通过热媒体的换热网络(火用)经济学优化设计

摘要

随着国民经济的快速发展，我国对能源的需求呈加速上升趋势，能源供给与经济发展之间的矛盾非常突出。能量是工业的源动力，对工业装置中大量副产的各种品位的热量的再利用历来都是节能工作的重要研究方向之一。以中间热媒体为介质的换热网络系统在能量回收利用方面起着不可替代的作用，常见的热媒系统有低温热利用、蒸汽动力系统、热载体油循环系统和冷却（冻）水循环系统等方面，特别是占石化企业节能潜力近20％的低温热余热回收利用，更属目前需研究实施方向上的重中之重。
　　 中间热媒体换热网络系统是通过各种中间热媒（水、蒸汽、热载体或盐水）将热源与热阱的热冷量进行集中交换利用，并达到能量回收和再利用目的的换热网络系统。基于大系统构架内的中间热媒换热网络一般是多用户、多变工况、长周期运行的换热网络系统，其设计和优化的核心在于热媒换热网络系统在对应的能源、设备的价格和技术条件下的结构选取和工艺优化设计，目的是在不违背基本热力学原理和工程实际的前提下，设计出经济、高效，能够满足各用户用能需求的、综合投资收益最好的热媒换热网络系统。
　　 本文以“三环节”理论为指导对以中间热媒为介质的换热网络研究的必要性进行实证分析，证实了在大系统能量集成优化前提下采用中间热媒换热网络可以相对少量的投资，较大程度的提高工业装置的能量回收和再利用能力。并依据流对象模型，建立了中间热媒换热网络系统各子系统的设备及单元模型。
　　 论文以中间热媒换热网络（）分析为基础，以（）经济学为衡量准则，完善了的基于热（）价格和换热设备投资的“最优传热温差”概念的定义及应用，并设计开发了HEDO Plus换热器选型平台指导换热器的选型与优化。
　　 论文的研究工作明确了热媒换热网络优化的目标是工艺和结构的协同优化，通过对热媒换热网络特点的总结和发掘，按照换热网络的定义，开发了基于热媒换热网络系统工艺捷算法和以热回收量为目标函数的热媒换热网络图形法优化法。对实际热媒换热网络的优化则以（）经济学为基础开发了结构与工艺协同下的网络系统优化，并建立MINLP模型使用数学规划法实证分析。
　　 论文以“最优传热温差”的（）经济学研究成果为基础，提出了根本有别于夹点技术的“基于最优传热温差法的换热网络合成优化”复合热力学调优法，通过对结构的热力学合理约束减小结构序列试探空间从而绕开N-P hard困难，该模型引入半严格传热模型并以经济目标函数作为热媒换热网络结构与优化的最终判据，结果表明这种方法是便捷可靠的。研究工作以此为基础，建立了具有子系统的升级拓扑结构的热媒换热网络以提高系统内部的能量利用能力和利用效率，探索出一套基于子网络系统的关键点比较试探优化法，对热媒换热网络的研究进行新的突破。
　　 论文工作以热媒换热网络合成优化部分的理论研究为指导方法，提出具有工程实用价值的热媒换热网络的方法。以低温热媒换热网络系统为例，介绍了基于炼油厂框架内的低温热媒换热网络的工程设计与优化步骤。论文的这一部分还对热媒换热网络的柔性特点及其在评价热媒换热网络设计与操作中的作用进行了论述与实证分析。区分了热媒换热网络设计中系统柔性与柔性系统的概念，并结合具体实例阐述了系统柔性和柔性系统的选择适用标准。
　　 本论文以“基于最优传热温差技术的换热网络优化合成方法”的研究结果搭建了热媒换热网络计算机辅助设计优化平台，包括建立平台运行所需的编码库、数据库和可控化人机交互界面。辅助平台以某企业低温热媒系统实际数据为例进行热媒网络系统的合成与优化并得到了优化的结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和现实意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 文献综述

1.2.1 基于系统过程能量集成的中间热媒系统建模

1.2.2 换热网络的优化合成

1.2.3 网络系统的逻辑与数学优化方法

1.3 中间热媒换热网络系统设计与优化的难点

1.4 研究目标与内容

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容

第二章 以中间热媒为介质换热网络理论基础与模型

2.1 “三环节”理论与含中间热媒的换热网络系统

2.1.1 能量回收利用的理论基础

2.1.2 低温热的大系统利用

2.1.3 实证分析

2.2 物理结构模型

2.3 流对象模型

2.3.1 物质流

2.3.2 能量流

2.3.3 信息流

2.4 设备及单元模型

2.4.1 换热器

2.4.2 管线

2.4.3 混合器和分配器

2.4.4 泵

2.5 小结

第三章 换热设备(火用)分析及(火用)经济优化

3.1 热媒换热网络(火用)分析

3.1.1 原理阐述

3.1.2 热媒换热网络(火用)分析及流程优化实例

3.2 最优传热温差的(火用)经济基础

3.2.1 热(火用)价格

3.2.2 换热设备计价

3.3 最优传热温差的计算方法及重要导则

3.3.1 最优传热温差的计算

3.3.2 算例

3.3.3 最优传热温差应用的重要导则和概念延伸

3.4 单台换热器选型计算平台(HEDO Plus)

3.4.1 平台开发背景

3.4.2 HEDO Plus的工作原理

3.4.3 HEDO Plus的算法和流程

3.5 小结

第四章 定负荷中间热媒换热网络的结构与参数协同优化

4.1 热媒换热网络的优化策略

4.1.1 热媒换热网络系统结构优化

4.1.2 系统热媒参数优化

4.1.3 热媒换热网络系统参数和结构的协同设计优化策略

4.2 热媒换热网络结构优化策略研究

4.2.1 热媒换热网络系统的负荷结构特性

4.2.2 热媒换热网络系统的主要优化方法

4.3 热媒系统参数的初值确定方法

4.3.1 热媒换热网络系统参数初值优化捷算法

4.3.2 基于图形法热媒换热网络参数优化

4.4 结构与参数协同优化的网络合成

4.4.1 采用结构工艺协变优化的热媒换热网络系统(火用)经济方法

4.4.2 热媒换热网络系统(火用)经济学模型

4.4.3 实例分析

4.5 小结

第五章 基于最优传热温差技术的中间热媒换热网络合成优化

5.1 基于最优传热温差法的换热网络合成优化

5.1.1 研究背景

5.1.2 优化基本原理

5.1.3 基本模型

5.1.4 合成步骤

5.1.5 算例

5.2 最优传热温差在网络合成应用中的困难及复杂热媒换热网络

5.2.1 换热器最优传热温差在网络合成优化实践中的困难

5.2.2 复杂低温热系统的优化

5.2.3 优化算例

5.3 小结

第六章 中间热媒换热网络的构建及系统柔性分析

6.1 热媒换热网络系统的工程实施步骤

6.1.1 研究背景

6.1.2 一般热媒换热网络的合成与优化

6.2 热媒换热网络系统的柔性(可行性)分析

6.2.1 网络柔性(可行性)研究

6.2.2 系统柔性研究

6.3 小结

第七章 中间热媒换热网络计算机辅助设计优化平台

7.1 中间热媒网络系统计算机设计优化辅助平台的开发

7.1.1 系统开发方法

7.1.2 系统开发环境

7.2 辅助平台系统的设计优化需求

7.2.1 单台换热器半严格传热模拟及换热面积修正

7.2.2 网络优化拓扑结构的自生成

7.2.3 用户的强制性自调整

7.2.4 热源(阱)子网络的级内分支流量调整

7.2.5 系统的工艺优化及核算功能

7.2.6 其他系统辅助模块

7.3 计算机辅助平台的分析和设计

7.3.1 核心功能过程(模块)的关联运行

7.3.2 重要数据流的共用与管理

7.3.3 平台的系统层次

7.4 计算辅助平台系统的功能实现

7.5 小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢