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浙江工业大学硕士学位论文 换热网络优化合成及其控制策略研究 摘要 我国能源供应紧张，且能源利用效率低，这些都严重制约了我国经济发展。因此，节 能降耗成为大势所趋。过程综合与集成一直是工业领域节能的主要手段，而换热网络的优 化设计是过程综合与集成中的重要内容。 在实际操作中，我们要求换热网络能够确保换后温度达到工艺要求：减少温度波动对 生产工艺的影响；平稳换热系统的操作，提高换热效率，降低能耗等。而这些也同时要求 实现对换热网络的实时、自动控制。一个较好的换热网络控制系统设计方案应包含以下两 项内容：换热网络控制结构设计、控制算法设计。前者很大程度上已经决定了控制量与被 控量间的灵敏度、控制量与被控量通道上的动态特性、系统的运行费用等，并在这些方面 制约后者。 因此，基于以上考虑，本文开展如下研究： 首先，根据物流参数，应用夹点设计方法对换热网络进行结构优化合成，这一步实现的 换热网络的拓扑结构设计，以最小年费用为目标； 其次，利用“下行通道”理论以及一些经验性规则，讨论了换热网络中的控制量设置， 即控制结构设计。不同控制结构设计方案的运行费用通过一优化数学模型进行比较。最后， 控制结构设计方案在控制系统性能与运行费用间进行权衡选择。考虑到一些控制系统性能 难以用一个性能指标量化，也难以同步优化更为复杂的优化数学模型，该控制结构的设计 采用分步考虑控制系统性能与运行费用问题、分步优化的方法。 最后，推导了多变量情况下的带稳态信息的动态矩阵控制算法，并在一给定结构、参 数、控制结构的换热网络上进行仿真。结果表明，该算法在抗扰动、设定值切换方面具有 较好性能。 关键词：节能降耗，换热网络，夹点设计，控制结构设计，多变量动态矩阵控制 浙江工业大学硕士学位论文 t h es y n t h e s i so p t i m i z a t i o no fh e a te x c h a n g e rn e t w o r ka n di t s c o n t r o ls t r a t eg y - ，r a bs t r a c t t h el i m i t e de n e r g yr e s o u r c e sa n dl o we n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yw i l lr e s t r i c te c o n o m i c d e v e l o p m e n ti n c h i n a t os a v ee n e r g ya n dl o w e re n e r g yc o n s u m p t i o ni sb e c o m i n gal o n gt e r m t e n d e n c y p r o c e s si n t e g r a t i o na n do p t i m i z a t i o ni sa m o n gt h em a i nm e a n so fe n e r g ys a v i n gi n i n d u s t r i a lf i e l d s ，a n dt h eo p t i m i z a t i o no fh e a te x c h a n g e rn e t w o r k ( h e n ) d e s i g nh a sb e e no n eo f t h ei m p o r t a n tp a r t so fp r o c e s si n t e g r a t i o na n do p t i m i z a t i o n t h e r ea r es o m ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t si ni n d u s t r i a lh e ns y s t e m f o re x a m p l e ，t h e o u t l e tt e m p e r a t u r em u s tm e e tt h ep r o c e s sr e q u i r e m e n t s ，r e d u c i n gt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o nt ot h ep r o c e s s ；t h eh e a te x c h a n g es y s t e mc a no p e r a t es t a b l y ；i m p r o v i n gt h eh e a t e x c h a n g i n ge f f i c i e n c y , r e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n ds oo n a l lt h e s er e q u i r e m e n t sn e e d r e a l t i m ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft h eh e n t h ec o n t r o ls y s t e md e s i g no faw e l lb e h a v e dh e nm u s t i n c l u d et w op a r t s ：t h ed e s i g no fc o n t r o ls t r u c t u r e ，a n dt h ed e s i g no fc o n t r o la l g o r i t h m t h e f o r m e rd e t e r m i n e st h es e n s i b i l i t yo fc o n t r o l l e dv a r i a b l e st om a n i p u l a t e dv a r i a b l e s ，t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e g u l a t i o nc h a n n e l s ，a n dt h es y s t e mo p e r a t i o nc o s t ，a n dr e s t r i c t st h el a t t e r b yt h e s ea s p e c t s b a s e do nt h ea b o v ec o n s i d e r a t i o n s ，t h ep a p e rf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ： a tf i r s t ，t h es t r u c t u r eo fh e ni so b t a i n e db ya p p l y i n gt h ep i n c ht e c h n o l o g yb a s e do nt h e s t r e a mp r o p e r t i e s ，a n dt h et o p o l o g ys t r u c t u r eo fh e ni sd e s i g n e da i m i n ga tl e a s ta n n u a lc o s t ； s e c o n d l y , t h ec o n t r o ls t r u c t u r ed e s i g nm e t h o do fh e n i sp r o p o s e db a s e do nt h et h e o r yo f d o w n s t r e a mp a t h s ”a n de m p i r i c a lr u l e s t h eo p e r a t i o nc o s to fc a n d i d a t ec o n t r o ls t r u c t u r e s c h e m e si sd e t e r m i n e db yab y p a s so p t i m a lm a t h e m a t i c a lm o d e l t h e r e f o r e ，c o n t r o le n g i n e e r s c a nc h o o s eac o n t r o ls t r u c t u r ew h i c hi sat r a d e - o f fb e t w e e nc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n do p e r a t i o n c o s t s i n c es o m ep e r f o r m a n c e so fc o n t r o ls y s t e mc a nn o tb eg e n e r a l l ye s t i m a t e db ya ni n d e x ，a n d s i m u l t a n e o u so p t i m i z a t i o n r e q u i r e sam o r ec o m p l i c a t e dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ec o n t r o l s t r u c t u r ed e s i g nm e t h o da p p l i e sat w os t e p so p t i m i z a t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e a n do p e r a t i o nc o s tr e s p e c t i v e l y 浙江工业大学硕士学位论文 f i n a l l y , t h em u l t i v a r i a b l ed y n a m i cm a t r i xc o n t r o la l g o r i t h mi sd e r i v e dw h i c hc o n t a i n st h e s t e a d yi n f o r m a t i o n t h e n ，i ti si l l u s t r a t e db yah e n w h i c hh a sag i v e ns t r u c t u r e ，p a r a m e t e r sa n d c o n t r o ls t r u c t u r e s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t eb e t t e rd i s t u r b a n c ea n dn o i s e 画e c t i o n 、s e r v o r e s p o n s ep e r f o r m a n c eo ft h i sc o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：e n e r g ys a v i n g ，h e a te x c h a n g e rn e t w o r k ，p i n c ht e c h n o l o g y , c o n t r o ls t r u c t u r e d e s i g n ，m u l t i v a r i a b l ed y n a m i cm a t r i xc o n t r o la l g o r i t h m 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 榉竿 日期1 ，牛上月1 ， 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 粕辉 导师签名：才乃乌系 日期：叫年月哆曰 日期：1 年箩月一日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 1 1 1中国能源发展现状 近年来随着我国经济的高速发展，能源需求越来越大，同时，再加上国际石油市场不 稳定因素，我国经济和社会越来越面临一严峻问题一能源问题。总的来说，我国能源发展 面临以下几个问题： ( 1 ) 能源资源品种丰富，人均占有量较少。 ( 2 ) 能源建设不断加强，能源效率仍然较低，能源生产和使用呈粗放型e 1 2 1 。 目前，我国能源利用方面呈现以下特点： 1 资源利用效率低，消耗高： 2 每单位资源所产生的效益差，与国际先进水平相比存在很大差距。资源的低效利用 进一步加剧了资源对经济社会发展的瓶颈制约。 我国能源利用效率为3 3 ，比发达国家低l o 个百分点；单位产值能耗是世界平均水平 的2 倍多，比美国、欧盟、日本、印度分别高2 5 倍、4 9 倍、8 7 倍和4 3 ；我国8 个行业( 石 化、电力、钢铁、有色、建材、化工、轻工、纺织) 主要产品单位能耗平均比国际先进水 平高4 0 ；燃煤工业锅炉平均运行效率比国际先进水平低1 5 2 0 ；机动车百公里油耗比 欧洲高2 5 ，比日本高2 0 。我国建筑采暖、空调能耗均高于发达国家，其中单位建筑面 积采暖能耗相当于气候条件相近的发达国家的2 3 倍。能源利用效率与国外的差距表明，我 国节能潜力巨大。根据有关单位研究，按单位产品能耗和终端用能设备能耗与国际先进水 平比较，目前我国节能潜力约为3 亿吨标准煤i 引。 ( 3 ) 能源生产迅速增长，生态环境压力明显【1 ，2 1 。 中国2 0 0 5 年的煤炭消费量为2 1 4 亿吨，占到能源消费总量的6 8 9 ，这种以煤为主的能 源结构使得煤烟型污染成为中国大气污染的特征。据估算，全国烟尘排放量的7 0 、二氧 化硫排放量的9 0 、氮氧化物排放的6 7 、二氧化碳排放量的7 0 都来自于煤炭燃烧。燃 煤电厂排放的二氧化硫和氮氧化物是造成酸雨污染的土要原因。 浙江工业大学硕士学位论文 在传统的燃煤污染尚未解决的同时，伴随着经济发展和城市化水平的提高，机动车污 染问题日益显现出来。目前全国民用机动车保有量已经超过4 3 0 0 万辆，专家预计到2 0 2 0 年， 中国机动车保有量将增至1 3 亿辆。随着机动车保有量增加，机动车尾气已经成为大城市空 气污染的重要来源。据测算，2 0 0 3 年全国机动车碳氢化合物( h c ) 、一氧化碳( c o ) 和氮氧化 物( n o x ) 排放量已分别达至u 8 3 6 1 万吨、3 6 3 9 8 万吨和5 4 9 2 万吨，分别比1 9 9 5 年增加了2 5 、 2 1 和3 0 倍。在北京和广州，8 0 以上的一氧化碳、4 0 以上的氮氧化物来自于汽车的排放。 从浓度分担率分析，机汽车排放上述污染物所占比重更高。 能源生产和消费产生的环境问题日趋严峻。2 0 0 5 年监测的3 1 9 个城市中，仍有近4 5 的 城市大气环境质量达不n - 级标准( 主要污染物为二氧化硫和颗粒物) ，暴露于未达标空 气中的城市人口超过统计城市人口的6 0 。全国5 2 7 个市( 县) 中，出现酸雨的城市有2 9 8 个，占统计城市的5 6 5 ，有些地区的酸雨频率达到1 0 0 。空气污染对居民的生产生活和 身体健康都带来了不利影响。上个世纪末世界银行的一项研究表明，中国由于大气污染， 每年约有1 7 8 万人过早死亡，大气污染致病造成的工作日损失达7 4 0 万人年。据估算，大 气污染造成的经济损失已经占至u g d p 的2 3 ，中国的大气污染的形势不容乐观。 ( 4 ) 增长中的石油进口依赖导致日益增长的能源不安全感，并使经济的持续增长面临 中断的严重风险【l 引。 从量上看，就目前情况而言，国内石油产出将在2 0 1 5 内达到2 亿吨的最高产值，随后 将持续下降。而至u 2 0 2 0 年的石油需求将是4 5 亿吨到6 1 亿吨之间，也就是至少一半或2 3 的 需求不得不通过进口满足。 从我国进口石油的来源地来看，我国石油7 1 来自中东地区，2 5 来自非州，再加上 国际石油市场不稳定因素，这些都构成我国石油供应的不稳定外部因素。 1 1 2 中国能源政策一节能优先 结合我国能源发展的实际情况，我国的能源政策基本上朝着节约高效、多元发展、清 洁环保、科技先行、国际合作这几个方向发展。其中节约资源是中国的基本国策。能源战 略应长期坚持节约与开发并举，把节约放在首位。坚持节能优先，开创节约型的发展方式 和消费模式，提高能源普遍服务水平，合理平衡供需。提倡生态文明和节约文化，普及节 能知识，推广技术成果。大幅度提高能源系统效率，尽快使重点耗能产业的能源效率达到 国际先进水平：不断提高能源综合效率，以尽可能小的能源资源消耗，支撑经济社会尽 可能大的发展【。 浙江工业大学硕士学位论文 在经济、能源、环境压力下和国家政策指导下，科技界也日益重视起节能降耗技术的 研究。为此，国家中长期科学和技术发展规划纲要明确把“工业节能 当作优先主题， 并指出：重点研究开发冶金、化工等流程工业和交通运输业等主要高耗能领域的节能技术 与装备，机电产品节能技术，高效节能、长寿命的半导体照明产品，能源梯级综合利用技 术 4 1 。 1 2 换热网络优化合成及控制策略研究现状 过程工业，包括化工、化肥、冶金、炼油、电力、轻工、动力、环保等能源密集型工 业，是首当其冲的能耗大户。这些领域的节能主要是通过过程综合来实现的，它通过过程 集成、综合、匹配等手段，从全局考虑，使上述传统行业的能耗逐年下降。换热网络( h e a t e x c h a n g e rn e t w o r k ，h e n ) 正是广泛应用于行业中的能源有效利用设备。它通过冷、热装置 物流的优化匹配换热来实现能量回收的目的。 1 2 1 换热网络优化合成研究现状 换热网络的优化合成可以作如下表述：有h 个热物流需要冷却，c 个冷物流需要加热， 它们的进口温度、目标温度、热容流率及传热系数给定，另有温位已知的1 组冷、热公用工 程可以利用。换热网络优化合成的主要目标可以有以下几种：最小公用工程消耗、最小换 热面积、最少单元数以及最少年费用等。其中，最少年费用是一个比较综合的指标，它同 时考虑了所有的前期投资费用因素( 换热面积、单元数) 以及运行费用因素( 公用工程消 耗) 。优化合成的任务要求设计满足合成目标的换热器网络，包括确定公用工程耗量，流股 的匹配与单元设备数目，换热器网络结构，各分支物流的流率，每台换热设备的热负荷、换 热面积及操作温度等。 自从h w a 5 l 发表了第一篇关于换热网络优化合成的论文以来，大量学者在这方面作了 研究，目前，形成了以下几种主要的优化方法1 5 - 引。 ( 1 ) 夹点设计方法 央点技术( p i n c ht e c h n o l o g y ) 被认为是众多网络优化设计方法( 双最小温差法、数学 规划法等) 中最为简便、实用的一种。它是由英国曼彻斯特大学的l i n n h o 瞰授首先在1 9 7 8 年提出来的，其核心是根据能量目标构造一个具有最大能量回收特性的换热初始网络，其 基本点是找j i j 央点( 注：冷流组合曲线j 热流组合曲线i 口j 传热动力嗽到最小值的点( 图 1 浙江工业大学硕士学位论文 1 - 1 ) ，它限制了进一步回收过程系统的能量，构成系统用能的“瓶颈 所在) ，不允许能量 通过夹点换热：再以最少换熟设备数为目标，对初始网络进行进一步调优，以减少换热设备 数及设备投资费用，从而获得一个最优或接近最优的换热网络1 2 5 】。但是，这种优化设计方 法有一定的局限性：它并没有直接把投资费用( 传热面积、公用工程能耗、换热单元数) 与设计方案联系在一起。因此，最终的换热方案可能还有进一步的调优空间。 ( 2 ) 双最小温差法1 5 j 双最小温差法由c h a l l a n d 等和c l b e r t 提出，在此方法中，组合曲线的最小换热温差取 为h r a t ，用以决定外供能量值，而合成网络时，个别换热单元的最小换热温差取为e m a t ， k k h fj k i 图卜1 冷、热物流丁- 图及夹点 嘧 t ) k 1 - 1 j k i 图1 2 冷、热物流产图及伪夹点 且e m a t 。前人对双最小温差法曾作过较为深入的研究，表明此法具 有明显的优点，在不增加外供能量的前提下所合成的网络结构简单，因而合成后的网络 其年总费用下降，且其稳定性有所提高。下面通过一例子说明双最小温差法的原理。 若将图卜l 所示的冷热组合曲线进一步作相对平移，形成一新的p i n c h 点( 见图卜2 ) ，称 此点为伪p i n c h 点( p s e u d o p i n c hp o i n t ) 。这时，最小换热温差为e m a t ( e x c h a n g e rm i n i m u m a p p r o a c ht e m p e r a t u r e ) ，且e m a t h r a t 。其中q p h ，m i 。与纵，m i 。分别表示最小换热温差为 e m a t i 对所需的最小外供热、冷能量。显然，o p h ，m i 。 o h ，m i 。，绋。，m i 。 q c ，m i 。此时，在高温 端和冷温端分别有利余能量绋= 函m i 。一q p h ，m i 。和p c = a c ，m i 。一q p 。，m i 。，这些富裕能量可自由 穿越伪p i n c h 点，而不会招致外供能量增加，给网络合成多提供了1 个自由度，这就是双最小 温差设计原理。 浙江工业大学硕士学位论文 双最小温差法允许能量穿越伪夹点进行全系统合成，简化了合成步骤。不能单纯从求 解最佳e m a t 来获得成本最低的网络结构，e m a t 不是一个优化变量，即当h r a t 为某一定值时， 同一e m a t 可能同时存在多种不同的网络结构。因而只有结合e m a t 且在合成过程中确保换热 面积及换热单元数同时向最小值方向移动，才能求得最优或接近最优的网络。 ( 3 ) 数学规划法 数学规划法是通过建立换热网络合成问题的数学模型，用数学规划求解所建立的目 标函数的最小值，从而得到最优的换热网络。y e e 和g r o s s m a n 构造了换热网络的超结构 ( s u p e rs t r u c t u r e ) ，并以此为基础建立了线性约束混合整数数学模型，直接通过求解模型 而得到最优的换热网络结构。 李志红等人研究了基于温度波动情形的有分流换热网络、无分流换热网络的弹性设计 和流量波动情形下无分流换热网络的弹性设计【1 0 。1 2 】。在其设计方法中，物流根据其波动范 围被分不同段，然后，根据一定的物流匹配原则，建立其超结构和基于此超结构的混合整 数非线性规划数学模型。 1 2 2 换热网络控制策略研究现状 在实际生产操作中，换热网络的操作和控制的任务主要如下：如何确保换后温度达到 工艺要求，减少温度波动对于生产工艺的影响；如何平稳换热系统的操作，提高换热效率、 降低能量消耗等。但由于装置本身的特性：进口温度、流量不可避免地存在扰动、大时滞、 非线性动态特性，要有效完成以上控制任务，具有一定难度。 在工业换热网络的控制策略研究方面，早期的研究成果如下：c a l a n d r a n i s 和 s t e p h a n o p o u l o s 提出了工业换热网络的“专家系统“控制方法。当h e n 系统发生某一扰动( 一 般是某股装置物流的进口温度、流量扰动) 或设定值发生改变时，专家控制系统根据换热 网络的结构特点，确定一条热负荷传递路线。然后，通过为传递路线上的一些中间温度设 计前馈反馈控制回路，使系统维持在期望稳态上【1 3 】。m a t h i s e n 、s k o g e s t a d 等人则是着重阐 述了工业换热网络中的旁路选择原则，从而为每个被控量( 装置物流的出口温度) 匹配一个 控制量( 旁路、公用工程物流流量) ，构成一个分散控制( d e c e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 ) 系统l 川。同样 阐述分散控制( d e c e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 ) 控制思想的还有b o y a c i 、u z t u r k 、a k m a n 等人【1 2 , 1 7 】。 a g u i l e r a 、m a r c h e t t i 、g l e m m e s t a d 等人提出了工业换热网络的分层控制结构。在分层控制结 构中，高层一优化层计算出满足最小能耗( 或最大能量回收) 和温度控制任务下的最佳稳 态，底层一过程控制层则负责驱动二 业换热网络至u 达该稳态【1 4 1 3 ，1 9 l 。a l e j a n d r o 、g o n z 矗l e z 浙江工业大学硕士学位论文 等人则把预测控制引入到工业换热网络的分层控制结构中【2 0 1 8 】。g - i o v a n i n i 、m a r c h e t t i ( 2 0 0 3 ) 提出来了工业换热网络的弹性控制结构( f l e x i b l e s t r u c t u r ec o n t r 0 1 ) 。但是，该控制结构无法 保证系统最终收敛于最佳稳态点【2 2 1 ，同时，在控制自由度不够的情况下，还存在多个主控 制量，竞争一个辅助控制量的问题。 1 2 3 换热网络控制问题总结 事实上，一个较好的换热网络控制系统，从其功能上看，应具有以下两个品质： 1 较快、较稳地使物流出口温度维持在工艺要求； 2 满足1 的情况下，系统能收敛到运行费用最小的最优状态上。 设计这样一个控制系统，一方面我们可以从控制算法层面上考虑其性能的提高：算法是否 具有一定的鲁棒性、是否能保证系统最终能收敛到运行费用最小的最优状态上、是否能处 理时滞( 换热器被认为是一个具有大时滞动态特性的对象) 、约束问题等。另一方面，我 们还要从其控制量设置层面上考虑，即在控制结构设计层面上考虑，这主要是基于以下三 方面原因： 1 一般的优化合成方法无法为控制系统提供足够的控制自由度，虽然，优化合成方法 得到的初始换热网络可以提供一定数量的装置物流分流、加热器、冷却器作为控制手段。 因此，为对换热网络实现有效控制，我们要在优化合成方法得到的初始换热网络上额外设 置一些旁路； 2 多变量系统用多回路控制方法时，我们要保证相互匹配的控制量与被控量间具有一 定调节灵敏度，同时，要减小控制回路间的耦合性( 某一回路内的控制量调整尽量不要对其 他回路产生较大影响) ，这一点只能从控制量设置方面入手解决。在这方面，文献 2 0 2 5 利用相对增益矩阵( r g a ) 和其条件数( n u m b e rc o n d i t i o n s ) 来确定最优的旁路配置方案； 3 系统的运行费用：不同的控制量设置方案，在处理某一温度调节任务时，会导致换 热网络中的各加热器、冷却器负担不同的热负荷，同时，由于这些加热器、冷却器提供或 者吸收单位热量的费用不同，因而会导致不同的运行费用。从经济性的角度考虑，我们希 望选择运行费用最小的控制量设置方案。在这方面，罗雄麟、张俊峰吲则提出了一种基于 旁路改造费用和运行费用综合最优的旁路优化设计方法，这种旁路优化设计方法在换热网 络的旁路优化控制中得到应用1 2 7 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 论文课题提出 从工艺设计的角度看，换热网络一般是以最大热回收量为目标的，同时保证参加换热 的某股物料流出换热网络的温度，即换后温度达到工艺要求的温度。由于受随机扰动等现 场因素影响，换热网络的操作面临许多问题，例如：如何确保换后温度达到工艺要求，减 少温度波动对于生产工艺的影响；如何平稳换热系统的操作，提高换热效率、降低能量消 耗等。而要解决这些问题，对换热网络的操作显然离不开控制系统的支持。 近年来，预测控制等先进控制算法在过程控制领域日益显示出其优势，与传统的最优 控制和自适应控制相比，它更适应复杂的工业工程控制中不确定环境的需要。预测控制还 可以灵活、方便地处理输入、输出等约束问题。然而，预测控制等先进控制算法在换热网 络上的应用则面临以下问题：一般的优化合成方法无法为控制系统提供足够的控制自由 度，其控制性能上的优势在一定程度上依赖于换热网络控制结构的设计，从某种意义上讲， 一个较好的换热网络控制系统，不应只是控制算法层面上的事，而是控制结构设计和控制 算法设计综合考虑的结果。因此，本文提出了“换热网络优化合成及其控制策略研究”， 在夹点设计网络的基础上，考虑换热网络的控制结构设计、控制算法设计。 1 4 论文主要内容及安排 本论文的章节主要作如下安排： 第一章为绪论，主要阐述以下内容：根据我国的能源现状以及能源政策，给出本课题 研究的现实意义；介绍换热网络合成的几种方法：综述换热网络控制系统的研究现状；分 析换热网络控制结构设计研究的重要性以及必要性，最后讨论章节的安排； 第二章主要是结合一例子，讨论夹点设计方法的流程： 第三章主要介绍讨论管壳式换热器的数学模型、分离点和汇合点处的能量、物料关系 以及换热网络中各物理单元的联结关系，从而为换热网络的动态仿真打下基础； 第四章讨论换热网络的控制结构设计，包括旁路的设置、以及控制结构的选择； 第五章讨论换热网络的先进控制策略研究，首先推导带稳态信息的多变量动态矩阵控 制算法，然后是其在换热网络上的仿真应用研究； 第六章则是讨论本课题的总结与展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章换热网络优化合成一夹点设计方法 2 1 引言 夹点技术( p i n c ht e c h n o l o g y ) 是由英国曼彻斯特大学的l i n n h o f f 教授首先在1 9 7 8 年 提出来的，由于其方法简单、灵活，工程人员容易掌握，并且可以发挥多年的工程设计和 生产实践经验等优点，被认为是目前最为实用的换热网络优化合成方法1 2 吼。 夹点技术2 9 3 l 】从本质上讲是一种序贯优化合成方法。首先，它是基于最小公用工程能 耗的初始换热网络合成。此步，最关键是夹点的确定以及夹点处的匹配换热设计。为保证 得到的初始换热网络公用工程能耗最小，设计必须遵循以下三个原则： 1 尽量避免有热流量通过夹点； 2 尽量避免在夹点上方引入冷公用工程物流； 3 尽量避免在夹点下方引入热公用工程物流。 其次，是在最小公用工程能耗初始换热网络的基础上，进行换热器个数的进一步调优，从 而得到一个能耗和设备数综合最优或者接近最优的换热网络设计方案。 以上是对夹点技术的简单介绍，下面从方法设计步骤的角度，结合例子对夹点技术作 一下详细介绍【3 2 1 。 2 2 温度区间的划分 以垂直轴为物流温度坐标，把物流按其进口温度和目标温度绘成有方向的垂直线。但 要注意的一个问题是：同一水平位置上，热物流的标度值要比冷物流的标度值高i n 这 样可以保证冷、热物流的i 。传热温差。然后，在各冷、热物流进口温度、目标温度处 作水平线，从而得到物流的各温度区间。 表2 1 为例1 的物流数据( 热容流率m c p 、进v i 温度r 、目标温度r ) ，根据以上描述的 物流的温度区f n j 划分方法，得到图2 1 的各物流温度区问划分( a i 。= 2 0k ) 。 浙江工业大学硕士学位论文 表2 - 1 例1 的物流数据 s t r e a mn u m b e r m c d k w抓 z k a n d t y p e k l h l 1 56 2 03 5 0 h 2 1 o5 8 6 33 2 3 c i 2 o3 9 1 36 0 0 c 2 3 0 33 1 33 9 3 从图2 - 1 可以看出，例1 中的物流可以划分为5 个温度区间，依次编号为s n l 5 。下 面根据划分的温度区间，计算其热量衡算，然后，据此建立问题表格，从而确定夹点位置。 2 3 温度区间内的热量衡算 图2 1 物流温度区间划分 温度区间内的热量衡算式如下： d k = ik o k b ：( 脚肛一) ( 瓦一瓦+ ) 2 _ 1 其中： d k 一第k 个温度r 基f n j 内物流的热量赤字，表示该温度区问内物流为满足热量平衡所需 外加的净热：量。从d k 的计算式，我们可以看出，当d k 为j 下时，表示需由外界供热；当o k 为负时，表示有剩余热量i ，j - 以输出，k w 。 浙江工业大学硕士学位论文 缸一由外界或其他温度区间供给第k 个温度区间物流的热量，k w 。 0 l 【- 第k 个温度区间物流向外界或其他温度区间输出的热量，k w 。 朋铲第k 个温度区间，包含的所有冷物流热容流率之和，k w k 。 m _ c p i 。- 第k 个温度区间，包含的所有热物流热容流率之和，k w k 。 瓦m l 一第k 个温度区间的温度间隔，k 。 参照图2 1 的温度区间划分，各个温度区间的热量衡算如下： s n l ：该温度区间内有热物流h l 、冷物流c l ，其温度间隔为6 2 0k - 5 8 6 3k 。( 注：此温 度间隔是以热物流的标度确定的，如果以冷物流的标度为标准，则为6 0 0k - 5 6 6 3k 。两 者在计算热量衡算时是等价的) d l = ( 2 一1 5 ) ( 6 2 0 5 8 6 3 ) = 1 6 8 5 1 1 = o d l = 1 1 - d 1 = - 1 6 8 5 s n 2 ：该温度区间内有热物流h l 、h 2 、冷物流c l ，其温度间隔为5 8 6 3i 1 lk 。 d 2 = ( 2 一1 5 一1 0 ) ( 5 8 6 3 - 4 11 ) = 一8 7 6 5 1 2 = 0 1 = - 16 8 5 0 2 = 1 2 - d z = 7 0 8 s n 3 ：该温度区间内有热物流h 卜h 2 、冷物流c 2 ，其温度间隔为4 1 1k - 3 5 0k 。 d 3 = ( 3 0 3 1 5 一1 0 ) ( 4 1 l 一3 5 0 ) = 3 2 3 3 1 3 = 0 2 = 7 0 8 0 3 = 1 3 - d 3 = 38 4 7 s n 4 ：该温度区间内有热物流h 2 、冷物流c 2 ，其温度间隔为3 5 0k 3 3 3k 。 d 4 2 ( 3 0 3 1 o ) ( 3 5 0 3 3 3 ) = 3 4 51 i 4 = 0 3 = 3 8 4 7 0 4 = 厶- d 4 = 3 9 6 s n 5 ：该温度区问内有热物流h 2 ，其温度间隔为3 3 3k 3 2 3k 。 d 5 = ( 0 一1 o ) ( 3 3 3 3 2 3 ) = 一10 0 1 5 = 0 4 = 3 9 6 0 5 = ，5 - d 5 = 1 3 9 6 i o 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 夹点位置的确定( 问题表格法) 及其意义 各温度区间的热量衡算计算完以后，结果列于表2 2 中，该表被称问题表格。 表2 2 问题表格 温度区间编号d k k w无外界输入有外界输入 l l 。k wo d k wk k wo d k w s n l1 6 8 5 o 1 6 8 51 6 8 50 s n 2 8 7 6 51 6 8 57 0 8 o 8 7 。6 5 s n 33 2 3 37 0 83 8 4 78 7 6 55 5 3 2 s n 43 4 5 13 8 。4 73 9 65 5 3 22 0 8 1 s n 51 0 03 9 61 3 9 62 0 8 l3 0 8 1 从问题表格中，我们可以看出，有部份温度区间的五、d l 【为负( 无外界输入列) 。例 如，2 = o i 一1 6 8 5 ，这说明了该温度区间内的热物流提供不出使该温度区间内的冷物流达到 目标温度的热量。因此，需要从温度区间s n 2 流入一1 6 8 5k w 热量( 满足最小传热温差 t m i 。= 2 0k ) 。而实际上，这种热量流向是不合法的，因为温度区间s n 2 的温位要低于温度 区间s n l 。因此，另一种可行的方法是从外界公用工程物流得到额外的热量。所需外界提 供的最小热量应使各温度区间的五或d k 消除负值，即使最大负值的五或仇变为0 。 从例l 物流数据的问题表格3 4 列( 无外界输入) 中，我们可以看出外界提供的最小 热量应为一1 6 8 5k w ，据此，在1 1 处添加外界输入，重新计算各温度区间的热量衡算，得表 2 - 2 第4 5 列。从表2 2 第4 - 5 列，我们可以得到以下信息：系统所需的最小公用工程热 负荷：9 h 。m i 。= 1 6 8 5l ( w ，最小公用工程冷负荷：q c ，m i = 3 0 8 1k w ，另外，我们发现s n l 与s n 2 间的热流量为0 ，该处的传热温差刚好为i n ，我们把此处定义为系统的夹点。 在介绍夹点在换热网络优化合成中的意义之前，我们首先明确以下几个概念。 热端及冷端：央点上方的温度区间，我们称为热端：夹点下方的温度区间，我们称为 冷端。 热阱及热源：热端包含比火点温度要高的物流及其问的热交换，只要求公用工程热物 流输入热量，称为热阱；冷端包含比央点温度要低的物流及其m 的热交换，只要求公用工 程冷物流接收热量，称为热源。 下而，我们通过分析以下王种情况： 1 央点处有热流量通过：2 火点上方引入公用工 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 程冷物流：3 夹点下方引入公用工程热物流： 对于情况1 ，如果在 处多引入xk w 热量，按照热量衡算的计算方法，我们发现有x k w 热流量通过夹点处，同时，仇处也多引入了xk w 热量。这意味着系统所需的公用工 程冷、热负荷同时增加xl c w ，系统运行费用随着夹点处热量的通过，而受到双倍惩罚( 见 图2 - 2 ( a ) ) 。 1 6 8 5 + x 1 6 8 5 + y 1 6 8 5 i 热靖 1r i 冷端 3 0 8 1 + x ( a ) 3 0 8 l ( b ) y 3 0 8 1 + z ( c ) 图2 - 2 三种情况下的系统公用工程换负荷消耗 z 对于情况2 ，如果在夹点上方引入公用工程冷负荷yk w ，由各温度区间的热量衡算计 算可知， 处需要增加yk w 公用工程热负荷。此时，同情况1 一样，是对系统运行费用的 双倍惩罚( 见图2 2 ( b ) ) 。 对于情况3 ，如果在夹点下方引入公用工程热负荷zk w ，由各温度区间的热量衡算计 算可知，d 6 处需要增加zk w 公用工程冷负荷。此时，同情况1 、2 一样，是对系统运行费 用的双倍惩罚( 见图2 - 2 ( c ) ) 。 从以上三种情况下系统公用工程换负荷消耗分析，我们发现为保证得到的初始换热网 络公用工程能耗最小，夹点设计必须遵循的以下三个原则： 1 尽量避免有热流量通过央点： 2 尽量避免在夹点上方引入冷公用工程物流： 3 尽量避免在央点下方引入热公用工程物流。 浙江工业大学硕士学位论文 2 5 夹点设计方法 夹点设计方法认为夹点处是受限制最多的地方( 夹点处传热温差最小，且为达到最大 能量回收，夹点处不允许有热量通过) ，因此，是要首先着手设计的地方。离开夹点后， 约束条件减少了，设计也变得较为灵活起来。在这一部份对夹点设计方法阐述中，在针对 例l 进行具体设计前，先对夹点设计方法中的几个经验规则作一下阐述。 2 5 1 夹点匹配的可行性规则 夹点匹配是指直接与夹点相通的冷、热物流的匹配换热，从换热的可行性( 传热温差 大于最小传热温差i 1 1 ) 和最小公用工程热负荷消耗看，夹点匹配必须满足以下两个可行 性规则： ( 1 ) 物流数规则 对于夹点上方( 热端) ，热物流( 包括其分枝物流) 数目h 要小于或等于冷物流( 包 括其分枝物流) 数目肌，即 h c ( 2 2 ) 对于夹点下方( 冷端) ，热物流( 包括其分枝物流) 数目h 要大于或等于冷物流( 包 括其分枝物流) 数目c ，即 h c ( 2 - 3 ) 从本质上看，物流数规则是基于以上三个夹点设计的基本原则。我们假设出现这种情 况：夹点上方( 热端) ，热物流( 包括其分枝物流) 数目h 大于冷物流( 包括其分枝物流) 数目c 。那么必然有一部份热物流找不到冷物流与其匹配换热，那么此时，只好引入公 用工程冷物流。虽然这样做从换热的角度是可行的，但是违反的基本原则2 ，导致系统运 行费的双倍惩罚。 ( 2 ) 热容流率规则 对于夹点上方( 热端) ，每一夹点匹配中热物流( 或其分枝) 的热容流率c p h 要小于或 等于冷物流( 或其分枝) 的热容流率c i ，c ，即 c p h c p c ( 2 4 ) 对于夹点下方( 冷端) ，每一夹点匹配中热物流( 或其分枝) 的热容流率c p h 要大于或 等于冷物流( 或其分枝) 的热容流率c p c 即 c p h c p c ( 2 5 ) 这一规则足为了保证火点匹配中的传热