（化学工程专业论文）低温过程多流股换热器网络柔性综合的研究.pdf

大连理工大学博士研究生学位论文 摘要 低温过程换热器网络大部分采用多流股换热器，由于传热温差小，在工程实践过程 中，更容易受到操作条件变化带来的影响，因此低温过程换热器网络的柔性问题更为突 出。目前大多数文献主要集中在双流股换热器网络柔性综合方面的研究，由于多流股换 热器网络柔性综合问题的复杂性以及非线性数学模型全局最优解的求解难度，使得这方 面的研究极富挑战性。本文为德国国家科学研究会d f g 合作项目( 多流股换热器网络 最优设计、柔性分析和动态模拟) 的子课题，主要的研究内窖有以下几个方面： ( 1 ) 通过对传热过程本质的热力学分析，提出了一种基于流股虚拟温度的r 一日图 以及多个操作点换热器网络的拓扑并集策略，建立了一个新的有效的多流股换热器网络 柔性综合n l p 模型。该模型的决策变量为流股的传热温差贡献值，有效地解决了由于低 温过程传热温差小而难以选择的问题，并且该模型不需要超结构，没有0 - i 变量，采用 流股虚拟温度的r h 图垂直匹配法解决了复杂的传热过程可行性约束问题，进化过程 中的解均可行，从而显著地降低了多流股换热器网络柔性综合问题的复杂性，为大规模 柔性多流股换热器网络综合问题提供了有效方法。 ( 2 ) 提出了柔性多流股换热器网络换热器面积同步优化的方法。本文指出目前多 流股换热器网络柔性综合存在着“过度综合”的问题，综合出的换热器网络设备投资费 用较高，在换热网络运行时换热器面积相对过剩。因此本文以多个操作点换热器网络的 拓扑并集策略构成的柔性多流股换热器网络的换热器面积为优化变量，重新分配换热器 网络中换热器的面积，实现了换热器面积与柔性多流股换热器网络年度总费用的同步优 化，有效地降低了柔性多流股换热器网络的年度总费用，克服了以往换热器网络柔性综 合“过度综合”的问题。 ( 3 ) 以更大的概率求取多流股换热器网络柔性综合问题的全局最优解。多流股换 热器网络柔性综合问题本质上是求解混合整数非线性规划问题( m i n l p ) ，其非线性、 非凸以及不可微的特性使得目标函数存在多个局部最优解。本文将遗传模拟退火算法 应用到多流股换热器网络柔性综合及调优问题的求解过程中，提出了多流股换热器网络 柔性综合以及换热器面积优化问题初始可行解的产生方法，设计了用于多流股换热器网 络柔性综合及换热器面积优化问题的交叉算子、变异算子、保留父代良好信息的0 c x 算 子、保持多样性的e c 算子，引入了小生境技术、多种群进化机制，有效地提高了遗传算 法的计算效率，能以更大的概率获得全局最优解。通过算例表明本文提出的方法对于解 决柔性多流股换热器网络综合问题是有效的。 低温过程多流股换热器艇络黍蛙综台豹研究 ( 4 本文戳国内菜乙烯装鼍脱甲烷塔蘸预冷系统按熟器网络用能分析为钢，针对 低温过程换热嘲络的特点，提出了低温过程多流股换热网络综合的方法：同时利用本文 提出的方法进行z ；精装置髓早烷塔前颈冷系统多流般换热器阏络鬃性综合。结果裹聪该 方法对于大规模多流股换热器网络柔性综合问题是可行的，对工程实际问题具有定的 理论指导作用。 关键诩：多流艘挟热器网络柔性综合；流股传热温差贡献值；虚拟温度；r 一日图；捷 热器赢积优磁；遗待模拟连火算法 大连理工大学博士研究生学位论文 s t u d y o nf l e x i b l es y n t h e s i so f m u l t i s t r e a mh e a te x c h a n g e r n e t w o r ki nt h el o w t e m p e r a t u r e p r o c e s s e s a b s tr a o t m u l t i s t r e a mh e a te x c h a n g e ri sw i d e l yu s e di nh e a te x c h a n g e rn e t w o r k ( h e n ) o ft h e1 0 w t e m p e r a t u r ep r o c e s s e s ，w h i c hi sm o r ee a s i l yt ob ea f f e c t e db yt h eu n c e r t a i n t yp a r a m e t e r si n t h ea p f l i c a t i o no fe n g i n e e r i n gb e c a u s eo fi t ss m a l lh e a tt r a n s f e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e s ot h e f l e x i b l eh e np r o b l e mi n 也e1 0 wt e m p e r a t u r ep r o c e s s e si sm o r ee v i d e n t ，m o s tp a d e r sf o c u s o nt h ef l e x i b l es y n t h e s i so ft w o s t r e a mh e n t h er e s e a r c ho nt h ef l e x i b l es y n t h e s i so f m u l t i ，s t r e a mh e ni sl i m i t e db e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h ep r o b l e ma n dt h ed i f f i c u l t yo f f i n d i n gt h eg l o b a lo p t i m u ms o l u t i o n i nt h i sp a p e rt h e 咖d yo i lt h ef l e x i b l es y n t h e s i so f m u l t i s t r e a mh e n ( m s h e n li t h el o wt e m p e r a t u r ep r o c e s s e si sc a r r i e do u tw i t ht h es u p p o r t o fg e r m a nr e s e a r c hc o u n c i if o u n d a t i o n ( d f g ) a n dm a i nr e s e a r c hw o r k sa l ea sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) w i t ht h et h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so f 血eh c a tt r a n s f e rp r o c e s s e ss y s t e m ，a l le f f e e t i v e n l pf o r m u l a t i o nf o rt h ef l e x i b l es y n t h e s i so fm s h e ni sp r e s e n t e db a s e do nt h es t r e a m p s e u d ot 日d i a g r a mm e t h o da n dt h es t r a t e g yo ft o p o l o g yu n i o ns e tf o rh e l qo fm u l t i p l e o p e r a t i n gp o i n t s 1 1 1 ed e c i s i o nv a r i a b l e sa r es t r e a mh e a tt r a n s f e rt e m p e r a t u r ed i f i e 删 c o n t r i b u t i o nv a j u e s ，w h i c hw i l lh e l pt os e l e c tt h er e a s o n a b l et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ev a l u e si n t h el o wt e m p e r a t u r ep r o c e s s e s m o r e o v e r ，n ob i n a r yv a r i a b l e se x i s ti nt h ef o r m u l a t i o n , v e r t i c a lm a t c ha p p r o a c ho nt h et hd i a g r a mc a nd e a lw i t ht h elc o m p l e xc o n s t r a i n t si n h e a tt r a n s f e rf e a s i b i l i t ya n da l ls o l u t i o n si ne v o l u t i o np r o c e d u r ea r ef e a s i b l e s ot h e c o m p l e x i t yo ft h ef l e x i b l es y n t h e s i so fm s h e ni sr e m a r k a b l yr e d u c e d a n da l le f f e c t i v e m e t h o di sp r o p o s e df o rt h ef l e x i b l es y n t h e s i so ft h el a r g es c a l em s h e n ( 2 ) as i m u l t a n e o u sm e t h o do fh e a te x c h a n g e ra r e ao p t i m i z a t i o no ff l e x i b l em s h e ni s p r o p o s e d t h ea u t h o r sp o i n to u tt h a tt h e “o v e r - s y n t h e s i s p r o b l e me x i s t si 1 1t h ef l e x i b l e s y n t h e s i so fm s 您n ，w h i c hr e s u l t si nt h a tt h ec a p i t a lc o s to ft h ef l e x i b l em s h e ni sm o r e e x p e n s i v ea n dt h eh e a te x c h a n g e ra r e a sa r er e l a t i v e l yo v e r p l u su n d e ro p e r a t i o n s oi nt h i s p a p e rh e a te x c h a n g e ra r e a st h a to b t a i n e db yt h es t r a t e g yo ft o p o l o g yu n i o ns e tf o rh e no f m u l t i p l eo p e r a t i n gp o i n t sa r et a k e na st h ed e c i s i o nv a r i a b l e st od i s t r i b u t et h eh e a te x c h a n g e r a r e a s ，i nw h i c ht h es i m u l t a n e o u so p t i m i z a t i o nb e t w e e r lt h eh e a te x c h a n g e ra r e a sa n dt h et o t a l a n n u a lc o s to ft h ef l e x i b l em s h e ni sa c h i e v e d 。t h em e t h o dc a no v e r c o m et h e “o v e r - s y n t h e s i s ”p r o b l e mo ft h ef l e x i b l em s h e n ( 3 ) w 曲t h eh i g h e rp r o b a b i l i t yt of i n dt h eg l o b a lo p t i m u ms o l u t i o no f t h ef l e x i b l em s h e n s y n t h e s i sp r o b l e m t h ef l e x i b l em s h e ns y n t h e s i sp r o b l e mc a nb ef o r m u l a t e da sa nm 矾l p 低温过程多流股换热器网络柔性综台的研究 p r o b l e m m a n yl o c a lo p t i m ao ft h i sl 【i n do fp r o b l e mm a yb ee x i s t e dd u et oi t sn o n l i n e a r i t y ， n o n d i f f e r e n t i a b l ea n dn o n c o n v e x i t y i nt h ep a p e r ，t h ef l e x i b l em s h e ns y n t h e s i sp r o b l e mi s o p t i m i z e db yg e n e t i c s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ( g m s a ) n eg e n e r a t i o na p p r o a c h e sf o r i n i t i a lf e a s i b t es o l u t i o na l ep r o p s e d w h i c hw i l le n h a n c et h ec a l c u l a t i o ne 伍c i e n c yo fg a d s a m o r e o v e r , s o m eo p e r a t o r ss u c ha sc r o s s o v e ro p e r a t o r , m u t a t i o no p e r a t o r , 0 c xa n de c o p e r a t o r s a r ea p p r o p r i a t e l yd e s i g n e df o r t h ef l e x i b l em s 脏ns y n t h e s i s p r o b l e m 1 1 1 e p e r f o r m a n c eo ft h es t r a t e g yf o rf l e x i b l em s h e ns y n t h e s i sb a s e do ng a s ai sd e m o n s t r a t e d s u c c e s s f u l l yb yt h er e s u l t so ft w oe x a m p l e s ( 4 ) 舡e n g i n e e r i n gp r a t i c e ，t h es t r a t e g yf o rf l e x i b l em s 既ns y n t h e s i si sa p p l i e dt oa n i n d u s t r i a lc a s e ，am s ；h e no fd e m e t h a n i z e rs y s t e mi ne t h y l e n ep l a n t a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fm s 眦ni nt h el o wt e m p e r a t u r ep r o c e s s e s am s h e ns y n t h e s i sm e t h o di s p r e s e n t e d ；默t h es a m et i m et h ef l e x i b l em s h e no fd e m e t h a n i z e rs y s t e mi ne t h y l e n ep l a n ti s s y n t h e s i z e db a s e do nt h ep r o p o s e ds t r a t e g y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r a t e g yi se f f i c i e n ta n d d e p e n d a b l ef o rt h ef l e x i b l es y n t h e s i so fl a r g es c a l em s 既n 、析c hc a nb et a k e na st h e g u i d a n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：f l e x i b l es y n t h e s i so fm u l t i s t r e a mh e a te x c h a n g e rn e t w o r k ；s t r e a mh e a tt r a n s f e r t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ec o n t r i b u t i o nv a l u e ；p s e u d ot e m p e r a t u r e ；t h d i a g r a m ；h e a t e x c h a n g e r a r e ao 埘m i z a t i o n ；g e n e t i c s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 日期：型 ：鬯：弓， 大连理工大学博士研究生学证娃 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文箨者及指导教舜完全了解“大连理工丈学硕壬、博士学位 论文叛权使用规定舞，弼意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复帮件和电子舨，兜许论文被查阕和借阗。本入授权大连理 工大学可以将本掌位论文的全部或部分内容编入有关数据瘁进行检索，也 可采用影帮、缩帮或扫描等复裁手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 风学免 大连理工大学搏士研究生学位论文 引言 随着社会、经济、技术的发展，能源紧张、资源匮乏和环境污染等问题日趋严重， 已成为整个人类社会所要面对和解决的重大问题。传统燃料如煤、石油、天然气是不可 再生的一次性能源，总的储量有限。根据国际能源机构的统计，假使按目前的势头发展 下去，不加节制，那么，地球上原油、天然气、煤炭三种能源供人类开采的年限，分别 只有4 0 年、6 0 年和2 2 0 年【1 】。另一方面能源消耗不断增大，对于我国而言，n 2 0 2 0 年，我 国石油消费量最少也要4 5 亿吨，届时石油的对外依赖度将有可能接近6 0 。国际能源署 公布的数据甚至称，至f j 2 0 3 0 年中国进口石油占石油总需求的百分比将激增至8 0 蚍上吲。 因此如何节约资源与能源己成为可持续发展战略所要克服的一个迫在眉睫的难题。 过程工业( 包括石化、化工、食品、造纸、冶金、制药、建材等) 是资源、能源消 耗的大户，尤其是在我国，能源供应短缺，长期粗放型的经济增长模式，使得能源利用 效率与发达国家相比有较大差距，导致它是高能耗、高物耗的产业，其能耗占全国工业 能耗的一半以上，成为经济增长的“瓶颈”口j 。生产装置日趋大型化、集中化和连续化， 对生产过程的优质、高产、低消耗以及环境等方面提出了更高的要求。从全过程角度进 行的过程系统集成逐渐替代了以单元操作为基础的传统工程设计方法。人们逐渐认识 到，规模愈大，挖掘节能潜力的机会也愈多，更大的节能效果在于对全过程系统的能量 转换和供求关系上进行分析、整合，达到合理有效利用能量的目的。此外党的十六属五 中全会通过的“十一五 发展规划明确提出：加快建设资源节约型、环境友好型社会。 要把节约资源作为基本国策，大力发展循环经济，提高资源利用效率，加大环境治理力 度，切实保护好自然生态，至u 2 0 1 0 年实现单位g d p 能耗比“十五 规划降低2 0 【4 j 。因此 在过程工业的节能降耗这一领域迫切需要加速理论方法的实践应用进程，在理论方法上 的挑战性以及对企业巨大的经济效益和可持续发展战略的驱动，使得这一领域的研究备 受关注，也是解决当前能源、资源问题的最现实可行的途径。 换热器网络( h e a te x c h a n g e rn e t w o r k ，h e n ) 作为过程系统的重要子系统，是化工、 炼油等过程工业能量回收的重要组成部分，其设计水平的高低对过程系统的能耗有着重 要的影响。近几十年来，换热器网络综合方法得到了充分的发展。虽然取得了不少成果， 但仍存在着许多尚待解决的问题。换热器网络综合的工程研究开发包括以下3 个方面： 换热器网络的最优综合、换热器网络的柔性综合及可操作性分析与设计、换热器网络的 结构调优1 5 1 。尤其是第二方面受到越来越多的重视。主要是因为当今的过程工业面临着 经济全球化、市场迅速变化以及激烈的国际竞争等方面的挑战，其原料、产品数量、质 量和价格与所需的公用工程负荷均随市场条件而变化，气候等环境条件、设备状况也在 低温过程多流股换热器网络柔性综合的研究 变化。因此当今的过程系统面临多种不同的工况，必须适应各种变化工况，并同时保持 优化的能耗和物耗状况。只有这样，才能保证产品成本最低，效益最好，市场竞争力强 【6 】 o 多流股换热器以其高效率、结构紧凑以及投资低等优势在低温过程换热器网络中有 着广泛的应用，而且低温过程换热器网络的传热温差小，更容易受到操作条件变化所带 来的影响，因此低温过程多流股换热器网络综合的柔性问题更为突出。目前在多流股换 热器网络柔性综合过程中存在着“过度综合”的问题，综合的多流股换热器网络换热器 面积较大，在换热器网络运行的时候换热器网络换热器面积相对过剩，并且多流股换热 器网络柔性综合问题的规模大、具有高度的复杂性，很难找到其数学模型的全局最优解。 这些问题都限制了多流股换热器网络柔性综合方法在工程实践中的应用。针对以上问 题，本文在前人研究工作的基础上，采用热力学分析和进化算法，对低温过程多流股换 热器网络的柔性综合方法进行研究，一方面建立多流股换热器网络柔性综合模型，降低 换热器网络柔性综合问题的复杂性；另一方面提出柔性多流股换热器网络调优的方法， 克服柔性多流股换热器网络“过度综合的问题。同时，将遗传模拟退火算法应用到 多流股换热器网络柔性综合的求解过程中，能以更大的概率寻找全局最优解。从而为大 规模多流股换热器网络柔性综合问题提供了有效的工具，对工程实际具有一定的理论指 导意义。 大连理工大学博士研究生学位论文 1 文献综述 为了合理经济的利用能源、降低生产成本，设计人员不仅着眼于单个操作单元的节 能，而越来越注重整个生产过程系统的能量综合利用，这会带来更显著的效果。 在过程工业中，些物流需要加热，而另一些物流则需要冷却。合理地把这些物流 匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收能力，尽可能地减少公 用工程( 如蒸汽、冷却水等) 辅助加热和冷却负荷，对提高整个过程系统的能量利用率， 降低企业能耗具有重要意义。其中存在着如何确定物流间匹配换热的结构以及相应的换 热负荷分配的问题，即换热器网络问题【7 j 。 1 1 换热器网络综合 换热器网络作为过程系统的个重要子系统，它是化工、炼油等过程工业能量回收 的主要组成部分，能够以相对经济的方式利用过程系统内的能量，对于生产过程中降低 能耗具有重要意义。特别是从2 0 世纪6 0 年代起，工业生产面临着世界性的能源危机，节 能降耗、降低成本成为工业生产追求的目标，换热器网络综合问题引起了人们的高度重 视。 换热器网络的综合就是确定出这样的换热器网络【8 】，它具有最小的设备( 换热器、 加热器和冷却器) 投资费用和操作( 公用工程等) 费用，并满足把每一个过程物流由初 始温度达到指定的目标温度。当然，还要求换热网络具有很好的柔性、操作性和可控性 走占 守。 自从t e nb r o e c k 【9 1 发表了第一篇与换热器网络有关的论文，此后的几十年来，国内外 许多研究者在换热器网络最优综合、设计这一领域做了大量的工作，所提出的设计方法 已日趋成熟，一部分方法已成功地用于工程实践，并取得了显著的经济效益。g n d e r s e n 和n a e s s 1 0 l 、g u n d e r s e n 1 、j e z o w s k i 1 2 - 1 3 】、l i n n h o f f 1 4 】以及f u r m a n 和s a h i n i d i s t l 5 】 在不同的时期对不同的换热网络综合方法进行了归纳、总结，并给予了定的客观评价。 根据操作条件，换热网络综合可以分为在给定操作条件( 流股的初始温度、目标温度、 热容流率以及传热系数等参数是固定值) 的换热网络综合和柔性换热网络综合【16 】。在给 定的操作条件下进行的换热网络综合起步较早，发展比较成熟，主要包括启发试探法、 数学规划法以及人工智能法。其中英国学者l i n n h o f f 1 7 】提出的“夹点设计法”经过2 0 多年来的发展，其应用深度和广度都在不断拓宽，在全世界范围内取得了显著的节能 效果，如今已经发展成为换热网络设计的一个通用工具。但是当今的过程工业面临着经 济全球化、市场迅速变化以及激烈的国际竞争等方面的挑战，其原料、产品数量、质量 低温过程多流股换热器网络柔性综合的研究 和价格与所需的公用工程负荷均随市场条件而变化，气候等环境条件、设各状况也在变 化。针对某一特定的工艺条件而设计的换热网络，投入运行以后，往往具有较差的经济 性能或达不到目标要求。因此在换热网络综合的过程中就需要考虑操作条件变化所引起 的影响，即进行柔性换热网络综合。柔性换热网络综合更贴近工程实践，更有利于实现 换热网络综合方法从理论到实践的过渡，引起了越来越多研究者的高度重视。与换热网 络的年度总费用一样，换热网络的柔性也已成为评价一个换热网络性能的标准。如图1 1 所示，评价一个换热网络性能应该从多方面进行综合考虑。 图1 1 评价换热网络性能的因素 f i g 1 1t h ee v a l u a t i n gf a c t o r so fh e np e r f o r m a n c e 1 2 基于给定操作条件的换热器网络综合 对于任何一个在给定操作条件下进行的换热器网络综合问题，可供选择的流程方案 太多，不能采用盲目的枚举法来寻优。近四十年来，众多的研究者提出了多种换热网络 综合方法。一些有代表性的论文的出现可以见证换热网络综合问题的突破性进展。 w h i s t l e r i s l 最早研究了原油蒸馏装置中换热器网络综合问题。t 9 6 5 年h w a 1 9 1 首次考虑有 多种热物流和冷物流的最佳换热结构设计问题。1 9 6 8 年r u d d 等【2 0 l 在换热网络综合研究中 有了突破性进展，他们认为换热网络的综合不仅仅是个数学问题，在综合过程中要考虑 到许多热力学问题。为此他们提出了应该首先对系统进行热力学分析，以便从理论上确 定可以回收的最大能量及最小换热设备数。h o h m a n n 2 q 首次提出，当给定了冷、热工艺 物流数据，即可确定出最小公用工程用量及所需的最少设备单元数，在换热网络综合的 理论工作上是一个重大贡献。u m e d a 等【2 2 】基于热力学原理，采用有效能图，提出分组综 大连理工大学博士研究生学位论文 合的方法，l i n n h o f f 等【7 提出夹点的概念和夹点设计法，在换热网络综合的理论和实践 方面实现了具有突破性的进展，同时提出t i ( t e m p e r a t u r ei n t e r v a l ) 和t c ( t e m p e r a t u r e c o m b i n a t o r i a l ) 算法；构造出的换热网络具有如下性质：没有物流分支，公用工程用量 最小，以及换热设备数最少。c h a l l a n d 等1 2 m 提出了双温差法，使得设计工作更加灵活、 有效。c i r i c 和f l o u d a s 2 4 提出采用混合非线性规划法同时求解公用工程负荷，物流间的 匹配和最佳网络结构。y e e 【2 5 】以及袁希钢m j 又对换热网络超结构m i n l p 数学模型进行了完 善等。随着换热网络综合方法的成熟以及工业应用的迫切需要，用于换热网络综合商品 化软件也相继开发出来，如a d v e n t ，h e x t r a n ，i n t e r h e a t ，m a g n e t s ，r e s h e x ，以及 s u p e r t a r g e t 等。 换热器网络的综合方法从求解策略上可分为启发探试法和数学规划法两大类，随着 换热器网络综合技术的发展，近年来又有一些研究者提出了换热器网络综合的人工智能 方法；从各温差之间的关系上可分为单温差法、双温差法和三温差法；从优化费用目标 上可分为同步优化方法和分步优化方法。下面我们将对换热器网络综合领域的发展过程 中具有代表性的几种综合方法分别进行综述。 1 2 1 启发探试法 启发探试法是根据最优换热网络所具有的必要条件和特征，从热力学原理及经验知 识出发，规定一些设计目标和探试规则来构造网络，进行综合评价调优，最后找出接近 最优的换热网络。这种方法虽然不能保证一次得到最优解，但可以此为基础，采用一些 调优规则或方法使系统逐步优化。这种方法也称为直观推断一调优法，它实际上是工程 设计中应用最多的方法。 1 9 6 9 年m a s s o 和r u d d 2 7 j 提出了用直观推断法建立换热网络的方法。他们认为换热网 络的综合不仅仅是个数学问题，在综合过程中要考虑到许多热力学问题。为此他们提出 应该首先对系统进行热力学分析。他们的工作是换热网络综合启发试探法的代表。1 9 7 4 年p o n t o n 和d o n a l d s o n 2 8 】提出了可用于计算机快速合成换热网络的直观推断规则，即按 最高供给温度与最高目标温度的热、冷物流由高温端向低温端逐次进行匹配的规则。 n i s h i d a 等人b 州曾证明用上述规则可得到具有最少的换热面积，并提出了一个简单实用 的算法调优法。借助温一焓( r h ) 图综合换热器网络，可以实现流股间的合理匹 配换热，有效地利用温位，合理地分配传热温差和热负荷，使得换热器网络原则上实现 逆流操作，即得到满足规定热负荷前提下热力学最小面积网络。l i n n h o f f 等 1 7 】所开发的 夹点技术以其较好的系统特性特别是实用性而最为引人注目。但由于夹点设计法存在着 “拓扑陷阱”【3 0 】，c h a l l a n d 等【矧和c o l b e r t 等 3 1 1 提出了双温差法，指出不应该以夹点温 低温过程多流股换热器网络柔性综合的研究 差作为换热器网络综合的唯一变量；t r i v i d i 等【3 2 】、j e z o v s k i 等【3 3 】在双温差法的基础上 又提出了改进的双温差法，指出不应以夹点温差作为换热单元的最小温差；李晖等瞰】 在双温差基础上提出虚拟温度法，利用流股传热温差贡献值修正流股的初始温度和目标 温度，然后对换热器网络进行最优综合，它用于传热膜系数和单位换热面积费用不同的 换热器网络的优化设计。f r a s e r 【3 5 】提出用最小热负荷来取代最小传热温差来作为换热器 网络综合的决策变量；t o w n s e n d 3 6 】考虑了流股传热膜系数相差很大时的换热器网络综合 问题；t r i v i d i 等【3 7 1 提出了对初始网络进行调优的系统能量松弛法。n i n i e k 3 8 】考虑了换 热器的材质、类型以及流股间的物理距离，通过匹配规则来完成换热器网络的综合，并 将热泵结合到换热器网络中使所综合得到的网络公用工程负荷更少。在启发探试法中具 有代表性的是夹点设计法及在此基础上发展起来的虚拟温度法，下面对它们进行详细介 绍。 ( 1 ) 夹点设计法 夹点设计法是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布， 从中发现系统用能的“瓶颈( b o t t l e n e c k ) ”所在，并给以“解瓶颈( d e b o t t l e n e c k ) ” 的一种方法3 9 1 。1 9 7 8 年l i n n h o f f 等【4 0 】和u m e d a 等【捌分别提出了换热器网络中的温度夹点 ( p m c h ) 问题，指出夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收。基于热力学原理和有 效能概念，提出了利用丁一日图法综合换热器网络的策略，并叙述了网络中温度夹点的 存在。1 9 8 2 年【4 1 1 和1 9 8 3 年【1 7 】l i n n h o f f 等比较系统的论述了用于换热器网络综合的夹点 技术，并推广到整个过程系统的能量分析与调优。自l i n n h o f f 等【4 0 】提出了夹点技术以来， 换热器网络综合有了突破性的进展。 用夹点技术设计换热网络的基本思想是：从最大能量回收出发，建立一个初始网络， 然后根据设备费用和能量费用的协调，对初始网络进行修正，从而得到一个最佳的换热 网络结构。夹点设计法大致可分为三个步骤： 1 给定网络热回收温差h r a t ( h e a tr e c o v e r ya p p r o a c ht e m p e r a t u r e ) ；确定网络的 最小公用工程耗量及夹点位置。 2 夹点把系统划分为两个子网络分别设计，然后合并，得到能耗最小的整体网络。 3 用能量松弛法，通过断开热负荷回路等来减少换热单元数目，进行网络调优。 夹点设计法的核心是三条基本原则，只要不违背下面三条基本原则，无论如何匹配 都能达到最小公用工程负荷。即 第一，应该避免有热流量通过夹点； 第二，夹点上方的子问题应该避免引入公用工程冷却流股； 第三，夹点下方的子问题应该避免引入公用工程加热流股。 一6 一 大连理工大学博士研究生学位论文 根据夹点设计法得到的换热网络，往往换热设备数较多，流程复杂，需作进一步的 调优处理。对于给定的h r a t ，为满足最小能耗目标，不允许能量穿越夹点，因而最小能 耗的初始网络可能具有较多的单元：为得到最小投资费用的网络，需要进行能量松弛减 少单元数。s u 等 4 2 1 提出断开网络中的热负荷回路( h e a tl o a dl o o p ) ，以及采用热负荷路 径的能量松弛( e n e r g yr e l a x a t i o n ) 方法，能够有效地减少换热设备数，从而在基本上 保持了最大能量回收网络的基础上，使换热设备数最少，但这样是以能量穿越夹点即以 能耗为代价的。针对这一情况，t r i v e d i 等【3 2 1 与3 e z o v s k i 等d 3 1 在夹点设计法基础上提出 了伪夹点的概念以及双温差法。王莉等【4 3 】和李晖【卅也提出了基于三温差法的针对不同传 热膜系数换热器网络的设计方法。双温差法与三温差法统称为多温差设计法。由于换热 器的最小传热温差可以小于决定最小能耗水平的网络热回收温差，因而允许有一定能流 穿越伪夹点，这有利于获得结构简单、费用较低的网络结果。a s a n t e 和z h u 畔1 在夹点分 析的基础上，提出了将网络夹点与过程夹点相区别，前者与网络拓扑结构有关，基于网 络夹点的换热器网络的改造目标是使网络拓扑变化最小，增加的面积费用最小。 夹点设计法能充分发挥过程工程师的工程经验，在详细设计之前为过程综合建立优 化目标，并考虑过程的可操作性、装置分布、安全性等因素，驱动过程设计达到一个热 力学高效和实际可接受的解决方案。但是正是这些特点也决定了夹点分析缺乏用于过程 设计的严格模型，因而无法深入过程详细设计阶段，并且夹点分析分步的特点决定了它 无法有效地考虑各层次的相互作用，而对4 的依赖更决定了它很难得到过程综合的 最优解。对具有不同传热膜系数过程流股的换热网络综合，这种方法也是不理想的。尽 管存在一些局限性，但它的简单性、实用性以及在过程设计之前为最优综合确定目标的 思想使其在过程能量集成中具有重要的地位，已经成为过程系统能量集成的一个基本方 法。并且随着计算机的广泛应用，一些针对夹点技术的过程仿真软件也得到了不断发展。 现在已经推出商品化的夹点技术应用软件，包括l i n n h o f f m a r c h 公司，a s p e n t e c h 公司， 美国加卅l 电力研究学院，弗吉尼亚大学等开发的用于夹点技术的原型专家系统h 5 1 。国内 也有多家单位开发了类似的软件，如：清华大学开发f 拘e s o p 软件】，其功能包括：能量消 耗目标的计算、最优夹点温差的确定、换热网络模拟计算等。这些软件大大方便了工程 师们对能量系统进行综合优化与设计。 ( 2 ) 虚拟温度法 给定工艺条件的换热网络综合研究可分为两个时期：1 9 8 6 年以前，绝大部分工作都是 关于给定夹点温差l ；。时换热网络的综合方法的，而1 9 8 6 年以后，则发展到了对矗h 进 行优化。r a v a g n a n i 4 7 利用遗传算法进行最小传热温差已洒的优化，根据t o w s e n d 和 l i n n h o f f 4 8 】提出的最小面积方程，给定已。的初始值，通过组合曲线，按照垂直匹配的 低温过程多流股换热器网络柔性综合的研究 原则，可计算出网络所需的总换热面积和公用工程用量，以网络总换热面积计算投资费 用，然后得到网络的年度总费用为遗传算法的适应度，以最小年度总费用为目标函数， 进行已；。的寻优。 在应用夹点技术和正稠进行换热器网络综合时，通常采用单一的夹点温差瓦抽确 定夹点位置，但实际过程中，一个系统中由于各流股的流动状况和物理性质不同，换热 器所用材质不同等，在换热匹配中就需要不同的传热温差。在这种情况下，如用单一的 乙洒确定夹点位置以及系统中热流量沿温位的分布，优化后的换热器网络或者热量回 收达不到最优，或者系统的经济性降低【4 9 】。针对这一问题，研究者提出了“虚拟温度法 【3 4 舯】。虚拟温度法即是根据网络中各流股的不同传热膜系数等物性参数以及因换热器材 质结构等不同而引起的价格差异，确定各流股在换热时对传热温差的贡献值，修正流股 的初始、终了温度，采用修正后得到的流股虚拟温度，重新分配系统中的不同温位能量， 调节网络温差分布，使网络中每个换热器的传热温差分布更加合理，降低网络总面积， 使总费用降低，使得综合出的网络结构更接近工程实用的优化目标。 在采用虚拟温度综合换热器网络的过程中，流股温差贡献值的确定非常重要，它直 接影响到流股间的传热温差，进而影响到传热面积以及换热器网络的总费用。通常采用 统计方法估算或经验选取参照流股的方法得到流股传热温差贡献值计算式中的常数c 的 值，进而确定流股传热温差贡献值。但是由于常数c 的确定过程中存在着较大的误差和 不确定性，所以得到的流股传热温差贡献值并不能准确地反映流股的传热能力，利用它 综合得到的换热器网络也常常不能真正地实现最优化。 1 2 2 数学规划法 随着计算机技术的发展，换热器网络的另一个分支数学规划法，得到了迅速发 展。数学规划法的基本做法是将所研究的问题整理成由目标函数和约束条件表示的数学 模型，并根据数学模型的类型选择适宜的优化方法进行求解，实现从众多可能的结构中 选择最优结构的任务。在模型中可能同时包括连续变量和离散变量( 一般为o 1 变量) ，函 数与变量的关系可能是线性或非线性的。所采用的规划方法主要有线性规划( l p ) ，非线 性规划( n l p ) ，混合整数线性规划( m i l p ) 和混合整数非线性规划( m i n l p ) 。后两种方法 统称为混合整数规划( m i p ) ，它不仅包括设备结构参数和流程操作参数的连续性变量， 而且还包括表示流程结构和单元选择的离散变量( 一般指整数变量，如o 1 变量) ，因而它 可以进行流程结构、设备结构参数和流程操作参数的同步优化。从过程概念设计的角度 来看，过程系统综合问题一般要采用以m i n l p 形式为主的混合整数非线性规划方法 大连理工大学博士研究生学位论文 5 0 , 5 1 】。g r o s 锄a n n 和勋a v a n j a 【5 习对m i n l p 的发展和应用做了概要性的综述，并给出了各 种m i n l p 形式的统一表达。其数学模型的一般表达形式为： m i n z = f ( x ， ( 1 1 ) 占j ( 芏，y ) 0 f 1 h j ( x ，y ) = 0 ，j 式中工一聍维连续变量，工e r 4 ，r 为实数集； y m 维离散变量，y 0 ，l ”； f ( x ，y ) 一日标函数，常取