Applying multiobjective optimization to production plant investment comparison

Abstract

Production plant investment decisions are typically based on multiple criteria. These criteria include profitability, technological performance, occupational health, safety and environmental responsibility. Finding a composite measure for all the criteria is often a difficult task. Multiobjective optimization is a discipline that studies optimal choices between often conflicting criteria.

Applying multiobjective optimization to process investment comparison is examined in this master's thesis. The literature part deals first with indicators developed to estimate the abovementioned criteria. These indicators are often index-based. The next section examines matters to be taken into account in multiple criteria decision making. These include for example strategic basis for investment criteria, goal levels, correlation of criteria, decision-making biases and statistical uncertainty. In the next section a wide variety of suitable multiobjective optimization methods is presented.

In the applied part of the thesis a systemic framework for multiobjective production plant investment evaluation has been developed. The core of the method is to evaluate Aspen Plus modelled processes with index-based indicators. Index values are optimized by changing simulation parameters with a multiple objective genetic algorithm. The developed method was first tested by optimizing reboiler duty and sidedraw separation efficiency in a fractionating column. After this the method was applied to study a biomass pyrolysis process investment.

Teollisuuslaitosinvestointeja vertaillessa tehdään tyypillisesti arviointeja useasta eri näkökulmasta. Arviointikriteerejä ovat esimerkiksi kannattavuus, teknologinen suorituskyky, turvallisuus, työterveys ja ympäristöystävällisyys. Kriteerejä on usein vaikea yhdistää yhdellä suureella mitattaviksi. Monitavoiteoptimointi on tieteenala, jonka avulla voidaan arvioida usein ristiriitaisiakin kriteerejä samanaikaisesti.

Tässä diplomityössä tarkasteltiin monitavoiteoptimointimenetelmien soveltuvuutta prosessilaitosinvestointien arviointiin. Teoriaosassa on käsitelty aluksi indikaattoreita, joiden avulla voidaan mitata edellä mainittuja kriteerejä. Useat näistä ovat erilaisia indeksejä. Seuraavaksi on käyty läpi monikriteerisessä investointipäätöksessä huomioon otettavia seikkoja, kuten kriteerien yritysstrategiset perusteet, tavoitetasot, kriteerien korrelaatio, päätökseen vaikuttavat tekijät ja tilastollisen epävarmuuden käsittely. Seuraavaksi on esitelty laaja-alaisesti prosessi-investointien arviointiin soveltuvia monitavoiteoptimointimenetelmiä.

Soveltavassa osassa kehitettiin viitekehys prosessi-investointien monitavoitteelliseen tarkasteluun. Sen ytimenä on arvioida Aspen Plus -simulaattorilla mallinnettuja prosesseja indeksipohjaisilla indikaattoreilla. Indikaattorien arvoja pyritään parantamaan muuttamalla simulointiparametreja monitavoitteisella geneettisellä algoritmilla. Kehitetty menetelmä testattiin ensin jakotislauskolonnin leikkaustarkkuuden ja tehonkulutuksen optimoinnilla. Tämän jälkeen menetelmää sovellettiin biomassan pyrolyysiprosessin investoinnin arviointiin.