（化学工程专业论文）多流股换热器网络识别与构造的研究.pdf

多流股换热器网络识别与构造的研究 构造规则，详细描述了多流股换热器网络综合过程中的“背包”问题，再一次阐明了限 制单个双流股换热器热负荷的必要性。 多流股换热器网络综合方法的研究对于工程应用是很有意义的，构造并设计出适用 的多流股换热器，进一步扩大多流股换热器的使用范围，还有很多的工作要做。 关键词：超结构级数热负荷遗传模拟退火算法多流股换热器网络背包问题 a b s tr a c t t h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r k ( h e n ) i su s e dt or e c o v e rt h ee n e r g yo f p r o c e s ss y s t e m s i n c e19 6 0 s ，t h er e s e a r c ht ot h es y n t h e s i so fh e ni s u n c e a s i n g t h ep r i m a r yk i n do fh e a t e x c h a n g e ri st h es i n g l e 也o ta n ds i n g l e c 0 1 dh c a te x c h a i l g e ra 1 1 dt h i sk i n do f h e a te x c h a n g e ri s u s e di np r o c e s si n d u s t r ys u c ha sp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y t h em u l t i s t r e a mh e a te x c h a i l g e ri sa n e w t y p eo fh e a te x c h a j l g e r ；i ti sc u r r e n t l yu s e d i ng a sp r o c e s s i n g c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l s i n g l e - h o t a n ds i n g l e c o l dh e a t e x c h a | 1 9 e r s ，m u l t i - s t r e a m h e a t e x c h a l l g e r sp o s s e s sm a n y a d v a n t a g e ss u c h a sh i 曲h e a tt r a n s f e re m c i e n c y ，c o m p a c ts t m c t u r ea i i dl o w e rc o s t m u c hw o r kd u r i n gt h el a s th a l fo f c e m l l r yi sf o c u s e do nt h ec o n v e n t i o n a ls i n g l e h o ta n d s i n g l e c o i d h e a t e x c h a n g e rn e t w o r k s ； t h er e s e a ht om em u l t i - s t r e a mh e a t e x c h a n g e r n e t w o r k si sf b wt h ew a yt ot h es y n t h e s i so fm u l t i s t r e 锄h e a te x c h a n g e re i t h e rs y m h e s i z e s a i ls t r e 锄st oo n em u l t i s t r e a mh e a te x c h a l l g e ro rm e r g e ss o m es i n g l e - h o ta n ds i n g l e c o l d h e a te x c h a n g e r st oc o n s t 九l c to n em u l t i - s t r e 锄h e a te x c h a n g e ro nt h eb a s i so fo p t i m i z e d s i n g i e - h o ta n ds i n g l e - c o l dh e a te x c h a l l g e rn e t w o r k t h er e s e a r c ha i mf o rt h em u l t i s t r e 啪 h e a te x c h a n g e ri st om a k et h e ma p p l i e db e t t e ri n i n d u s ；j ；i 誉耋i i 吝霉毒毒害j 壹毒毫l ；毒誊嚣耋善薹孽 x 多流股换热器网络识别与构造的研究 t h em o d e l ，t h eh e a tl o a do fs i n g l e h o ta n ds i n 9 1 e c o l dh e a te x c h a n g e r si sl i m i t e da n dt h e n u m b e ro fs t a g e si si n c r e a s e dp m p e r l ys o m ee x 龇p l e sp r o v et h eo r i g i n a lw a yt od e t e 胁i n e t h en u m b e ro f s t a g e si si n a p p l i c a b l ei ft h eh e a tl o a do fh e a te x c h a n g e ri sl i m i t e d ，s oan e w w a yt od e t e r m i n et h en 啪b e ro fs t a g e si se s t a b l i s h e d t h e r ea r em a n yl a r g e a r e as i n g l e _ h o t a 1 1 ds i n g l e c o l dh e a te x c h a i l g e r sb u r d e n i n gai a r g eo fh e a ti no r i g i n a lo p t i m i z e dh e n ，t h e y w i l lb ed i v i d e di n t om a n ys m a l lh e a te x c h a n g e ri ni n d u s t f y i ti sn od o u b tt h a tt h ec o s to f h e a t t r a n s f c re q u i p m e n ti n c r e a s e s t h i s p a p e rl o o k st h ea l l o w a b l em a x i m u mh e a tl o a da so n e c o n s t r a i n ti ns u p e r s t m c t u r em o d e l ，t h eo p t i m i z e dh e n b yt 1 1 i sw a yi sb e t t e rt h a nt h ef o r m e r j nt h ea n n u a ln e t w 口r kc o s t ，e s p e c i a l l yw h e nt h e e q u i p m e n tc o s th a sab i gr a t i oi nt o t a lc o s t 3 ) a n a l y z i n g t h eb a gp r o b l e m t h es e l e c t i o n sf o r p r o p e rs t r e 锄sa n dh e a tl o a d a r ef a c e db e c a u s eo ft h el i m i to f m u l t i s t r e a i i lh e a t e x c h a n g e r s s c a l ew h e nt h eo p t i m i z e ds i n g l e h o ta i l ds i n g l e c o l dh e a t e x c h a n g e rn e t w o r ka c c o r d i n gt ot h ee v o l u t i o n a ls u p e r s t r u c t u r ei ss y n t h e s i z e dt om u l t i s t r e a m h e a te x c h a n g e rn e t w o r k t h i ss e l e c t i o ni st h es a m et o b a gp r o b l e mi nd a t as t r u c t u r e t h i s p a p e rd e s c r i b e st h es y n t h e s i sp r o c e s sd e t a i l e d i y t h er e s e a r c ht om u h 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 y n t h e s i si ss i g n i f i c a n tf o ri n d u s t r y a p p l i c a t i o n m u c hw o r ks h o u l db ed o n ei nd e s i g n i n gt h ep r o p e rm u l t i s t r e a mh e a te x c h a n g e r a n d e n l a r g i n gi t ss c o p ei nu s e k e y w o r d s ： s u p e r s t r u c t u r e ；n u m b e ro fs t a g e s ；h e a tl o a d ；t h eg e n e t i ca n ds i m u l a t e da n n e a l i n g a l g o r i m m ；m u l t i - s t r e a i i lh e a te x c h a n g e rn e t w o r k ；b a gp r o b l e m 0 前言 o 前言 换热器网络是过程系统中的重要组成部分，它主要用于回收过程工业中的能量，以 提高能源利用率。在石油化工行业中，承担热冷流股和公用工程能量交换的主要载体是 双流股换热器。多流股换热器由于其结构的复杂性，设计难度大，难于清洗，对流体清 洁度要求高，应用不是很广泛。但与双流股换热器相比，多流股换热器以其高效率、结 构紧凑及投资低等优点还是在气体分离等一些过程工业中有着广泛的应用。特别是在深 冷工业中，应用多流股换热器比双流股换热器更有优势。 换热器网络的综合，半个世纪以来，已经发展了很多成熟的技术，如数学规划、夹 点分析、基于人工智能的综合方法等等。其中，夹点分析方法已经很好地应用于工程实 际。换热器网络综合一般是以双流股换热器网络为基础的，通过建立各种数学模型，来 求得以年度化费用为目标函数的最优解。单一面积或是能量集成的线性、非线性数学规 划模型也见诸于文献。多流股换热器网络综合通常需要建立复杂的数学模型，其本身的 设计构造又极为复杂，所以综合方法的研究并不是很多。通常是在双流股换热器网络综 合的基础上，再进行多流股换热器网络的设计。本文正是基于这种思想，提出了多流股 换热器网络的识别与构造方法。 本文根据多流股换热器网络分级形式的超结构模型，应用遗传模拟退火算法，在优 化的双流股换热器网络的基础上进行多流股换热器网络的综合。联系工程实际，对双流 股换热器的热负荷进行限制，并适当增加超结构的级数，来获得一个比较实用的优化双 流股换热器网络。因为双流股换热器网络的多样性和复杂性，多流股换热器网络的识别 与构造需要一些完善的规则和方法。本文在这方面作了研究，建立了多流股换热器合并 规则，应用“背包”程序解决了多流股换热器的选择和构造过程。 多流股换热器网络识别与构造的研究 1 ，文献综述 1 1 换热器网络在化工过程中的重要性 在整个社会生产过程中，过程工业能耗所占的比例相当可观。换热器网络是过程工 业能量回收系统的主要部分，因此换热器网络的设计水平对过程工业能耗的高低具有重 要的影响。对化工过程系统综合来说，换热器网络的设计依然是其综合过程的重要组成 部分。在石油化工生产过程中，换热器应用很广泛。例如在炼油厂的常压减压蒸馏装置 中，换热器约占建设总投资的2 0 ，催化重整及加氢脱硫装置中约占1 5 。在化工厂的 建设中，换热器约占总投资的1 1 【l l 。因此换热器网络的优化设计对降低设备投资和节 省工业能耗有着重要意义。 化工过程系统的综合问题，就是在给定的输入允许范围和约束条件下，按照规定的 系统特性和输出要求，寻求所需要的系统结构及其各子系统的性能，确定该未知的过程 系统，使之达到规定目标下的最优组合 2 】。系统综合的策略也由传统的各子系统分层设 计走向整体系统的同步优化和能量集成p j 。 化工过程系统通常包括反应器、分离过程、换热网络和公用工程系统等几个层次。 传统的过程设计方法 4 】是将问题分解，先从反应器开始设计；反应器的设计提出了分离 问题，再进行分离系统的设计；在以上两者规定了过程的加热和冷却负荷的条件下再进 行热回收网络的设计：最后再根据公用工程的需求，选择和设计公用工程系统。这种分 层依次设计的方法可用l i n n h o f f e ta 1 提出的“洋葱模型”来表示】，如图1 1 所示。 图1 i过程设计的洋葱模型 f i g 1 1o n i o nm o d e lo fp r o c e s sd e s i g n 分层策略方法的特点是将内层子系统的结构方案、设计参数及流股参数确定，再设 计下一层次的子系统。因而其缺点是不能很好地考虑各子系统之间的相互影响，系统能 文献综述 量集成水平较差，往往只能达到局部优化，难以实现总体系统的优化匹配。在这种情况 下总体系统中各子系统之间的同步协调综合和联合优化也越来越受到人们的重视。 g r o s s m a n ne ta 1 将总体系统划分为三个子系统：过程系统、热回收网络和公用工程系统， 并提出了三个子系统之间的相互关系模型叽如图1 2 所示。 全过程系统 图1 2 化工过程三个子系统及其相互关系模型 f i g 1 2t h e r e l a t i v em o d e lf o rt h et h r e es u b s y s t e m so fc h e m i c a lp r o c e s s 无论是在分层策略还是在总体设计的同步策略中，换热器网络都是系统中能量回收 的重要组成部分，换热器是能量回收的主要载体。换热器网络设计的意义在于，充分考 虑了能量损耗及各种物流特性差异的前提下，平衡化工过程工业中能源的利用，来提高 整个过程系统的能量利用率和经济性。因此在化工过程系统中，对换热器网络的作用做 出如下描述：合理地把化工过程中一些需要加热的物流和另一些需要冷却的物流匹配在 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，从而达到能源的最大利用【“。 1 2 换热器网络综合的研究目标及综合方法 换热器网络( h e a te x c h a n g e rn e t w o r k s ) 作为过程系统的一个重要子系统，它是化工、 炼油等过程工业能量回收的主要组成部分，对于生产中降低能耗具有重要意义。换热网 络最优综合问题引起了许多学者的兴趣，对综合方法进行了深入的研究，使之成为过程 系统综合中最富有成就的研究领域，在工程实际应用中也获得了显著的效果【8 ，9 1 。换热器 网络热量交换的载体有双流股换热器和多流股换热器，因此换热网络的综合也可分为双 多流股换热器网络识别与构造的研究 流股换热器网络和多流股换热器网络，它们应用的范围受其自身特点的影响而各有不 同。 1 2 1 换热器网络综合的研究目标 换热器网络综合方法，无论是对于双流股换热器网络还是多流股换热器网络，它们 的优化目标是要求被优化的换热网络需要最少的公用工程用量，具有最小传热面积，最 少换热设备个数，并且年度化费用也应该是最小的。对于双流股换热器网络还要进行柔 性分析与测试等。 ( 1 ) 最小公用工程用量：一般说来，具有最小公用工程用量的网络具有最大的热回 收效率，它是降低年度总费用的一个重要组成因素。但是，单一地选择最小公用工程用 量为目标函数，综合所得网络的总传热面积较大而且会包含大量换热面积很小的换热 器。r a t h o r e 和p o w e r s 1 0 1 、n i s h i d ae ta 1 8 1 、g r o s s m a n n 和s a r g e n t 川，主要是针对夹点设 计中所遇到的门槛问题进行校正去获得最小公用工程用量，c e r d de ta 1 1 2 1 使用线性规划 ( l i n e a rp r o g r a m ，l p ) ，l i n n h o f f 和f l o w e r 【9 】使用了问题表格算法( p r o b l e mt a b l e a l g o r i t h m ， p t a ) 在考虑了约束匹配的情况下去获取最小公用工程用量。 ( 2 ) 最小传热面积；对于一个热交换系统来说，如果各物流的质量流量、输入温度 及输出温度一定，则该系统的有效能损失固定不变。在这个前提下，如果有效地利用温 位，合理地分配网络的传热温差和传热负荷，使得换热器在原则上实现逆流操作，则可 得到热负荷一定前提下的热力学最小面积网络。 ( 3 ) 最小换热设备个数：一般说来，网络所包含的换热设备个数越少，其设备投资 费用就越低：h o h m a n n 乃】提出了( n 1 ) 定理，即：一个换热网络可达到的最小换热设备数 u ( 含换热器、加热器和冷却器) ，等于过程流股及公用工程流股的个数n 减1 ，即： u m i n 5 n 一1 ( 1 1 ) b o l a n d 及l i n n h o f t f l 4 1 考虑到网络中存在的独立热负荷回路，用“e u l e r 通用网络定 理”来描述网络中所包含的最小换热器个数u 即： u 2 n + l - s ( 1 2 ) 式中： n 一一过程流股及公用工程流股的个数，不含物流分支 l 一一独立的热负荷回路 s 系统中独立子系统的数目 网络只是一个子系统( s = 1 ) 且热负荷回路都断开( l = o ) 的情况下，上式就变成式( 1 1 ) 的形式。 4 1 文献综述 ( 4 ) 最小网络年度化费用：网络年度化费用是设备投资费用和操作费用二者之和。 设备投资费用与换热器的换热面积和网络中换热器的设备台数有关：操作费用主要与公 用工程用量有关。因此综合前面所述换热网络综合优化的三个目标，那么影响换热网络 年度化费用的三个因素包括公用工程消耗，换热面积费用，换热设备台数。三者是相互 影响，相互制约的。单纯追求某一方面并不能得到最优的年度化费用。最小网络年度化 费用作为换热器网络综合最重要的目标函数，它要求在换热面积和公用工程用量之间综 合考虑，用公式表示如下： 中2 6 a a b + v j 其中：中网络的年度总费用( 元年) 6 换热器投资费年折旧率 a a f b 换热器i 的设备投资费用( 元年) ，第f 种公用工程物流价格( 元吨) ；，第，种公用工程物流的年用量( 吨年) ( 5 ) 柔一胜测试：c e r d d e ta l ，【1 2 1 这样定义柔性，如果一个换热网络的可操作性和最大能 量回收( m a x i m u me n e r g yr e c o v e r y ，m e r ) 在每一个操作点上都有可能，那么这个网络就 是柔性的。a g u i l e r a ，n a s i n i f l5 j 用混合整数线性规划( m i l p ) 方法，在某些特定条件如不 稳定的输入温度或者输入热容流率，对整个换热网络进行柔性测试。 换热器网络的综合，既可以是单一的综合目标，如得到一个换热器面积最少的网络， 或是一个消耗公用工程最小的换热网络：也可以同时综合两个或两个以上的目标，如以 年度化费用为综合目标，可以得到一个兼顾操作费用和设备投资最少的换热网络。 1 2 2 换热网络综合方法 换热网络综合方法可以分为两类，一是分离优化，二是同时优化。具有代表性的换 热器网络综合方法有直观推断法，基于热力学的夹点设计方法，以及基于优化方法的数 学规划法和遗传算法等。这些方法适用于双流股换热器网络和多流股换热器网络综合。 同时，基于这些方法也开发了不少成功适用的商品化计算软件如：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。下面对热力学的夹点 设计方法和数学规划法进行介绍。 1 2 2 1 热力学目标法夹点技术 热力学目标法是以热力学原理和分析方法为基础，以最小能耗为主要目标的网络综 合方法。1 9 7 7 年n i s h i d a 1 6 l 等提出了基于热焓图的算法一一调优方法：u m e d a 】等人基 多流股换热器网络识别与构造的研究 于热力学原理和有效能概念，提出了利用温焓图综合换热网络的策略，并叙述了网络中 温度夹点的存在。自1 9 7 8 年l i n n h o 辞9 l 等提出了夹点技术( p i n c hn c h n o l o g y ) 以来，换热 器网络综合有了突破性的进展。夹点把换热器网络分隔成两个子问题热端和冷端， 可分别进行处理，对于与夹点相邻的子网络，要按照央点匹配的可行性规则来选择物流 间的匹配换热，以及决定物流是否需要分支。离开夹点后，确定物流间匹配换热的选择 有较多的自由度，并且需要考虑系统的操作性，弹性及具体工程要求等。 夹点设计的核心是三条基本原则，即：第一，应该避免有热流量通过夹点：第二， 夹点上方的子网络应该避免引入公用工程冷却物流；第三，夹点下方的子网络应该避免 引入公用工程加热物流。只要不违背上述三条基本原则，无论如何匹配都能达到最小公 共工程负荷。l i n l l l o f f t 2 0 l 按照上述三条基本原则提出了夹点设计法的可行性规则。 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 t r e c o v e r y a p p r o a c ht e m p e r a t u r e ：确定网络的最 小公共工程耗量及夹点位置。 ( 2 ) 以夹点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 ) 采用能量松弛法，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。 按夹点设计法，能得到最大能量回收网络，但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，不允许能量跨越夹点， 因而最小能耗的初始网络可能具有较多的单元；为锝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【1 9 】提出断开网络中的热负荷回路，以及采用热负荷路径的 能量松弛方法，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，但这样是以能量跨越夹点即以能耗为代价的。 夹点技术在学术上和工程应用中都取得了巨大成就1 2 ，其方法本身也在不断的完善 和扩展。夹点技术不仅可用于换热器网络的综合、换热器网络的柔性分析与综合，还可 以用于公用工程系统及过程系统的能量集成。但由于它是分层设计，不能同时权衡不同 的费用目标与约束，往往不能得到全局最优解。 1 2 2 2 数学规划法 随着计算技术的发展，换热网络的研究出现了一个新的分支一一数学规划法。它是 根据换热器网络特点建立数学模型f 主要包括线性规划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 模型1 ，采用合适的算法求解数学模型， 实现从众多可能的结构中选择最优结构的任务。它的这个特点与主要依靠设计者知识和 经验选优的夹点设计法相比，其优越性是可以保证求解的最优。 6 文献综述 用数学规划法求解换热网络的最优综合问题，首先需要对换热网络进行恰当的数学 描述，在此基础建立数学模型。通常对换热网络的最优综合问题的描述如下： 在一个过程系统中，热工艺物流有蜥股，需要由初始温度瓦冷却到目标温度正； 冷工艺物流c 股，需要由初始温度加热到目标温度“，由于热物流的总热量与冷物流 的总热量通常不相等，加上热力学对传热温差推动力的约束，通常需采用一组热公用工 程( 如燃烧炉、加热蒸汽) ，以及冷公用工程( 如冷却水、冷剂) 。网络最优综合问题的目标 是构造一个满足物流初、终温要求，并满足目标函数m 嘲怃圳最优的换热网络。若把公 用工程用量作为操作费用，把换热器作为投资费用，那么换热网络最优综合可以描述成： 构造一个能满足物流初、终温要求，具有最少投资费用和操作费用的换热网络。 1 9 6 9 年k e s l e r 和p a r k e r 【2 l 】将热物流和冷物流分为一个个相等的小换热单元来考虑其 间的换热，建立了线性规划模型。随后k o b a y a s h ie ta 1 【2 2 】将( 除反应过程和分离过程以外 的) 热过程系统分为内层系统( 即换热网络) 和外层系统( 即公用工程系统) ，结合 k e s l e r p a r k e r 的方法及复合形算法，提出了一种线性规划迭代求解的方法。1 9 7 0 年l e e e t 甜，采用整数规划的分支定界法，比较成功地进行了换热网络的最优综合。n i s h i d ae ta l - 提出求取最小传热面积的最优综合方法和简单实用的调优算法1 2 ”。这些方法大部分属于 单目标的直接寻优法。 数学方法将物流匹配过程看作是数学中的组合优化问题，用最优化理论来求解最佳 的网络结构。它的优点是可以由计算机完成匹配的自动搜索。缺点是解题过程不透明， 物理意义不清晰，专家被置于决策过程之外。由于数学模型无法描述某些过程知识，因 此不能依靠基于知识的启发式方法缩小问题的搜索空间，对于能够由规则推理得到的结 果往往需要耗费大量的计算量；当系统物流增加时，计算的复杂性呈指数形式增长。因 此，数学规划法至今未能在工程设计中广泛应用。 1 3 换热网络综合的发展概况 1 3 1 双流股换热器网络综合的历史 换热网络的研究始于六十年代，七十、八十年代能源价格的提高是换热网络综合发 展的驱动力。换热网络综合包括两个部分，一个定量的部分一一涉及换热器装备和外在 公用工程费用问题：一个定性的部分涉及换热网络的安全性，可操作性，柔性和可 控制性等。合理考虑这两个部分去优化换热网络，半个世纪以来，专家学者已做了大量 的研究工作。 w e s t b r o o k l 2 5 】提出了用动态规划去解决换热网络综合问题。h w a f 2 6 1 用分离规划和超 多流股换热器网络识别与构造的研究 结构去系统解决换热网络综合问题。但真正的先锋式人物是r u d d ，h o h m a n n 及l i n n h o f f 等。r u d d 及其合作者提出了直观推断法，根据实践经验提出了一系列的规则。后来 w e l l s 和h o d g k i n s o n 2 8 l 进行了补充和完善，这种方法尽管不能一次性得到最优解，但是 可以以此为基础，采用一些调优方法使系统最优化。h o h m a n n l l 3 1 提出了热力学方法，但 在当时并没有引起太多的关注。当时，h o h m a n n 提出了著名的( n 1 ) 定理，它能近似求 出换热网络中最少的换热设备数目，他还利用t - q 图得到最小的换热面积。十九世纪七 十年代，人们发现热回收夹点是节能的“瓶颈”。u m e d a e ta 1 【29 3 0 1 通过在t h 图上画 出冷、热流股的组合曲线以此求出夹点位置。对夹点技术作出了更富创造性的研究工作 的是l i r m h o f fe ta 1 【1 8 】，他们描述了流股穿越夹点，在夹点上方有冷却器或在夹点下方 有加热器是造成公用工程消耗过多的症结所在。 八十年代以来，基于人工智能的换热网络综合也逐步发展。c h e n e ta 1 3 1 用以知识 库为基础的s p h e n 软件去解决实际的换热网络架构问题。v i s w a n a t h a n 和e v a n s l 3 2 1 采用 专家系统把几种方法结合起来求解网络的最优综合。遗传算法作为人工智能优化方法的 一个分支也被广大研究者所关注。d a n i e l 和l e w i n 3 3 1 提出了用遗传算法( g e n e t i c a l o g r i t h m ，g a ) 去解决换热网络中复杂的混合整数线性规划( m i x e di n t e g e r l i n e a r p r o g r a m ，m i l p ) 和混合整数非线性规划( m i x e di n t e g e r n o n l i n e a rp r o g r a m ，m i n l p ) 方程 求解问题。李绍军【3 4 】考虑到实际过程中变量规模庞大，以及非线性系统的复杂性，而遗 传算法的优势并不能得到充分的发挥这一因素，提出了利用遗传- - a l o p e x 混合算法进行 换热网络最优综合的研究。同时，c h a l l a n d l 3 5 】等提出了双温差法，使得设计工作更加灵 活、有效。l i n n h o f f 和f l o w e r 一1 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 h e r m o d y n a m i c c o m b i n a t i o n ) 算法；f l o u d a s 和c i r i e 3 6 1 提出采用混合整数线性规划法( m i x e di n t e g e rl i n e a r p r o g r a m ，m i l p l 同时求解公用工程负荷、物流间的匹配和最佳网络结构。 综合方法的研究与实现还需要考虑换热器网络的柔性问题，即通过考察入口温度的 波动或者是被约束变量的灵活性来衡量整个换热网络的可操作性和可控制性。f l o u d a s 和g r o s s m a r m 3 7 , 3 8 1 采用数学规划自动生成最优的网络结构，同时考虑了网络的柔性问题： p a p a l e x a n d r i 及p i s t i k o p o l 3 9 】贝0 使用数学规划方法同时考虑了换热网络综合和柔性问题： k o t j a b s a k i s 及l i n n h o f f 4 0 】介绍了一个柔性表格去确定需要增加哪一个换热器的换热面 积； a g u i l e r a 及n a s i n i ”l 提出了对不稳定流率及非重叠输入温度变量的换热网络柔性 测试方法。 多漉股换热嚣网络识别与构造的研究 热负荷一致的每间隔的流股分支。体积方程的使用，决定块的长度和宽度。翅的选 择。得到一致的有效值。块长、通道数量、压降的确定。调节压降使块的尺寸一致。 y e e g r o s s m a n ne ta 1 4 9 】等最早进行多流股换热器网络综合问题的研究。他们提出 了对多流股换热器面积和能量集成的同时优化模型。这种方法不依赖于任何基于夹点技 术的直观方法，只要适当地考虑流股间传热系数的差异，就能同时得到面积和能量集成 的最佳方案。为了模型的简化，在等温混合的假设下消除了部分非线性的约束，用数学 规划法进行了求解。目前，他们的方法正在进一步的发展，逐步地应用到多物流换热器 及其网络的热力学计算和设计中。由于对带有多流股换热器的换热网络综合缺少合适的 数学模型，所以采用多流股换热器的换热网络应用不是很广泛。 俞红梅f 5 0 1 、魏关锋5 1 l 也建立了多流股换热器网络的超结构模型，并考虑了流股的分 支，取消了分支流股等温混合的假设。即在模型结构中，分支流股是非等温混合的，且 不考虑此情况下的能量损失。应用遗传模拟退火算法，综合出双流股换热器网络，在此 基础上，构造出一条流股与多条流股进行传热的多流股换热器。 孙亚琴忙2 j 在俞红梅、魏关锋的基础上，用虚拟温度法进行多流股换热器网络的综合 使综合过程有一个较好的初始解，从而得到更优化的换热网络。 总的来说，多流股换热器网络综合的研究有两种趋势。( 1 ) 将整个换热网络综合成 台多流股换热器，并对多流股换热器进行结构设计。这种换热器多以板翅换热器为主， 一般包含较少的流股数目，如比较典型的有4 s p l 钉】综合问题等。( 2 ) 先建立起双流股换热 器网络的数学模型，在综合出最优的双流股换热器网络之后，进一步优化出多流股换热 器网络。这种方案的优势在于，吸纳了双流股换热器网络优化一些成熟的算法，简化了 计算模型。在优化的双流股换热器网络的基础上，将面积比较集中的双流股换热器综合 成多流股换热器，使网络中同时包含了双流股换热器和多流股换热器，既节省了投资成 本，又降低了多流股换热器的换热规模及设计难度。 1 4 本论文的研究范围 从文献中可以看出，双流股换热器网络综合方法被应用于多流股换热器网络综合 中，但多流股换热器网络综合的研究有限，而且其在石油化工中的应用并不广泛。主要 是其复杂的结构设计，难以清洗等缺点限制了其的发展。对于多流股换热器网络综合， 应该吸收双流股换热器网络综合的成熟经验及方法，明确优化目标，建立合适的多流股 换热器网络数学模型，构造出多流股换热器网络。 本论文考虑多流股换热器网络的研究现状，基于双流股换热器网络的综合方法，提 出了多流股换热器网络的识别与构造方案。论文主要研究范围包括如下三个重要部分： 1 0 1 文献综述 2 0 1 l i n n h o f rb ，v r e d e v e l ak p i n c ht e c h n o l o g yh a sc o m eo fa g e c h e me n gp r o 岛19 8 4 ，7 ：3 3 【2u k e s l e rm g p a r k e rr o o p t i m a ln e t w o r k so f h e a te x c h a i l g e lc h e m e n g n gp r o gs y m ps e r ，l9 6 9 ，n o 9 2 ：6 5 【2 2 】k o b a y a s h is ，u m e d at i c h i k a w aa s y n t h e s i so f o p t i m a j h e a te x c h a n g e rs y s t e m s - a na p p r o a c hb yt h e o p t i m a la s s i g n m e n tp r o b i e m ni j n e a rp r o 铲a m m i n g ，c h e me n gs c i ，1 9 7 1 ，2 6 ：31 6 7 【2 3 】l e e 壬( f ，m a s s oah ，r u d ddf b r a n c h 船db o u n ds y n t h e s i so fi n t e g r a t e dp r o c e s sd e s i g n s i n de n g c h e mf u n d a m e n t a i s ，1 9 7 0 ，9 ：4 8 【2 4 n i s h i d a n ， k o b a y a s h is ， 【c h i k a w a a o p t i m a is y n t h e s i s o fh e a t e x c h a n g es y s t e m s n e c e s s a r y c o n d i t i o n sf o rm i n i m u mh e a tt r a n s f e ra r e aa n dt h e i ra p p l i c a t i o nt o s y s t e m ss y n t h e s i s c h e m e n g s c i 。1 9 7 2 ，2 7 ：1 4 0 8 2 5 1 w e s t b r o o kg tu s et h i sm e t h o dt os i z ee a c hs t a g ef o rb e s to p e r a t i o n h y d r o c a r bp m c e s s p e t r o lr e f i n 1 9 6j 4 0 ：2 0 1 2 0 6 2 6 】h w acs - m a t h e m a t i c a lf o r m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fh e a te x c h a l l g e rn e t w o r k su s i n gs e p a r a b l e p r o g r a m m i n g a i c h e ic h e me n g n gs y m p 1 9 6 5 1 0 l - 1 0 6 2 7 】r u d ddf t h es y n t h e s i so fs y s t e md e s i g n s ： i e l e m e n t a r yd e c o m p o s i t i o nt h e o r y a i c h ej1 9 6 9 ， 1 4 ：3 4 3 3 4 9 2 8 】w e l l sg h o d g k i n s o nm t h eh e a tc o n t e n td i a g r a mw a yt oh e a te x c h a l l g e rn e t w o r k s p r o c e n g n 骂 a u g u s t ( 19 7 7 ) 5 6 - 6 3 2 9 u m e d at h a r a d at ，s h i r o k ok at h e n n o d y n a m i ca p p r o a c ht ot h e s y n t h e s i so fh e a ti n t e g r a t i o n s y s t e m si nc h e m i c a lp r o c e s s e s ，c o m p u t e r sc h e me n g n g 1 9 7 9 a ，3 ：2 7 3 - 2 8 2 3 0 】u m e d at ，n i i d aks h i r o k ok ，at h e r m o d y n 砌i ca p p r o a c ht oh e a ti n t e g r a t i o ni nd i s t i l l a t i o ns y s t e m s a i c h ej 。l9 7 9 b 2 s ：4 2 3 4 2 9 3l 】c h e n eb ，s h e nj ，s u nq ，h us d e v e l o p m e n to fa ne x p e r ts y s t e mf o rs y n t h e s i so fh e a te x c h a n g e r n e t w o r k s c o m p u t e r sc h e me n g n g 1 9 8 9 ，1 3 ( 1 1 ，1 2 ) ：1 2 2 1 - 1 2 2 7 3 2 】v i s w a n a t h 吼m ，e v a n slb d e v e l o p m e n to fa ne x p e r ts y s t e mt os y n t h e s i z eh e a ti n t e g r a t i o ns y s t e m s f o rp r o c e s sp l a n t s e n e 唱ye n g n gs c is y m p c h i c a g o ：19 8 8 a 3 3 】d a n i e lr ，l e w i n ag e n e r a j l z e dm e t t l o df o rh e n s y n t h e s i su s i n gs t o c h a s t i co p t i m i z a t i o n i i t h e s y n t h e s i so f c o s t o p t i m a ln e t w o r k s c o m p u t e r sc h e me n g n 1 9 9 8 ，2 2 ( 1 0 ) ：1 3 8 7 1 4 0 5 3 4 】李绍军，姚平经利用遗传- a i o p e x 混合算法进行换热网络最优综台的研究石油炼制与化