催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化報(bào)告人：梁士鋒指導(dǎo)教師：姜斌副研究員1.課題意義2.多目標(biāo)遺傳算法3.流程模擬和算法選擇4.催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化5.結(jié)論1.課題意義

優(yōu)化無處不在。在化工過程模擬眾多的變量和結(jié)果之中，找到一組滿足優(yōu)化要求的變量，從而最大限度的發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)施的最大效能，這正是化工模擬中優(yōu)化的價(jià)值所在。優(yōu)化按照優(yōu)化目標(biāo)的個(gè)數(shù)分為單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化兩種。實(shí)際的優(yōu)化問題大多是多目標(biāo)優(yōu)化。

本文利用modeFRONTIER集成PRO/Ⅱ?qū)α鞒踢M(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，做出Pareto曲線，得出優(yōu)化點(diǎn)，在理論上對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)操作產(chǎn)生指導(dǎo)意義，并且可以驗(yàn)證現(xiàn)有工藝的經(jīng)驗(yàn)工作點(diǎn)是否處在優(yōu)化區(qū)域之內(nèi)。對(duì)于將工程師從瑣碎繁多的個(gè)別工況計(jì)算中解放出來，節(jié)約模擬時(shí)間，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本，具有重要意義。所用方法不僅適用于催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的優(yōu)化，也可應(yīng)用于其它化工流程。2.多目標(biāo)遺傳算法2.1多目標(biāo)優(yōu)化的基本概念2.2

多目標(biāo)遺傳算法的步驟2.3modeFRONTIER簡介2.4本文所用優(yōu)化工作流程2.1多目標(biāo)優(yōu)化的基本概念2.1.1多目標(biāo)優(yōu)化的特征一般地，多目標(biāo)最優(yōu)化問題可表示如下：式中m為約束條件的數(shù)量，X=(x1,x2,…,xn)T為決策向量,(1≤i≤k)為各子目標(biāo)向量函數(shù)，k為子目標(biāo)的數(shù)量。同時(shí)優(yōu)化多個(gè)、可能相互沖突的日標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化問題與單目標(biāo)優(yōu)化不同，多目標(biāo)優(yōu)化問題的特點(diǎn)是極少存在絕對(duì)最優(yōu)解，而是存在一系列無法簡單進(jìn)行相互比較的解，這種解稱為非劣解或Pareto最優(yōu)解。2.1.2Pareto解集如果fi(x1)≤fi(x2)，i=1,2,?,n，x1,x2∈Rm,那么x1比x2優(yōu)越；如果不存在這樣一個(gè)可行解x1，則稱x2為非劣解或Pareto最優(yōu)解，所有非劣解構(gòu)成了多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)解集（Pareto-optimalset）。

Pareto解集是自變量的集合，每一個(gè)Pareto解集的表現(xiàn)型(目標(biāo)函數(shù))就構(gòu)成了Pareto前沿（ParetoFront）。如圖1-1所示，圖中A、B、D點(diǎn)是Pareto解，C點(diǎn)不是Pareto解。多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)的主要目的就是尋求Pareto解集中的一個(gè)或多個(gè)滿意解。圖1-1Pareto最優(yōu)解的概念Fig.1-1TheconceptofParetosetinobjectivespace2.2多目標(biāo)遺傳算法的步驟

遺傳算法(GeneticAlgorithms，GA)是基于自然進(jìn)化思想的隨機(jī)優(yōu)化技術(shù)，它采取群體優(yōu)化的策略，在優(yōu)化的同時(shí)進(jìn)行隱含的替代方案產(chǎn)生，因此具有較大的優(yōu)越性。由于遺傳算法是對(duì)整個(gè)種群所進(jìn)行的進(jìn)化運(yùn)算操作，種群中的個(gè)體平行搜索使遺傳算法成為解決多目標(biāo)優(yōu)化問題的有效方法。多目標(biāo)遺傳算法的一般步驟如下：（1）編碼使用二進(jìn)制對(duì)變量進(jìn)行編碼，隨機(jī)產(chǎn)生初始種群，將該種群記為oldpop。（2）選擇計(jì)算oldpop中每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值，按照一定的規(guī)則和方法，每個(gè)目標(biāo)等量數(shù)目的優(yōu)良個(gè)體被選取，

這些新的子種群合并為一個(gè)完整的群體。（3）交叉以交叉概率pc從oldpop中選擇出一些個(gè)體隨機(jī)地搭配成對(duì)，對(duì)每一對(duì)個(gè)體以某種規(guī)則或方法交換它們之間的部分遺傳基因，生成新的個(gè)體。（4）變異以變異概率pm從oldpop中選出一個(gè)或幾個(gè)個(gè)體，以某種規(guī)則或方法改變某一個(gè)或者幾個(gè)遺傳基因的值，生成新的個(gè)體。（5）由交叉和變異產(chǎn)生新一代的種群，該種群記為newpop，并找出種群newpop中比較差個(gè)體，將種群oldpop的非劣個(gè)體替換種群newpop的比較差個(gè)體。返回到第2步。（6）當(dāng)世代數(shù)超過預(yù)先的設(shè)定值，迭代終止。（7）求解最終種群的Pareto最優(yōu)解集。2.3modeFRONTIER簡介modeFRONTIER的前身是由意大利Trieste大學(xué)、BritishAeroSpace、DaimlerChrysleAerospace、Zanussi-Electrolux等公司共同承擔(dān)的優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)科研項(xiàng)目。1998年，modeFRONTIER作為科研成果商業(yè)化，發(fā)布正式商業(yè)版本。自modeFRONTIER投入商業(yè)化以來，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)、航空航天、船舶冶金和化工等多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，為人類的生產(chǎn)生活創(chuàng)造了巨大的價(jià)值。2.4本文所用優(yōu)化工作流程3.流程模擬和算法選擇催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的流程模擬3.1算法選擇3.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)3.23.1催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的流程模擬3.1.1模擬所選用的流程3.1.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和質(zhì)量控制指標(biāo)國內(nèi)某煉廠催化加工量600kt/a，針對(duì)實(shí)際操作，模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及控制指標(biāo)如下：壓縮富氣量為14500kg/h，粗汽油流量為28000kg/h，輕柴油流量為6000kg/h。吸收塔塔頂壓力為1.10MPa（絕壓），全塔壓降為0.03MPa，操作溫度為40℃；解吸塔塔頂壓力為1.24MPa，全塔壓降為0.04MPa。富氣體積組成，見表1。粗汽油和輕柴油恩氏蒸餾數(shù)據(jù)，見表2。質(zhì)量控制指標(biāo)為：脫乙烷汽油中C2<0.1%(mol)，液化氣中C5<0.1%(mol)，穩(wěn)定汽油中C4<0.5%(wt)。序號(hào)組分體積/％序號(hào)組分體積/％1H216.2311C3H69.142N26.2212nC42.763CO0.4413iC48.374CO2

1.37141-C4=2.945O20.8915iC4=3.916H2S0.2516

順C4=2.667CH410.6517反C4=3.188C2H67.1318nC53.179C2H47.3519iC5

4.9510C3H85.14201-C5=5.25表3-1富氣體積組成Table3-1Volumecompositionofrichgas項(xiàng)目HK10％30％50％70％90％95％KKρ/kg/m3粗汽油325083105141178188193709輕柴油148226256272294325335348806表3-2粗汽油和輕柴油恩氏蒸餾數(shù)據(jù)Table3-2

DataofD86distillationcurveofcrudegasolineandLGO3.2.試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)又稱DOE（DesignofExperiment），是減少計(jì)算次數(shù)、獲取設(shè)計(jì)空間信息、優(yōu)化前的重要步驟，其本質(zhì)是對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行采樣。常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有隨機(jī)序列法、Sobol序列法、蒙特卡羅法、全因子法、簡因子法、面心立方法、Box-Behnken法、拉丁方法、田口矩陣法等。其中隨機(jī)序列法是按照隨機(jī)化的原則選擇實(shí)驗(yàn)點(diǎn)或者實(shí)驗(yàn)因素水平。隨機(jī)化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是使用范圍廣，主要用于實(shí)驗(yàn)的條件很復(fù)雜，難以用其他的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的情況。本文采用隨機(jī)序列法生成16個(gè)點(diǎn)作為優(yōu)化的初始點(diǎn)。3.3算法的選擇

傳統(tǒng)的多目標(biāo)算法，如加權(quán)組合法、目標(biāo)規(guī)劃法等，都是基于方向搜索的優(yōu)化方法，需要導(dǎo)數(shù)信息，并且易于收斂到局部最優(yōu)，而多目標(biāo)遺傳算法（MOGA）則繼承了遺傳算法的隨機(jī)性和隱含并行性，能夠同時(shí)搜索到多個(gè)局部最優(yōu)解，因此越來越受關(guān)注。對(duì)于本文，我們選取modeFRONTIER軟件中獨(dú)特的MOGAⅡ算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。MOGAⅡ算法是一種改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳算法，與傳統(tǒng)的多目標(biāo)算法MOGA相比，它引進(jìn)了智能多向搜索精英（smartmultisearchelitism），既保留一些極好的解而又不會(huì)提前收斂于局部最優(yōu)。4.1催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的工藝優(yōu)化

4.催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化

4.2催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)4.1催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的工藝優(yōu)化4.1.1優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)計(jì)變量4.1.1.1優(yōu)化目標(biāo)（3個(gè)）（1）干氣C3以上含量越小越好（2）系統(tǒng)熱負(fù)荷最低（3）系統(tǒng)冷負(fù)荷最低4.1.1.2設(shè)計(jì)變量（6個(gè)）

影響催化吸收效果和能耗的因素很多，由于本文所用軟件Pro/II和優(yōu)化軟件modeFRONTIER，受自身以及相互之間耦合的限制，目前只研究了表4-1中影響優(yōu)化目標(biāo)的6個(gè)設(shè)計(jì)變量。表4-1影響優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)計(jì)變量Tab.4-1designvariablesinfluencingoptimumtargets序號(hào)123456變量穩(wěn)定塔進(jìn)料位置補(bǔ)充吸收劑流量吸收塔前冷卻罐溫度穩(wěn)定塔冷凝罐溫度穩(wěn)定塔進(jìn)料換熱器溫度解吸塔中間再沸器溫度塔板數(shù)Nkg/hoCoCoCoC范圍1-308000-2000030-6030-50135-16580-1204.1.2優(yōu)化種群和遺傳代數(shù)的確定1優(yōu)化種群的確定種群大小是影響多目標(biāo)遺傳算法的重要參數(shù)，當(dāng)種群規(guī)模較小時(shí)，提高了遺傳算法的運(yùn)算速度卻降低了群體的多樣性，有時(shí)會(huì)引起遺傳算法的早熟現(xiàn)象，使優(yōu)化不能收斂到Pareto最優(yōu)解集；當(dāng)種群規(guī)模較大時(shí)，降低了算法的運(yùn)行效率。圖4-1到圖4-4反映了種群在16、30、40時(shí)Pareto曲線的進(jìn)化過程。

圖4-1種群16干氣品質(zhì)與熱負(fù)荷Pareto解集圖4-2種群30干氣品質(zhì)與熱負(fù)荷Pareto解集

Fig.4-1ParetooptimalsetofdrygasqualityFig.4-2Paretooptimalsetofdrygasqualityandheatingloadatpopulationsize16andheatingloadatpopulationsize30

圖4-3種群40干氣品質(zhì)與熱負(fù)荷Pareto解集圖4-4三個(gè)種群干氣品質(zhì)與熱負(fù)荷Pareto解集Fig.4-3ParetooptimalsetofdrygasqualityFig.4-4Paretooptimalsetofdrygasqualityandheatingloadatpopulationsize40andheatingloadatthreepopulationsizes

2遺傳代數(shù)的確定遺傳代數(shù)對(duì)于多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化是個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，如果遺傳代數(shù)太小，目標(biāo)函數(shù)就會(huì)陷入局部收斂，不能進(jìn)化到Pareto最優(yōu)解集，從而使優(yōu)化失敗；如果遺傳代數(shù)過大，優(yōu)化進(jìn)化到Pareto最優(yōu)解集后還會(huì)繼續(xù)運(yùn)算，浪費(fèi)了時(shí)間。下面的圖4-5到圖4-9展示了目標(biāo)函數(shù)逐步進(jìn)化到Pareto最優(yōu)解集的過程，分別選取了代數(shù)10、30、50、70。

圖4-5代數(shù)10干氣品質(zhì)與熱負(fù)荷Pareto解集圖4-6代數(shù)30干氣品質(zhì)與熱負(fù)荷Pareto解集Fig.4-5ParetooptimalsetofdrygasqualityFig.4-6Paretooptimalsetofdrygasqualityandheatingloadatgenerationnumbers10andheatingloadatgenerationnumbers30圖4-7代數(shù)50干氣品質(zhì)與熱負(fù)荷Pareto解集圖4-8代數(shù)70干氣品質(zhì)與熱負(fù)荷Pareto解集Fig.4-7ParetooptimalsetofdrygasqualityFig.4-8Paretooptimalsetofdrygasqualityandheatingloadatgenerationnumbers50andheatingloadatgenerationnumbers70

圖4-9四個(gè)代數(shù)干氣品質(zhì)與熱負(fù)荷Pareto解集

Fig.4-9Paretooptimalsetofdrygasqualityandheatingloadat4differentgenerationnumbers4.1.3優(yōu)化結(jié)果和討論

圖4-10和4-11是三目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果，在減小干氣C3以上含量的同時(shí)，也同時(shí)使系統(tǒng)的冷、熱負(fù)荷分別降至最小。

圖4-10干氣品質(zhì)與熱負(fù)荷的Pareto解集圖4-11干氣品質(zhì)與冷負(fù)荷的Pareto解集

Fig.4-10ParetooptimalsetFig.4-11Paretooptimalsetofdrygasqualityandheatingloadofdrygasqualityandcoolingload圖4-13是Pareto最優(yōu)解集對(duì)應(yīng)的決策變量與冷、熱負(fù)荷的示意圖。圖4-13(a)是補(bǔ)充吸收劑流量與冷、熱負(fù)荷的關(guān)系。對(duì)于催化吸收穩(wěn)定操作來說，增加吸收劑的用量會(huì)導(dǎo)致在吸收塔和解吸塔之間的循環(huán)量加大，從而增大了解吸塔和穩(wěn)定塔的熱負(fù)荷，圖中的曲線冷、熱負(fù)荷均隨補(bǔ)充吸收劑的流量加大而變大。圖4-13(a)中實(shí)際點(diǎn)位于曲線圖的上方，也即通過多目標(biāo)優(yōu)化操作后，可以在同樣的吸收劑量下降低冷熱能耗。

（a）圖4-13(b)是進(jìn)吸收塔富氣溫度和冷、熱負(fù)荷關(guān)系圖，圖中隨溫度升高冷、熱負(fù)荷均呈下降趨勢(shì)。原因是根據(jù)系統(tǒng)的能量守恒，原料帶入的能量越多，需要外界補(bǔ)充的加熱就越少，相應(yīng)的冷卻負(fù)荷也會(huì)降低。

（b）圖4-13(c)是解吸塔中間再沸器溫度與冷、熱負(fù)荷的關(guān)系圖，圖中隨中間再沸器溫度的提高冷、熱負(fù)荷都呈下降趨勢(shì)，原因是中間再沸器可以降低解吸塔再沸器的負(fù)荷。

（c）圖4-13(d)和(e)分別是穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度和冷、熱負(fù)荷以及補(bǔ)充吸收劑溫度和冷、熱負(fù)荷的關(guān)系圖，穩(wěn)定塔的進(jìn)料溫度THX3大都集中到165℃，原因是為了降低穩(wěn)定塔的熱負(fù)荷；而補(bǔ)充吸收劑的溫度THX4大都在30℃，原因是為了提高吸收效果。(f)圖4-13Pareto解集對(duì)應(yīng)決策變量與冷熱負(fù)荷Fig.4-13DecisionvariablescorrespondingtotheParetooptimalsetwithcoolingandheatingload圖4-13(f)是穩(wěn)定塔進(jìn)料位置和冷、熱負(fù)荷的關(guān)系，規(guī)律不是很明顯。

4.2催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)4.2.1目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量4.2.1.1目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)為兩目標(biāo)，對(duì)于任何化工生產(chǎn)，都希望獲得更大的利潤同時(shí)最大限度的降低能耗，催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)也不例外，所以選取了利潤和能耗作為兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)。利潤的函數(shù)方程按下式計(jì)算：

其中表示利潤；

表示原材料的價(jià)格表示操作費(fèi)用，包括冷卻水、蒸汽和泵的能耗費(fèi)用由于本文的進(jìn)料保持恒定，也即原料成本恒定，所以P2

對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化無影響，所以將其簡化掉。我們只考慮冷卻水和蒸汽造成的能耗。所以兩目標(biāo)的優(yōu)化函數(shù)如下：約束條件：催化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)要保證產(chǎn)品的品質(zhì)，液化氣和穩(wěn)定汽油的質(zhì)量要求在ProⅡ中做出了規(guī)定，所以只需規(guī)定干氣的質(zhì)量要求：4.2.1.2設(shè)計(jì)變量影響利潤和能耗的因素很多，考慮到由于本文所用軟件Pro/II和優(yōu)化軟件modeFRONTIER，受自身以及相互之間耦合的限制，目前只研究了表4-1中影響優(yōu)化目標(biāo)的6個(gè)設(shè)計(jì)變量。4.2.2優(yōu)化種群和遺傳代數(shù)的確定

優(yōu)化種群和遺傳代數(shù)是多目標(biāo)優(yōu)化的重要參數(shù)，通過計(jì)算，確定了適宜的種群16，遺傳代數(shù)50。4.2.3結(jié)果和討論圖4-14利潤最大同時(shí)能耗最低的Pareto解集Fig.4-14Paretooptimalsetobtainedfromthesimultaneousmaximizationofprofitandminimizationofenergycost圖4-15對(duì)應(yīng)Pareto解集下干氣品質(zhì)與能耗費(fèi)用的關(guān)系Fig.4-15TherelationofdrygasqualityandenergycostcorrespondingtotheParetooptimalset圖4-15是對(duì)應(yīng)于Pareto解集的約束條件干氣品質(zhì)（≥C3摩爾含量）和能耗費(fèi)用的關(guān)系圖。從圖中明顯的看出，要使干氣品質(zhì)（≥C3摩爾含量）更好，就要耗費(fèi)更多的能量，這也驗(yàn)證了前面三目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)論。圖中五角星點(diǎn)