（控制理论与控制工程专业论文）换热网络优化节能技术的研究.pdf

摘要 换热网络优化节能技术的研究 摘要 在石油化工生产中，一些物流需要加热，另一些物流需要冷却， 换热网络把这些物流匹配在一起，利用热物流加热冷物流，提高系统 的热回收，减少公用工程加热与冷却的负荷，从而达到节能的目的。 换热网络需要具有最小投资费用和运行费用，并满足在各种约束条件 下，把每一物流由初始温度加热或冷却到目标温度。换热网络的设计 是一个优化问题，是石油化工生产节能技术研究的重要方面。换热网 络的设计一是朝着智能化方向发展，一是需要借鉴更多的经验知识。 本文把粒子群优化算法加以改进，结合经验设计规则，运用到换热网 络的设计中，目的在于提高换热网络设计过程的智能化、快速性和设 计结果的优良性，提高企业的经济效益。 本文采用不同的超结构模型分别描述无分流和有分流换热网络， 提出了换热网络的粒子群同步综合设计法，以最小总费用为设计目 标，同步考虑投资费用和运行费用。 在无分流换热网络的设计中，以换热网络中各个换热器的换热量 为演化个体，按照一定的顺序，借鉴夹点技术的设计规则，按照粒子 群算法寻优设计，计算各个换热器的存在及其换热量的大小。 在有分流换热网络的设计中，以各流股在各级的分流情况为演化 个体，采用两级优化方法，首先采用遗传算法优化各流股在各级的分 流股数，再在确定的分流股数下，采用粒子群优化算法计算最佳分流 北京化工大学硕士学位论文 情况。 整个设计解决了各个换热器的换热量受到多种约束条件、相互制 约等影响设计的难题，仿真研究证明了设计方法的可行性和优越性。 以某炼油厂的常减压蒸馏过程换热网络的设计为实际仿真对象， 解决了实际目标湿度是一个范围而不是定值的问题，设计的换热网络 的总体性能较好。 本文的研究工作证明了粒子群优化算法等优化技术在换热网络 节能设计中的可行性，并具有较好的效果，可以迸一研究与完善，以 提高换热网络设计的智能性和节能效果。 关键词：换热网络，节能，优化，超结构，粒子群，分流 摘要 t e c h n o l o g yo fo p t i m i z a t i o n a n de n e r g ys a v i n g o fh e a te x c h a n g e rn e t w o r 璐 a b s t r a c t h e a te x c h a n g e rn e t w o r l 【sa r ev e 巧c o m m o ni np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y t h e yp u th o ts t r e 锄sw h i c hn e e dt ob ec o o l e da n dc o o ls t r e a m sw h i c h n e e dt ob eh e a t e dt o g e t h e rt ou s eh o ts t r e a m sh e a tc o o ls t r e a m s t h u sal o t o fe n e 玛yc a nb er e c y c l e da n dm u c hu t i l i 哆c a nb es a v e d e n e 略ys a v i n g c a nb ef u l f i l l e d u s u a l l yab e t t e fh e a te x c h a n g e rn e t 、) l r o r l 【s m u s tm a k e e a c hs t r e a mt e m p e r a t u r e 行o mi n i t i a lt ot a 玛e tu n d e rs e v e r a lc o n d i t i o n s w i t hm i n i m u mi n v e s t i n gc o s ta n di n i n i m u mo p e r a t i n gc o s t d e s i g n i i l g h e a te x c h a n g e rn e t w o r k si sa no p t i m i z a t i o np r o b l e m i ti sa l s oav e r y i m p o r t a n ta s p e c ti i le n e 玛ys a v i i l go fp e t r o c h e m i c a lp r o d u c i n g o no n e h 锄d ，i n t e l l i g e n td e s i g na p p r o a c hi sn e e di nd e s i g n i n gm o r ea n d m o r e o n t h eo t h e rh a n d ，m o r ep r a c t i c a lk n o w l e d g em u s tb eu s e d t h i sp a p e f m o d i f i e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma n du s e di tt od e s i g nh e a t e x c h a n g e rn e 锕o r k sw i t hs o m ep r a c t i c a lk i l o w l e d g ei l l o r d e r t og e ta q u i c kd e s i g i lr a t e ，g e tb e t t e rh e a te x c h a n g e rn e 咐。旭a n dm a k em o r e m 北京化t 大学硕上学位论文 b e n e 毛i tt of a c t e 。，y ) 一。歹歹 其中z 为露维连续变量，y 为m 维离散变量，0 ，y ) 为羁标函数，g 似y ) 、 “，y ) 为物料平衡、能量平衡和设计规定等约束条件。 第3 阶段：求解m l p 模型。从超结构中选取规定目标条件的最优流程方 案和操作条件。 1 9 8 9 年，d o l 腮等提出的模拟退火算法需涉及大量的试探解，一方面由于要 产生一个可行解需要多次搜索，另一方面退火算法本身需要合理的算法参数，而 这些参数很难精确给定，求解效率很低。重9 如年，y e e 、研o s s m 雒等只考虑掰络 的面积费用和能耗费用，没考虑涉及单元设备数目的固定费用，闯题原则上可归 结为一非线性规划问题求解，但结果中可能包含较多的单元数目【1 2 ，1 3 1 。1 9 9 0 年， c 施等所提出的混合整型菲线性规划模型严重非凸，约束是二次型的，虽然所 采焉的分解算法大大改善了解酶旗量，但由予主问题仍为菲凸，无法克服局部极 小点，同时建立的模型依赖于夹点技术的网络温差及子网络的划分。1 9 9 1 年， d i o l 柚、y e e 、g r o s s m a n 、c i r i c 等分别提出了同时考虑网络运行费用和投资费用 的同步综合方法，y c c 、g f o s s m 勰提出的线性约柬混合整型菲线性规划模型可同 步优化公用_ i 程、面积费用和单元设备数，但模型的等温混合假设造成了有分流 情况下必须进行二次优化【1 4 1 。 数学规划法可用于解决具有大变量和多种反馈的问题，很适合工业系统的网 络设计，它可求出经验规则无法求出的优化网络。从理论上说，数学规划法是最 完美的方法。然而即使是全部由换热器构成的网络，其有关的影响因素也鼍 常多， 而且关系十分复杂。所以，各种网络优化的数学规划方法都不可避免的对单元模 型做出许多简化的假设。假设越多，所得结果偏离工程实际的真正优化解也必然 4 第一章绪论 愈大【1 5 1 。因此，数学规划法至今能在工作设计中得到广泛的应用。 1 2 4 夹点设计法 l i n n h o f ! f 等提出的夹点技术( p i n c ht e c h n o l o g y ) 【1 6 ，1 7 l 是设计换热网络的经典 方法，一种简便、实用的方法。夹点技术通过建立物理模型较深入地揭示问题的 内在特性，物理意义比较清楚，便易行、效果显著。夹点是在温焓图上移动冷、 热合成曲线后使之相交的点。经过移动后，除该点外，热合成曲线均位于冷合成 曲线的上方，这一相交点对应于理想状况下，换热网络所能回收的最大能量，阻 止进一步热回收和节能。夹点技术的核心是找出夹点，不允许通过夹点换热，根 据能量目标构造一个具有最大能量回收的初始换热网络；再以最少换备数为目 标，对初始网络进行调优，以减少换热设备数及设备投资费用，获得一个最优或 接近最优的换热器网络。 1 9 7 7 年，u m e d a 以热力学原理为基础，提出在有效能图上分区优化法，并 在温焓图( t - q 图) 上实现换热器网络优化，说明了夹点的存在性，这是换热器 网络研究的一个里程碑，标志着换热网络的研究进入了一个新阶段。1 9 7 8 年 i ，i 曲h o f ! f 和1 9 7 9 年f l o w e r 首先将换热器网络分解为两个子问题来研究：首先决 定最大的能源回收或最小的公用工程；然后在己知的最大能源回收的基础上，通 过换热器的匹配，使换热器的个数最少。u 皿h o f c 细致地分析了热回收夹点和合 成曲线分解的具体意义，并将公用工程消耗量过大与热交换产生的热流( 夹点下 方的加热、夹点上方的冷却) 通过夹点联系起来，在整个工艺过程中合理布置汽 轮机、热泵、蒸馏塔。1 9 8 3 年，m 呲h o 饪和h i n d m a r s h 把这一概念表达为夹点理 论，并逐步发展了夹点理论，以夹点为纽带，把最大能源回收和夹点温度通过最 小温差o 。联系起来。1 9 8 4 年，u m i h o f f 和p a r k e r 定义了加减原则。1 9 8 6 年， l i l l l l h o 仃和a j i l m a d 以及f l o u d a s 分别提出了求解换热网络优化夹点最小温差缸n 血 的不同方法。 夹点设计法设计换热网络时，首先需要构造具有最大能量回收的初始换热网 络【3 】： ( 1 ) 给定一初始最小允许传热温差出。确定夹点位置； ( 2 ) 在夹点处把换热网络分隔开，形成的两个独立子系统( 热阱和热源) 分别处理； ( 3 ) 对于每个子系统，设计先从夹点开始进行，采用夹点匹配可行性规则 及经验规则，选择匹配物流，确定物流十分需要分支； ( 4 ) 离开夹点后，约束条件减少，选择匹配物流自由度较大，但在传热温 5 北京化t 大学硕- ：学位论文 差约束仍较紧张豹场合( 即某处传热温差比最小允许传热溢差& 岫大不了多少 的情况) ，仍需遵循可行性规则； ( 5 ) 同时考虑系统的可操作性、安全性以及生产工艺中有无特殊规定等。 巨l 屹热复合麴线温焓图 ( a ) 热流体 ( b ) 冷流体 ( c ) 热复合曲线( d ) 平移后的热复合曲线 辆g 董- 2 蚤qc h a i t ( a ) 珏 ( b ) 岛 ( c ) c o n 崾帅n dc l l n ，e ( d ) m o v e dc o 叫哪dc l l r 、，eh o f i z o n t a l l y 温烩图可以很好的描述冷、热流体的特性。温焓图以温度f 必纵辘，以热烩 日为横轴。物流的热量用横坐标两点之间的距离即焓差埘表示，因此平移物流 6 第一章绪论 线并不影响其物流的温位和热量。温焓图上物流线上任一点切线的斜率即d q 出 定义为热容流量职单位为k w k - 1 。为了表示系统的特性，可以将多股热流合 并成一条热复合曲线，将多股冷物流合并成一条冷复合曲线，如图1 2 。 在构造初始换热网络时，对于夹点上方，热工艺物流( 包括其分支物流) 数 目应不大于冷工艺物流( 包括其分支物流) 数目，对于夹点下方，热工艺物流( 包 括其分支物流) 数目应不小于冷工艺物流( 包括其分支物流) 数目；对于夹点上 方，每一夹点匹配( 指冷、热物流同时有一端直接与夹点相通，即同一端具有夹 点处的温度) 中热物流( 或其分支物流) 的热容流率应不大于冷物流( 或其分支 物流) 的热容流率。此外，根据经验，应当选择每个换热器的热负荷等于该匹配 的冷、热物流中热负荷较小者，使之一次匹配换热可以使一个物流( 即热负荷较 小者) 由初始温度达到终了温度，这样的匹配使系统所需的换热设备数目最小， 减少了投资；如有可能，应尽量选择热容流率相近的冷、热物流进行匹配换热， 这就使得所选择的换热器在结构上相对的合理，并且在相同热负荷及相同有效能 损失的前提下传热温差最大( 相对于冷、热物流热容流率相差较大情况下的匹 配) ，即减小了设备费。 据夹点技术确定了全系统的“瓶颈 后，需要对初始换热网络进行调优。通 过利用夹点技术诊断出该过程系统中用能状况不合理的环节，并以此为依据，通 过改变换热流股间的匹配，或去掉一些不合理的加热器或冷却器或通过改变某些 密集型单元或子系统的工艺参数、进料状态，使它们能够处于背景过程中恰当的 位置等措施，来改善系统的用能状况。在实际中可采用的具体措施有【5 l ： ( 1 ) 对于换热器网络，应当恰当地减小过大的传热温差，以降低有效能损 失； ( 2 ) 对于能量子系统，应当改变其工艺条件来把它调整至过程系统中合理 的位置； 一 ( 3 ) 改进工艺流程，采用高效的能量转换设备。 在实际的设计中并不仅仅考虑最大能量回收，为了获得最大的经济效益，使 设备费和操作费之和最小，还需要考虑最小传热温差和换热单元数。 换热网络中的温度。夹点 限制了可能达到的最大热回收量，充分掌握“夹 点一的特性，可以有效的进行换热网络的最优设计，而且方法实用，工程技术人 员可以发挥多年的工程设计和生产经验，合理的考虑一些必要的工程因素。但是， 夹点法是一种分步式的设计方法，不用同步优化设备投资费用和公用工程费用， 并且较多的依赖于经验知识。 7 j 索纯大学硕l j 学霞论文 1 2 5 基于遗传算法的设计方法 遗传算法( g e n e i c 雕g o f i l 妇1 ) 起源于对生物系统所进行的计算机模拟研究， 是一种借鉴生物的自然选择和遗传进化机制而开发出的全局优化自适应概率搜 索算法。1 9 6 7 年，b a 西e y 在他的论文中首次提出了遗传算法。1 9 7 1 年，h o l l s t i e n 阐述了遗传算法用子数字反馈控制的方法，第一次把遗传算法用予函数优化。 1 9 7 5 年，h o l l 柚d 提出了基于生物遗传和进化机制的适合于复杂系统优化的自适 应概率优化技术，并系统地阐述了遗传算法的基本理论和方法，并提出了对遗传 算法理论研究和发展极为重要的模式理论。遗传算法解决优化阀题时，以种群表 示闯题可能的解集，种群由经过基因编码的一定数目的个体组成，每个个体携带 不同的染色体，染色体作为遗传物质的主要载体表现为某种基因组合，决定了个 体的性状的外部表现。初始化种群产生后，根据阁题中个体的适应度大小按照相 应的规则挑选个体，借助于自然遗传学的遗传算子进行组合交叉和变异，产生出 代表新的解集的种群，使种群像自然进化一样，后代种群比前代更加适应于环境， 末代种群中的最优个体经过解码，可以作为问题的近似最优解【1 8 l 。 采用遗传算法，对换热网络的综合问题提出改进酶优化模型及优纯策略，选 取换热网络的年度总费用最小为目标函数，将最小温差和网络结构参数进行同步 优化，在求解过程中，由物流匹配换热量确定冷、热物流是否匹配，同时考虑约 束条件，对匹配换热量按顺序在可行范围内随机取值，因此具有从可行解中以较 快的速度获得全局最优的能力【l 霉挪。 、， 遗传算法和专家系统相结合，在解决无分流换热网络时，同时考虑换热网络 的整体结构、换热网络单元数、有效换热面积和公用工程消耗之间的关系，建立 相应的同步综合模型，不仅减少了网络分枝、旁路和混合过程，还建立了麓络的 复杂性和操作成本【2 1 1 。专家系统的引入，实现了对匹配序列搜索的指导作用和对 遗传算法产生的无效匹配的过滤作用，缩小了可行匹配的搜索空间和结构参数的 搜索域。在解决有分流换热网络时，首先透过专家系统确定物流豹分流及匹配禁 止情况，在此基础上建立有分流换热网络的超结构模型，再采用遗传算法对模型 求解，最后经过分析协调，对网络结构和匹配单元同时进行优化阻矧。 基因矩阵是一种基于遗传算法和神经网络的多层感知器模型的有机结会优 纯换热网络的新算法和编码方算法。这种算法根据遗传适应度的大小，以随机搜 索的方式寻找在求解区域的最优解，采用神经网络多层感知器模型实现换热网络 的结构优化和参数优化，在经过遗传一感知模型进行优化【巩2 5 1 。 1 9 9 2 年，g 融l 曲e 毽提出并行秀生模型退化。1 9 舛年，w 蠢西嚣珏o 、h o 鼗鏊等人 将遗传算法和模拟退化算法串行组合。1 9 9 6 年，b w i n 等提出了采用遗传算法设 8 第一章绪论 计换热网的通用思路，1 9 9 7 年，“x i u x i 等人把遗传算法中种群和按适应度进行 选择的方法引入模拟退化算法中。1 9 9 8 年，h o n g 等人进一步完善了遗传算法和 模拟退火算法在换热网络设计中的应用。2 0 0 3 年，w 葫等人提出了多流股换热网 络设计的遗传算法，并取得了较好的效果i 嬲l 。 1 3 换热网络设计的发展方向 数学规划法在换热器网络优化设计虽然具有很多优点，但是设计方法中假设 过多，使得最优解存在一定的偏差；采用m i n l p 模型求解，由于模型中包含着 大量的等式约束条件和不等式约束条件，并且期目标函数是非凸、多峰的，因此 m 矾 模型的求解过程是在庞大和复杂的解空间中搜索最优解或近似最优解， 计算量过大；穷举法能够找到全局最优点，并且方法具有简单、鲁棒性强的特点， 但是当搜索空间很大，运算工作量很大，甚至是不可能的；夹点技术法需要分两 步优化，过多的依靠经验知识，仍不能满足设计的要求【则。 模拟退火、遗传算法等智能算法在换热网络设计中的应用，为换热网络的设 计提供了新的思路，由于智能算法具有并行性，可以同步综合换热网络，同时考 虑最大能量回收和最小投资问题，并且可以解决大规模计算问题，此外，智能算 法的搜索能力较强，可以大大提高设计过程的收敛速度p 1 。3 3 1 。 智能算法不断得到了发展，蚁群算法和粒子群算法等群智算法近年来得到了 较好的研究和应用，群智算法可以避免局部最优问题并大大提高优化计算的收敛 速度，其在换热网络中的应用，也必将加快设计过程和最优化设计效果，但是仅 仅依靠智能算法是不能够很好的设计换热网络的，必须用更多的经验知识和设计 准则来指导智能算法的优化计算【州。因此，换热网络的设计发展应当具有以下两 个特点：， ( 1 ) 应用并改进智能算法，描述换热网络中各因素对性能指标的影响及相 互制约，减少繁琐的计算，搜索全局最优方案1 3 只刈； ( 2 ) 结合经验常识、夹点技术中的设计规则等知识，指导智能算法的搜索 方向，保证设计过程朝着正确的方向进行，避免无意义的搜索，提高设计速度。 1 4 群体智能优化技术 群居昆虫以集体的力量，进行觅食、御敌、筑巢的能力。这种由于个体之间 以及个体与环境之间交互而使群体所表现出来的智能，就称之为群智能。如蜜蜂 采蜜、筑巢、蚂蚁觅食等。从群居昆虫互相合作进行工作中，得到启迪，研究其 北京化工大学硕 ：学位论文 中的原理，以此原理来设计新的求解问题的算法。当前主要有蚁群算法和粒子群 算法两种群智能算法。 1 蚁群算法( a m tc o l o n y 9 0 r i t h m ) 根据蚂蚁的集群觅食活动的规律，建立的一个利用群体智能进行优化搜索的 模型，蚁群算法对搜索空间的“了解是从观察蚁群觅食活动从中启发而建立的 机制i ”j ，主要包括： 蚂蚁的记忆：一只蚂蚁搜索过的路径在下次搜索时就不会被选择，由此在蚁 群算法中建立禁忌( t a b u ) 列表来进行模拟； 蚂蚁利用信息素进行相互通信：蚂蚁在所选择的路径上会释放一种叫做信息 素的物质，当同伴进行路径选择时，会根据路径上的信息素进行选择，这样信息 素就成为蚂蚁之间进行通一讯的媒介； 蚂蚁的集群活动：通过一只蚂蚁的运动很难到达食物源，但整个蚁群进行搜 索就完全不同。当某些路径上通过的蚂蚁越来越多时，在路径上留下的信息素数 量也越来越多，导致信息素强度增大，蚂蚁选择该路径的概率随之增加，从而进 一步增加该路径的信息素强度，而某些路径上通过的蚂蚁较少时，路径上的信息 素就会随时间的推移而蒸发。因此，模拟这种现象从而利用群体智能建立的路径 选择机制，使蚁群算法的搜索向最优解推进。 蚁群算法所利用的搜索机制呈现出一种自催化或正反馈的特征，因此可将蚁 群算法模型理解成增强型学习系统。这种选择不满足马尔可夫性：某时刻采取的 行动只与上一时刻的行动相关，与前面所有时刻采取的行动无关。这显而易见， 因为蚂蚁每次选择路径后，就将该路径存到t a b u 列表中，选择下一条路径时， 只能在t a b u 列表中不包括的路径中进行选择，而t a b u 列表正是蚂蚁前面所有时 刻采取的行动形成的。因此，蚁群算法模型就不是一个马尔可夫决策过程，也不 能理解为动态规划和蒙特卡罗这样的增强学习算法，而应理解为一种q 学习。 2 粒子群优化算法( p a r t i c l es w 姗o p t i l i l i z a t i o n ) 粒子群优化算法是k b 皿e d y 和e b e n i a n 源于群智能和人类认知的学习过程而 发展的一种智能优化算法i 搏柏】。p s 0 与g a 有些相似之处。首先，都是基于群体 的优化技术，即搜索轨道有多条，显示出较强的并行性；其次，无需梯度信息， 只需利用目标的取值信息，具有很强的通用性。此外，p s o 比g a 更简单、操作 更方便。因而，p s o 算法从诞生起，就引起了国内外学者的广泛关注，并掀起了 该方法的研究热潮，且在诸多领域得到了成功应用。 p s o 是计算智能领域一种群智能算法。与g a 相同，通过个体间的协作和竞 争实现全局搜索。系统初始化为一组随机解，称之为粒子。通过粒子在搜索空间 的飞行完成寻优，在数学公式中即为迭代，它没有遗传算法的交叉以及变异算子， 1 0 第一章绪论 而是粒子在解空间中追随最优的粒子进行搜索。 粒子群优化算法的研究大致可分为五个部分：算法、拓扑结构、参数选取、 与其他进化技术的融合及应用。 起初，p s o 是为实值问题而设计。后来，算法逐渐扩展到二进制和离散问题。 两种最常用的p s o 算法是全局版本p s o 和局部版本的p s o 。这两种版本的差别 在于粒子的邻域不同，即与各粒子直接连接的粒子数不同。局部p s o 的粒子， 邻域仅为其两边有限的几个粒子，而全局p s o 的邻域则为该群体所有粒子。如 此一来，全局p s o 可看成是局部p s o 的特殊情况。研究发现，全局p s o 收敛较 快，但易陷入局部极小；而局部p s o 可搜索到更优的解，但速度稍慢。此外， 为提高p s o 的性能，研究者又设计了许多不同的邻域结构。包括金字塔结构、 星形结构、小领域结构，以及冯诺以曼结构。试验结果表明，冯诺以曼结构比 其他规整邻域结构效果要好，包括全局和局部p s o 。研究还发现，对于复杂问题， 采用小邻域结构要好，而对于简单问题适宜用大邻域结构。还有的学者对动态邻 域结构进行了研究。通常，每种结构都有其优势，但缺点也无法避免。对一些问 题，可能该结构好，但另外一些问题，则不然。 p s o 速度的改变由三部分组成：社会项、认知项和动量项。三部分如何平衡， 决定了p s o 算法的性能。原始p s o 中增加了的第一个新参数为惯性权，惯性权 的引入是为了平衡全局与局部搜索能力。惯性权值较大，全局搜索能力强，局部 搜索能力弱，反之，则局部搜索能力增强，而全局搜索能力减弱。采用动态惯性 权值能够获得比固定值更为好的寻优结果，动态惯性权值可以在p s o 搜索过程 中线性变化，亦可根据p s o 性能的某个测度而动态改变。随后，另一个参数称 之为收缩因子的系数被引入，目的是希望p s o 可以收敛。从数学上分析，这两 个参数是等价的。 p s o 原理上十分简单，所需参数也较少，并且易于实现，已经应用到很多的 领域。 1 5 论文的研究范围和组织结构 本文针对大规模换热网络的设计需求，重点研究了粒子群优化算法在换热网 络设计中的应用。从优化的角度，分别讨论了无分流和有分流情况的换热网络的 设计过程。设计中，改进了常规的粒子群优化算法，使之适用于换热网络的设计； 通过结合较多的经验常识和夹点技术的部分设计规则，指导寻优计算；通过群智 技术，提高计算速度，并避免局部最优。同步优化投资费用和运行费用，设计具 有最优的网络结构和最佳的公用工程用量的换热网络。 北京化t 大学硕 ：学位论文 本章概括的总结了换热网络的设计目标及现行设计方法，讨论了换热网络设 计的发展方向。第二章将讨论换热网络的设计规则，并采用不同的超结构描述无 分流和有分流的换热网络，以总费用最小为优化目标，建立同步综合设计的优化 模型。第三章将提出无分流换热网络的粒子群优化设计方法及有分流换热网络的 两级优化设计方法。第四章将通过优化设计方法，研究常减压蒸馏过程换热网络 的仿真设计。第五章将总结研究工作并提出研究的展望。 第二章换热网络设计的经验规则及模型 第二章换热网络设计的经验规则及模型 2 1 换热网络的经验设计规则 2 1 1 优化设计的基本原则 从最大节能的角度出发，换热网络设计的基本原则主要有垆j ： 1 最小外部损失原则 外部损失即有形损失，包括有废气、废液、废渣、冷却水、各种中间物或产 品带走能量造成的损失；跑、冒、滴、漏等造成的损失；保温和保“冷 不良造 成的散热和散“冷 损失等。虽然这些外部损失的能量能级不太高，但它们都是 由投入系统的高级能源，因其过程的不可逆转化而得来的。所以在设计和生产中， 应力求使排出系统而未利用的余热降低到最低的限度，做到能量的充分利用。 2 最佳推动力原则 从能量利用的观点看，一切化工过程都是能量的传递和转化过程。它们都是 在一定的热力学势差( 温度差、压力差、电位差、化学位差等) 推动下进行，过 程进行的速率和推动力成正比，没有热力学势差，就没有推动力的过程，实际上 是无法实现的。任何热力学势差都是不可逆因素，都会导致过程的火用损失。因 此，能量利用的中心环节是，在技术和经济条件许可的前提下，采取各种措施， 寻求过程进行的最佳推动力，以提高能量的有效利用率。 3 能量优化利用原则 在化工生产中，原料与产品通常在常温常压下存在，而反应过程常在高温或 高压下进行。因而原料、中间物与产品需反复进行升压、降压、加热、冷却、增 湿和减湿。除了输入一次能源外，化工过程中还有各种二次能源如化学反应和物 理变化的热效应可以利用，这就构成了复杂的用能系统：一次能源和二次能源、 热量与冷量、电能、高压流体的机械能等共存的系统。因此，各种形式能量的相 互匹配、综合利用，使之各尽其能就具有特别重要的意义。 最小外部损失原则、最佳推动力原则和能量优化利用原则是节能优化的基本 指导原则，最终实施还要取决于技术经济的总体评比。 2 1 2 最小总传热面积设计的基本原则 在进行换热网络设计之前，无法精确计算换热网络的面积，因此，换热网络 的面积目标是物流按纯逆流垂直换热时的近似面积目标，即在冷热复合温焓图上 嚣裘纯z 大学疆 学霞论文 计算各区间垂直换热所需传热面积，然后加和求得。所谓垂直换热是指各区间的 冷、热物流只与本区间的热、冷物流换热，丽不与其他区间的热、冷物流换热。 在复合温焓图的每个拆点处作垂线进行分区。各区内冷、熟物流的数目和热容流 率维持不变，区内的换热按纯逆流换热，所以物流间的传热温差可按逆流对数平 均传热温差计算。只考虑冷、热流体的对流传热热阻，忽略其他热阻l 硝 。 在热回收量一定酌条件下，尽量减小传热设备的平均传热温差之差，在总传 热系数k 为常数且各换热器的足都相等的条件下，就会使换热网络的总换热面 积最小。由此得到在热回收量一定的条件下，使换热网络总传热面积最小的冷、 热物流的匹配换热规则王： 最离温位的热流应该与最高温位的冷流匹配换热；中等温位的热流应该与中 等温位的冷流换热：最低温位的热流应该与最低温位的冷流匹配换热。 换热网络被分成内部换热子系统和外部换热子系统。对内部子系统的最优综 合阆题可定义为；已给定内部子系统的总换热量，已知各工作介质流的温度及其 各项物理参数，寻求内部子系统换热器网络的系统结构以及网络中各换热器之间 热负荷的分配，使得总的传热面积最小。 圊一般的优化阎题糯似，必须从最优系统结梅定义的基础土来得出形成最优 系统结构的必要条件。由于需要在所有可行的系统结构中寻求总换热面积为最小 的那个系统结构，所以对最优系统结构作如下定义。 总体最优即在所有可行的系统结构中，如果并且仅仅如果肖某一系统结构使 得总的传热露积为最小，剥认为这一系统结构为总体最优。但是采用分析方法缀 难处理总体最优问题，因此在系统结构中必须考虑局部最优。局部最优，指如果 并且仅仅如果某一系统结构中的任何细微变化都会导致总的传热面积的增加。 如采换热器的数遐是固定的，并且给定赞系统结构是最优的，则对系统中的 任意两个换热器之间的冷热工作介质进行互换必定会导致总传热面积的增加。因 此得出规则2 ： 如果： ( 1 ) 冷物流c ，、热物流琏的数目及换热器的数目相同，即删一铡一z ； ( 2 ) 所有换热器的热负荷是相同的； ( 3 ) 每一股物流都仅进行一次换热； ( 4 ) 所有热物漉及所有冷物流的热容流率都相等，帮；t 一瞩。， - - 一 则在给定总换热量下，内部子系统为最优系统结构的必要条件是其冷、热物 流之间的换热应是依次地按其初温度下降的次序来进行匹配。 同规则2 的原理，得出规则3 ： 1 4 第二章换热网络设计的经验规则及模型 如果规则2 中删一c - ，sm i n ( 删，c ) ，并且每股工作介质流最多进行 一次换热，则系统结构为最优的必要条件是，温度最高的热物流应当和温度为第 c 一，+ 1 高的冷工作介质流进行换热，而温度为其次高的热物流应当和温度为第 c 一，+ 2 高的冷物流进行换热，所以最优的系统结构为： ( h 。，c 。+ 。) ( h ：，q 一+ ：) ( h ，q ) 无论换热量及热容流率的大小如何，甚至在它们趋于无穷小时，规则2 和规 则3 都适用。 同样，得出规则4 ： 如果一股热物流及一股冷物流在具有相同换热量的换热器内进行一次以上 的换热，则在给定总换热量下的最优系统结构是逆流的条件下，总传热面积与换 热器的数目无关，且等于其换热量为总换热量的一个换热器的传热面积( 在逆流 换热中，总传热面积与热负荷的分布是无关的) 。 同样，得出规则5 ： 如果一股热物流及一股冷物流分别分成几股子分流，然后在每股子分流间都 进行一次换热，则最优的系统结构必须保证在每个换热器内冷、热子分流的热容 流率份额及换热量份额都是相等的，此时总换热面积与换热器的数目无关，且等 同于具有相同总换热量的一个换热器的传热面积。 2 1 3 最小能量设计的基本原则 能量目标就是指最小加热公用工程鸳和最小冷却公用工程量。能量目标随夹 点温差而变，夹点温差一定，所分析系统的能量目标就一定：若夹点温差增大， 加热公用工程和冷却公用工程的用量均增大，且增大的数量相等。当一个系统的 夹点温差大大地超过最经济的夹点温度时，则可知通过缩小夹点温度就可挖掘出 节省公用工程的潜力【5 j 。 合成最大热回收量，即最小公用工程用量的网络的物流匹配换热规则：最高 温位的热流应该与最高温位的冷流匹配换热；中等温位的热流应该与中等温位的 冷流匹配换热；最低温位的热流应该与最低温位的冷流匹配换热。 夹点是冷热复合温焓图中传热温差最小的地方，此处的热通量为零；也就是 说，能量回收系统中夹点的位置，是由过程系统的热量及物料衡算确定的，它决 定了该系统能量回收的多少。在一个具体的化工过程中，夹点表现为过程流股的 温位，其中在夹点处冷、热流股的温差即为进行换热的最小传热温差t 曲。 缸曲一峨曲+ 雠m i d 。( 2 - 1 ) 其中岛面。为热流股的温差贡献值，垃c 血为冷流股的温差贡献值。 北京化丁大学硕上学位论文 夹点的出现将整个换热网络分成了两部分：夹点之上和夹点之下。夹点之上 称之为热端，只有换热和加热公用工程，没有任何热量流出，可看成是一个静热 阱；夹点之下称之为冷端，只有换热和冷却公用工程，没有任何热量流入，可看 成是一个净热源。在夹点处，热流量为零。 如果在夹点之上热阱子系统中设置冷却器，用冷却公用工程移走部分热量， 根据夹点之上子系统热平衡可知，这部分热量必然要由加热公用工程额外输入， 结果加热和冷却公用工程量均增加。同理，如果在夹点之下热源子系统中设置加 热器，加热和冷却公用工程用量也均相应需增加。如果发生跨越夹点的热量传递 即夹点之上热物流与夹点之下冷物流进行换热匹配，则根据夹点上下子系统的热 平衡可知，夹点之上的加热公用工程量和夹点之下的冷却公用工程量均相应增 加。 因此，为达到最小加热和冷却公用工程量，换热网络能量目标为最小的基本 原则即夹点方法的设计原则，总结为规则7 ： ( 1 ) 合理地设置夹点处的温差贡献值； ( 2 ) 夹点之上不应设置任何公用工程冷却器； ( 3 ) 夹点之下不应设置任何公用工程加热器； ( 4 ) 不应有跨越夹点的传热。 此外，夹点是制约整个系统能量性能的“瓶颈”，它的存在限制了进一步回收 能量的可能。如果有可能通过调整工艺改变夹点处物流的热特性，例如使夹点处 热物流温度升高或使夹点处冷物流温度降低，就有可能把冷复合曲线进一步左 移，从而增加回收的热量。 确定出系统夹点的重要性在于：理论上，夹点把整个换热网络热回收系统分 解成了两个独立的部分，即夹点以上的热阱( 热端) 和夹点以下的热源( 冷端) ， 在热端不允许引入冷公用工程，在冷端不允许引入热公用工程，并且冷端和热端 之间不允许由热量交换，即没有热量穿过夹点。在这种思想指导下设计出的能量 回收系统所回收的能量达到最大( m a x m i u me n e 曜yr e c o v e r y ) 。在实际中，由于 综合考虑到某些换热器面积过小或由于操作安全、维修等方面的影响，会对由夹 点设计法得到的原始换热器网络进行修正，以得到实际可行的能量回收系统。 2 1 4 最少换热单元设计的基本原则 换热单元数目的增加将导致投资费用的增加，而且相对换热面积而言，单元 数目对设备投资费用的影响更大【5 1 。因为每台换热器的费用中封头、外壳、土建 基础等占很大比例，而管束面积只是其中费用中的一部分，这一点也可以从换热 1 6 第二章换热网络设计的经验规则及模型 器费用计算公式中看出。换热器费用与换热面积的关系一般表述为： c 。口+ 6 4 d ( 2 2 ) 其中c 为换热单元费用，口为安装费用，6 为换热面积费用系数，d 为换热面积 费用指数，彳为换热面积。 从式2 2 ，可以得出面积对费用的影响不如换热器台数的影响大。因此在换 热网络设计中，通常把能量目标和换热单元数目目标看作是比换热面积目标更重 要的目标。 换热网络的最小单元数目可由欧拉通用网络定理来描述： 【厂。血- + 一s ( 2 - 3 ) 其中u 为换热单元数目，包括换热器、加热器和冷却器，为流股数目，包括 工艺物流以及加热和冷却公用工程，为独立的热负荷回路数目，s 为可能分离 成不相关子系统的数目。 当系统中某一热物流的热负荷和某一冷物流的热负荷恰好相等，且其间各处 的传热温差均不小于规定的最小传热温差时，则该两物流依次匹配换热就 完成了各自所要求的换热负荷。此时，该两物流与其他物流没有关系，可以分离 出作为独立的子系统。当系统中存在这样二个独立的子系统时，整个系统就可以 分离成两个不相关的子系统。通常系统往往没有可能分离成不相关子系统，故s = 1 ；一般希望避免多余的换热单元，因此尽量消除回路，使l = o ，于是有： u 曲一一1 ( 2 4 ) 在设计之前，通常认为加热公用工程物流为1 ，冷却公用工程也为1 。但是， 最大能量回收网络设计把整个网络分解成为夹点之上和夹点值下两个独立的网 络。在这样的设计之下，整个网络的最小换热单元数目成为夹点之上和夹点之下 两个子系统最小换热单元数目之和。但是两个子系统换热单元数目之和往往大于 把整个换热网络作为一个整体来对待时的换热单元数目。即是说当允许有部分热 里穿越了夹点造成能量的惩罚时，减少了整个换热网络的设备单元数。 因此产生一个权衡问题，少用换热单元，可使设备投资减少，但又引起能量 费用增加：按照最大能量回收设计换热网络，可使能量消耗降到最少，但投资费 用会大一些。 通常所说得换热单元数目目标，是指把整个换热网络作为一体对待时的最少 换热单元数目。 综上得出规则8 ： ( 1 ) 选择每个换热器的热负荷等于该匹配的冷、热物流中热负荷较小者， 使之一次匹配换热可以使一个物流( 即热负荷较小者) 由初始温度达到了终了温 1 7 嚣家傀丈学颈七学位论文 度。这样的匹配，系统所需的换热设备数目最少。 ( 2 ) 在考虑规则一的前提下，如有可能，应尽量选择热容流率值相近的冷、 熟物流进行匹配换热，这就使所选的换热器在结构上相对简单，费用也低。同时， 由于冷、热物流热容流率接近，换热器两端传热温差也接近，所以在满足最小传 热温差触赫的前提下，传热过程的不可逆性最小，对相同热负荷情况传热过程 的损失最小。 2 2 换热网络设计模型 2 。2 1 援热网络的超结构 1 9 9 0 年，y e e 提出的超结构模型在换热器网络优化的研究中被广泛运用。在 实际的王艺过程牵，流程结构通常不是唯一的，嚣是存在着多种甚至大量的可行 结构方案可供选择。由于各种单元操作之间的连接方式具有组合性质，可供选择 的单元越多，组合问题的规模越大。在超结构中，采用节点来表示系统输入、输 出和每一个过程单元，用单向弧线表示从输入到过程单元或过程单元到输出的连 接，双向弧线表示过程单元问的连接。这样，可以采用一个平面图表示出超结构 的单元网络。该网络既表示了超结构的所有一选结机会，也包含了图中节点的存 在与否。为得到最优的流程结构，减少不必要的运算，超结构应尽量包含所有可 行解，也尽可能消除不可行解。按照超结构理论，描述换热鼹络。其中根据冷、 热流体是否被分流，主要有无分流和有分流两种结构的换热网络【1 2 ，1 3 ，4 1 1 。 1 无分流换热网络 在无分流的换热阙终中，冷、热流不被分为孑分流，每股热( 冷) 流体依次 与所有冷( 热) 发生可能的热交换。实际中，每股热流体和冷流体之间不是仅发 生一次热交换，为了全面描述可能的热匹配情况，每股热流体和冷流体需要匹配 脒次，如图2 1 。 无分流的换熟网络实际上是每股冷( 热) 流体依次与所有的热( 冷) 流体以 串联的方式发生热交换。第f 股热流与第j 股冷流体热交换的热流体的出口温度， 是第f 股热流与第+ l 股冷流体热交换的热流体的入口温度。第f 股冷流体与第 i 股热流热交换兹冷流体的出口温度，是第f 股冷流体与第扣熏股热流热交换静冷 流体的入口温度。在热交换中，各流股流体的热容流率保持不变。 噶m 一如+ 蛐( 2 - 5 ) ，毒+ l 一+ l ，毒( 2 6 ) 第二章换热网络设计的经验规则及模型 h f h + ， c ! ， c ，+ ， f i | ! ，j j七 七+ ， r 、一7 j - j i ：、一。l r 、蟛7 t 似i l 书。l 彳：、o i 图2 1 无分流换热网络的超结构 f i g 2 - ls u p e rs t i l r c t u f eo fh e nw i t h s p l i t e x c h 柏g e r 换热器 ) h e a t e r 加热器 c 0 0 i e r 冷印器 c 0 0 i e r 冷纠孺 图中h 为热流体，c ，为冷流体，七表示匹配数级，其中f - l 2 ，删， j 。1 ，c ，七一璩，删，删一m a x r ，c ) ，觥为热流体数，c 为冷 流体数，删为总匹配级数；伽表示第f 股热流与第i 股冷流体在第七级发生热 交换时，第f 股热流体的入口温度( 热端) ；e ，。表示第歹股冷流体与第f 股热流 在第七级发生热交换时，第，股冷流体的出口温度( 热端) 2 有分流换热网络 在有分流的换热网络中，冷、热流被分为具有热容流率不等的子分流，而是 每股热( 冷) 流体的子分流依次与所有冷( 热) 的子分流发生可能的热交换。实 际中，每股热流体和冷流体的不是仅分流( 合流) 一次，而是分流后又合流，为 了全面描述可能的热匹配情况，每股热流体和冷流体需要分流( 合流) 删次， 如图2 2 。 t h kjl c + l | j jt 珏+ ， g 劬， 图2 - 2 有分流换热网络的超结构 f g 2 - 2s u p e r s t u f c t u r e0 f 髓nw i t hs p l i t s 瓴c h 卸g e r 换热器 h e a t e r 加热器 c o o l e r 冷却器 图中h ；为热流体，c j 为冷流体，七表示匹配数级，其中f z 1 2 ，删， | 一协，c ，七一协，删，蒯m a x ，c ) ，删为热流体数，c 为冷 1 9 麓寨纯天学 羲圭学位论文 流体数，肼为总匹配级数；肚表示第f 股热流的第_ 条子分流与第j 股冷流体 的第条子分流在第露级发生热交换时，第股热流的第歹条子分流的