化工工业园区热集成水分配网络的优化设计

摘要

工业园区可以实现多个生产企业之间的资源共享，是目前化工行业发展的主流模式。为提高节水节能水平，促进园区内部的工业共生关系，构建园区内水网络与能量系统的耦合体系十分重要。以往研究中，针对工业园区的水网络综合与能量集成的研究多是分开进行的，而水热集成研究则主要局限于单厂内。本文针对化工工业园区的用水与用能问题，开展跨厂际热集成水分配网络优化设计的研究，挖掘水资源与能源共同节约的潜力。采用数学规划法，基于水分配网络及换热网络超结构，分别通过序贯分步和联立同步两种方法进行网络优化设计，并展开了比较与分析。主要内容如下：
　　（1）采用水热分步集成的方法，依次对工业园区总网络中的水分配和热集成子系统进行优化设计。基于以厂为单位的综合思想，建立园区水分配网络超结构，考虑直接与间接两种跨厂水回用模式，以经济性最优为目标进行园区水网络综合。在最优化园区水网络基础上，对比选择最合适的园区热集成策略，从而确定热集成的潜在流股以及区域范围，在确保涵盖全部水流股的同时使网络结构得到简化，并充分利用流股间的非等温混合直接换热；基于换热网络分级超结构，结合转运模型，优化获得年度费用最小的换热子网络，将两个子系统整合得到分步优化设计的工业园区热集成水分配网络。将这一方法应用于两个算例，在GAMS中建模并求解，得到分步优化下的园区总网络设计。
　　（2）在分步设计的基础上，研究园区内水热同步集成的优化设计方法，从全局角度进一步探索用水与用能的整体最优化。根据分步设计中的水网络交互方式及园区热集成策略，建立工业园区热集成水分配网络超结构与非线性规划（NLP）数学模型，在总网络年度总费用最小的单一目标下求解。模型中包含水回用与热集成的所有可能，以及水热参数耦合与潜在换热流股冷热性质的识别。针对同步优化模型复杂、求解难度大等问题，采用一系列策略简化模型并强化求解过程。对前述两个算例采用同步法进行优化求解，所得最优总网络的年度总费用较分步法更低，这一结果符合同步优化的特点。
　　（3）基于算例结果，结合工业园区特点，从多个角度对分步和同步两种设计方法进行比较，分析各自的优劣势及适用情况。其中，采用不涉及厂际交互的单厂独立集成作为对比的基础。分步法由于不能充分考察水热子系统之间的关联，因而总体优化结果逊于同步法，但其建模与求解相对简单，而且对优化目标的处理较为灵活，对于各个子问题之间求解顺序严格或关联性不强的情况更为适合。在基于同步法的同样情况下，相比于单厂集成，园区集成所得结果更优，验证了园区集成可以进一步提升资源节约水平。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 工业园区概述

1.2 工业园区水分配网络综合

1.3 热集成与换热网络综合

1.4 热集成水分配网络综合

1.5 论文研究内容与思路

2 工业园区热集成水分配网络分步设计

2.1 问题描述

2.2 分步设计策略

2.3 工业园区水分配子系统综合

2.4 热集成子系统综合

2.5 分步设计求解过程

2.6 算例分析

2.7 本章小结

3 工业园区热集成水分配网络同步设计

3.1 同步设计策略

3.2 工业园区热集成水分配网络超结构

3.3 工业园区热集成水分配网络数学模型

3.4 同步设计求解过程

3.5 算例分析

3.6 本章小结

4 工业园区热集成水分配网络设计方法比较与分析

4.1 各单厂独立集成优化设计

4.2 优化设计方法的比较与分析

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

致谢