考虑压降的换热网络同步综合及优化改造

摘要

换热网络的同步综合和优化改造同属于过程系统能量集成的重要研究领域，对于提高过程工业的能量利用率有重要的作用。其设计的合理性、可操作性、以及是否优化对过程系统的能耗高低有重要的影响。在过去的几十年里换热网络的综合和改造方法已经取得了巨大的进展，而且研究成果都已经广泛的应用于实际过程工业系统并创造了可观的经济效益。但是对于很多影响换热网络能耗和经济效益的因素，例如污垢、压降、不同的换热器材质等，基于超结构的数学规划方法仍然没有对它们进行全面的考虑。因此，本文的研究内容是以非等温混合分级超结构为基础，建立了考虑压降的换热网络综合数学模型。利用遗传/模拟退火算法对数学模型进行求解，并将该模型应用于考虑压降的换热网络最优综合，然后将该模型经过简单的改进应用于对现有换热网络的优化改造。
　　本文主要围绕建立考虑压降的换热网络同步综合及优化改造这两个主题，借助非等温混合有分流的分级超结构模型展开了如下的研究工作:
　　(1)建立了考虑压降的以最小年总费用为目标函数的换热网络同步综合数学模型。对Bjork和Westerlund提出的非等温混合换热网络优化综合分级超结构数学模型进行了改进，在约束条件中新增了流股压降约束和流股流速约束。即在换热网络综合的过程中将压降因素和流速因素进行了统筹考虑，将冷/热流股的流速作为新的优化参数来处理。该改进的分级超结构数学模型采用了更符合实际情况的非等温混合的处理方式，构建了基于分级超结构考虑压降的换热网络同步优化综合的MINLP数学模型。
　　(2)运用GA/SA进行了复杂MINLP数学模型的求解。结合十进制遗传算法和模拟退火算法组合而成的拟并行遗传/模拟退火算法，对所提出的考虑压降的换热网络数学模型进行了求解，并对初始解的产生、算子的设计、约束条件的处理进行研究实现。通过两个实例对本论文提出的同步综合优化方法进行了验证，分别得出了年总费用下降34.9％和3.2％的结论，证明了本文所提出的考虑压降的同步综合模型和基于GA/SA的求解策略能够得出经济效益更优的方案。将压降因素与影响换热网络总费用的另外三项因素（换热器个数、换热单元面积、公用工程消耗）同时进行考虑，经过本文所提出的数学模型优化各流股的压降值后，使得本文中的动力费用相比文献中的分步综合的动力费用分别下降了69.8％和19.1％，证明了在换热网络同步综合中考虑压降因素在动力费用上会有较大的节省。
　　(3)建立基于非等温混合分级超结构的换热网络优化改造MINLP数学模型。对本文所提出的考虑压降的换热网络同步综合数学模型进行了改进，增加了对于现有换热匹配、现有换热匹配的换热面积、各流股上动力费用等换热网络优化改造问题中所特有的描述，构建了基于分级超结构的换热网络优化改造的MINLP数学模型。将所提出的考虑压降的优化改造数学模型应用于计算实例，本文中的计算结果的公用工程节省相当于文献的78.0％，但是本文中的计算结果在面积方面的投资仅占文献的35.9％。即本文所提出的考虑压降的换热网络同步优化改造的数学模型达到了用较少的投资费用换取较多公用工程节省的目的，证明了本文所提出的换热网络优化改造数学模型的可行性和有效性。