（流体机械及工程专业论文）基于△t贡献值的换热网络综合方法研究.pdf

d i s s e n a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 毋o ft e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ho nm e t h o do fh e a te x c h a n g e rn e l t l w o r k s y n t h e s i sb a s e do n 么弘c o n t r i b u t i o no fs t r e a m s c a n d i d a t e ：c h e ny i a d v i s o r ：s h e n gs o n g e n ，j i a n gn i n g c o u e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i t yo f1 1 e c h n o l o g y m a y 2 0 1 0 2 m1 舢4m 6 7肌7iii刖-y 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： 体狍日期：d 吖。年6 月夕日 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 僻挹 蜜曝 日期：d c l f d 年 日期沙汐年 占月尸日 易暴7 日 浙江工业大学硕士学位论文 基于彳f 贡献值的换热网络综合方法研究 摘要 随着世界性能源危机的加深，过程工业的系统节能越来越受到人们的重视。换热网络 作为过程工业中能量回收的重要系统，其设计水平的高低直接决定了过程系统的能耗和经 济性。因此，换热网络的最优综合逐渐成为人们研究的热点问题。与此同时，现有的各类 换热网络的综合方法都存在着一些问题和缺陷，迫切需要深入研究。 在现有的各类换热网络的综合方法中，夹点设计法较为成熟，这种方法的理论基础建 立在过程系统中的流股具有相近的传热膜系数基础上，但是在实际的过程工业中这种假设 并不成立，因此本文在引入温差4 二贡献值的基础上，针对传热膜系数有较大差异的过程 系统，进行换热网络综合的研究。本文围绕这一主题，主要开展的研究工作如下： 1 本文首先从传热温差驱动力的角度出发，对确定流股彳正贡献值的关联式进行了论 证和推导，因为流股的彳弘贡献值是本文方法的基础。在此基础上提出了基于彳弘贡献值的 系统性换热网络综合方法，给出运用此方法进行网络综合的流程步骤，并通过一个案例对 此方法进行研究和讨论，结果表明：运用此方法综合换热网络时，能够合理地对传热温差 进行分配，从而减小了换热面积和年度总费用。 2 本文通过对基于么孓贡献值的换热网络综合方法的深入研究，进一步提出了基于 彳弘贡献值法的三级优化策略，并给出了基于三级优化策略综合换热网络的具体实施步骤。 本文分别对这三步优化进行了详细的阐述，着重研究讨论了参数彤、z 的寻优范围，并在此 范围内通过二维优化方法进行寻优；而参数k 、z 的优化过程中又包含了网络超结构的优化， 其关系为内嵌关系，即在求解网络超结构的热负荷分配时，需进一步对网络超结构进行优 化，从而在能量费用一定的情况下，使得投资费用降低；最后一步优化则是通过网络调优 和能量松弛，进一步简化换热网络的结构，提高网络的适应性和调节性。 3 本文在上述理论基础上，基于m a t l a bg u i 软件设计平台开发了换热网络综合的 软件。该软件能够采用常规夹点设计法和本文提出的基于三级优化策略的4 弘贡献值法来 合成换热网络，为本文的理论研究提供了快速验证和比较平台，随后的案例研究也对本软 件系统的有效性和实用性进行了检验。 i 浙江工业大学硕士学位论文 4 最后，本文运用开发的换热网络综合的软件对几个案例进行了分析和研究，第一 个案例着重对基于三级优化策略综合换热网络的详细步骤进行阐述，后两个案例着重对工 程实际的过程系统进行网络综合。网络综合的结果表明，与传统夹点设计法相比，运用本 文提出的综合方法能够合理地对传热温差进行分配，降低了网络换热面积，年度总费用较 小，网络结构简单，可用于解决流股传热膜系数不同的实际换热网络集成问题。 关键词：换热网络，夹点，彳正贡献值，网络超结构，优化 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nm e t h o do fh e a te x c h a n g e r n e t w o r ks y n t h e s i sb a s e do n 彳7 - c o n t r i b u t i o no fs t r e a m s a b s t r a c t w i t l lt h ed e e p e m n go fm e 、o r l de n e r g yc r i s i s ，t l l ee n e 瑁：) rs a v i n go fp r o c e s ss y s t 锄i sb y m o r e 锄dm o r ep e o p l e s 锨e n t i o n a s 觚i n l p o n 锄te n e 嘲，r e c o v e 巧s y s t e mo fp r o c e s si n d u s t r i a l ， h e a te x c h a n g e rn e “v o r k sd e s i g nd i r e c t l yd e t e l l l l i n e st l l e1 e v e lo fe n e 略yr e c o v e 巧a n de c o n o m yo f t h ep r o c e s ss y s t e m t h e r e f o r e ，h e a te x c h a n g e rn e t w o r k ss y n t l l e s i sg r a d u a l l yb e c o m e sah o t s p o t m e a n w l l i l e ，t h ee x i s t e dm e t l l o d so 仆e a te x c l l a n g e rn e 咖f i 【ss y n t h e s i se x i s ts o m ep r o b l e m sa l l d d e f e c t s ，n e e df l e rr e s e a r c hu r g e n t l y i nm ee x i s t i n gm e t h o d so fh e a te x c h a n g e rn e t 、o r k ss y n t h e s i s ，p i n c hd e s i g nm e t l l o di sa m a t u r eo n e ，a n di t st 1 1 e o r e t i c 出b a s i si sb a s e do nt t l es i i i l i l 甜h e a t 廿a n s f e rc o e 伍c i e n to ft l l e s n e 锄si nt t l ep r o c e s ss y s t e m ，b u tt h j sa s s 啪p t i o ni sn o tp r a c t i c a l i nt l l ea c 砌p r o c e s si i l d u 鼬叮 7 n l e r e f o r e ，t i l i sp 印e ra i m e da tm ep r o c e s ss y s t e m 、) l ，i t l ld i 能r e n th e a tt r a n s f e rc o e m c i e n to f 鼬r e 锄s ，r e s e a r c h e dh e a te x c h a n g e rn e 觚o r k ss y n t h e s i sb a s e do nt l l et 1 1 e o 巧o f4 二c o n l 矗b u t i o n b 嬲e do nt h i st o p i c ，t h em a i l lr e s e a r c h 、o r ka r e 硒f o l l o w s ： 1 t h i sp a p e rd e d u c t e dm er e l a t i o n a lt h e o r yf o m u l ao f 彳弘c o n t r i b u t i o nv a l u e si i lt h ev i e w o fn l eh e a tt r a i l s f e rd r i v i n gf o r c e ，b e c a u s e 彳弘c o n t r i b u t i o no f 咖锄si sn l ef o u i l d a t i o no ft l l e m e t l l o dp r o p o s e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so f4 n c o n t r i b u t i o n ，t 1 1 i sp 印e rp r o p o s e dt l l em e t l l o d o fh e a te x c h a l l g e rn e t w o r k ss y n t l l e s i ss y s t e m i c a l l y t l l i sp a p e rd i s p l a y e dt l l ed e “l e ds t e p so ft 1 1 i s m e t l l o d ，d i s c u s s e d 锄ds t u d i e dt h i sm e t l l o dt l l r o u g hac a s es t u d y ，l er e s u l t ss h o wt l l a t ：t h i s m e m o di s 陀嬲o n a b l et ot l l e 咖l s f e rt e m p 蹦l n 聆sd i s t r i b u t i o n ，t l l u sc a i lr e d u c e l ea r e aa n dm e t o t a l 锄u a lc o s to f h e a te x c h a j l g e rn 咖o r k s 2 t l l r o u 曲m ed e e pr e s e a r c ho fh e a te x c l l a n g e rn e 铆o r l 路s ) ，劬e s i sm e t l l o db a s e do n 彳弘c o n 雠b u t i o nv a l u e s ，t l l i sp a p e rp u tf o n a r dt l l em r e e l e v e l 0 p t i m i z a t i o ns t r a t e g ) r 觚d i r n r o d u c e dt h ed e t a i l e dp r o c e d u r e t h i sp a p e rs t u d i e dt h et h r e e l e v e lo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yi n d e e p ，s t u d i e da n dd i s c u s s e dt h er a n g eo fp a r 锄e t e r ska n d 乙a n du s e dat 、 ，o - d i m e n s i o n a l o p t i m i z a t i o nm e t l l o di n “sr a n g e t h i sp r o c e s si n c l u d e st l l eo p t i m i z a t i o no fs u p e r s t n j c t u r e ，t l l a t i i i 浙江工业大学硕士学位论文 i sw en e e d 觚t l l e r0 p t i m i z et 1 1 es u p e r s 仃u c t u r eo fn e 铆o r k s ，t 1 1 u si nt h ef i x e de n e 置g yc o 虬、ec 锄 g e tl o 、e ri i l v e s t m e n tc o s t t h el a s ts t e pi sn e 铆o r k so 砸1 1 1 i z 乏l t i o na n de n e 娼yr e l a ) ( a t i o n ，矗l n h e r s i i i l p l i 匆t l l es t n l c t u r eo fh e a te x c h a n g e rn e t w o r k s ，i m p r o v et l l ef l e x i b i l i t ) ，a n dr e g u l a 幻r y 3 o nt l l eb 嬲i so ft l l e o r i e su p w a 帕s ，t h j sp 印e rd e v e l 叩e dt l l es o r w 乏鹏o f h e a te x c h a n g e r n e 觚o r k ss y n m e s i sb a u s e do nm a t l a bg u i 1 1 1 i ss o 矗w 睇c 觚u t l l ec o n v 锄t i o n a lp i i l c h d e s i g i lm e t l l o dt os y n m e s i z eh e a te x c h a i l g e rn e t 、o r k s a tt l l es 锄et i m e ，m em e t l l o dp r o p 0 s c di l l t 1 1 i sp 印e rc a i l 甜s ob eu s e di nt h es o f h v a r et 0s ) ，n t l l e s i z eh e a te x c h a n g e rn 咖o r k s t l l es o m v a r e p r o v i d e saq u i c kt e s ta 1 1 dc o m p a r i n gp l a t f o 珊f o rt h i sp a p e r st l l e o d rr e s e a r c h s u b s e q u e n t l y ，t 1 1 e e 毹c t i v e n e s s 锄dp r a c t i c a b i l 毋o ft l l es o f h a r es y s t e mi st e s t e db ys o m ec a s es t u d i e s 4 f i n a l l y ，s e v e r a jc a s 、e r e 觚a l y z e d 锄ds t u d i e du s i n gt 1 1 es o f h a r eo fh e a te x c h a n g e r n e t w o r k ss y n t h e s i s r h ef i r s to n ef o c u s e do nm ed e t a j l e ds t e p so fm em r e e l e v e lo p t i m i z a t i o n s t i 疵g y ，a n da n o t l l e r 铆oc a s e sl a ys 骶s so n 翩r k sd e s i g nt ot h ea c t u a lp r o c e s ss y s t e m t h e r e s u l t ss h o wt i l a tc o m p a r e d 诵mt 1 1 e 饷d i t i o i l a lp i n c hd e s i g nm e m o d ，t h et r a n s f e rt e m p e r 舭s d i s t r i b u t i o ni sm o r er e 嬲o n a b l eu s i n gt h em e t l l o dt l l i sp a p e rp r o p o s e d ，t h ea r e aa 1 1 dt l l et o t a l a m l u 以c o s ta r el o w e r ，t l l e 鲫n j c t u r eo fn e t 、v o r k sc a nb es i i l l p l e r t h em e t h o dt 陆sp a p 钟p r o p o s e d c a nb eu s e dt os o l v ea c t u a lh e a te x c h a n g e rn e t w o r k ss y n t h e s i sp r o b l e m sw i mt h es t r e 锄sl l a 【v i l l g d i f r e r e n th e a tt m s f 打c o e f n c i e n t k e yw o r d s ：h e a te x c h l g e rn e t 、v o r k s ，p i i l c h ，4 弘c o n t i b u t i o n ，s u p e r s 仃u c t u r e ，o p t i m i z a t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 摘要 目录 a b s t r a c t 谳 第l 章 1 1 1 2 1 3 1 5 1 6 1 7 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 绪论1 弓l 言1 换热网络的综合2 换热网络的综合方法3 1 3 1 夹点设计法3 1 3 2 数学规划法5 1 3 3 人工智能法7 夹点技术8 1 4 1 丁；日图8 1 4 2 基本的换热过程9 1 4 3 夹点的确定1 0 1 4 4 超目标优化1 2 1 4 5 基于夹点技术综合换热网络1 3 换热网络的综合存在问题。1 4 研究内容15 论文创新点15 基于彳弘贡献值的换热网络综合方法及其探讨1 6 概述1 6 流股的有效温位1 6 4 正贡献值的确定18 基于4 弘贡献值法综合换热网络2 0 2 4 1变夹点图2 0 2 4 2 网络超结构2 l 2 4 3 基于4 弘贡献值法综合换热网络的流程步骤2 2 案例分析2 4 本章小结2 9 基于三级优化策略的彳l 贡献值法3 0 基于彳正贡献值的三级优化策略3 0 参数k 、z 的优化3l 3 2 1 参数j f 寻优范围的确定3 l 3 2 2 参数z 寻优范围的确定3 3 3 2 3 优化目标3 4 网络超结构的优化3 6 网络调优3 6 浙江工业大学硕士学位论文 3 5 3 6 第4 章 4 1 4 2 4 3 4 4 第5 章 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 第6 章 6 1 6 2 6 3 第7 章 基于三级优化策略综合换热网络3 7 本章小结。3 7 基于m a t l a bg u i 的程序设计3 8 概i 蠡3 8 软件系统整体构架3 9 具体功能的设计4 0 4 3 1 流股数据输入4 l 4 3 2 夹点的计算4 3 4 3 3 4 弘贡献值法4 5 本章小结4 7 案例学习( 3 2 换热网络) 4 8 问题描述4 8 参数k 、z 的优化一4 8 5 2 1 寻优范围的确定4 8 5 2 2 费用日标估计5 0 基于超结构优化综合换热网络5l 5 3 1 网络超结构的构造5 l 5 3 2 网络超结构的优化。5 3 基于三级优化策略综合换热网络5 6 5 4 1 目标优化5 6 5 4 2 计算过程及结果5 6 5 4 3 网络调优5 9 基于优化结果直接综合换热网络6 l 本章小结6 2 应用案例。6 3 某化工厂系统( 4 5 换热网络) 6 3 6 1 1 问题描述6 3 6 1 2 方案一：夹点设计法综合换热网络“ 6 1 3 方案二：基于三级优化策略的4 弘贡献值法综合换热网络6 5 6 1 4 两种方案综合结果的比较6 5 原油常减压蒸馏( 7 3 换热网络) 6 7 6 2 1 问题描述6 7 6 2 2 基于三级优化策略的4 n 贡献值法综合换热网络6 9 6 2 3 网络结果比较与分析7 l 本章小结7 5 结论与展望 7 6 7 1 结论7 6 7 2 展望7 7 参考文献。7 l ； l j 录 致谢8 2 攻读学位期间参加的科研项目和成果8 3 浙江工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 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。当前，我国能源消耗不断增大，能源短缺 问题日益严重。根据国家发展和改革委员会能源研究所的研究，2 0 2 0 年中国石油的需求量 将达到4 5 亿6 1 亿吨，届时石油进口量将达到2 7 亿4 3 亿吨，进口依存度将高达6 0 7 0 l l 】。我国能源利用的另一大问题是能源利用率低下，我国能源终端利用效率仅为3 3 ， 比发达国家低约1 0 2 0 【2 】。因此，在我国进行节能降耗的工作和研究具有十分重要的 意义。 过程工业也称流程工业，主要指化工、石油、冶金、建材等连续制造工业，是能源密 集型的产业。在我国，由于长期的粗放型经济增长方式，使得能源的利用效率不高，导致 了我国的过程工业的各产业成为高能耗和高物耗的产业。因此，在过程工业中进行节能降 耗工作成了迫在眉睫的一项任务。 过程综合是当今过程工业中系统节能的主要手段，过程集成则是2 0 世纪8 0 年代发展 起来的过程综合领域中一个活跃的分支。所谓过程集成就是把整个过程工业系统集成起来 作为一个有机结合的整体来看待，达到整体设计最优，从而使得过程工业系统能耗最小， 费用最低，对环境污染最小1 3 j 。 过程综合的设计体系可以通过“洋葱 模型中的各个层次形象地表示出来，如图1 1 所示。过程设计应从过程的“核心开始，其“核心 为反应器( 化学反应) ，因为反应 器是唯一使原料转变成产品的设备。由反应器生成的产物需要进一步分离，而未反应的原 料需要再循环利用，因此反应器的设计决定了分离和再循环系统所涉及的问题，所以紧跟 着反应器设计的是分离和再循环系统的设计。以上两者的设计决定了设计过程的热、冷流 股条件，因此第三步就是换热网络的设计。经过热、冷流股的合理匹配，不能满足的热、 冷负荷决定了外部公用工程( 蒸汽、冷却水等) 的需求，所以第四步就是公用工程的选择 与设计。换热网络作为过程系统的一个重要子系统，是化工、炼油等过程工业中能量回收 利用的一个重要系统，其设计水平的高低对过程系统的能耗有着重要的影响。 浙江工业大学硕士学位论文 图1 1 过程设计的“洋葱”模型 1 2 换热网络的综合 m a s s o 和r u d d l 4 】于1 9 6 9 年给出了换热网络的综合的定义，该定义描述如下：有n 条 热流股，其质量流率为，( 卢1 ，2 ，3 ，n ) ，需要从其初始温度j ( 卢1 ，2 ，3 ，n ) 被冷却至目标温度( 卢1 ，2 ，3 ，n ) ；与此同时，有m 条冷流股，其质量流率为聊踟 泸1 ，2 ，3 ，m ) ，需要从其初始温度b ( 产1 ，2 ，3 ，m ) 被加热至目标温度泸1 ， 2 ，3 ，m ) ；如何确定换热网络的结构使其总费用最小。 在许多过程工业中，一些流股需要加热，而另外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( 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 以及相应的热负荷分配。换热网络的综合就是确定出这样的换热网络，它具有最小的设备 投资费用( 换热器、加热器和冷却器等) 和操作费用( 公用工程等) ，并满足把每一个过 程流股由初始温度达到指定的目标温度。同时，还要求换热网络具有一定的柔性、操作性 和可控性等。 在换热网络的综合中，设备投资费用主要与换热面积以及换热单元数有关，而操作费 用主要与公用工程用量有关。这三个因素之间是相互联系、相互影响的，其关系如图1 2 所示。近年来，随着对换热网络的综合研究的深入，研究内容不仅局限于以最大地回收系 统内部的能量以及减少公用工程用量为目标，而且考虑投资费用最小化以及换热网络结构 的优化等。也就是说，在设计换热网络结构时，不仅仅要考虑最大的能量回收和最小的外 部能量消耗，与此同时必须考虑投资费用的最小化，即综合权衡能量费用和投资费用，使 得设计的换热网络的年度总费用达到最优。 2 浙江工业大学硕士学位论文 图1 2 影响换热网络费用的三个因素 1 3 换热网络的综合方法 自从1 9 4 4 年第一次出现有关换热网络的文章以来，诸多学者对换热网络的综合进行 了深入的研究。g u i l d e r s e n 和n a e s s f 5 1 ( 1 9 8 8 年) ，j e 洳w s l ( i 【6 ，7 1 ( 1 9 9 4 年) ，f u 砷a n 和s 出i l i d i s 【8 】 ( 2 0 0 2 年) 都对换热网络的综合方法进行了系统的回顾。换热网络的综合方法概括起来主 要分为夹点设计法、数学规划法和人工智能法，下面分别对这几种换热网络的综合方法进 行简要的回顾。 1 3 1夹点设计法 在众多的换热网络的综合方法中以l i i m h o 行等人为代表的夹点设计法最为简便、实用。 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【9 】。1 9 7 8 年，u m e d a 等1 1 0 】 基于热力学原理和概念，提出了利用正h 图综合换热网络的策略，并论述了换热网络中温 度夹点的存在。1 9 7 8 年，l i n n l l o f f 和f l o 、e r 【1 1 】首先将换热网络分解为两个子问题来研究： 决定最大的能量回收和最小的公用工程；已知最大的能量回收，通过换热器的匹配， 使换热器的个数最少。19 8 3 年，l i n i l l l 0 1 j f 和h i n d m a r s h 【1 2 】把这一概念表达为夹点理论。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权衡，对初始网络进行修正，从而得到一个最佳的换热网络结构。 自从1 9 7 8 年l i n n h o f r 等人提出夹点技术以来，夹点技术逐渐形成了较为系统的一套 理论，后人在其基础上，提出了诸多基于夹点技术的其他综合方法。 c h a l la i l d 等【1 3 1 和c o l b e r t 【1 4 】提出了双温差法( d u a lt e m p e r 狐鹏a p i p r o a c hm e 廿l o d ， d t a m ) ，指出了不应该以夹点温差作为换热网络综合的唯一变量。在此方法中，复合曲线 3 浙江工业大学硕士学位论文 的最小传热温差取为且黝r ( h e a tr e c o v e 巧a p p r o a c ht e m p e r a _ t u 】r e ) ，同时，e 心丁( e x c h a i l g e r m i n i l i l 啪a p p r o a c ht e m p e r a t u r e ) 同样作为一个决策变量，允许穿越夹点进行换热，且有 e 刎k h 黝丁。通过双温差法综合出的换热网络往往具有较少的换热单元数和较为简单的 网络结构，但综合出的网络结构中换热器的面积有所增加。由于该方法允许穿越夹点进行 换热，综合换热网络时的约束性条件减少了，简化了综合步骤。谢启明等【l5 j 以双温差法为 基础，提出了一种设计费用最优换热网络的计算机自动综合方法，能对工业规模的换热网 络进行自动综合。 三温差法是在网络综合过程中采用三种传热温差，它建立在双温差法的基础上，是对 双温差法的发展与改进。在该方法中，且刚丁仍然用于确定夹点位置以及系统所需要的最 小公用工程用量，为优化变量。死4 丁( t e m p e r a n 鹏i n t e a la p p r o a c ht e m p e r a n 鹏) 用来确 定温度段的划分，它决定了穿越夹点的最大能量以及各个温度区间的过剩能量。e m 丁是 换热器内部的最小传热温差，是同一个换热器内换热的两条流股问的极限温差，是在网络 设计中产生的，不能单纯从求解最佳的e 刎丁来获得费用最优的网络结构，只有结合e m 丁 在综合过程中考查换热面积以及换热单元数是否同时向最小的方向移动，才能得到最优或 者接近最优的换热网络结构。 双温差法与三温差法都是以热力学原理一能量补偿原理为依据，在达到最大能量回收 的前提下，允许能量穿越夹点，减少了约束性条件，增大了流股间相互匹配的自由度，使 综合出的网络结构趋于简单化，减少了换热单元数。王莉等【1 6 】在g m s s m 锄提出的以双温 差法为基础的垂直m i l p 转运模型基础上，建立了三温差法的m i l p 转运模型，并编制了 相应的软件用于换热网络系统设计。算例表明虽然较单温差法和双温差法设计出的换热网 络面积有所增加，但换热网络的分枝、旁路及混合等流股数目降低，结构简单，成本较低。 王莉等【1 刀在建立的三温差法的m i l p 转运模型的基础上，对门槛问题的三温差法进行了研 究，并将其划分为“夹点型”门槛问题和“非夹点型门槛问题二大类。 王莉等【1 8 】和李晖等【1 9 1 在多温差法的基础上提出虚拟温度法，用于传热膜系数和单位换 热面积费用有差异的换热网络的综合，它把每条流股的传热膜系数和单位换热面积费用与 其传热温差贡献值相关联，利用传热温差贡献值修正流股的初始温度和目标温度，称之为 虚拟温度。设计之前在删r 划分温度区间的基础上根据流股的传热膜系数与单位换热面 积费用赋予流股不同的传热温差贡献值，从而完成传热膜系数和单位换热面积费用有差异 时换热网络的综合。 w 6 0 d 等【2 0 】提出了伪夹点设计方法( p s e u d o p i n c hd e s i g nm e m o d ，p p d m ) ，该方法以热 4 浙江工业大学硕士学位论文 力学原理为基础，比夹点设计法增加了更大的自由度。该方法把双温差法划分成两个子系 统，简化了双温差法。s u a y s o m p o l 和w i o o d 【2 1 j 提出了弹性夹点设计法( f l e ) ( i b l ep i n c hd e s i 印 m e t l l o d ，f p d m ) ，该方法在运算过程中，网络中的换热单元不再受严格的最小传热温差限 制，并提出了不同的传热温差的概念。 f e n g 和z h u 【2 2 】结合了夹点分析和火用分析的优点，首次提出了将夹点分析和火用分析相 结合，并且首先提出了能级的概念，用g 图代替传统的兀日图，从供h 图中可以直观 地看出系统的火用损失。s o r i n 和p a f i s 【2 3 】把夹点分析和火用分析相结合，考虑单体设备的火用 效率对全过程系统火用效率的影响，该方法能够减少换热单元数，并对火用负荷进行分配， 进而对系统做出优化。a n a n m a r 锄a l l 等幽1 对f e n g 和z l m 【2 2 1 的工作进行了修改和扩展，提 出了一种新的图形方法，即e l c c ( e n e r j 盱l e v e lc o m p o s i t ec u r v e s ) 图，基于该图可以寻 求可行的综合方案来提高能源利用效率。靳遵龙等1 2 5 】从火用分析和火用经济学的角度提出了 确定换热网络最小传热温差的方法，该方法以火用损费用代替能耗费用，确定火用经济目标 函数，用以确定最优的传热温差。范维等【2 6 】以火用损失相等为准则，提出了确定公用工程夹 点温差的新方法，并得出了计算公用工程夹点温差的公式。 1 3 2 数学规划法 随着计算机技术的迅速发展，换热网络的研究出现了另一分支一数学规划法。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来进行求解，求得满足上述约束条件并能够使得目标 函数最小或最大的解。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 ) 。换热网络的综合问题一般以混合整数非线性规划方法 ( m i n l p ) 形式为主。g 的s s m 锄和心a v 删a 【2 刀对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： 面n z = 厂( x ，y ) ( 1 - 1 ) s j g 尺x ，如s o i i h i ( x ，协= oj j 式中，z 一刀维连续变量，x r ”，r 为实数集； y 一朋维离散变量，y 0 ，1 ) 所； 气 浙江工业大学硕士学位论文 ( x ，y ) 一目标函数，常取系统的年度化总费用最小或总收益最大； g ( x ，y ) 、办( x ，y ) 一超结构模型必须满足的物料平衡、能量平衡、热力学约束、 规定等约束。 设计 根据对换热网络优化设计的三个不同费用目标( 公用工程用量、换热面积和换热单元 数) 的权衡步骤不同，可将数学规划法分为分步综合和同步综合两类方法。9 0 年代以前的 工作主要围绕分步综合方法，其中分步综合方法具有代表性的是f l o u d a s 等f 2 3 】基于夹点技 术和转运模型所提出的分步优化方法，其算法的主要步骤为：第一步，首先在给定的热回 收温差月，见4 丁的条件下，使用l p 转运模型来确定夹点位置与最小公用工程用量，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，以确定最优的网络结果。最近的一篇文章是z h u 等【2 9 1 ( 1 9 9 7 年) 提出的自动综合的 方法，它包括一个m i l p 模型和一个m i n l p 模型，m i l p 模型是用来确定流股间的匹配关 系，而m i n l p 模型是用来确定最优的换热网络。 分步优化方法不能同时考虑影响换热网络费用的三个因素，也就是三个不同费用目标 难以同时优化，而且h 黝丁的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 策及网络结构所需换