建立一种拓展节点非结构模型, 在冷热两端, 各额外增设一条冷热流股和常规热冷流股进行匹配, 判定冷热内部公用工程的生成, 实现公用工程在冷热流股上任意位置的独立匹配, 提升模型自由度。将强制进化随机游走算法引入到实际工程算例9SP、10SP、15SP中进行优化, 最优结果比现有文献分别节省了5 600＄·a^-1、848＄·a^-1、4 455＄·a^-1。该拓展模型的应用不仅可以得到更经济的换热网络设计, 并且具有更强的灵活性。

WCE算法优化换热网络时，固定投资费用的存在易造成小负荷换热单元难以产生和保留，使部分尚未完全进化的结构过早被淘汰。本文建立一种固定投资费用的松弛处理方法，将固定投资费用与换热单元热负荷进行因变处理，根据换热单元热负荷的大小实时调整优化过程中的松弛力度，引导并促进小负荷换热单元的顺利产生和进化，从而增强换热网络的结构进化能力。将松弛策略应用于9SP和15SP算例，验证松弛策略促进结构进化的有效性，提升优化质量，获得的最优结果(2 903 528 ＄ ·a^-1、5 115 061 ＄ ·a^-1)优于文献结果。

在优化换热网络过程中, 有分流节点非结构模型的换热单元会打破初始均匀分布状态向流股上游区域集中, 使得冷热流股入口区域无法生成新的换热单元, 造成结构变异能力下降。本文探究该现象成因及其对进化的影响, 并提出动态区域禁忌匹配策略: 上游区域空节点时允许自由匹配; 当上游区域节点非空时进行上游区间的清空操作, 即将生成节点等效向下游区域进行转移, 从而保障换热单元在上游区域的匹配活力, 增强新生成换热单元在结构进化过程中的竞争力, 促进换热网络结构进化。通过在算例15sp和20sp的应用, 发现该策略能够提升网络结构变异能力。

提出一种采用优势个体多方向强制搜索策略的进化算法, 通过考察种群中个体差异性指标, 用以评价当前种群全局搜索的健康度。当优化结果出现长期停滞, 即健康度指标变差时, 启动优势个体多方向强制搜索策略, 扩大优势个体在靠近局部最优解区域的搜索方向, 保证算法全过程的全局搜索能力。用15SP和20SP算例进行验证, 与文献中最优结果相比, 分别下降了1.09%、0.83%, 表明优势个体多方向强制搜索策略充分发挥了优势个体的进化潜力, 提高了算法的优化效能。

强制进化随机游走算法优化换热网络过程中会出现个体结构相似现象，导致种群结构多样性下降，算法全局搜索能力不足，难以进一步优化换热网络结构。针对基于节点非结构模型的换热网络结构相似现象展开研究，制定两个评价指标衡量优化过程中个体结构相似水平，发现个体结构内相似换热单元数逐步增加，而相似换热单元的热负荷差距逐步减小，个体结构相似水平越来越高。基于此，以提升种群多样性为指导，提出换热单元排斥性进化策略，通过增大相似换热单元的热负荷差距，激励相似换热单元的差异性进化，从而改变结构进化方向，降低相似结构规模。最后应用20SP和15SP两个算例验证该策略的有效性，结构年综合费用与文献最优结果相比分别下降了12 105＄·a^-1和52 535＄·a^-1，说明该策略可以有效提升算法全局搜索能力。