基于两种中间介质的多阶段厂际余热集成

摘要

借助中间介质回路将工业园区中各单厂内的余热于厂际间进一步回收利用，能够发挥园区集群效应，显著提高园区整体能源效率。近年来随着工业园区的蓬勃发展，研究者们围绕着厂际热集成的方式，如厂际管道连接方式，厂际换热方式，中间介质物性特点以及优化算法等方面展开了相关研究。其中，中间介质回路的设置与介质的选择关系到整个厂际热回收系统的最优设计与节能效果。特别是在真实工业园区中，由于园区内厂数较多，厂内过程流股数量以及种类复杂，仅仅采用一种中间介质流股的厂际换热方式往往局限了厂际热集成的程度与效果，因此，应同时考虑多种中间介质回路以提高园区的换热效率并降低年度总费用。本论文以利用各厂中的余热为目的，以两种介质为对象开展单阶段与多阶段厂际余热集成研究，通过建立混合整数非线性规划（MINLP）模型进行换热器网络的最优化综合，方法可推广用于更多的介质和回路情况，论文内容主要包括以下三个方面： （1）为了充分回收工业园区中过程流股各温位处的热量，不同于目前研究仅采用一种中间介质的集成策略，本文同时选用热水（低温位）和导热油（高温位）为介质开展厂际余热集成研究。提出耦合介质与厂内流股换热及介质流股在厂际间分配的换热器网络超结构，以年度总费用最小为目标建立MINLP热集成数学模型，优化获得包含厂际介质回路连接结构与厂内换热器网络结构等内容的园区余热集成结果。其中，为使所提出的多介质集成策略能够适用于不同的园区情况，通过松弛介质选择变量以实现中间介质的自动选择与匹配，提高了方法的普适性。在一个包含3个厂的厂际余热集成案例中，分别研究了单种介质单回路、单种介质双回路及双种介质双回路3种情况，通过对比发现双种介质情况费用相较分别降低了3%和6%，验证了所提方法的有效性。 （2）考虑到园区在运行与发展过程中所表现出的动态特征，本文在单阶段厂际余热集成研究的基础上进一步开展了多阶段厂际余热集成研究。将采用两种中间介质的厂际余热集成方法与多阶段设计需求相结合，考虑阶段间的耦合关系，提出耦合策略，构建表示阶段间相互作用的逻辑约束，基于数学模型优化、平衡各个阶段的换热器配置以及管路设计，最终获得可满足所有阶段需求的换热器网络结构和阶段间调节方案。本文将该方法用于一个2阶段和一个3阶段的算例中，结果证明了方法的有效性。 （3）为了进一步降低工业园区换热器网络的费用，于多阶段设计中引入中间介质在阶段间的自动识别与切换策略，松弛各阶段的介质选择约束，使园区各个阶段可单独考虑介质配置；采用三种不同的换热器分时共享策略实现换热器在不同阶段间的共享，为获得年度总费用更低的换热器网络提供依据。

目录

引言

1 文献综述

1.1 研究背景与意义

1.2 能量集成综合方法研究

1.2.1 启发探试法

1.2.2 数学规划法

1.2.3 人工智能法

1.3 工业园区厂际热集成研究

1.3.1 工业园区概述

1.3.2 厂际热集成概述

1.4 厂际换热器网络多阶段设计

1.5 本文主要研究内容及组织框架

2 基于两种中间介质的厂际余热集成

2.1 问题描述

2.2 基于两种中间介质的厂际余热集成综合策略

2.3 换热器网络超结构

2.4 换热器网络数学模型

2.5 算例分析

2.5.1 算例2-1

2.5.2 算例2-2

2.6 本章小结

3 基于两种介质循环的厂际余热换热器网络多阶段综合

3.1 换热器网络多阶段分析

3.1.1 厂际余热换热器网络多阶段综合的研究内容

3.1.2 园区多阶段设计问题描述

3.2 综合方法与数学模型

3.2.1 综合方法

3.2.2 数学模型

3.3 算例分析

3.3.1 算例3-1

3.3.2 算例3-2

3.4 本章小结

4 考虑介质自动识别的换热器网络多阶段综合

4.1 考虑介质自动识别的多阶段综合问题描述

4.2 考虑介质自动识别的多阶段综合数学模型

4.3 分步优化策略

4.4 算例分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

附录A 符号说明

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

获奖情况

致谢