[发明专利]一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法

摘要

一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法，对于需要减少换热面积的换热器，用换热器的实际换热面积取代所需面积，之后对面积校核过的换热网络进行性能模拟，得到真实可靠的温度分布和热负荷分布，并在此基础上对换热网络进行优化。模拟之后的温度分布结果分为两种对于满足目标温度约束的方案，则保留，进行下一步的遗传进化；对于违背流股目标温度约束的方案，直接舍弃，这样避免了不可行解的产生。本发明可以避免因换热面积偏差造成的影响，确保换热网络设计方案的可用性和可行性。

主权项

一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一，设定初始参数，包括最大进化代数、种群大小N、交叉率、变异率、最小传热温差的上限和下限、现有换热器物性、物流特性和单位费用；步骤二，初始化产生个体数为2N的初始种群任意一个K级换热网络中M股热过程流体与N股冷过程流体的匹配情况，用一个元素为二进制变量的M×(N×K)阶矩阵来表示，整型变量经初始简化和随机赋值后，根据能量守恒、质量守恒、换热器性能方程来计算网络，得到换热网络的温度、面积和负荷分布连续型变量；步骤三，应用再分配策略匹配回收利用现有的旧换热器，设定当某个换热匹配所需的换热面积为原有换热器面积的20％～110％时，则回收利用该换热器，否则，配置新的换热器；匹配方式为：先将原有换热器面积和所需换热器面积分别按面积大小降序排列，将所需换热面积逐个与原有换热面积进行匹配，如果所需换热面积在原有面积的20％～110％范围内，则回用此换热器；当原有换热器全部匹配完，或者所需换热面积全部匹配完成，匹配结束；如果原有换热器已全部回用，而所需换热面积集合中还有剩余，则为剩余的所需换热面积配置新的换热器；步骤四，校核换热设备的面积，对于所需换热面积大于实际配置的换热面积的换热器，用实际换热面积取代所需换热面积；步骤五，对换热网络进行性能模拟，获得换热网络的温度分布和热负荷分布；性能模拟的计算基于以下方程：QH＝CPH(TH1‑TH2)QC＝CPC(TC2‑TC1)QH=QC=UAΔTLM=UA(TH1-TC2)-(TH2-TC1)ln(TH1-TC2TH2-TC1)]]>其中，Q为换热负荷，U为总传热系数，CP为热容流率，A为换热面积，TH1、TH2为热流体进、出口温度，TC1、TC2为冷流体进、出口温度；已知换热网络的CPH、CPC、U、A、TH1、TC1，根据以上公式求出换热器的出口温度；对于由W个换热器组成的换热网络而言，共有2W个方程，通过求解这些方程组，得到换热网络的温度分布和热负荷分布；步骤六，计算目标函数值，根据换热网络模拟结果，计算公用工程消耗量以及目标函数，目标函数为年度化成本TAC，由公用工程费用Cutility和投资费用Ccapital构成，目标函数的表达式为：TAC＝Cutility+CcapitalCutility=UCCU·Σi∈HPqcui+UCHU·Σj∈CPqhuj]]>Ccapital=AF(Σi=1m(FC1+CC1·ΔAB1)+Σj=1n(FC2+CC2·AB2))]]>其中，UC为单位费用，m、n分别为增加面积的换热器数和新增换热器数，FC1、CC1、B1为增加面积的费用参数，FC2、CC2、B2为新增换热器的费用参数，AF为投资费用年度化因子，计算公式为：AF=r(1+r)Y(1+r)Y-1]]>其中，r为年利率，Y为使用年限；步骤七，令进化代数为1，根据目标函数值从2N个初始种群中选择N个较优的个体形成父代种群；步骤八，对父代种群依次执行交叉、变异操作，产生子代种群，交叉方式为两点交叉，变异方式为结构变异；重复执行步骤三到步骤六，得到子代种群个体；步骤九，合并父代种群和子代种群，根据目标函数值选择N个较优的个体形成新的父代种群；步骤十，重复执行步骤八，直到达到最大进化代数后，保存此最小传热温差下的所有种群；步骤十一，增加传热温差，重复步骤二到步骤十，直到达到最小传热温差的上限；步骤十二，根据目标函数值选择最优解作为优化结果。