全局过程系统能量集成方法的研究进展.doc

Synthesis占InteEration系统综合与集成全局过程系统能量集成方法的研究进展修乃云尹洪超李振民姚平经 (大连理工大学化工学院化工系统5-程研究所，犬连，11 601 2摘要简要分析r过程系统能龉集成的研究现状和现彳f方法的小足，着重H沦r牟局能屠集成的央点分析法 成je，超结构混台整数规划相结合的新方法，抖阐述r争局能量集成泫进 步扫1艘到多过程j燃气联含循环系 统的能量集成和减少污染捌放的最新进展。关键词 争局过程，能量集成辛局央点分析，混台整数规划l引言 一起，充分利川t热物流去力热冷物流，J以同时 过程系统是指将原料转化为产。Wt的化l、炼减少热、冷公川J稗(加热蒸汽羊冷却水)的消油、动力、制药、建材以及冶金等热加I起重要耗和污染物州放。根据过稃的设计条什，盯以整作的。类卜业生产系统，过群L业的能耗根人。理 冷、热物流的初始温度、日标濡度和热容流以我国化1过程系统为例，其能源消耗量约II仝率。山此可以在温度和焓为坐标的图上绘山冷、热物流的组合曲线，如幽】(a)中所示，由冷、 同的11，约为I+业能源消耗量的20。其tLj能一股只牛|1当r发达田家70年代末的能耗水平，热甜合曲线町以分析热收垃、公川j稗的耗量及央点化置f2”。能_菏力很人川。化l：过程系统一般可以进一。步划分为1。艺过程子系统(反应器、分离过稗)、换热网T 络和公川l程f系统儿个层次。各子系统的_Lj能 优化已作r人姑研究，其中换热网络综台方法最 为成熟，特别是Linnhoff等学者12,3j提出的夹点技 术L取得了巨人成就。对丁I全局系统的设计，传 统，J法是按各个子系统依次分步设计，即所谓的 “洋葱校?弘”，这种方法比较实Hj，但能量集成水 平较芹，难以实现全局最优。Grossmann等学者f4“ 通过考虑各子系统之间的相且影响，提dI了基丁-H泄合社数规划f匀全局系统同步优化策略，fn由丁I受模q和算法的限制，这种方法还是初步的。近 年来该领域的研究国外 汽较为活跃，而国山处T 丁起步阶段。2全局夹点分析能量集成法2】过程组合曲线与总组合曲线 Linnhoff提出的夹点技术开始主要州：F换热网络综合。在过程I业中，一些物流需要加热而H另一些物流需要冷却，将这些物流合理地匹配在圈1过程组台曲线与总组合曲线化工进展1 999年增刊119过程组合曲线町以进 步转化为总组台曲线 z,3i，如图1(b)所示，总组合曲线以夹点戈0分的上、 r两部分的水平投影分别为所需的热、冷公用J= 样负荷，即夹点以r和以F分别为过程内部换热 后所需的外界加热量和冷却摄，分别称为热阱和 热源。对7多个过秸!，由T：各过程的夹点位置一 股不同一个过程的热源可以去加热另一个过程 的热阱，闭而为不同过程之问的能量集成提供_厂J能。2 2全局温焓曲线与全局组合曲线H对多个过程i叮以进一步将各过程的热阱和热(b)全局组曲线SSCs源分别组合到一起，得到全局过程系统和公用_ 幽2全局温侍曲线TSP和全局纽台曲线SSCsW系统相关的温焓曲线(Total site profile)161。图2(a)为由多个过群总绢合曲线组合成的全局温 夹点(Site Pinch)，此时全局热回收量Q。晟大。龄曲线，它包括全局热源线和全局热阱线。全局 夹点上方需要加热公州工程，夹点下方有过剩热黼焓曲线可以表明热源部分的剩余热琏和热阱部 筻【”。分的需求热域。 全局绢合曲线可以方便地用于多个过程与公如果各过科之问允许直接进行换热则热阱 川T程系统的能苗集成，不仅可以直观地分析热曲线和热if5i曲线通过横向平移可以找到新的央 斤l收量、公用l一程耗越和热电联产可能功量(与点，从而减少冷、热公朋I。程耗餐。但实际装置 剧2(b)O阴影丽积成止比)，而且通过选择或改变 之间往往不能直接换热，闪此，可考虑用热源部 蒸汽管网的温化和等级数卜j。如在原全局夹点位 舒f二一生高、中、低n、(HP、MP、LP)蒸汽，而热 置增设新的蒸汽等级IP，如图2(b)所示，可以改 阱部分采jH相戍蒸汽加热所有热源都来满足 变全局夹点位苟，进而改变热回收量或热电联产 热阱的加热需要(使jJ熊汽作热传递介质)，如不 作功鼙。另外还可以进行热电联产透平网络综合 能满足所仃热阱的热斋求，就必须消耗燃-：t J“生 雨I蒸汽系统的设计和改造，前能效果显著。超高爪蒸汽VHP米加1热。幽2(a)中折线为蒸3过程与燃气蒸汽联合循环全局能量汽系统分布fi线。将热阱曲线向左平移，_Hj热源的-汽作为热阱的加热H汽，使岗部公_Ljl程负 集成荷线棚联结，即使l到2(a)中c点平移到a点，d ：；1联台循环夹点分析点平移到b点，而m Ir进一步移动产生重替的可 燃气透平冈其高效乖J低污染而在过程l：业中 能，得剑幽2(b)，H口全局细合曲线，联结部位 得刮越来越多的成川，燃气透平排气温度高达45 0一6 0 0，冈此它除了凡3于工艺过程加 热炉的燃烧供氧源外，还可以考虑其排气直接加 热过程热肼或通过余热锚炉产汽再加热过程热摹也功也可以用于过程埘汽、用热。图3(a)所示为 阱，实现两者的热集成【8l。透平燃气和废热锅炉相结合的热功联产系统，热能利用率可达fi 587，废热锅炉所产生的蒸汽可驱动蒸汽透平做燃气透平与一台废热锅炉的温焓曲线圈，图中的丁min是离开发生器的燃气温度与发生器的饱和 蒸汽温度之差它是废热【i习收蒸汽发生器内的堆20化工进展1999年增刊小传热温差，与联产系统的夹点相对应。同过程 Profile)。陶4(a)为山=个过稚总组合曲线与 夹点一样，该夹点温度是影响废热锅炉及联合循 燃气透平排气组合成的全局温焓分布曲线。如果 环技术经济性的关键参数。 各过程及透平排气之间允许亢接进行换热，则热 幽3(b)为双压废热锅炉的传热过程，它有源曲线和热阱曲线通过横向甲移可以找出新的夹 低压和高压两组省煤器、发生器和过热器，从温点，从而减少冷、热公j：程耗昔。佃实际中各 焓曲线上看，其热回收效率较高，排烟可达到较 过群之间往往不能直接换热，可考虑热派部分 低温度，因而蒸汽产餐多，利_Lfj上述原理_J样可 产生高、中、低压蕉汽，而热阱部分采Hj相应蒸以进行仃补燃、全燃情况的夹点分析。汽加热。l|4(a)中折线为蒸汽系统分布曲线。热 阱线向左平移得到如闺4(b)所示的过程与燃气透 甲排气的全局组合曲线，此问题为一门槛问题， 只需要冷却负荷，冈此，热撕!除r满足热阱斋求， 剩余高温热髓uJ州米广生蒸汽做功或外供实现 过程与胀含循环的能量集成。1)750；弘删令蝻热圳：600450幽3(a)燃气透、卜，胜热锅炉的温蚺曲线陶(w州为燃7t透MP300、卜做助：Q。为燃料的热廿)50幽4fa)过程1j燃气透、扩L的争肺温愉分巾曲线蛾t。也趴孝篇i凹弋Q。一幽3(b)双托废热Jf【5炉的温愉曲线幽(Q为发生器收的热量)3 2多过程与燃气联合循环全局能量集成幽4(b1过程4，燃气避、扩L的争局ll台曲线对r多个】艺过程(装管)，每个1艺过稃内部实现换热斤可以得到再过稃的总组合曲线，各4全局夹点分析与超结构混合整数规 过程的夹点位置一般不同，可圳一个过程的热源 划相结合的能量集成法 或透平排气加热另一个过程的热阱，冈而为不涮过程与联产系统之间的能量集成提供了可能。为 41全局夹点分析与数学规划相结合的方法 此可以进一步将各过程的热阱绢台到一起，并过上述的全局过程夹点分析法可以通过公fL 群构热源羊透平排气组合剑一起，得剑多过程与稃系统对备过程之间进行能嚣集成，但这些方案 联产系统的全局温焓分布圈(TotaSite不是唯一的。全局夹点分析法只是给出了能壁集化工进展1999年增刊121成的目标和原划方法，I呵1i能得到最优的具体方全局夹点分析法可以扩展到减少全局系统的 案。以Grossmann为代袋过程综台数学规划学 运行消耗燃料来减少污染排放量为目标的优化权 派，将过转!综台的同步优化和能量集成问题归结衡，这些污染排放物大都是由r系统中的锅炉和 成 个纯数学的混合整数线性见划(MILP)、混台加热炉燃烧所产生的so。、No。、cO。摊放物。利用 整数非线性规划(MINI。P)问题19,州。该方法首先 全局夹点分析法减少污染排放，是只考虑进料和 根据工样经验和热力学分析，建立包含各种可能 产r口1给定情况下，如何通过系统全局优化设计减 方=蕤的F系统超结构及其描述该结构的MILP、 少总排放茸永I投资与排放量之问的权衡，也就是MINLP模型，然后联合备f系统的MILP、MINLP， 在相对J二一定燃料和动力需求的条件F，污染排 采川数学优化方法从超结构中找f最优的系统方 放量一定，通过全局能量集成的能耗减少，来减 案。这种方法的超结构中包含的方案太多，而且 少污染排放鼙。Iinnhoff所做的全局夹点分析修 frJ能遗漏较优方案，所采川的线性分解算法求 改后的扩产方案”i1J仃能2 2，C0，等排放最减 解效率低。 少1 8，投资也有明显霄省。为此，李振比、尹“I超等。者 ，”犍出了全口j52减少排放的能量集成混合方法夹点分析与混台整数1F线性规划捌绌台的全局能晟近，Zhu义对污染排放为目标的能量集成方 艟集成力法。即采用全局火点分析法找 改造过 法进行了发展，他分析，降低排放的现有直接方 “的热同收带公川l一程耗“联产l】_能功琏、 法为净化燃料、低No、燃烧器、脱硫脱硝、燃气轮 透f网绍r叮能方案及仝，uj过程盯能改造方案，庄 机集成及烟气再循环技术等；间接方法的能量集 此蘑础+建立能茸集成的f系统超结句及其 成或热功集成，通过减少能耗来减少排放。这些 MINLP模型，然厉采刖混台连续进化算法进r求 方法的缺点是只考虑问题的局部，可能会丢失 锵，得剑最优戏较优的能域集成方窠。这样不仅 些蚶的选择方案，而且对整个过程经济性可能有 满足全局过程夹点分析法所规定的能蛙同收及热 负面影u自。Zhu提出了减少污染排放义兼顾过程经 功集成原l|i|J，而且趟结卡勾v所包含的部是较好的 济性的新方法”“，即对过撑基础方案以达剑环保 可行力窠，闪此基本f攫脱J经验超结构叫能遗 于I放限制为基本H标进行7J案分析，包括：(A) 漏较蚶共至是最优方案晌缺i，I玎以充分发手5i：j J。过f￥有戈的减少_Lj能的方案分析，如换热网络 述两种方法晌优点，获粥“r轩的最优方窠。 凸造分析及以热路径为线索的顶层分析。“；(B)4 2混合连续进化算法 与公HJ I程有犬的减少押放的方案分析，如更换 过样系统综合优化问题般呵门绵为包含连燃料、低NO。燃烧、烟气再循环及燃气轮机集成等。 续变舒或离散变鼙的非凸、多峰的、泄台整数：拉线 在此基础I：对这些方案进行筛选，放弃经济性差 性规划(MINLP)模，叫”，采川遗传拜：法求解I”I， 羊I艺上不可行的方案，而保留那些可行的较好 将连续变量和整掣变鬃柿进J：编码和泽码处理， 的方案，建立包含多种可行方案的超结构，这样 土|i可求解这类问题，世人itf内编码利译码位D#敞 】以人人减少优化搜索空间，只对有希望的结构 延萍降低r搜索效率，尹洪超等学者针对MINLP 方案进行优选最质在超结构基础上建立组台方 模掣的特点，吸收遗传算法和常规优化力法的优 案优化的混台褴数1r线性规划模犁，采_=|适当的 点，提山丁淮台连续进化傅法，i!jJ对祭型变封采 $#法获得最优方案。戍州实例表明这种方法可以 川编码遗传算子，而对连续：变茸卣接采州连续化 H较盘|的经济性来满足排放限制，为减少排放可 交义、变异尊子进行浮点逗掉，u，保证很高的精以对不同方案进行同步集成。这种了J法可以充分 度，充分发扦了两类算于的优点，提高了搜索速 发挥经验分析和数学规划的优点，可用丁处理大度羽能。，哩过程j：业问题。5减少污染排放的全局能量综合法6参考文献5 1减少排放的全局夹点分析法邱抗勤，米镇涛化学工业发展的展掣，化学工业和工22化工进展1999年增刊程，19帅，14(3)。tleat Integratior,of Chemical Processes AIChE】，2 Linnhoff B User Guide on Process Integration for lhe 1986，32(1)：123138Efficient Use of EnergyWarwick：Warekick Publishing Co10 Papoulias g A，Grossman1 1 E A Structural Optimization1994Approach in process Synthesis(1lI)：Total process Systems3姚甲经化T系统工程。大连：人连理工人学出敝社，1992Comput Chem Eng，1983，7：723-7344尹洪超，李振配多过程与捧汽系统能量集成的令局温11半振民过程伞局能垴集成央点分析方法研究：【学位论 擀|线夹点分析法。第七届商校程热物理学会论文集， 文人连理T入学1998。l：海1998，5。12，+洪超，农一过程系统能量集成州步最优练台法化5 Grossmann I ESantibanez J Applications of Mixed-Integer 1：学撇，199748(1)：3640。Linear Programming in Process Synthesis Compat Chem 13，洪超等过程综合的争j站优化改进遗传算法，人迂Eng，1980，4：205-214 理T人学学撒，1997，37“j：4204246 1)hole V R、l,innhoff B Total Sire Targeting for Fuel，14 Zhu X XAn Integr