（机械工程专业论文）常减压蒸馏装置换热网络优化.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士姓名： 指导教师： 常减压蒸馏装置换热网络优化 机械工程 张黎明( 签名) 周三平( 签名) 李彬( 签名) 摘要 随着能源短缺问题越来越严重和工业的持续发展，生产中的能源成本不断增大，工 业节能降耗已是大势所趋。石油化工是用能大户，而炼油厂常减压装置又是其中之最， 约占整个炼油厂所用能量的1 5 2 0 。因此对常减压装置及换热网络的优化有着重大意 义。 本文围绕这一主题，以中国石化洛阳分公司的常减压蒸馏装置为工艺背景，把夹点 技术和流程模拟技术综合使用，展开了如下工作： l 、本文深入研究了夹点技术在换热网络优化设计方面的原理，在用断开热负荷回路 的方法对所得的初始网络调优时，发现一些热负荷回路出现了与以往夹点技术论述中所 没有提及的新特点。用常规的方法对这些特殊的热负荷回路进行断开己不太适应，本文 对此提出了改进的办法，通过流程模拟技术检验表明此方法是有效可行的。 2 、本文研究了夹点技术的原理和方法，论述了大型化工流程模拟软件p r o 1 1 所用 的组分数据、热力学方法，并对其使用的最优化方法作了探讨。同时也论述了新型换热 网络优化专用软件h x n e t 在项目中的应用。 3 、本文根据中石化洛阳分公司常减压换热流程的改造思路，对换热流程进行了优化 改造，分析了换热流程运行中存在的问题、原因和物流参数对换热回收率的影响，并论 述了改造后的经济效益。 4 、本文研究了油品质量升级改造工程中常减压装置的换热流程，论述了油品质量升 级改造中常减压换热流程余热回收和调优结果。 关键词：常减压换热夹点技术优化节能降耗 论文类型：应用研究 i i s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： t h eo p t i m i z i n go fa na t m o s p h e r e - v a c u u md i s t i l l a t i o ns e ta n di t s h e a te x c h a n g en e t w o r k m e c h a n i ce n g i n e e r i n g z h a n gl i m i n g ( s i g n a t u r e ) 垄孥垒塑翌 z h o us a n p i n g ( s i g n a t u r e l ib i n ( s i g n a t u r e a b s l l r a c i a l o n g 、i t l lm o r es e v e r e ro ft h ep r o b l e mo f t h es c a r c i t yi ne n e r g ys o u r c e si nt h ew o r l da n d t h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y , s ot h ee n e r g ys a v i n ga n d c o n s u m p t i o nd e p r e s s i n g a r ee x t r e m e l yn e c e s s a r y 1 1 1 ei n d u s t r i e so fp e t r o c h e m i s t r yc o n s u m eh u g ee n e r g y , a n dt h e a t m o s p h e r e - v a c u u md i s t i l l a t i o ns e tc o n s u m e st h em o s te n e r g yi nar e f i n e r y , w h i c ho c c u p i e s t w e n t yp e r c e n tt o 廿l i 啊p e r c e n to fe n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h ee n t i r er e f i n e r y s ot h e o p t i m i z a t i o no ft h ea t m o s p h e r e v a c u u md i s t i l l a t i o ns e ta n di t sh e a te x c h a n g en e t w o r kh a s g r a t es i g n i f i c a n c e t h i s p a p e rj u s t s u r r o u n d st h e t o p i c ，a n d i t u s e st h er e c o n s t r u c t i o no ft h e a t m o s p h e r e - v a c u u md i s t i l l a t i o ns e ti ns i n o p e cl u o y a n gp e t r o c h e m i c a lc o m p a n y a st e c h n i c a l b a c k g r o u n d 黝t h ec o l l i g a t e d u s eo fp i n c hp o i n tt e c h n o l o g ya n df l o ws i m u l a t i o n s t e c h n o l o g y , t h ep a p e rg o e sa l o n gw o r d a sf o l l o w s ： 1 、n l ep a p e rh a sh c u b r a t e st h ep r i n c i p i u mo fp i n c hp o i n tt e c h n o l o g yi no p t i m i z a t i o na n d d e s i g no f h e a te x c h a n g en e t w o r k s ，a n df i n d st h a ts o m es p e c i a ll o o p si nh e a t e x c h a n g en e t w o r k h a v es o m en e wc h a r a c t e r i s t i c sw h i c hh a v en o tb e e nm e n t i o n e di nf o r m e rd i s s e r t a t i o n s ，w h i l e o p t i m i z i n gt h en e wd e s i g n e dn e t w o r kt h r o u g hd i s c o n n e n c t i n gt h el o o p si nt h en e t w o r k i t sn o t a p p r o p r i a t ef o rd i s c o n n e c t i n gt h e s es p e c i a ll o o p st ou s et h eg e n e r a lm e t h o d t i l i sp a p e rg o s e d e e pi n t ot h ep r o b l e m ，t h e np r o p o s e sa na d v a n c e ds o l u t i o n , t h ee x a m i n a t i o no ft h es o l u t i o n w i t ht h eh e l po ff l o ws i m u l a t i o n st e c h n o l o g yi n d i c a t e st h a tt h ea d v a n c e ds o l u t i o ni se f f e c t i v e a n dv i a b l e ， 2 、t 1 1 ep a p e rh a ss t u d i e dt h ep r i n c i p i u ma n da p p r o a c ho fp i n c hp o 硫t e c h n o l o g y , a n d d i s c u s s e dt h ec o m p o n e n t sd a t a , t h e r m o d y n a m i ca p p r o a c h e si np r o i i ，t h ef l o ws i m u l a t i o n s o f t w a r ew h i c hu s e sf o rh u s ec h e m i c a li n d u s t r i e s ，a n dd i s c u s s e dt h eo p t i m i z a t i o na p p r o a c h e s i np r o i i ，a n dt h ep a p e ra l s od i s c u s s e sn e wh e a te x c h a n g e rn e t w o r ko p t i m i z a t i o ns o f t w a r e a p p l i c a t i o n si nt h ef i x n e tp r o j e c t 3 、t h ep a p e rb a s e do nm o d i f i c a t i o nt h o u g h to fa t m o s p h e r i c v a c u u mh e a te x c h a n g ef l o w i ns i n o p e cl u o y a n gp e t r o c h e m i c a lc o m p a n yh a sb e e no p t i m i z a t i o nr e t r o f i tf o rh e a te x c h a n g e f l o w , a n da n a l y s i s e dt h ep r o b l e m se x s i s t i n g ，c a u s e sa n dt h ee f f e c to fm a s sf l o wp a r a m e t e r s0 1 1 1 1 1 英文摘要 h e a te x c h a n g er e c o v e r y , a n dh a si n t r o d u c e dt h ee c o n o m i cb e n e f i to fr e t r o f i t 4 、t h ep a p e rh a ss t u d i e dh e a te x c h a n g ef l o wo fa t m o s p h e r i cv a c u u mu n i ti nu p g r a d ea n d i m p r o v e m e n tp r o j e c to fo i lq u a l i t y , a n di n t r o d u c e dw a s t e h e a tr e c o v e r ya n de v o h t i o n a r yr e s u l t o fa t m o s p h e r i cv a c u u m sh e a te x c h a n g ef l o w k e y w o r d s ：a t m o s p h e r i cv a c u u m ，h e a te x c h a n g e ，p i n c hp o i n tt e c h n o l o g y , o p t i m i z a t i o n ， e n e r g ys a v i n g t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名u 醚盟日期：z 弼p 万 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：鼬 导师签名： 日期：2 聊膨f 日期：溯，矿 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 优化换热网络综合研究背景与课题意义 能源是人类生存和发展的基本条件之一。当今世界各国政府都十分重视能源的开发、 利用以及对环境的影响。某种意义上讲，能源的消费结构、综合利用程度、人均消耗水 平标志着一个国家和社会的技术水平、生活水平和文明程度。由于经济全球化、产业分 工和国际转移的因素，世界上对能源的需求量正迅速上升，能源价格不断上涨，在产品 总成本中，能源费用部分越来越大。随着人类社会人口和经济的发展，能源供应安全已 经成为世界各国政府关注的焦点。到2 1 0 0 年，全球人口将达到1 0 4 亿，按中等经济发展 速度，全球g d p 将接近1 9 9 0 年的l l 倍。据美国能源部2 0 0 4 年度国际能源展望报 道，到2 0 2 5 年，全球能源消费将比2 0 0 1 年增长5 4 ，工业国家的能源消费将以平均每 年1 2 的速度增长，而包括中国和印度在内的发展中国家的能源需求将比目前增加一 倍，占全球能源需求增长量的4 0 和发展中国家增长量的7 0 。目前世界的能源主要还 是依赖于化石燃料，如：煤、石油和天然气。为了满足人类社会和经济的发展，能源需求 快速增长，以化石燃料为代表的传统能源日益枯竭，势必进一步加剧能源供应紧张局势。 从最近几年的国际政治、经济和外交趋势分析，加强能源对话、交流和合作成为世界各 国之间政治交往的重点节能工作一直是发展生产技术、提高竞争力的重要组成部分。 虽然我国能源丰富，但人均能源可采储量远低于世界平均水平。2 0 0 0 年人均石油开 采储量只有2 6 吨，人均天然气可采储量1 0 7 4 立方米，人均煤炭可采储量9 0 吨，分别 为世界平均值的1 1 1 、4 3 和5 5 4 。根据我国政府对经济增长和发展期望预计，到 2 0 5 0 年，人口将从2 0 0 0 年的1 3 亿增加到1 5 8 亿，城市化水平将从31 提高到7 0 ， g d p 将从1 1 0 4 万亿美元上升到1 3 9 万亿美元。我国社会和经济的快速发展，对能源大 需求将是巨大的，能源供应短缺，长期处于紧张状态，而且能源利用效率与发达国家相 比有很大的差距，这严重地束缚了国民经济的正常发展，能源问题成为经济增长的“瓶 颈”之一，成为我国社会和经济能否快速、健康发展的关键。过去几年里中国的经济发 展有了新的持续的高涨，造成了能源和资源的消耗急剧增加，环境污染程度大大加剧。 这种三高一低的经济发展模式对中国经济可持续发展提出了严峻挑战，引起了政府和人 民的注意，因此党中央提出了科学发展观、走新型工业化道路的战略方针。中国的炼油 企业正面临着优化自身能源构成、提高转换效率，落实这一方针的历史任务。 综观国内外能源形势，世界各国都在调整自己的能源政策，以适应各自国家发展和 需要。我国在制定国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要时明确提出了国家在下一 个五年计划内的能源工作的重点。“坚持开发节约并重、节约优先，按照减量化、再利用、 资源化的原则，在资源开采、生产消耗、废物产生、消费等环节，逐步建立全社会的资 源循环利用体系”。“强化能源节约和高效利用的政策导向，加大节能力度”。“通过优化 西安石油大学硕士学位论文 产业结构特别是降低高耗能产业比重，实现结构节能；通过开发推广节能技术，实现技术 节能；通过加强能源生产、运输、消费各环节的制度建设和监管，实现管理节能。突出抓 好钢铁、有色、煤炭、电力、化工、建材等行业和耗能大户的节能工作”国家在制定中 长期科学和技术发展规划纲要时把能源问题列入重点领域以及优先主题。国家对现阶段 能源和节能工作作出了全面部署，提出了节能要靠产业结构优化和节能技术推广，明确 了能源和节能工作的方向和重点领域。 常减压蒸馏装置是炼油工业的“龙头”，是原油深度加工的基础，其设计的好坏不仅 在装置上体现出来，更重要的是体现在下游的二次、三次加工装置和产品的调合及整个 石化联合企业的效益；同时常减压蒸馏装置也是炼油企业的用能大户，约占全厂总能耗 的1 5 2 5 。 采用夹点节能技术对装置或企业进行诊断、分析、改造等，能准确地诊断出能源使 用的薄弱环节和部位，能明确地指出能源使用不合理的原因，能揭示出可实现的节能潜 力与改造效果，遵循夹点节能技术的用能准则和具体改进方法，能提出可行和有效的改 造方案，并能对改造方案的节能效益做出准确的预测。因此常减压蒸馏装置的节能优化 对于炼油厂极为重要。 1 1 1 我国节能工作的严竣形势 能源历来是可持续发展问题的一个重要主题。世界上有众多的人口，由于经济发展， 能源是人类基本的需求。因为能源问题严重束缚了我国经济的发展，节能就显得尤为重 要。特别对于重大耗能行业e l l ，如化工、电力、煤炭等工业的节能迫在眉睫。面作为上 述过程工业中能量密集程度很高的换热网络，如果能有效的降低其能耗，则会对全局能 量的合理使用，产生积极的影响。能源利用效率低下是目前我国工业发展面临的突出矛 盾，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 能源利用效率3 3 4 ( 世均4 3 ，发达国5 2 5 5 ) 。 ( 2 ) 占工业能耗7 3 的8 个行业3 3 种产品单位能耗平均比世界先进水平高4 7 ( 比 先进水平多耗用能2 3 亿吨标煤，年) 。 ( 3 ) 建筑物单位面积能耗比发达国家高2 3 倍。 ( 4 ) 交通能耗比发达国家低2 0 以上。 从图1 1 人均资源对比图中可以看出，我国能源资源人均拥有量只有世界平均水平 的一半。 2 第一章绪论 ：。：f # i ：；：j ： l口w o r【d a v e r a g ei | j ：c a6 霞 ， j：；j ，；：； ； ：，；j ， i j ： ， !i一：i ：；：， ：= 蟛 l ； r ； ：曩缨7：。：豫 j i 毒 绷 ； l 一。严乜鬻 氍墨峨强霸强啊 ， 瞄 ； 旌。毳翻缓移瀚燃 ， 隧沥一秘璇豳翻锄磊二 c o a lp e t o r o l e u ms u mo fe n e r g y r e s o u r c es 图卜1 人均资源对比图 另外，能源环境问题突出，以煤为主的一次能源结构造成了严重的环境污染。酸雨 率全国4 0 、广东7 0 ，3 4 3 个城市中仅1 3 达二级空气质量标准：世界污染严重的2 0 城市中国占1 6 个，s 0 2 排放量的9 0 ，n o x 排放量的6 0 都来自于燃煤。全国s 0 2 排放 总量超过环境承载能力的7 0 左右。生态破坏造成的经济损失已占g d p 的8 。已严重 威胁经济和社会的可持续发展。如表1 1 所示，我国的各项工业污染指标均位于全球前 列。 表1 - 1 工业污染指标 温室气体二氧化碳甲烷氧化亚氮宰沙尘 黑碳 二氧化硫 中国 3 0 5 l9 5 95 3 88 0 01 1 91 9 9 5 世界总量 2 3 1 7 26 3 4 03 5 7 03 0 0 06 6 31 0 5 中国位次 2 ll l il 单位：百万吨百万吨c 0 2 当量 1 1 2 我国节能工作目标与思路 针对目前我国能源利用的严峻形势，国家提出了工业发展由过去高能耗、高消耗、 高污染、低效率的粗放型生产经营向低能耗、低消耗、低污染、高效率集约型生产经营 方式转变的战略思路。如图1 2 所示： 3 0 8 6 4 2 0 西安石油大学硕士学位论文 能源 低效消耗 燃煤为主 依赖外界 经济 着重g o p 结构失衡 能源 能源结构 利用效率 经济 社会发展 环境 生态破坏 环境污染 资源耗碣 环境 生态循环 生存条件 图1 _ 2 能源转变示意图 节能优先，效率为本：( 科学用能) 煤为基础，多元发展；( 油、气、再生能源) 立足国内，开拓海外；( 经济全球化) 统筹城乡，合理布局；( 城市化4 0 7 0 ) 依靠科技，创新体制；( 高科技、体制创新) 保护环境，保障安全。( 改善生态，战略安全) 1 1 3 我国炼油工业发展中节能的重大意义 现今石化行业的能量观已经有了全新的内容。国外最新的观点是：2 1 世纪的炼油厂， 应是把炼油、生产化工产品和能源的转换集成在一起构成的一个高效率、高附加值、高 利润的生产单位。2 l 世纪新的炼油厂在能量利用上还有几个特点。 ( 1 ) 装置规模加大，蒸馏装置达到1 0 0 0 万吨年以上，催化4 0 0 到6 0 0 万吨年， 延迟焦化4 0 0 到7 7 0 万吨年；装置大型化的节能效益：一是单位能耗低，二是便于安排 余热发生高压蒸汽，从而大大提高功热联产效率。 4 第一章绪论 ( 2 ) 开工周期延长，从原来的一、两年变成现在的四、五年，停工检修造成的物料 和能量损失得以减少。 ( 3 ) 上下游装置之间的热联合，比如国外有的把原油蒸馏和加氢裂化做为一个联合 装置来设计。这种大规模、长周期、大系统联合是能耗大幅度降低的一个非常重要的因 素。我国近十年扩产中只有极少数炼厂是朝着这个方向做了的。 ( 4 ) 加强炼厂气或天然气燃气轮机功热联产技术的应用，这是实现高效的能量的利 用的一个重要途径，国外炼油厂早已成熟应用，但在国内还是凤毛麟角，节能潜力极大。 一直以来，我们习惯于把焦炭和干气看做低值的副产物，在成本核算中赋予它们很 低的价格，而没有意识到它们是优于渣油的优质能源。催化焦炭在精心设计的高效再生 器烟机( c o 焚烧炉) 余热锅炉系统中，已经实现了相当的程度的功热联产，总 能量利用效率已经超过了渣油在目前的加热炉或者锅炉中所能到达的水平，因而其使用 价值已经超过了渣油。高含硫的延迟焦化焦炭在循环流化床锅炉中燃烧不仅能产生高压 蒸汽，而且同时能够起到脱硫的作用，也已经达到了渣油的使用价值。因此我们应该从 另一个角度重新审视催化和焦化焦炭，把它们看做宝贵的一次能源来加以珍惜和优化利 用，并在成本核算和优化排产中赋予它们恰当的价值。这会导致在某些情况下焦炭产率 高的总流程方案反而有更好的经济效益。把干气看做低值废弃物的观念更应当转变了； 同等热值的干气比同等热值的渣油有着更高的使用价值，因为它可以通过燃气轮机功热 联产来同时获得功和热，比渣油的能效高得多。更不用说干气首先应考虑做化工原料。 把烧锅炉产蒸汽作为消耗掉“过剩干气”的手段，经济上是极不合算的。 我国的原油较重，轻油潜含量低，二次加工的比例大，因此催化焦炭、焦化焦炭和 炼厂气的产量比较高。加工国产原油和进口重质原油的许多炼厂均可以通过“两焦一气 功热联产高效提供装置所需的功和热，甚至产生电力外输，特别是在把附近的煤炭的资 源一并考虑、并采用i g c c 技术的条件下。我们应当把这些特点很好的利用起来，把炼 油、生产化工产品和能量优化集成在一起，实现高能效、高附加值、高利润的生产。 1 2 换热网络综合优化的发展现状 5 0 年代后期，现代化工业生产开始向综合方向发展，流程结构的日益复杂：原料、 能源的再循环、副产品的有效利用，要求化工过程的设计以整体特性为目标，对整个生 产进行合理地规划。由此产生了化工系统综合这一新概念。换热过程是化工生产不可缺 少的环节，因此换热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6 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，换热网络的设计受到了人们的高度重视。 使换热网络综合研究有了突破性进展的是r u d d 、h h o m a n n 及他们的合作者。他们 认为换热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 s 西安石油大学硕士学位论文 最小换热设备数，这一过程称为确定目标。 r u d d 和h o h m a n n 关于热力学分析的思想对后来的研究具有重要的影响。b l i n n h o f f 就是根据这一思想于1 9 7 9 年提出了关于确定最小能耗的“夹点”的概念。此后，l j n n h o f f 对其理论不断完善，确立了物流匹配时应遵循的热力学规则，并把它用于实际的石油化 工流程的能量评估中，获得了令人满意的结果。1 9 8 2 年，l i n n h o f f 在与其合作者合著的 au s e rg u i do np r o e e s si n t e g r a t i o no f rt h ee f f i e i e n tu s eo fe n e r g y ) 中正式把他的这套理 论称为夹点技术。1 9 8 4 年s u 和m o t a r d 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。夹点理论使换热网络综合的研究向前迈进了一大 步，弄清了过去用数学方法求解时结果时好时坏的原因，从而推动了数学研究方法的继 续发展。 随着换热网络综合研究的深入，研究内容扩大到求最小年投资费用及换热网络结构 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 少换热设备的投资。为此t f y e e 等人建立了一种同时优化换热面积和能量消耗的数学 模型。由于最小端点温差和传质系数直接影响设备的面积，s a h m a d 和l i n n h o f f 认为应 该先对最小端点温差进行优化以找出最佳的最小端点温差值；在确定传质系数时要考虑 对流传热、非对流传热等各种情况。 8 0 年代，专家系统研究的迅速发展也影响到换热网络综合的研究，j e z o w s k i 第一个 尝试建立换热网络综合的专家系统，他的方法是：先产生一个多种网络结构的树形结构， 然后用人工智能中的顺序搜索技术找到最佳网络。1 9 8 2 年g r i m e s 设计的专家系统 h e a t e x 含有1 1 5 条产生式规则，利用推理技术可以求出最小公用工程消耗。1 9 8 6 年， h a r t m n a n ，指出换热网络综合问题存在大量可行方案和评价准则，这些准则具有一定程 度的模糊性，因此，他提出了一种简单的将产生式规则和模糊理论相结合的专家系统。 我国清华大学的陈丙珍等人也开发了换热网络综合的专家系统，它是由数据库、知识库、 控制策略与人一机接口组成。数据库记录了原始问题与事实，用来完成问题的机器描述。 知识库中的知识与规则用框架结构与产生式规则相结合的方式表示。控制策略首先根据 问题特征分类，确定合适的综合方法，然后运用正向推理搜索对应的规则集。人机接口 使用户可根据屏幕提示简便地进行操作。 1 9 8 8 年，g u n d e s m e 和n a s s e 对前人的研究工作做了详细地总结，他们将当时的各 种换热网络综合方法归纳为两大类：热力学分析法和数学方法，并指出了换热网络综合 研究应向基于知识的专家系统方向发展。从8 0 年代末至今，换热网络综合的研究基本是 沿着热力学分析方法、数学方法和基于知识的专家系统这三条主线发展的，而且大部分 研究都是对已有方法的进一步完善，如在热力学分析方法中，许多研究是围绕着夹点技 术进行的：j j e z o w s k i 认为使用最大能量回收温差及最小端点温差即双温差法可以取消 夹点方法中的物流换热要遵守垂直换热的约束，并研究了存在多个夹点的换热问题。 t r i v e d i 通过系统能量松弛法来改进网络的整体结构；d h o l e 将夹点技术用于低温系统的 6 第一章绪论 设计；a h m d a 和h u i 则提出了位于不同区域物流的综合策略；j g e d e e 认为进行目标优化 应考虑换热方式、传递参数等因素，这样才能使设计结果更接近实际。虽然有一些研究 者提出了新的热力学分析方法，也仍利用了夹点的概念。而数学方法则是对已有的模型 进行改进，以缩小问题的解空间，减小数学模型的计算复杂性。目前，换热器网络的研 究主要集中在两个方面，即换热系统的设计和换热系统的改造这两个方面，它的最新发 展方向为：压降优化、柔性设计、蒸馏塔目标设定、低温过程设计、间歇过程综合、降 低水流率、全局能量系统综合和排放目标设定等。 1 3 换热网络的综合 过程综合是过程系统工程一个重要的研究领域，强调全过程的整体性，包括以能量 流为主线的能量综合和以质量流为主线的质量综合两方面内容。能量综合经过近几十年 的发展取得了巨大的成就，己在石油、化工等能源密集型行业得到成功应用。质量综合 相对能量综合起步较晚，随着环境问题和资源问题日益突出，以预防污染和节约资源为 目的的质量综合在诸如水处型2 t “i 、温室气体排放p ，8 1 等领域受到关注，文献 9 - 1 2 1 对热、 化学和过程综合，多目标和结构优化的最近发展做了较好的综述。 换热网络综合是化工过程系统综合的重要分支之一，其目标就是要确定换热网络具 有最小或较小的的设备投资成本和操作成本，并满足每个过程物流由初始温度经过该换 热网络能够达到其目标温度。在节能工作的初始阶段，往往关注单个换热器的能量利用 情况，节能效果并不明显。随着节能工作的深入开展和对换热网络综合的深入研究与广 泛应用，从全局观点出发，利用换热网络综合和优化技术，对换热网络进行设计、改造 和优化，达到合理有效利用能量的目标，并同时兼顾换热网络的经济性，从全局角度对 换热网络进行综合和优化具有更为显著的节能效果和良好的经济效益【1 3 ，1 4 1 5 t1 6 ，1 7 。2 1 1 。 换热网络综合研究主要包括换热网络最优综合 2 2 - 2 7 1 、换热网络弹性或灵活性分析 2 8 1 、操作性分析伫9 1 和控制3 1 3 2 1 。换热网络综合研究基本上是沿着热力学分析法、数 学规划法和人工智能法三条主线发展。从求解策略上可以分为启发试探法、数学规划法 和人工智能法：从换热网络各温差关系上可分为单温差法、双温差法、多温差法和虚拟 温度法【3 3 1 ；从优化费用目标步骤上分为分步优化法和同步优化法【3 4 1 。上述几种分类方法， 既有区别又有联系。对于大多数研究和应用，都是在给定工艺条件下的换热网络最优综 合，主要探索工艺过程冷、热物流的匹配方法【3 5 】，使得换热网络的投资费用和操作费用 最小。下面着重对这一领域进行综述。 1 3 1 换热器网络的综合方法 1 3 1 1 启发试探法 启发试探法是根据最优换热网络所需的必要条件和特征，从热力学原理及经验知识 出发规定一些设计目标和试探规则来构造网络，进行综合评价和调优，最终找到接近最 7 西安石油大学硕士学位论文 优的换热网络。在启发试探法进行换热网络综合众多方法中，以l i n n h o f f 等【3 6 1 开发的夹 点技术最具开创性，并得到了普遍应用。夹点设计法对换热网络综合的主要步骤为： ( 1 ) 给定初始夹点温差t m i n 。，确定夹点位置； ( 2 ) 在夹点处将换热网络分割成上下两个子网络； ( 3 ) 从夹点开始，遵循若干可行性规则分别对上下两个子网络的冷、热物流进行匹 配：l ( 4 ) 两个子网络相加，形成一个总体初始网络： ( 5 ) 采用能量松弛法【3 7 j 对初始网络进行优化，从而得到接近最优的换热网络。 夹点设计法运用图论或问题表的方法来描述了过程系统能量流动和分布情况，原理 清晰、过程简洁、易于理解和应用。在温焓图上分别将换热网络中所有冷、热物流按温 度高低顺序首尾相接画出各自的温度焓曲线，通过不同的绘图处理可以获得冷、热物流 的组合曲线和总组合曲线。在组合曲线图中，可以确定夹点的位置和最小传热温差，也 能准确地确定换热网络的最大能量回收量和最小的公用工程量。问题表格法根据物流的 初始温度和目标温度划分若干温度区间，各温度区间内的冷、热物流完全换热，热流由 高温段向低温段传热，亦即高温段的过剩热量用于弥补低温段欠缺的热量，通过计算各 温度区间剩余热量累计值，如果任一温度区间的剩余热量累计值为负值，表示热力学学 不可能：在所有温度区间中找到剩余热量累计值最大负值，从第一温度区间加入该最大负 值的绝对值的热量，使最大负值所在的温度区间的剩余热量累计值为零，从而保证所有 温度区间的剩余热量累计值都大于零。第一温度段加入的热量即为换热网络所需最小热 公用工程量，最低温度段的输出值为该网络所需最小冷公用工程量，温度段输出为零的 点为夹点。 由于夹点技术在工程上具有较强的实用性，夹点分析为较多换热网络的综合和优化 所采用。f e n g 和z h u t 3 8 1 混合使用可用能分析和夹点分析对过程进行改进。夹点分析的长 处在于通过使用简洁的图形来反映系统信息，可以先于设计获得系统目标。可用能分析 的能力在于甄别热和化学过程中热力学不完善度的主要原因，进而有效提出有潜力的改 进方案。结合这两种方法的长处，帮助快速筛选基础设计方案。夹点分析的主要限制在 于它仅能处理传热过程，而不能对涉及诸如动力和化学过程中有压力和组分改变的过程。 为了克服上述缺陷，引入一种属性图表示能级水平和能量总量之间的关系。运用这种属 性图，能够让人理解系统性能状况和改进方向，整合了夹点分析和可用能分析的主要优 点。通过可用能损失概念，可以鉴别一些无效过程和无效设备，获得人们期望的改进方 案。避免可用能损失的分析方法在当今技术和经济条件下能够挖掘最大潜能。 由于夹点处给定的最小接近温差t m i n ( 也称h r a t - h e a tr e c o v e r ya p p r o a c h t e m p e r a t u r ) 是该方法的唯一决策变量，与换热网络中换热器所允许的最小温差 e m a t ( ( e x c h a n g e rm i n i m u ma p p r o a c ht e m p e r a t u r e ) 是两个不同的概念，a t m i n 并不能反 映换热网络中各换热单元的特征参数，一旦构成的初始网络采用能量松弛法【3 9 i 或断开回 g 第一章绪论 路法 4 0 “h4 2 进行优化后，原来的a t m i n 就不再有意义，所以优化后的网络夹点位置和 夹点最小接近温差a t m i n 必定有所偏离，最小接近温差a t t a i n 就不是最优。在单温差 设计方法的基础上，前人提出的双温差或多温差设计方法1 4 3 1 在文献m 】中有较详细的介 绍。l i n n h o f f 和a h m a d 提出的超目标法【4 5 】是在最小总费用目标下所对应的a t m i n 为最 优a t m i n ，o p t 。尹清华等【4 6 1 指出在求解最优a t m i n ，o p t 时，应同时考虑流动可用能损 失、匹配单元优化及强化传热对最优a t m m ，o p t 的影响。基于上述原因，需要考虑压 降、传热系数、污垢等因素对换热网络综合的影响。除了用温焓图表示冷物流和热物组 合曲线和总组合曲线外，用效率焓图或温度可用能图1 4 7 】也常用于描述换热网络中有效 能损失与换热量之间的关系。 以夹点技术为代表的启发试探法，在工程上和学术上取得了重大的成就，但是由于 它仅以夹点温差作为优化的决策变量，缺乏严格的模型、分步求解的特点，使其很难获 得最优的换热网络。它的局限性还在于不能全面考虑换热过程传热系数、压力损失、换 热器特性( 如几何形状、材质和价格等) 对换热网络的影响。尽管夹点技术存在一些局 限性，但它仍然是目前常用的有效的方法，它的简洁和实用性在过程设计之前确定最优 目标的思想在过程能量综合中具有重要的地位，是其它诸如数学规划法，乃至人工智能 法的重要基础。 1 3 1 2 数学规划法 数学规划法是建立换热网络综合问题的数学模型，通过求解满足一定约束条件下所 建目标函数的极值，从而得到最优的换热网络。根据目标函数和约束条件是线性的还是 非线性的，变量是连续的还是离散的，数学模型主要分为线性规划l p 【鸽，4 9 1 ，非线性规 划n l p f 5 1 5 2 5 3 5 4 1 ，混合整数线性规划m i l p | 5 5 5 每5 8 1 和混合整数非线性规划m i n l p t 拽 饥6 1 】等。以一般意义的混合整数非线性规划m i n l p 为例，求解m i n l p 模型概括为三 个阶段： ( 1 ) 构造系统的超结构模型，包括所有可行的方案。 ( 2 ) 将超结构模型写成m i n l p 数学表达式，其基本形式为 f m i n z = ( j ，j ，) g f ( z ，y ) 0 f i ( 1 一1 ) l i l ，( x ，y ) = 0j j 式中，工为丹维连续变量，工r “，r 为实数集：y 为m 维离散变量，y o ，l 厂；兵 为目标函数( 极值函数) ，对于换热网络系统常取总费用最小或总收益最大；g g x , y ) 和蜘 为超结构必须满足的质量平衡、能量平衡、热力学约束和设计规定等约束。 ( 3 ) 选择一定的算法求解式( 1 1 ) ，获得最优换热网络结构和操作条件。 数学规划法可用于解决具有大量变量和多种反馈问题，很适合工业系统的换热网络 设计，能求得一些经验规则无法获得的优化网络。从理论上讲，只要影响换热网络的所 9 西安石油大学硕士学位论文 有因素能够用数学表达式进行描述，数学规划法是最完美的方法。随着计算技术的发展 和应用软件的开发，数学规划法越来越为研究和工程所应用。尹洪超等【6 2 j 提出了过程全 局夹点分析与超结构混合整数非线性规划( m i n l p ) 相结合的能量综合最优综合法。各 单元过程内部换热优化匹配后，进行各过程剩余冷热负荷与公用工程系统的全局夹点分 析，确定全局热综合目标，在此基础上建立包含过程剩余热负荷产生各等级蒸气，剩余 冷负荷使用各等级蒸气加热的各种可能匹配方案的公用工程换热网络超结构及其 m i n l p 模型，采用混合连续进化算法求解得到过程与公用工程换热网络最优改造方案。 大型乙烯装置能量综合应用算例表明，可充分发挥全局夹点分析法确定改造目标的简洁 实用性和超结构m i n l p 寻求最佳方案的优点。安心东等【6 3 l 结合考虑锅炉效率随负荷的 变化，汽轮机作功的非线性以及各设备的启停费用来研究蒸气动力系统优化运行问题， 并采用改进的遗传算法进行求解。 然而，由于换热网络涉及的因素非常多，而且较为复杂。诸如不同物流的热物性差 异、不同型式的换热器壳程和管程的传热系数和压降计算关联式，不同操作条件下对换 热器材质和结构的影响等都对换热网络数学规划模型有重要影响，这对模型的建立造成 很大困难，更难于求解。基于上述原因，各种换热网络的数学规划模型不可避免地进行 来些假设和简化，造成所求解的问题与实际问题有较大的差异，所获得的解也就会偏 离实际的最优解。 1 3 1 3 人工智能法 人工智能是一门探索和模拟人的感觉和思维过程规律的学科，它能给出类似人的思 维决策，能够应用于需要知识、感知、推理、学习、联想、规划、设计、理解以及其它 有认识和思维能力的任务中，从而代替某些人的脑力劳动。 专家系统是人工智能最活跃，取得重大进展和应用的引人注目的一个领域，是一种 基于知识的计算机程序系统。专家系统把某个专业领域中有关专家的知识、经验事先总 结起来，构成强大的知识库，通过类似于专家解决实际问题的推理机制，能够对输入的 信息进行推理、演绎、作出判断和决策，其解决问题的能力达到专家水平。借助人工智 能技术可以使换热网络优化变得更可靠和简洁。一般做法是：考虑到换热网络结构的合 理性，在总结生产实践和经验的基础上，制定合成最优换热网络的物流匹配及能量使用 专家规则和一些启发试探规则，形成强大的知识库，按条件构成推理机制，完成换热网 络最优综合。 以夹点技术为代表的启发试探法，由于在对换热网络综合过程中不能过多考虑换热 网络及其换热单元的众多特性因素而缺乏严格的数学模型，所获得的换热网络不能保证 最优，但其热力学原理清晰，易于理解和应用，仍不失为一种换热网络综合的有效方法。 数学规划法由于其数学模型几乎可以包含换热网络中的所有特性，但其数学建模困难和 难于求解，简化后的数学规划法使得其实用性和准确性受到一定的限制。人工智能是目 前引人注目的方法，需要大量专家知识和实际经验作为支撑，知识库和推理机制的完善 1 0 第一章绪论 将有助于人工智能在实际工程中的推广和应用。总之，无论是启发试探法，数学规划法 还是人工智能法，不能简单地说哪种方法更好，在实际应用中，应取长补短，相互渗透。 1 3 2 换热网络综合的发展方向 换热网络是由换热器、加热器、冷却器、混合器和分流器等设备组成的复杂的热交 换系统。如何优化改进使其达到最优，或者用什么方法能够快速地定性判断出复杂的换 热网络系统的不合理之处，对于快速提高整个工艺设备装置经济性具有重要意义。而研 究解决这类问题的方法就是研究换热网络最优综合的基本原则。 目前各种换热网络的最优综合技术大都是针对固定工况设计换热网络的，而实际过 程中，流体操作参数经常会发生波动变化，使网络操作偏离最优点，能耗上升。其原因 是这些网络结构缺乏弹性，难以适应不确定参数的变化。换热