（化学工程专业论文）基于流股有效温位的大规模多流股换热器网络综合.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 与双流股换热器相比，多流股换热器以其高效率、结构紧凑及投资低在气体加工和 石油化工等过程工业中有着广泛的应用。但是以往人们把大部分精力用于传统的双流股 换热器网络综合的研究，而有关多流股换热器网络综合问题的研究目前仍然很有限，尤 其是对于工业大规模多流股换热器网络。本文在德国科学研究会项目( d f g ) 的资助下进 行了多流股换热器网络综合方法的研究，主要的进展有以下几个方面： 1 ) 提出了产生初始的近优可行解的有效方法。基于传热过程等有效能损失分 布原则的热力学原理提出了一种新的确定流股传热温差贡献值的方法，从而确定 流股的虚拟温度有效温位，在温一焓( 邡图上构造组合曲线，在分割的焓间隔内 进行流股垂直匹配，能够得到合理的网络，原则上实现了有效温位的流股逆流换热， 能以很高的概率获得热力学和经济上近优的网络作为初始可行解和进化过程中的逐 次优化解。 2 ) 建立了一个新的有效的多流股换热器网络综合数学模型。基于流股有效温 位和在r 图上的垂直匹配法，建立了多流股换热器网络综合n l p 数学模型。该 模型以流股的传热温差贡献值为网络综合的决策变量，明显地降低了问题的维数，而且 不含有o 1 变量，采用五日图上的垂直匹配法解决了复杂的约束问题，进化过程中的解 均可行，这一新的换热网络综合模型显著地降低了求解大规模多流股换热器网络综合的 复杂性。而且此模型也可以用于求解具有不同传热膜系数和不同换热器材质的网络。 3 ) 大规模多流股换热器网络综合问题的求解。提出了多流股换热器网络初始近优 可行解的产生方法，设计了用于多流股换热器网络综合问题的交叉算子、变异算子、保 留父代良好信息的0 c x 算子、多样性保持e c 算子，引入了多种群进化机制，提高了遗 传算法的搜索能力和计算效率。最后，基于多流股换热网络综合n l p 模型，采用改进 的遗传模拟退火算法求解1 0 0 对1 0 0 流股分支的大规模多流股换热器网络综合问题，能 够得到优化解。 关键词：多流股换热器网络综合；流股传热温差贡献值；虚拟温度；非线性规划 遗传模拟退火算法 查望堡三查堂盟主兰垡鲨苎 l a r g es c a l em 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 ks y n t h e s i s b a s e do n t h es t r e a me f f e c t i v et e m p e r a t u r el e v e l a b s t r a c t m u l t i s t r e a mh e a te x c h a n g e r sa l ew i d e l yu s e di np r o c e s si n d u s t r i e ss u c ha sg a s p r o c e s s i n ga n dp e t r o c h e m i c a li n d u s t r i e st oe x c h a n g eh e a te n e r g ya m o n gm o r et h a nt w o s t r e a m sb e c a u s eo ft h e i rh i g h e re f f i c i e n c y , m o r ec o m p a c ts t r u c t u r ea n dl o w e rc o s tc o m p a r e w i t l lt w o s t r e a mh e a te x c h a n g e r s i nt h el a s tf e wd e c a d e s 、m u c hr e s e a r c hw o r kf o c u s e do n c o n v e n t i o n a lt w o - s t r e a mh e a te x c h a n g e rn e t w o r k s ，w h i l ei n v e s t i g a t i o no ns 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 rn e t w o r k ( m s h e n ) ，e s p e c i a l l yl a r g es c a l em s h e n ，i sl i m i t e d d u et oi t sc o m p l e x i t y i nt h i st h e s i s ，t h es t u d i e so ns y n t h e s i sm e t h o d so fm s h e na r e s u p p o r t e db yg e r m a nr e s e a r c hc o u n c i lf o u n d a t i o n ( d f g ) ，a n dm a i nr e s e a r c hi m p r o v e m e n t s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b r i n gf o r w a r da ne f f e c t i v em e t h o do fg e n e r a t i n gi n i t i a ln e a ro p t i m u mf e a s i b l e s o l u t i o n an e wc a l c u l a t i o nm e t h o df o rs 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 f e r e n c e c o n t r i b u t i o nv a l u ei sp r o p o s e db a s e do nt h et h e r m o d y n a m i cp r i n c i p l eo fe q u a le x e r g yl o s s d i s t r i b u t i o n t h e r e b y , s t r e a mp s e u d o t e m p e r a t u r e ，t h a ti s ，t h es t r e a me f f e c t i v et e m p e r a t u r e l e v e l ，i sd e t e r m i n e d ，a n dc o m p o s i t ec u r v e sa r ec o n s t r u c t e do nt h e 二日d i a g r a m ，ar e a s o n a b l e f e a s i b l en e t w o r ks t r u c t u r ei sa t t a i n e db yv e r t i c a lm a t c hi ne n t h a l p yi n t e r v a l s i np r i n c i p l e c o u n t e r c u r r e n th e a t e x c h a n g e i nn e t w o r ki sa c h i e v e db a s e do nt h es t r e a me f f e c t i v e t e m p e r a t u r el e v e l ，s op r o b a b i l i t yo fa t t a i n m e n to fn e a ro p t i m u mf e a s i b l es o l u t i o n si sh i g ha n d t h e s es o l u t i o n sa r eo r i g i n a lf e a s i b l es o l u t i o n sa n do r d i n a lo p t i m a ls o l u t i o n si ne v o l u t i o n ( 2 ) an e wa n de f f e c t i v em a t h e m a t i c a lm o d e li sp r e s e n t e df o rs y n t h e s i z i n gm s h e n a n l pm o d e lo fm s h e n s y n t h e s i si sp r o p o s e db a s e do nt h es t r e a me f f e c t i v et e m p e r a t u r el e v e l n l ed e c i s i o nv a r i a b l e so fn e t w o r ks y n t h e s i si nt h em o d e la 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 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 s ，h e n c et h en u m b e ro fd i m e n s i o n si s e v i d e n t l yr e d u c e d 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 em o d e l t h ev e r t i c a lm a t c ha p p r o a c ho nt h e 王h d i a g r a mc a nd e a lw i t hc o m p l e xc o n s t r a i n t sa n da s s u r ea 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 e f e a s i b l e s ol a r g es c a l em s h e ns y n t h e s i sp r o b l e mc o m p l e x i t yi sr e m a r k a b l yr e d u c e db yu s i n g t h en e wn l pm o d e l f u r t h e r m o r e t h em o d e lc a l la l s ob eu s e dt os o l v eh e a te x c h a n g e r n e t w o r kp r o b l e m sw i t l lu n e q u a lh e a tt r a n s f e rf i l mc o e f f i c i e n t sa n dd i f f e r e n tc o n s m a c t i o n m a t e r i a l s ( 3 ) t h ep r o b l e mo fl a r g es c a l em s h e ns y n t h e s i si ss o l v e d s o m ei m p r o v e m e n t so f g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) a r em a d e ，f o re x a m p l e ，d e s i g no fc r o s s o v e ra n dm u t a t i o no p e r a t o r sf o r s y n t h e s i z i n gm s h e n ，o c xo p e r a t o rf o rp r e s e r v i n gg o o dp a t e r n a li n f o r m a t i o na n de c o p e r a t o rf o rh o l d i n gt h ed i v e r s i t i e so fp o p u l a t i o ni n d i v i d u a l s m o r e o v e r , t h ei d e ao fp a r a l l e l a l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt oa d v a n c et h es e a r c hc a p a b i l i t ya n dc a l c u l a t i o ne f f i c i e n c yo fg a f i n a l l y , i m p r o v e dg a s ai ss u c c e s s f u l l yu s e dt o s o l v eal a r g es c a l em s h e ns y n t h e s i s i i 奎垄里三查堂堡主堂垡丝苎 p r o b l e mi n c l u d i n g1 0 0 1 0 0s p l i u t n gs t r e a m s a n dt h eo p t i m a ls 0 1 i o nc a nb e a t t a i n e d k e yw o r d s ：m 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 ks y n t h e s i s ；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 n v a l u e ；p s e u d o - t e m p e r a t u r e ； n o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ；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 i i 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谓十意。 作者签名； 臣盈日期：鱼翌董：乏：z 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同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印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名题蕴 导师签名： ，礁翌! 年鱼月堡日 大连理工大学博士学位论文 引言 在能源紧张，原材料短缺及环境质量恶化日趋严重的情况下，工程技术正逐步从单 元技术向系统技术方向发展【n 。过去以单元操作为基础的传统工程设计方法已无法适应 时代的要求，过程系统工程这门综合性的边缘学科也因此产生，并得以迅速的发展。 过程系统工程是- - f 关于如何计划、设计、运行和控制化工过程的决策方法论的技 术科学，是将系统工程学的理论和方法应用于化工领域的- - f q 新兴的边缘学科【2 1 。过程 系统的能量综合与优化是化学工程、系统工程和计算机科学等学科的交叉研究领域，是 近年来从过程系统工程中发展起来的最活跃研究领域之一。 随着世界性能源危机的不断加剧，石油价格和原材料价格都大幅度提高。尤其在我 国能源资源不很丰富，人口众多，入均能源占有量少，同时能源利用率也较低，当前我 国工业的发展越来越受到能源不足等基础条件的制约，“开源”受到资金的不足和资源 储备的限制。根据国际能源机构的预测1 3 1 ，2 0 1 0 年中国的石油需求量为3 5 亿吨，而原 油产量为2 亿吨，原油缺口将达到1 5 亿吨。而过程工业，尤其是石化行业用能又存在 着严重的浪费现象。我国过程工业的用能水平和经济效益普遍低于世界先进国家，这同 我国过程工业领域的工艺技术水平、生产规模、加工深度、企业管理水平和系统技术水 平的相对落后密不可分。2 0 0 4 年国家发展改革委发布的节能中长期专项规划t 4 j 统 计显示，2 0 0 0 年我国电力、钢铁、有色、石化、建材、化工、轻工、纺织8 个行业主要 产品单位能耗平均比国际先进水平高4 0 。因此，“节流”( 节约能源) 是解决我国当前 能源不足问题的最现实可行途径。 在整个社会生产过程中，过程工业的能耗所占比例相当可观，而换热器网络与公用 工程系统又是过程工业的重要组成部分。其中换热器网络是其能量回收系统的主要部 分，其设计水平的高低对过程系统的能耗将有着重要的影响。正如p a l e n 掣5 峙旨出的： 能量系统的效率主要依赖于换热器网络的设计，其有效设计是能量转换的基础。换热器 网络综合就是试图以最经济的代价回收热量，降低过程系统的能耗，它密切结合当前我 国的实际，具有重要的现实意义。近二十几年来，随着能源的日趋紧张，人们已在此方 面做了大量的工作，但仍有许多未完善之处。张俊华等【6 】和f u r m a n 等【7 】指出换热器网络 仍是一未完全解决的领域，今后的主要研究方向有： ( 1 ) 换热器网络的优化方法研究； ( 2 ) 换热器网络的动态特性研究； ( 3 ) 换热过程的智能控制； ( 4 ) 换热器网络应用领域。 其中第一个方面针对现有的求解m i n l p 模型的方法对于大规模复杂问题难以求解 的闯题，对优化方法的进一步研究提出了要求；第二、三个方面是针对换热系统运行过 基于流股有效温位的大规模多流股换热器网络综合 程中，由于受到外界的扰动影响，其运行参数会偏离设计运行参数，造成换热器网络的 经济性下降的问题，对动态系统的模型和即时动态控制提出了要求；第四个方面针对目 前我国对换热器网络的应用和研究主要集中在化工行业的现状，提出将换热器网络方面 成熟的方法应用于相关领域如制冷、空调系统、热泵技术等。本文主要针对第一个方面， 面向大规模工业多流股换热器网络，针对多流股换热器网络结构复杂。难于求解的问题， 提出了基于流股虚拟温度和垂直匹配法的多流股换热器网络综合n l p 数学模型，避免 了基于超结构的m 1 n l p 模型难以求解大规模多流股换热器网络的局限，同时对遗传模 拟退火算法进行了改进，并将其应用于大规模换热器网络综合优化问题的求解。本论文 的研究工作将结合实际化工装置的换热器网络综合问题，主要目的是解决现有数学模型 和进化算法难以求解的大规模复杂多流股换热器网络问题。 大连理工大学博士学位论文 1 文献综述 1 1 换热器网络综合问题 换热器网络( h e a te x c h a n g e rn e t w o r k s ，h e n ) 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，对于生产过程中能耗的降低具有 十分重要的意义。许多学者对换热器网络最优综合问题进行了深入的研究，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 】。 在许多过程工业中，一些流股需要加热，而另一些流股则需要冷却。合理地把这些 流股匹配在一起，充分利用热流股去加热冷流股，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，无疑将提高整个过程系统的能 量利用率和经济性。合理有效地组织流股间的换热问题，涉及到如何确定流股间匹配换 热的结构以及相应的换热负荷分配。换热器网络最优综合问题的简化描述就是要确定出 具有较小或最小的设备投资费用和操作费用，并满足把每个过程流股由初始温度加热或 冷却到规定的目标温度的换热器网络。其中设备投资费用主要与换热面积及换热设备台 数有关，而操作费用主要与公用工程用量有关。这三个目标因素之间是相互影响的，其 关系如图1 1 所示： 图1 1 影响换热器网络费用的三个因素 f i g 1 1t h r e e i n f l u e n c i n g f a e t o mo f h e nc o s t 5 0 年代后期，现代化工生产开始向综合方向发展，流程结构日益复杂，原料、能源 的再循环利用，要求化工过程的设计以整体为目标，对整个生产进行合理的规划，由此 产生了化工系统综合这一概念。换热过程是化工生产不可缺少的环节，因此换热器网络 的综合成为化工系统综合的一个重要研究内容，特别是进入7 0 年代，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，换热器网络的设计 基于流股有效温位的大规模多流股换热器网络综合 受到人们的高度重视。 最初的换热器网络综合研究是以尽可能多地回收系统内部的能量、减少外加能量为 目标，因此问题被归结为数学中的任务分配问题，建立相应的数学模型进行求解，这些 研究大都只注重数学求解，对实际应用没有太大的指导意义【1 0 1 。使换热器网络综合研究 有了突破性进展的是r u d d 【l ”、h o h m a n n 1 2 】及他们的合作者，他们认为换热器网络的综合 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。 此后l i n n h o f f i ”j 对其理论不断完善，提出了夹点技术，确立了流股匹配时应遵循的热 力学规则，并把它应用于实际的化工流程的能量评估中，获得了令人满意的结果。1 9 8 4 年m o t a r d u 4 1 提出回路断裂策略，用于消除由夹点方法产生的多余换热单元，改进网络 的总体结构。夹点理论使换热器网络综合的研究向前迈进了一大步，弄清了过去数学方 法求解时好时坏的原因，从而推动了数学研究方法的继续发展。 随着换热器网络综合研究的深入，研究内容扩大到最小投资费用及换热器网络结构 的优化。这样在网络设计时，不仅仅要考虑最小能量消耗，还要考虑最小换热面积以减 少换热设备投资费用 1 5 - 1 6 。h o l i a s t o s 和m a n o u s i o u t h a k i s 【”1 将热机、热泵和换热器在 换热器网络综合中一起考虑，热机和热泵产生和消耗电能，从而实现了热和功之间的集 成。 除了新厂设计以外，换热器网络综合也被应用于老厂改造。早期的老厂改造重点在 减少总的换热面积和换热单元数上 1 8 l 。后来a n n i k a 等1 9 1 建立的新方法是以降低总的费 用为改造目标，在设计中考虑了一系列与匹配相关的参数，如流股间的物理距离、传热 系数等。 1 2 换热器网络综合方法 对于给定的换热器网络综合任务，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器网络综合方法。w h i s t l e r 2 0 i 最早研究了原油蒸馏装置中换热器网络综合问题。1 9 6 5 年h w a 2 1 】首次考虑有多种热流股 和冷流股的最佳换热结构设计问题，h o h m a n n l l 2 】首次提出，当给定了冷、热工艺流股数 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，在换热器网络综合的理论 工作上是一个重大贡献。u m e d a 等【2 2 i 基于热力学原理，采用有效能图，提出分组综合的 方法。l i n n h o f f 等田1 提出夹点的概念和夹点设计法，在换热器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：构造出的换热器网络具有如下性质：没有流股分支，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 2 4 1 提出了双温差法，使得设计工作更加灵 活、有效。c i r i c 等1 2 5 j 提出采用混合非线性规划法同时求解公用工程负荷，流股间的匹 配和最佳网络结构。用于换热器网络综合商品化软件已相继开发出来，如a s p e np i n c h ， 4 大连理工大学博士学位论文 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。 对换热器网络综合的研究，g u n d e r s e n 和n a e s s 2 6 1 于1 9 8 8 年，g u n d e r s e n 2 7 j 于1 9 9 1 年，j e z o w s k i 2 8 。2 印于1 9 9 4 年，l i n n h o f f 3 0 】于1 9 9 3 年，f u r m a n 和s a h i n i d i s 7 】于2 0 0 2 年都进行了专门的综述。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( h e uris t i cm e t h o d ) 启发式经验规划法也称为试探法或直观推断法。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 观推断调优法。它实际上是工程设计中应用最多的方法。早在1 9 6 9 年m a s s o 和 r u d d l 就提出用直观推断法建立换热器网络的方法。1 9 7 4 年p o n t o n 和d o n a l d s o n i j 列提 出了可用于计算机快速合成换热器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、冷流股由高温端向低温端逐次进行匹配的规则。1 9 7 3 年p h o 和l a p i d u s p 刮 提出了基于规则的换热器网络综合的树搜索法。 n i s h i d a 等【3 4 】证明用上述规则可得到具有最小换热面积的网络结构，并提出了一个 简单实用的方法一调优方法。借助温一焓( t - 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。工业换热器网 络中，考虑到流股的流量、温度、压力以及物性等因素，需要选择不同的型式、不同材 质的换热器，其传热系数值、换热器单位面积费用a 值会相差卜2 个数量级，为此应 对最小面积网络进行改进。对于出现多次流股分支、混合，以及存在小热负荷换热器的 情况，可在产驯蛩上把原来垂直分隔的焓区间给以适当的合并，以减少换热设备数，从 而减少设备投资费，改善操作性。 在用启发探试法进行换热器网络最优合成的众多方法中，l i n n h o f f 等怛副所开发的 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”d 5 ，c h a l l a n d 等【2 4 1 和c o l b e r t d 6 】提出了双温差法，指出不应该以夹点温 差作为换热器网络综合的唯一变量，t r i v i d i l 3 7 】、j e z o v s k i 等【3 8 】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p 9 j 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 4 0 i 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 4 1 l 考虑了流股传热膜系数相差很大时的换热器网络综合问 基于流股有效温位的大规模多流股换热器网络综合 题。t r i v i d i 等【4 2 】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 【4 3 考虑了换熟 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摹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( p i n c hd e s i g nm e t h o d ，p d m ) 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”所在，并给以“解瓶颈”的一种方法i i j 。1 9 7 7 年n i s h i d a 等1 3 4 1 提出了基于热焓图的算法调优方法；u m e d a 等【2 2 1 基于热力学原理和有效能概 念，提出了利用二日图综合换热器网络的策略，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 f f 等【8 】提出了夹点技术( p i n c ht e 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一热端和冷端，可分别进行处理，对于 与夹点相邻的子网络，要按照夹点匹配的可行性规则来选择流股间的匹配换熟，以及决 定流股是否需要分支。离开夹点后，确定流股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 点上方的子问题应该避免引入公用工程冷却流股；第三，夹点下方的予问题应该避免引 入公用工程加热流股。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 n h o f f 和h i n d m a r s h 2 3 】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： 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 小公共工程耗量及夹点位置。 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。 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，得到了一最大能量回收网络，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【删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 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。 c h a l l a n d 等【2 4 】指出不应以夹点温差作为网络设计的唯一变量，又提出了双温差法。 t r i v e d i 和n e i l l 3 7 1 与j e z o v s k i 3 8 1 在夹点设计法基础上提出了双温差的伪夹点设计法。 6 大连理工大学博士学位论文 王莉等1 4 5 】和李晖【3 9 1 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 4 6 】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 标是网络拓扑变化最小，同时增加面积费用最小。 夹点技术的优势f 4 7 是在设计过程中，设计者有选择的余地；易懂，适于手算；能够 较快产生不同拓扑结构的网络并已有成功的应用实例，取得了显著的效益。 夹点技术在学术上和工程应用中都取得了巨大成就【4 8 】，其方法本身也在不断的完善 和扩展 5 , 4 9 - 5 0 。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 【3 5 1 ，还可以用于公用工程系统及过程系统的能量集成【1 3 ，5 1 。53 1 。但由于它是分步设计，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。 夹点技术的应用现在也已经被成功应用于质量网络的集成 5 4 - 5 8 】，通过构造浓度一质 量负荷图进行质量网络的匹配和综合，以实现质量网络的最优化。s i n g h v i 等【5 9 】利用夹 点技术对供应链中的总生产计划进行分析，通过构造需求和供应组合曲线，让计划制定 者能深入了解供应链管理过程，从而能够方便地重新计划和迅速做出决策。 ( 2 ) 虚拟温度法( p s e u d o t e m p e r a t u r ea p p r o a c h ) 在应用夹点技术和t - h 图进行换热器网络综合时，通常采用单一的夹点温差咒。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 瓦。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【6 0 1 。针对这一问题，“虚拟温度法” 4 5 , 6 1 】被提出。 虚拟温度法既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。 流股虚拟温度的定义如下： 热流股虚拟初始温度= 实际初始温度一硝 热流股虚拟目标温度= 实际目标温度一瑙 冷流股虚拟初始温度= 实际初始温度+ 笮， 冷流股虚拟目标温度= 实际目标温度十夥 砑，笮，分别为热流股i 侧和冷流股，侧的传热温差贡献值。 基于流股有效温位的大规模多流股换热器网络综合 所以虚拟温度法的关键在于传热温差贡献值耳的求解。a h m a d 6 2 1 提出砭与h ，口 之间的关联式： e 7 乏。= c o n s t ( 常数) ( 1 1 ) 式中：”流股i 侧传热温差的贡献值； h i 流股i 侧的传热膜系数，已包括了该侧污垢热阻的影响： 口流股i 侧单位换热面积的价格。 式( 1 1 ) 说明，流股f 对传热温差的贡献值砭与 ，的平方根成反比，与口，的平方 根成正比，如能找到一参照流股的 ，、口，、t ，而且已知流股i 的h i 、口。值，则可 根据式( 1 2 ) 求出 r = 一 e ：，f 坐蝇：c q ，一必 ( 1 2 ) v 传口， 旷 c = ，f ! p ，参照流股的h ，、砟、巧可用统计方法估算或经验选取：啊、q 能 v “7 够较准确地计算出来。 利用虚拟温度法设计出换热器网络，然后还原成原来的温度，完成传热膜系数不同 和单位换热面积费用不同的换热器网络的最优综合。 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式( 1 2 ) 中常数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。 a h m a d 和l i n n h o f f l 4 9 1 的夹点技术预测最小传热温差k 。的方法是最小总费用目标 预测法也称超目标法。该方法的思想是在每个换热器的匹配进行选型设计之前，通过组 合曲线，确定公用工程费用，同时按照垂直匹配的原则，可计算出网络所需的总换热面 积，根据冷热流股数目和冷热公用工程数目，可计算出网络所需的最小单元数。假设所 有换热单元具有平均的面积，以总传热面积除以最小单元数得到单个换热器的面积，从 而可求得近似的换热设备投资费用。取不同的传热温差计算出相应的投资费用做出二者 关系的曲线，如图1 2 所示，这样可通过公用工程费用和换热设备投资费用的权衡，得 到总费用最少的情况下的优化的瓦一 大连理工大学博士学位论文 4 z o u u 1 h i n ，o p t 1 m i n 图1 2 最小传热温差和年度总费用关系图 f i g 1 2t h er e l a t i o n s h i po f na n da n n u a lt o t a lc o s t r a v a g n a n i 6 3 】利用遗传算法进行最小传热温差l 。的优化，根据t o w s e n d 和 l i n n h o f f 6 4 提出的最小面积方程，给定l ；。的初始值，通过组合曲线，按照垂直匹配 的原则，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l 。的寻优。 虽然咒；。的优化已经有了很多有效的方法，但是它们都属于分步优化的方法。它 们通常不考虑换热器网络面积分配对投资费用的影响，以此得到网络总费用最小对应的 优化的瓦然后再根据优化的瓦。对网络进行优化设计和改造。这些方法的局限是 没有同步考虑换热器网络结构和面积分配对投资费用的影响，也就不能得到最优的换热 器网络。同时，也没有一种有效的方法对流股传热温差贡献值耳进行优化计算。 1 2 2 数学规划法( m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ) 随着计算机技术的发展，换热器网络的研究出现了一个新的分支数学规划法。 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，求得满足上述约束条件并使 目标函数最小( 或最大) 的解。 根据对换热器网络优化设计三个不同费用目标( 公用工程消耗、换热面积费用和换 热设备台数) 的权衡步骤不同，数学规划法综合换热器网络可分为分步综合和同步综合 两类方法。其中分步综合方法具有代表性的是f l o u d a s 等【6 5 】基于夹点分析和转运模型所 提出的分步优化方法，其算法主要步骤为：第一步，首先在给定的最小传热温差h r a t 的条件下，使用l p 转运模型来确定夹点位置与最小公用工程消耗，通过夹点划分子网 络；第二步，求解各子网络的m i l p 模型，确定网络的最少单元数、流股的匹配及其热 9 ts t 0 s t c 0 刚 c 基于流股有效温位的大规模多流股换热器网络综合 负荷；第三步，在热负荷和匹配固定的条件下，再通过求解n l p 得到最小的换热面积 费用，以确定最优的网络结果。 与基于转运模型的分步优化方法不同，z h u 等 6 6 - 6 7 】基于夹点分析概念提出了区域概 念( b l o c kc o n c e p t s ) 。他根据热、冷组合曲线的形状和特征，把过程综合问题分解为一 系列区域，再为每个区域建立超结构，然后利用n l p 或m i n l p 进行各个区域的换热器网 络综合。 分步优化方法不能同时考虑换热器网络设计的三个不同费用目标权衡，也就是三个 不同费用目标难以同时优化，而且h r a t 选择以及是否将问题划分为子网络，对下一步 优化目标的决策及网络结构所需面积的确定都有很大影响。同时由于各子问题的相互影 响，即使每步中的各子问题均达到最优，也难以保证整体问题达到最优。 因此，同时权衡三个费用目标的换热器网络同步最优综合的研究引起了人们的重 视。y u a n 等【6 8 】是最先提出同步综合数学模型者之一，但是他们提出的m i n l p 模型要求 给定h r a t 值，同时不允许分流。y e e 等1 6 9 - 7 0 】提出了不受夹点技术限制的，可以同时考虑 三个费用目标权衡的分级超结构m i n l p 模型。但由于受线性化分解算法的限制，模型在 等温混合假设下实现线性约束，当由于结果中存在分流情况时必须再用n l p 优化以确定 结构的参数。c i r i c 和f l o u d a s 2 5 l 给出了公用工程消耗与h r a t 的计算函数关系，并构造 基于复杂结构和伪夹点的转运模型，建立了三个费用目标同步优化的m i n l p 模型。模型 采用广义b e n d e r s 分解算法求解，由于模型规模很大，而且严重非凸和非线性，求解效 率很低。袁希钢1 7 1 】也提出了不分流的换热器网络分段超结构和m i n l p 模型，其超结构较 为简化，模型也没有考虑换热设备的固定费用，原则上可化为n l p 问题求解。b j o r k 和 w e s t e r l