基于柔性和可靠性约束的蒸汽动力系统多目标设计与综合优化

中国的过程工业蒸汽动力系统正处于一次能源结构巨大变化和系统更新改造的关键时期，时代的发展对蒸汽动力系统的传统设计理念产生了很大的冲击。本研究从学科交叉的角度出发，基于系统综合集成思想，研究满足低能耗、低成本、环保、柔性等准则的多目标集成设计建模理论和方法，采用启发式与数学规划相结合的方法，应用统一数学建模工具GAMS建立持续高效节能减排的蒸汽动力系统多目标集成设计优化模型并开发求解算法。该集成设计建模研究的关键点在于:1)通过联产工艺与减排工艺（脱硫、脱硝、脱碳等）的耦合及优选实现环境目标；2)通过设计负荷和运行负荷的全工况裕量设计优化提高系统柔性，通过不确定性工况间动态约束建模保证系统可靠性；3)开发基于模糊数学理论和分解协调思路的求解算法。本项目开发的理论和模型不但为能量系统多目标决策理论研究和应用起到推动作用，也必将为我国过程工业蒸汽动力系统的更新改造或全新设计提供强有力的理论指导。

从学科交叉的角度出发，基于系统综合集成思想，建立了满足低能耗、低成本、环保、柔性等准则的蒸汽动力系统多目标集成设计建模体系并开发了求解算法；构建了蒸汽动力系统核心设备模型库（包括设备性能模型、设备投资运行费用模型、污染物排放模型、典型减排工艺投资和能耗模型）；建立了多回热抽汽和调整抽汽的复杂汽轮机的精确模拟模型并在运行改造中得到了应用验证；建立了以成本和环境排放为评价指标的多个不同规模和结构的动力厂组成的大型蒸汽动力系统的运行优化模型，讨论了环境惩罚费用对运行方案的影响及碳税变化的敏感度分析；深入挖掘了蒸汽动力系统需求不确定性产生根源，对各类不确定性进行了分类并提出了处理策略，通过工况划分、动态过渡约束建模、冗余负荷建模等建立了考虑设备故障不确定性、需求不确定性的运行优化模型，在GAMS环境下建立混合整数线性规划模型，并采用模糊规划方法求解，解决了设计和运行方案可实施性差的问题；建立了集成减排技术优选的蒸汽动力系统优化设计超结构，集成了具有不同投资、排放特性、能耗特性的减排工艺优选，建立了多目标优化设计模型，并在GAMS环境采用ε约束法求解；采用图示法与数学规划相结合的方法对蒸汽动力系统和工艺低温热网络进行了集成优化和火用经济分析评价。本项目开发的理论和模型不但为能量系统多目标决策理论研究和应用起到推动作用，也为我国过程工业蒸汽动力系统的更新改造或全新设计提供强有力的理论指导，具有重要的科学意义和应用前景。项目在国内外核心期刊上发表相关科研论文18篇，其中SCI索引期刊论文4篇，国际会议论文3篇，中文核心期刊论文7篇，中文统计源期刊论文1篇，中文会议论文3篇，另有在审SCI索引期刊论文3篇。组织承办全国性专业学术会议2次，出国参加国际会议2次，参加国内学术会议13人次，培养硕士研究生共6名（3名研究生在读）。