海龙公司制冷系统优化改造方案选择研究硕士学位论文(编辑修改稿)

海龙公司制冷系统优化改造方案选择研究硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

MINLP 模型只能在过程系统和蒸汽管网的参数固定时对驱动方案和流量分配进行优化。 因此，现有这些模型大都是分步的策略或局部的优化，其根本原因就是目前对大规模超结构混合整数非线性规划同步联合优化模型的求解十分困难，甚至是对公用工程本身的结 构和参数的同步优化模型也只能做偏重一个方面的简化。 公用工程系统优化的基本方法 系统综合和能量集成优化的目标是用能费用最小。 由于各子系统的复杂性，进行全局能量集成优化就成了一件繁琐而复杂的工作。 以过程工业为例，一般只求解其三个子系统 — 工艺过程、换热网络和公用工程系统中的一个或两个。 换热网络作为比较单一的均质系统，已有多种有效的综合方法。 对比较复杂的公用工程系统，也己开发出一些比较成熟的优化方法。 但对于工艺过程子系统，由于其流程结构复杂，设备种类繁多，很难用一种通用方法进行优化综合，以前的研究大多限 于改进工艺和单台设备的性能，流程综合基本凭经验进行，近年来才发展了一些流程综合方法。 系统综合可有几种不同的分类方法，按照系统综合方法的性质可以分为经验规则法、热力学目标法和数学规划法。 (1) 经验规则法：它是应用一些经验积累下来的直观推断规则，剔除一些不可能和不合理的方案，迅速缩小搜索空间，得到一个较优的结果。 这些规则没有经过严格的证明，但基本上都是正确的。 尽管它不能保证一次得到最理想的结果，但可以此为基础采 用一些调优规则反复改进方案，得到满意的或近优的结果。 这种直观推断调优法是在工程实际中应用最多，也 是最为公用工程系统能量综合与优化设计方法研究成熟的一种方法，它可以充分发挥设计者的实践经验。 随着计算机人工智能技术的发展，这些经验规则可以形成一个知识库，由此建立起基于知识的专家系统，在一定的推理策略指导下来进行系统综合。 由于对不同的系统对象，经验规则完全不同，因而这种方法通用性差，亦难于进行不同子系统之间的同步协调综合。 (2) 热力学目标法：这类方法是基于热力学原理的分析方法，将系统的能耗最少或能量利用效率最大作为系统综合的一个重要目标。 其中有代表性的方法有Goggioli[13]等人的有效能分析法，华 贲 [14,15]等人的热经济优化综合法， Umeda[16]海龙公司制冷系统优化改造方案选择研究 5 等人的有效能图分组综合法， Linhoff[17,18,19]等人的夹点技术与能量集成方法。 特别是有效能分析法和夹点技术法已在实用中取得了巨大的成就，可用于不同系统的优化综合与能量集成。 但这类方法主要追求系统的热力学目标，不能同时考虑能耗与费用之间的同步优化权衡，所得到的系统流程可能出现明显的不合理方案，需要进一步进行能量松弛和调优。 因而这种分步设计法所得到的最终流程不能保证为全局最优。 (3) 数学规划法：数学规划法是把系统综合问题归结为一个纯数学的 有约束多变量最优化模型，然后采用适当的算法得到问题的解。 对这种方法有人持怀疑态度，主要争论在于数学规划法需要掌握娴熟的建模技术和必要的算法；对大规模系统综合问题其求解效率较低；对严重非凸非线性混合离散模型的求解算法尚不成熟，往往只得到局部最优解；运算过程不透明，无助于对其物理本质的理解。 但 Grossmann 等人认为，尽管经验规则法和热力学目标法已在系统综合中，特别是换热网络综合中取得了巨大进展，但这些方法既不能提供一个求解不同类型问题的通用结构化方法，一般并不能保证最优；同时也不能明确的考虑总体系统综合时各 子系统之间的相互影响和同步联合优化。 采用数学规划法，特别是混合整数非线性规划法，可回避这些局限性，不仅对不同的系统综合问题具有通用性，还可以进行各子系统之间的同步联合优化和能量集成，通过对不同目标的权衡得到最优的系统流程结构和操作参数。 这种方法的研究一直与前两种方法并行发展，特别是由于计算机技术的进步和新算法的开发，对大规模优化问题计算速度将不再成为最严重的瓶颈环节，因而这种方法越来越引起人们的兴趣。 很多对公用工程系统的优化综合都是通过建立和求解数学模型进行的。 以公用工程系统年总费用作为优化目标时，可以有 以下两种情况：简化的公用工程系统模型，即不考虑公用工程系统的详细结构，只考虑设备以计算公用工程介质成本的模型；复杂的公用工程系统模型，以实际消耗的动力量为基础，为获得这些数据，必须对公用工程系统进行详细剖析。 Nishio 和 Johnson[20]在 1977 年首先提出用建立和求解数学模型的方法求解此类问题，他们编制了采用迭代法求解的线性规划程序，用线性成本估算法计算投资，取得了良好的节能效果。 Grossmann 和 Santibanez 用混合整数线性规划求得了不同形式的蒸汽动力系统设计方案。 1983 年 Papoulias 和 Grossmann 对该模型进行了修正，兼顾了海龙公司制冷系统优化改造方案选择研究 6 公用工程系统热能优化及蒸汽透平和电机之间的优化选择，使该设计方案更具实用性。 1987年 Colmenares和 Seider[21]采用非线性规划方法求解实际工业过程中的公用工程匹配。 Grossmann 等提出了联合优化的超结构法，建立了混合整数线性规划模型，后来又发展为混合整数非线性规划模型。 朱世才提出了联立优化问题的核心决策模型法，比较严格细致的考虑了网络的设备费用，更接近实际。 此后，Doldan[22]等也对同一问题进行了数学模型分析、使求解所需的时间 大大减少。 1995 年 Maia[23]等学者提出了采用模拟退火算法来进行系统的综合分析。 他们的这种方法处理了装置负荷不连续的问题并且使用了不连续的费用函数。 1998 年， Mavromatis 和 Kokossis[24]提出了一个崭新的概念性工具一硬件合成。 该方法是建立在描述单一抽气式透平运行情况的总耗汽量曲线和出力图的基础上的。 使用这种工具可以对透平网络进行非常全面的阐述以及达到运行的最优化。 总之，公用工程系统的优化综合问题一般可以归结为线性规划和非线性规划两类模型。 如果各级管网的工艺介质参数固定，模型一般 可归结或简化为线性规划，再对系统各物流流量的分配及各单元设备的容量进行优化；若工艺介质参数也作为优化变量，由于工艺介质参数计算关系式的复杂性及管网的能量平衡的非线性，模型一般可归结为一个复杂的非线性问题，再对结构基本确定的公用工程系统进行设计参数和操作参数的优化。 线性规划模型比较简单和成熟，但它只是对非线性问题的一种近似，而非线性规划模型更能反映实际情况，而且可用于新系统的设计优化和已有系统的操作优化。 国内有些学者也提出了一些分解方法和非线性规划方法。 陈元鹏等人提出了以公用工程系统年总费用最小为目标的非线 性规划模型，对既定流程结构的大型乙烯装置蒸汽动力系统的设备操作参数及蒸汽分配实施最优设计。 沈幼庭 [25]等人提出了确定炼油厂大型蒸汽动力系统最优改造方案优化方法。 尹洪超 [26]等人用遗传进化算法对流程结构基本固定的蒸汽动力系统参数进行了优化。 本文 研究 的主要内容 本文在参考大量的公用工程系统优化文献和继承前人关于公用工程系统的优化研究成果的基础上，结合本人在山东海龙公用工程专业方面十几年的实践经海龙公司制冷系统优化改造方案选择研究 7 验和技术水平的积累，还多次对国内生产粘胶纤维的其它公司的各生产现场及设备配置情况进行调研，就公用工程系统中（ 特别是制冷系统的布局情况）存在的主要问题与生产现场技术人员进行了广泛的探讨，积累了丰富的制冷工程系统方面的知识和经验，为本课题的开展打下了坚实的基础。 本项研究主要开展了以下工作 : 国内外公用工程系统改造与网络优化资料的收集分析，典型性公用工程系统改造优化的案例分析，从而以现代系统理论的观点重新认识和理解公用工程系统优化的基本概念及其相互关系。 根据山东海龙公司的特点，参照国内外其它粘胶生产企业的实际情况，通过与多家专业生产厂家和中国纺织设计院的专业工程师们的交流，本着科学、系统、实用的原则，分析与继承前人 关于公用工程系统改造与网络优化方法的研究成果，根据公用工程系统优化的基本原则，选择确定本文采用经验规则法对海龙公司公用工程中制冷系统进行全局优化。 本文将通过对山东海龙公司现有制冷系统设备布局情况和各生产分厂的现有制冷系统的使用情况进行分析，依据近年来公司各制冷子系统设备的运行记录，参照同行业的设备运行管理水平，结合公司对公用设备管理的总体思路以及公司未来规划发展的需要，对海龙公司驻地现有制冷设备系统的布局进行整体系统结构综合与运行优化处理。 本文 研究的方法和技术路线 本文研究的方法 本文 采 用经验规则法、专家打分法、加全评分法及对比分析的方法综合运用后得出对海龙公司驻地现有公用工程设备系统的布局进行整体系统同步最优综合优化处理。 本文研究的技术路线 本文 对海龙公司的公用工程系统中制冷系统进行优化配备。 根据粘胶企业生产对公用工程系统的需求，确定制冷系统优化改造的目标，本着理论研究与实际调研相结合的原则，对海龙公司制冷系统现状进行详细的调研，并对收集到的数据进行汇总和分析， 得出 现有系统存在的问题。 采用 经验规则法、专家打分法、海龙公司制冷系统优化改造方案选择研究 8 加全评分法及对比分析的方法综合运用 后，得出了海龙公司夏冬两季的 优化方案，并在实际生产中进行了实施，得到了满意的效果。 技术路线如图 11 所示。 图 11技术路线 海龙公司制冷系统优化改造方案选择研究 9 2 项目优化设计理论依托及项目优化方法选择 项目比较择优的原则 项目定义与决策阶段的评估工作被称为项目前评估，也有人简单地称其为项目可行性研究，它是在项目尚未实施前对项目及其备选方案所进行的综合论证与评估。 项目前评估的根本任务是对项目的必要性和可行性进行分析研究和论证评估。 项目前评估最终目标包括两个，第一是分析和确认项目的必要性和可行性，第二是给出各种可替代项目备选方案中的评 估结果和优先序列以供项目决策者选择。 项目前评估的关键工作是对项目以及项目各备选方案的经济、技术、运行支持和环境影响等方面进行全面的分析和研究。 成本效益原则 任何项目的评估都必须从成本和效益两个方面进行全面的评估。 单纯强调或过度突出一个项目的效益而忽视项目的成本，或是单纯强调或过度突出一个项目的好处而弱化一个项目的坏处和风险都是十分片面的，都是违背事实求是和客观公正的原则的。 任何项目的效益都是以成本为前提和代价的，只有认真比较和衡量项目的成本和效益两个方面才能客观地评估一个项目。 项目的成本效益原则 是项目评估的根本原则是因为实际上成本效益原则是我们人类经济生活中的一个最根本原则，即任何人类活动最终都是要以较小的成本去获得更大的利益。 任何项目是否可行最终是以能否通过该项目取得经济效益及其经济效益的高低作为判断标准。 在项目评估中需要考虑项目的成本和效益必须涉及微观和宏观两个方面，任何一个项目的评估都必须坚持全面评估项目的微观和宏观成本与效益的原则。 其中微观方面是指项目业主或项目承包商等组织的成本和效益，而宏观方面是指考虑到整个国民经济的成本和效益。 任何单纯强调项目的微观或宏观成本和效益的评估都是错误的， 因为这样有可能造成项目的总体成本和效益评估的失真或片面，从而做出错误的项目决策。 另外，按照我们国家的要求，如果这两个方面的成本效益评估结果相互矛盾，项目最终的取舍决策应该以宏观的国民经济成本和效益评估为准，不允许出现为了某个组织的私利而损害整个国家利益的项目出现。 在坚持项目评估的成本效益原则中，还必须强调项目微观成本效益必须服从海龙公司制冷系统优化改造方案选择研究 10 项目宏观成本效益的原则。 比较择优的原则 任何项目的评估应该包括对应多个项目备选方案比较分析和优化选择的工作。 虽然它属于广义的项目决策范畴，必须为狭义的项目决策提供可供“ 抉择”的“方策”，因此项目评估不能是对于单个项目的评估，而必须是对于多个项目备选方案的评估和对各个项目备选方案的优化工作。 即使是一些小而相对比较确定的项目也应该对“干”和“不干”两种项目方案进行必要的分析与评估，然后为项目决策提供支持。 项目备选方案的择优包括两方面的内容，一是项目方案本身的不断优化，二是各备选方案的比较和优选。 前者是在项目评估中随着项目信息增多和对于项目认识的深入而对各个项目备选方案的不断修订和改进，这将为项目决策者提供经过优化后的各种“方策”。 后者是对最终的项目备选方案所作的评估分析和比 较排序，这将给项目评估者提供有关各个“方策”优劣的信息，以供他们进行选择。 因此在项目评估中必须坚持这种比较择优的基本原则，必须提供多个项目备选方案的评估信息和各个项目备选方案优先序列信息。 规范化的原则 项目评估的规范化原则是指整个项目评估所使用的方法和程序应该符合同样规范的基本原则。 这包括在项目评估中用国家和地方政府以及组装自杀的各种规范化的评估办法、规范化的评估参事和指标以及规范化的项目评估程序和步骤三个方面。 其中任何组织事业的项目评估规范化方法都需要参照相关权威部门发布的具体方法和规定。 另外 ，任何组织的项目评估方法还必须符合国家和政府的相应法律和规定。 对于规范化的项目评估参数和指标而言，首先是指任何项目评估都需要采用相对规范的统一评估指标进行评估，其次是指任何项目的评估要适应国家或地方主管部门发布或规定的评定参数。 项目评估的规范程序是指项目评估所必须包。