1、摘要隨著能源的日益緊缺，如何提高能源的利用率成為影響國民經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。作為耗能大戶一一過程工業(yè)中能耗最大的子系統(tǒng)，即公用工程系統(tǒng)必然要經(jīng)濟合理的用能，降低生產(chǎn)成本。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，多學(xué)科的交叉，已不再簡單著眼于局部環(huán)節(jié)與單臺設(shè)備的用能效率，而是采用系統(tǒng)能量集成進行系統(tǒng)的集成化設(shè)計、改造。本文采用數(shù)學(xué)規(guī)劃這一強有力的工具對公用工程系統(tǒng)能量綜合和最優(yōu)設(shè)計方法進行研究。首先針對一般系統(tǒng)進行集成建模，給出了具有普適性的混合整數(shù)非線性數(shù)

2、學(xué)模型，結(jié)合各單元的投資費用和操作費用，進行了目標函數(shù)，即年度總費用或年度總收益，和相關(guān)約束，即物料、能量、物理性能、設(shè)計參數(shù)、熱力學(xué)約束等的相對具體化。其次針對該模型非線性、非凸、多峰等特點，討論了分支定界法、GBD法和OA法等傳統(tǒng)求解算法的局限性，提出了罰函數(shù)一湊整算法和遺傳算法的求解思路，對遺傳算法的選擇、交叉、變異等過程進行分析，對遺傳算法初始點選擇、算子設(shè)計、適應(yīng)值調(diào)整和約束處理等具體實現(xiàn)問題提出了改進措施，并編制了相關(guān)的求解

3、程序。最后本文結(jié)合結(jié)構(gòu)固定參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)與參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化的兩個實際工程項目來檢驗優(yōu)化方法的正確性，統(tǒng)籌考慮構(gòu)成公用工程系統(tǒng)的各種可能單元和組合方式，建立包含多種可能方案的超結(jié)構(gòu)流程，進行了詳細的MINLP建模和約束的進一步細化，在傳統(tǒng)算法失效的前提下，利用提出的改進算法進行求解和分析，得到了較好的結(jié)果。本文從理論和實際兩方面對公用工程系統(tǒng)能量綜合和優(yōu)化設(shè)計進行研究，形成了混合整數(shù)非線性規(guī)劃和遺傳算法相結(jié)合的更好的公用工程系統(tǒng)能量綜合和優(yōu)化

4、設(shè)計的方法。關(guān)鍵詞:公用工程系統(tǒng)，系統(tǒng)能量集成，罰函數(shù)一湊整算法，遺傳算法公用工程系統(tǒng)能量綜合與優(yōu)化設(shè)計方法研究1文獻綜述1.1引言我國能源供應(yīng)不足，長期緊張，能耗大大高于發(fā)達國家，制約了國民經(jīng)濟的正常發(fā)展。造成能源短缺的原因有兩個方面，一方面是人口眾多，人均占有率低另一方面就是我國能源利用率低下，只是國外發(fā)達國家的一半左右。因此如何提高能耗大戶的能源有效利用率是擺在我們面前的一個重要而緊迫的問題，其中又以過程工業(yè)為代表.過程工業(yè)是廣義

5、的化學(xué)工業(yè)，包括化工、煉油、石油化工、冶金、輕工、建材等工業(yè)部門，是能源密集型工業(yè)。據(jù)2003年統(tǒng)計的數(shù)據(jù)nl，我國過程工業(yè)能耗約占全國能源消耗總量的11%為工業(yè)能源消耗量的20%，是耗能大戶。但長期以來在粗放型經(jīng)濟的影響下，過程工業(yè)能源效率低下，以合成氨工業(yè)為例:我國合成氨工業(yè)的能耗占化學(xué)工業(yè)的52%，是化工行業(yè)的第一耗能大戶，而合成氨平均能耗比國際先進水平大約高出5096“。因此，提高過程工業(yè)的用能水平又是提高我國能源總體利用率的重

6、要途徑。典型的化工過程系統(tǒng)可以分為工藝過程、換熱網(wǎng)絡(luò)和公用工程三個子系統(tǒng)，其中以公用工程系統(tǒng)為核心進行相互連結(jié)。公用工程系統(tǒng)(以蒸汽動力系統(tǒng)為主)向各過程提供所需的動力、電力、熱能、工藝蒸汽、精制水、冷卻水等公用工程，并與過程系統(tǒng)和換熱網(wǎng)絡(luò)有機結(jié)合，回收過程中的余熱。另外，在合成氨、乙烯和煉油等大型裝置中，蒸汽往往既是參與化學(xué)反應(yīng)的工藝原料或工藝過程的加熱介質(zhì)，又是通過透平驅(qū)動各種機泵的動力來源。蒸汽動力系統(tǒng)一般具有高、中、低壓等多個壓

7、力等級的蒸汽管網(wǎng)，各級管網(wǎng)之間通過蒸汽透平產(chǎn)生過程所需的動力或電力，虧盈量可由電網(wǎng)購入或輸出電力.蒸汽動力系統(tǒng)所提供的功率占全廠動力消耗的絕大部分，而產(chǎn)生蒸汽的相當一部分熱能都是來源于化工裝置本身錯綜復(fù)雜的能量回收系統(tǒng)，其熱量的過剩區(qū)和熱量的需要區(qū)之間的熱交換，使化工過程和換熱網(wǎng)絡(luò)與公用工程系統(tǒng)緊密結(jié)合，相互交織。另一方面，公用工程系統(tǒng)不僅要面向過程系統(tǒng)提供所需要的各種能源，其本身也是過程工業(yè)中的耗能大戶，它的優(yōu)化設(shè)計和節(jié)能改造具有很大

8、的節(jié)能潛力，因而面對全局系統(tǒng)的能量利用率和經(jīng)濟性具有重要影響。特別是隨著能源和原材料的不斷漲價，其成本已經(jīng)占生產(chǎn)總成本的90%左右，對于公用工程系統(tǒng)經(jīng)濟合理的利用能源，降低生產(chǎn)成本，已成為整個化學(xué)工業(yè)的緊迫任務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，現(xiàn)代化工過程工業(yè)裝置日趨大型化和聯(lián)合生產(chǎn)化。特別是在能源緊張，原材料短缺和環(huán)境污染日益加劇的情況下，從能量轉(zhuǎn)化和利用的角度分析，復(fù)雜系統(tǒng)的用能優(yōu)化，不能簡單著眼于局部環(huán)節(jié)與單臺設(shè)備的用能效率，因為局部優(yōu)化決不