基于遗传算法的航煤加氢装置换热网络优化设计

马欣 吴天琦 廖飞龙（西南石油大学机电工程学院）

基于遗传算法的航煤加氢装置换热网络优化设计

马欣 吴天琦 廖飞龙（西南石油大学机电工程学院）

针对某炼油厂航煤加氢装置换热网络进行优化设计，通过对YEE换热网络分级超结构的分析和改进，建立航煤加氢换热网络超结构及其数学模型，采用遗传算法对模型进行求解以得到最优换热网络的结构与参数，并对航煤加氢优化后的换热网络流程进行设计。

航煤加氢装置 换热网络 分级超结构 遗传算法

引言

航煤加氢是石油产品精制、改制和重油加工的重要手段，装置的能耗较高，资源浪费情况比较严重。在对众多能源消耗严重的项目进行对比之后发现，燃料气、蒸汽和冷却水的耗能均比较大，占总能耗的绝大部分，这三部分的消耗也正是装置之中换热网络的消耗。针对这种情况，从优化航煤加氢装置换热网络入手，分析现行装置的可优化空间，提出优化方案，以此来尽量减少装置的耗能，实现整个装置的节能。

换热网络综合优化是一个多目标优化问题，其中包括可靠性、可行性、安全性、经济性等方面，一般是以年度综合费用最小作为唯一优化目标；而年度综合费用包括设备投资费用和运行费用，公用工程的能耗决定了运行费的多少，设备投资费则是由换热设备数量和换热面积决定的。换热网络综合可分为分部综合方法与同步综合方法。其中分部综合方法是将换热网络综合问题分解成单独的子问题进行单独求解以降低求解难度，但是分部综合法不能很好地平衡子问题之间的相互影响问题，所以不能保证得到良好结果。同步综合方法的研究工作开始于20世纪80年代末，Yuan等[1]最先提出了同步综合方法的数学模型，并成功应用在优化多级反应器上。高维平[2]、李志红[3]等在同步综合优化换热网络上也做了很大贡献。

近年来，由于随机算法不受非凸性、非线性和不连续性等条件的限制，在求解换热网络同步综合数学模型上也得到了广泛的应用，典型的随机算法有遗传算法[4]、模拟退火算法[5]、禁忌算法[6]等。

本文以航煤加氢装置换热网络年度总费用最小为目标，以分级超结构模型为基础，建立换热网络同步综合模型，应用遗传算法对该模型进行优化操作，得到了很好的优化结果。

1 航煤加氢装置用能分析

1.1 装置工艺原理

装置由三部分组成：反应部分、气提分馏部分以及公用工程部分。装置以加工直馏航煤为原料，在一定的压力温度下，原料油和氢气通过催化剂层进行脱硫、脱氮、脱氧等反应，脱出油品中的硫、氮、氧及金属杂质，以改善原料的品质和产品的使用性能。优化前装置的工艺流程如图1所示。

图1 航煤加氢装置工艺流程

1.2 装置换热网络数据提取

根据对装置的分析，提取到三条热物流与三条冷物流，以及热公用工程和冷公用工程，提取的基础数据见表1，现有换热网络结构见图2。

表1 航煤加氢装置换热网络基础数据

图2 航煤加氢装置现有换热网络结构

2 数学模型与优化算法

2.1 换热网络超结构模型

Yee等[7]在上世纪90年代提出了换热网络分级超结构，该模型简化了优化问题的规模，可单独用数学的方法求解，不要求设计人员有任何经验规则，有利于计算机求解。本文在分级超机构基础上建立MINLP数学模型，以年综合费用最小为优化目标设计合成最优航煤加氢装置的换热网络。数学模型如式（1）所示：

式中：i代表热物流、 j代表冷物流、k代表级数；Ccu与Chu分别表示冷却、加热公用工程单位费用；NC表示冷物流数目、NH表示热物流数目、NK表示结构中级的数目；CF表示换热器单台固定费用；L表示对数平均温差；q代表热负荷；Z为二元变量，表示加热器、冷却器是否存在，存在Z=1，不存在Z=0。

2.1.1 模型的约束条件

◇每条工艺物流的热平衡约束

◇每一级的热平衡约束

2.2 遗传算法

遗传算法是从代表问题可能潜在解集的一个种群开始的，在每一代，根据问题域中个体的适应度大小挑选个体，并借助于自然遗传学的遗传算子进行组合交叉和变异，产生出代表新的解集的种群。这个过程将导致种群自然进化的后生代种群比前代更加适应环境，末代种群中的最优个体经过解码，可以作为问题的近似最优解。

遗传算法采纳了自然进化模型，如选择、交叉、变异、迁移等。计算开始时，一定数目N个个体（父个体1、父个体2、父个体3……）即种群随机的初始化，并计算每个个体的适应度函数，即初始代就产生了如果不满足优化准则，开始产生新一代的计算。为了产生下一代，按照适应度选择个体，父代要求基因重组（交叉）而产生子代，所有的子代按一定概率变异。然后子代的适应度又被重新计算，子代被插入到种群中将父代取而代之，构成新的一代（子个体1、子个体2、子个体3……）。这一过程循环执行，直到满足优化准则为止。

2.3 航煤加氢换热网络数学模型计算结果

本文数学模型计算采用MATLAB软件编程实现，编制换热网络遗传算法优化程序并进行计算，得到优化后的换热网络费用数据和结构（图3）。取单位加热公用工程费用Chu=10元/106KJ；Ccu=0.3元/106KJ。优化后的年运行费189 310元，换热器年固定费用1500元，加热器年固定费用4525元，冷却器年固定费用4525元，年总综合费用为199 859元。较优化前换热网络减少2台换热器，增加1台加热器，年总综合费用节省467 551元。

图3 优化后换热网络结构

根据对计算结果的分析，可以得到航煤加氢装置换热网络优化流程（图4）。

图4 航煤加氢装置换热网络优化流程

3 结论

1）以航煤加氢装置的换热网络年综合费用最小为目标优化设计换热网络，得到了优化后换热网络的运行费用与换热器、加热器、冷却器的固定费用等，优化后年总综合费用节省467 551元。

2）设计获得航煤加氢装置优化工艺流程。

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

[2]高维平,于为人,韩方煜.智能法合成最优换热网络[J].化工学报,1990,3:353-363.

[3]李志红,华贲,尹清华.基于专家系统与遗传算法的有分流换热网络的最优综合[J].石油化工设备,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中国油气产业蓝皮书发布

3月18日，中国石油企业协会发布《2014中国油气产业发展分析与展望报告蓝皮书》。该书对2013年国际、国内油气产业发展状况进行了分析，并对2014年的发展趋势作出展望。

蓝皮书显示：2013年我国生产原油2.08×108t，比上年增长1.7%；天然气产量1 129.4×108m3，比上年增长9.1%。我国油气生产企业着眼资源可持续性，加大油气勘探力度，2013年实现油气动用储量替代率100%。截至2013年，中国能源国际合作成果显著，已在全球33个国家执行了100多个国际油气合作项目，建成5大国际油气合作区，成为多个国家重要的能源合作伙伴。

蓝皮书认为，2014年中国经济继续保持稳定增长，预计石油消费需求增速略有回升，原油产量将继续增加；成品油市场供需总体平衡，汽油将继续供大于需，柴油供应依旧偏紧；天然气消费随着管网的建成将明显增加，供应能力继续增强，但局部地区仍将出现供不应求的局面。

胡庆明摄影报道

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.004.010

2014-01-29）

马欣，副教授，1997年毕业于甘肃工业大学，从事石油过程装备安全可靠性分析理论与方法研究，E-mail：lutmx@ 163.com，地址：四川省成都市新都区西南石油大学机电工程学院，610500。