段进行换热网络综合研究，文献[10一13]采用数学规划手段进行用水网络综合研究。长期以来，换热与用水网络综合研究工作是分别开展的，直到1998年，Savules

4、cu和Smith[14]对用能与用水同时最小化问题进行了研究，之后2002年，Bagajewiez和Savelski051又在这方面作了更为深入的研究。然而，文献[14．15]所研究的对象均为单杂质用水系统，采用分步策略获得具有能量集成的用水网络，没有实现真正意义上的用水与用能的同时最小化。迄今为止，采用数学规划同步综合wu-HEN仍是亟待解决的问题。2WUN．HEN超级结构数学模型和求解策略2．1问题陈述WUN-HEN综合集成的设计问题可描述如为：定义具有水质指标要求(进出口水流杂质浓度需控制)向量Ci≯、CuT和操作温度要求(进出口水流股需加热或冷却)向量互。、ro。。的用水过程集合己，

5、，确定过程之间水流股连接的用水网络结构，并且同时确定相应水流股之间匹配的换热网络结构。设计目标是使整个用水换热系统年度经济费用同时最小化，包括新鲜水用量和冷热公用工程消耗等。用水与用能同时优化综合本属多F1标优化问题，通过寻找Pareto前沿可获取满意解。由于用水与用能2因素均可视为经济指标，因此，相关目标费用函数项可合并，即质、能衡算及热、动力学条件可联立约束。WUN—HEN综合集成可转化为单目标优化问题。2．2WUN超结构模型本文参考Papalexaddri和Pisfikopoulostl6]提出的WUN超结构。其数学模型为一NLP问题，表述如下：WUN综合目标函数：mill％∑石(1)

6、式中c。为新鲜水单位费用系数。WUN综合约束条件：①入口浓度采用流量加权平均计算，∑xuq^。⋯C／,k,in2诱≤嚆瞄’②出12浓度根据固定杂质传递质量负荷计算C／,k,out=cj^一袁篇。％∽收稿日期：2009．06．Ol；修回日期：2009-07．14基金资助：国家自然科学基金资助项目(20876020)．大连理工大学引进人才启动基金资助项目(1000-893368)．作者简介：肖武(1977—'，男．湖南邵家县，博士，讲师；通讯联系人：I宏光(1963---)，男，博士，北京。副教授。研究方向：化工过程系统工程，E-mail：wuxiao@dlut．odu．饥万方数据1102计算机

7、与应用化学2009，26(9)③用水操作单元总质量衡算，Z+∑五，，一彤一∑Xj．。=o(4)④过程变量非负约束，Z≥0，彤≥0(5)置，，≥O，C，。I．ollt≥0【6)式(1)和式(2)～式(6)构成求解多杂质用水网络的非线性规划(NLP)数学模型。如果用水网络最优化浓度单调性必要条件成立f15】，即ci。t．out=c：嚣ut=constant，那么该非线性规划即退化成线性规划(LP)数学模型。在上述