连续优化温度等级的制冷系统合成研究

摘要

作为化工过程中的耗能大户，制冷系统具有复杂的集成网络和密集的能量分布。因此，制冷系统合成和优化对于化工过程节能降耗具有重要意义，并且是一项具有挑战性的系统工程工作。本研究基于数学规划法，提出了一个用于解决连续化温度等级（级个数、级温度、级负荷）下多级制冷系统合成模型。该方法主要分为四步： （1）建立一个可以描述制冷系统内所有可能连接关系的超级结构； （2）以制冷系统压缩机总轴功消耗最小为目标，将模型转化为一个混合整数非线性规划（MINLP）模型； （3）求解模型，获得制冷系统结构和最优操作条件； （4）模型验证，将解得的模型结构和参数在Aspen Plus中进行严格模拟验证。 区别于之前已有研究中制冷温度等级以经验法或离散方式优化给出，本研究实现了制冷等级的连续优化，使得制冷温位和制冷负荷与过程系统的冷负荷需求合理匹配。在研究过程中，通过有效能分析评价制冷系统有效能利用效率和验证节能效果；使用“拓展的转运模型”描述在连续化温度等级下制冷系统的换热过程，实现换热网络和制冷系统的同时优化。 使用本研究提出的方法，对实际工业乙烯装置中的乙烯制冷系统进行优化合成，获得的最优结果表明：采用温度等级连续化寻优的方式可以使制冷系统与过程系统温位和负荷更加匹配，压缩机总轴功消耗降低了8.08%，并通过Aspen Plus严格稳态模拟验证了其可行性和一致性，表明该方法行之有效。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.1.1 化工工业节能现状

1.1.2 低温过程系统

1.2 压缩制冷系统简介

1.2.1 压缩制冷原理

1.2.2 压缩制冷系统分类

1.2.3 制冷系统设计难点和节能空间

1.3 制冷系统研究现状

1.3.1 制冷系统评价方法

1.3.2 制冷系统研究进展

1.3.3 制冷系统研究总结

1.4 论文研究内容、方法和构成

第2章 连续优化温度等级的制冷系统合成方法

2.1 引言

2.2 问题陈述和假设

2.2.1 问题陈述

2.2.2 条件假设

2.3 制冷系统超级结构

2.3.1 超级结构简介

2.3.2 超级结构建立

2.4 温度等级连续优化的处理方法

2.5 模型方程

2.5.1 目标函数

2.5.2 质量衡算方程及其约束

2.5.3 热量衡算方程及其约束

2.5.4 MINLP模型

2.6 制冷系统优化合成的实施

2.7 本章小结

第3章 实际工业案例的应用研究与分析

3.1 工业前脱丙烷前加氢乙烯流程介绍

3.2 工业乙烯装置的准备工作和基础数据

3.2.1 系统封闭化处理

3.2.2 基础数据

3.3 采用本文提供模型方法进行优化设计

3.3.1 MINLP模型求解

3.3.2 优化结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 结论与展望

4.1 研究结论

4.2 主要创新点

4.3 研究展望

参考文献

附录

符号说明

发表论文和参加科研情况说明

致谢