馬欣 吳天琦 廖飛龍（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

基于遺傳算法的航煤加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬欣 吳天琦 廖飛龍（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

針對(duì)某煉油廠航煤加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)YEE換熱網(wǎng)絡(luò)分級(jí)超結(jié)構(gòu)的分析和改進(jìn)，建立航煤加氫換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解以得到最優(yōu)換熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，并對(duì)航煤加氫優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

航煤加氫裝置 換熱網(wǎng)絡(luò) 分級(jí)超結(jié)構(gòu) 遺傳算法

引言

航煤加氫是石油產(chǎn)品精制、改制和重油加工的重要手段，裝置的能耗較高，資源浪費(fèi)情況比較嚴(yán)重。在對(duì)眾多能源消耗嚴(yán)重的項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)，燃料氣、蒸汽和冷卻水的耗能均比較大，占總能耗的絕大部分，這三部分的消耗也正是裝置之中換熱網(wǎng)絡(luò)的消耗。針對(duì)這種情況，從優(yōu)化航煤加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)入手，分析現(xiàn)行裝置的可優(yōu)化空間，提出優(yōu)化方案，以此來(lái)盡量減少裝置的耗能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的節(jié)能。

換熱網(wǎng)絡(luò)綜合優(yōu)化是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，其中包括可靠性、可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面，一般是以年度綜合費(fèi)用最小作為唯一優(yōu)化目標(biāo)；而年度綜合費(fèi)用包括設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，公用工程的能耗決定了運(yùn)行費(fèi)的多少，設(shè)備投資費(fèi)則是由換熱設(shè)備數(shù)量和換熱面積決定的。換熱網(wǎng)絡(luò)綜合可分為分部綜合方法與同步綜合方法。其中分部綜合方法是將換熱網(wǎng)絡(luò)綜合問(wèn)題分解成單獨(dú)的子問(wèn)題進(jìn)行單獨(dú)求解以降低求解難度，但是分部綜合法不能很好地平衡子問(wèn)題之間的相互影響問(wèn)題，所以不能保證得到良好結(jié)果。同步綜合方法的研究工作開(kāi)始于20世紀(jì)80年代末，Yuan等[1]最先提出了同步綜合方法的數(shù)學(xué)模型，并成功應(yīng)用在優(yōu)化多級(jí)反應(yīng)器上。高維平[2]、李志紅[3]等在同步綜合優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)上也做了很大貢獻(xiàn)。

近年來(lái)，由于隨機(jī)算法不受非凸性、非線性和不連續(xù)性等條件的限制，在求解換熱網(wǎng)絡(luò)同步綜合數(shù)學(xué)模型上也得到了廣泛的應(yīng)用，典型的隨機(jī)算法有遺傳算法[4]、模擬退火算法[5]、禁忌算法[6]等。

本文以航煤加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)，以分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，建立換熱網(wǎng)絡(luò)同步綜合模型，應(yīng)用遺傳算法對(duì)該模型進(jìn)行優(yōu)化操作，得到了很好的優(yōu)化結(jié)果。

1 航煤加氫裝置用能分析

1.1 裝置工藝原理

裝置由三部分組成：反應(yīng)部分、氣提分餾部分以及公用工程部分。裝置以加工直餾航煤為原料，在一定的壓力溫度下，原料油和氫氣通過(guò)催化劑層進(jìn)行脫硫、脫氮、脫氧等反應(yīng)，脫出油品中的硫、氮、氧及金屬雜質(zhì)，以改善原料的品質(zhì)和產(chǎn)品的使用性能。優(yōu)化前裝置的工藝流程如圖1所示。

圖1 航煤加氫裝置工藝流程

1.2 裝置換熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提取

根據(jù)對(duì)裝置的分析，提取到三條熱物流與三條冷物流，以及熱公用工程和冷公用工程，提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

表1 航煤加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2 航煤加氫裝置現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)學(xué)模型與優(yōu)化算法

2.1 換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)模型

Yee等[7]在上世紀(jì)90年代提出了換熱網(wǎng)絡(luò)分級(jí)超結(jié)構(gòu)，該模型簡(jiǎn)化了優(yōu)化問(wèn)題的規(guī)模，可單獨(dú)用數(shù)學(xué)的方法求解，不要求設(shè)計(jì)人員有任何經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，有利于計(jì)算機(jī)求解。本文在分級(jí)超機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上建立MINLP數(shù)學(xué)模型，以年綜合費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)合成最優(yōu)航煤加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)。數(shù)學(xué)模型如式（1）所示：

式中：i代表熱物流、 j代表冷物流、k代表級(jí)數(shù)；Ccu與Chu分別表示冷卻、加熱公用工程單位費(fèi)用；NC表示冷物流數(shù)目、NH表示熱物流數(shù)目、NK表示結(jié)構(gòu)中級(jí)的數(shù)目；CF表示換熱器單臺(tái)固定費(fèi)用；L表示對(duì)數(shù)平均溫差；q代表熱負(fù)荷；Z為二元變量，表示加熱器、冷卻器是否存在，存在Z=1，不存在Z=0。

2.1.1 模型的約束條件

◇每條工藝物流的熱平衡約束

◇每一級(jí)的熱平衡約束

2.2 遺傳算法

遺傳算法是從代表問(wèn)題可能潛在解集的一個(gè)種群開(kāi)始的，在每一代，根據(jù)問(wèn)題域中個(gè)體的適應(yīng)度大小挑選個(gè)體，并借助于自然遺傳學(xué)的遺傳算子進(jìn)行組合交叉和變異，產(chǎn)生出代表新的解集的種群。這個(gè)過(guò)程將導(dǎo)致種群自然進(jìn)化的后生代種群比前代更加適應(yīng)環(huán)境，末代種群中的最優(yōu)個(gè)體經(jīng)過(guò)解碼，可以作為問(wèn)題的近似最優(yōu)解。

遺傳算法采納了自然進(jìn)化模型，如選擇、交叉、變異、遷移等。計(jì)算開(kāi)始時(shí)，一定數(shù)目N個(gè)個(gè)體（父?jìng)€(gè)體1、父?jìng)€(gè)體2、父?jìng)€(gè)體3……）即種群隨機(jī)的初始化，并計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)，即初始代就產(chǎn)生了如果不滿足優(yōu)化準(zhǔn)則，開(kāi)始產(chǎn)生新一代的計(jì)算。為了產(chǎn)生下一代，按照適應(yīng)度選擇個(gè)體，父代要求基因重組（交叉）而產(chǎn)生子代，所有的子代按一定概率變異。然后子代的適應(yīng)度又被重新計(jì)算，子代被插入到種群中將父代取而代之，構(gòu)成新的一代（子個(gè)體1、子個(gè)體2、子個(gè)體3……）。這一過(guò)程循環(huán)執(zhí)行，直到滿足優(yōu)化準(zhǔn)則為止。

2.3 航煤加氫換熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果

本文數(shù)學(xué)模型計(jì)算采用MATLAB軟件編程實(shí)現(xiàn)，編制換熱網(wǎng)絡(luò)遺傳算法優(yōu)化程序并進(jìn)行計(jì)算，得到優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)（圖3）。取單位加熱公用工程費(fèi)用Chu=10元/106KJ；Ccu=0.3元/106KJ。優(yōu)化后的年運(yùn)行費(fèi)189 310元，換熱器年固定費(fèi)用1500元，加熱器年固定費(fèi)用4525元，冷卻器年固定費(fèi)用4525元，年總綜合費(fèi)用為199 859元。較優(yōu)化前換熱網(wǎng)絡(luò)減少2臺(tái)換熱器，增加1臺(tái)加熱器，年總綜合費(fèi)用節(jié)省467 551元。

圖3 優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，可以得到航煤加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化流程（圖4）。

圖4 航煤加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化流程

3 結(jié)論

1）以航煤加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)年綜合費(fèi)用最小為目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)，得到了優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行費(fèi)用與換熱器、加熱器、冷卻器的固定費(fèi)用等，優(yōu)化后年總綜合費(fèi)用節(jié)省467 551元。

2）設(shè)計(jì)獲得航煤加氫裝置優(yōu)化工藝流程。

[1] YUAN X,PIBOULEAU L,DOMENECH S.Experiments in process synthesis viamixed-integer programming [J].Chem Eng Proc,1989,25(2):99-116.

[2]高維平,于為人,韓方煜.智能法合成最優(yōu)換熱網(wǎng)絡(luò)[J].化工學(xué)報(bào),1990,3:353-363.

[3]李志紅,華賁,尹清華.基于專(zhuān)家系統(tǒng)與遺傳算法的有分流換熱網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)綜合[J].石油化工設(shè)備,2000,29 (6)：9-12.

[4]DIPMAJ,TEYSSEDOUA,SORIN M.Synthesisofheat exchanger networks using genetic algorithms [J].ApplThermEng,2008,28(14/15):1763-1773.

[5]MAX,YAO P,LUO X,et al.Synthesis of multistream heat exchanger network for multi-operation operation with genetic/simulated annealing algorithm[J].ApplThermEng,2008,28(8/9):809-823.

[6]LIN B,MILLER DC.Solving heat exchanger network synthesis problems with Tabu Search[J]. ComputChemEng,2004,28(8):1451-1464.

[7] YEE T F,GROSSMANN I E.Simulatneous optimization models for heat integration:Ⅲ process and heat exchanger network optimization [J]. Chem Engng,1990,14:1185-1201.

2014中國(guó)油氣產(chǎn)業(yè)藍(lán)皮書(shū)發(fā)布

3月18日，中國(guó)石油企業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《2014中國(guó)油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析與展望報(bào)告藍(lán)皮書(shū)》。該書(shū)對(duì)2013年國(guó)際、國(guó)內(nèi)油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了分析，并對(duì)2014年的發(fā)展趨勢(shì)作出展望。

藍(lán)皮書(shū)顯示：2013年我國(guó)生產(chǎn)原油2.08×108t，比上年增長(zhǎng)1.7%；天然氣產(chǎn)量1 129.4×108m3，比上年增長(zhǎng)9.1%。我國(guó)油氣生產(chǎn)企業(yè)著眼資源可持續(xù)性，加大油氣勘探力度，2013年實(shí)現(xiàn)油氣動(dòng)用儲(chǔ)量替代率100%。截至2013年，中國(guó)能源國(guó)際合作成果顯著，已在全球33個(gè)國(guó)家執(zhí)行了100多個(gè)國(guó)際油氣合作項(xiàng)目，建成5大國(guó)際油氣合作區(qū)，成為多個(gè)國(guó)家重要的能源合作伙伴。

藍(lán)皮書(shū)認(rèn)為，2014年中國(guó)經(jīng)濟(jì)繼續(xù)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)石油消費(fèi)需求增速略有回升，原油產(chǎn)量將繼續(xù)增加；成品油市場(chǎng)供需總體平衡，汽油將繼續(xù)供大于需，柴油供應(yīng)依舊偏緊；天然氣消費(fèi)隨著管網(wǎng)的建成將明顯增加，供應(yīng)能力繼續(xù)增強(qiáng)，但局部地區(qū)仍將出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。

胡慶明攝影報(bào)道

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.004.010

2014-01-29）

馬欣，副教授，1997年畢業(yè)于甘肅工業(yè)大學(xué)，從事石油過(guò)程裝備安全可靠性分析理論與方法研究，E-mail：lutmx@ 163.com，地址：四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，610500。