基于遺傳算法的航煤加氫裝置換熱網絡優化設計

馬欣 吳天琦 廖飛龍（西南石油大學機電工程學院）

基于遺傳算法的航煤加氫裝置換熱網絡優化設計

馬欣 吳天琦 廖飛龍（西南石油大學機電工程學院）

針對某煉油廠航煤加氫裝置換熱網絡進行優化設計，通過對YEE換熱網絡分級超結構的分析和改進，建立航煤加氫換熱網絡超結構及其數學模型，采用遺傳算法對模型進行求解以得到最優換熱網絡的結構與參數，并對航煤加氫優化后的換熱網絡流程進行設計。

航煤加氫裝置 換熱網絡 分級超結構 遺傳算法

引言

航煤加氫是石油產品精制、改制和重油加工的重要手段，裝置的能耗較高，資源浪費情況比較嚴重。在對眾多能源消耗嚴重的項目進行對比之后發現，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絡的消耗。針對這種情況，從優化航煤加氫裝置換熱網絡入手，分析現行裝置的可優化空間，提出優化方案，以此來盡量減少裝置的耗能，實現整個裝置的節能。

換熱網絡綜合優化是一個多目標優化問題，其中包括可靠性、可行性、安全性、經濟性等方面，一般是以年度綜合費用最小作為唯一優化目標；而年度綜合費用包括設備投資費用和運行費用，公用工程的能耗決定了運行費的多少，設備投資費則是由換熱設備數量和換熱面積決定的。換熱網絡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絡綜合問題分解成單獨的子問題進行單獨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題之間的相互影響問題，所以不能保證得到良好結果。同步綜合方法的研究工作開始于20世紀80年代末，Yuan等[1]最先提出了同步綜合方法的數學模型，并成功應用在優化多級反應器上。高維平[2]、李志紅[3]等在同步綜合優化換熱網絡上也做了很大貢獻。

近年來，由于隨機算法不受非凸性、非線性和不連續性等條件的限制，在求解換熱網絡同步綜合數學模型上也得到了廣泛的應用，典型的隨機算法有遺傳算法[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絡年度總費用最小為目標，以分級超結構模型為基礎，建立換熱網絡同步綜合模型，應用遺傳算法對該模型進行優化操作，得到了很好的優化結果。

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，原料油和氫氣通過催化劑層進行脫硫、脫氮、脫氧等反應，脫出油品中的硫、氮、氧及金屬雜質，以改善原料的品質和產品的使用性能。優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 裝置換熱網絡數據提取

根據對裝置的分析，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，提取的基礎數據見表1，現有換熱網絡結構見圖2。

表1 航煤加氫裝置換熱網絡基礎數據

圖2 航煤加氫裝置現有換熱網絡結構

2 數學模型與優化算法

2.1 換熱網絡超結構模型

Yee等[7]在上世紀90年代提出了換熱網絡分級超結構，該模型簡化了優化問題的規模，可單獨用數學的方法求解，不要求設計人員有任何經驗規則，有利于計算機求解。本文在分級超機構基礎上建立MINLP數學模型，以年綜合費用最小為優化目標設計合成最優航煤加氫裝置的換熱網絡。數學模型如式（1）所示：

式中：i代表熱物流、 j代表冷物流、k代表級數；Ccu與Chu分別表示冷卻、加熱公用工程單位費用；NC表示冷物流數目、NH表示熱物流數目、NK表示結構中級的數目；CF表示換熱器單臺固定費用；L表示對數平均溫差；q代表熱負荷；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

◇每一級的熱平衡約束

2.2 遺傳算法

遺傳算法是從代表問題可能潛在解集的一個種群開始的，在每一代，根據問題域中個體的適應度大小挑選個體，并借助于自然遺傳學的遺傳算子進行組合交叉和變異，產生出代表新的解集的種群。這個過程將導致種群自然進化的后生代種群比前代更加適應環境，末代種群中的最優個體經過解碼，可以作為問題的近似最優解。

遺傳算法采納了自然進化模型，如選擇、交叉、變異、遷移等。計算開始時，一定數目N個個體（父個體1、父個體2、父個體3……）即種群隨機的初始化，并計算每個個體的適應度函數，即初始代就產生了如果不滿足優化準則，開始產生新一代的計算。為了產生下一代，按照適應度選擇個體，父代要求基因重組（交叉）而產生子代，所有的子代按一定概率變異。然后子代的適應度又被重新計算，子代被插入到種群中將父代取而代之，構成新的一代（子個體1、子個體2、子個體3……）。這一過程循環執行，直到滿足優化準則為止。

2.3 航煤加氫換熱網絡數學模型計算結果

本文數學模型計算采用MATLAB軟件編程實現，編制換熱網絡遺傳算法優化程序并進行計算，得到優化后的換熱網絡費用數據和結構（圖3）。取單位加熱公用工程費用Chu=10元/106KJ；Ccu=0.3元/106KJ。優化后的年運行費189 310元，換熱器年固定費用1500元，加熱器年固定費用4525元，冷卻器年固定費用4525元，年總綜合費用為199 859元。較優化前換熱網絡減少2臺換熱器，增加1臺加熱器，年總綜合費用節省467 551元。

圖3 優化后換熱網絡結構

根據對計算結果的分析，可以得到航煤加氫裝置換熱網絡優化流程（圖4）。

圖4 航煤加氫裝置換熱網絡優化流程

3 結論

1）以航煤加氫裝置的換熱網絡年綜合費用最小為目標優化設計換熱網絡，得到了優化后換熱網絡的運行費用與換熱器、加熱器、冷卻器的固定費用等，優化后年總綜合費用節省467 551元。

2）設計獲得航煤加氫裝置優化工藝流程。

[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.智能法合成最優換熱網絡[J].化工學報,1990,3:353-363.

[3]李志紅,華賁,尹清華.基于專家系統與遺傳算法的有分流換熱網絡的最優綜合[J].石油化工設備,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中國油氣產業藍皮書發布

3月18日，中國石油企業協會發布《2014中國油氣產業發展分析與展望報告藍皮書》。該書對2013年國際、國內油氣產業發展狀況進行了分析，并對2014年的發展趨勢作出展望。

藍皮書顯示：2013年我國生產原油2.08×108t，比上年增長1.7%；天然氣產量1 129.4×108m3，比上年增長9.1%。我國油氣生產企業著眼資源可持續性，加大油氣勘探力度，2013年實現油氣動用儲量替代率100%。截至2013年，中國能源國際合作成果顯著，已在全球33個國家執行了100多個國際油氣合作項目，建成5大國際油氣合作區，成為多個國家重要的能源合作伙伴。

藍皮書認為，2014年中國經濟繼續保持穩定增長，預計石油消費需求增速略有回升，原油產量將繼續增加；成品油市場供需總體平衡，汽油將繼續供大于需，柴油供應依舊偏緊；天然氣消費隨著管網的建成將明顯增加，供應能力繼續增強，但局部地區仍將出現供不應求的局面。

胡慶明攝影報道

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.004.010

2014-01-29）

馬欣，副教授，1997年畢業于甘肅工業大學，從事石油過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西南石油大學機電工程學院，610500。