基于不确定蒸汽需求和设备故障的锅炉系统随机规划设计

基于不确定蒸汽需求和设备故障的锅炉系统随机规划设计刘畅;孙力;贺高红;盖丽梅

【摘要】The utility system design would consider the reliability to respond to boiler failure even shut down. The design would ensure system flexibility for the fluctuation of process steam demand as well. In this work, boiler system design was studied considering both the uncertainty of process steam demand and equipment failure based on mathematical programming. Probability distribution was used for fluctuation of process steam demand and the Markov model was used to deal with boiler failure to express uncertain parameter with probability. The approach of two-stage stochastic programming was to compensate the constraint violations caused by uncertain steam demand and boiler failure to reduce the effect on optimization and constraints. A mixed integer linear programming model (MILP) was formulated with the objective of minimum annual cost to design system configuration, equipment modes and operation of compensating flexible steam demand and equipment failure.%公用工程系统中锅炉系统设计不仅要考虑锅炉应对发生的故障的可靠性，还要保证系统具有一定应对蒸汽需求的波动的可操作性。本研究针对满足不确定蒸汽需求和考虑设备故障的锅炉系统设计，提出基于数学规划法的设计模型：对生产过程波动引起的不确定蒸汽需求以概率表达，采用 Markov 模型分析锅炉故障，表达为以一定概率发生的不确定参数。优化模型采用二阶段随机规划策略对蒸汽需求不确定波动和锅炉故障实现引起的约束违背进行补偿，以降低不确定变量对目标函数和约束条件的影

响。以年总费用最小为目标，建立混合整数线性模型(MILP)，实现锅炉系统配置，设备模式确定以及应对蒸汽需求波动和设备故障发生的补偿操作的优化设计。

【期刊名称】《化工学报》

【年(卷),期】2014(000)009

【总页数】7页(P3512-3518)

【关键词】不确定性;两阶段随机规划;系统工程;模拟;优化设计

【作者】刘畅;孙力;贺高红;盖丽梅

【作者单位】大连理工大学精细化工国家重点实验室，膜科学与技术研究开发中心，辽宁大连116024;大连理工大学精细化工国家重点实验室，膜科学与技术研究开

发中心，辽宁大连116024; 曼彻斯特大学过程集成中心，英国曼彻斯特 M13

9PL;大连理工大学精细化工国家重点实验室，膜科学与技术研究开发中心，辽宁

大连116024;大连理工大学精细化工国家重点实验室，膜科学与技术研究开发中心，辽宁大连116024

【正文语种】中文

【中图分类】TQ021.8

引言

公用工程系统在担负保障过程系统的蒸汽和动力供应的同时，还要保持较高的转化效率，达到节能减排的目标。实际过程工业中，由于设备故障的不可避免性和不确定性，公用工程系统组件的可靠性和可用性无法达到百分之百，在操作过程中必然会遇到设备随机故障，从而引起公用工程系统产生的蒸汽发生波动，严重情况下可

能导致整个系统停车。当设备发生故障后，公用工程系统可以提高未故障组件负载或切换冷、热备用件至工作模式，甚至外购蒸汽来保障整个系统的正常操作，因此，锅炉的操作模式及冷热备用模式的设计影响锅炉系统可靠性。一方面若增加备用件提高系统的可靠性，会造成投资费用过高；反之，系统的可靠性偏低，发生故障的概率就会增大。因此考虑其对经济性和操作性的负面影响，组件的故障概率必须集成到优化框架中。

传统的方法论是首先进行系统的设计，然后对最优的设计进行可靠性评估。近年来可靠性分析集成于公用工程系统的研究逐渐得到发展。Frangopoulos等[1]在公

用工程系统的优化设计中，将蒸汽和电力未达到指定要求所带来的补偿损失作为评价系统可用性的指标。Frank等[2]除计算最低工厂维护支出，还计算了额外的停

车时间并将其作为补偿费用；同时在多级制冷循环过程中，将压缩机的生产损失附加到投资和燃料成本，基于此进行动力和电力设计。Smith等[3]提出了系统组件

发生故障时引起的停车补偿费用，这种系统的可靠性优化方法不仅适用于一个特定的系统状态，而且适用于整个公用工程系统的操作优化。Aguilar等[4-5]和 Luo

等[6]考虑设备故障建立了蒸汽动力系统操作和设计优化模型，在实际和虚拟工况

下分析设备发生的故障。但是整个方法论通过指定设备故障的状况，忽略了设备故障的随机性。

Yin[7]提出了同时进行系统的设计和可靠性评估，在整个概念设计中，集成了设备的故障分布和预防维护。Nabena[8]考虑了设备的模式，例如故障、修复和启动等。Lin等[9-10]基于 Monte Carlo和Markov模型来建立模型框架，在权衡整个系

统的补偿费用、投资费用和操作费用中首次考虑了设备不同的操作模式。

在公用工程系统的操作和设计优化中，确定性方法已经发展成熟并被广泛运用。然而，一些不确定因素，如产品和原材料价格、设备故障、市场的供应和需求等可能会导致设计保守与经营成本过高，甚至不稳定运行[11]。罗向龙等[12]、李晖等