换热网络的综合、优化

(utility grand composite curve)
传热过程的有效能分析
换热网络的调优
最少换热设备个数和热负荷回路
热负荷回路的断开 1 基本回路断开方式
2 补充回路断开方式
3 热负荷路径及能量松弛
换热网络的综合、优化
上海理工大学 关欣
研究换热网络综合、优化的意义
• 换热器网络是石油化工、能源动力、低温工程等领域广泛 应用的工艺环节，其设计的合理性和高效性直接关系到工 业系统的整体性能。而换热器网络的综合和优化即是要充 分利用工艺物流的能量，尽量减少公用设施费用，使系统 总投资费用最小。实践表明，通过对已有换热器网络的优 化和改造以及对新型换热器网络的综合和优化，都可以显 著地提高能量利用效率，达到节能高效的目的，且产生的 经济效益是十分可观的。例如，ICI公司应用窄点法对已 有换热器网络进行优化和调整以后，不但节省了设备投资， 而且仅燃料费用一项每年就节约120万美元，获得了相当 可观的效果[1]；我国在这方面的成功经验也很多，例如， 清华大学化工系统工程教研室在上世纪八十年代，通过对 炼厂原油预热网络的优化改造，使得加热炉负荷降低40%， 年经济效益达140万元[2]。因此，近几十年来，换热器网 络的综合和优化技术得到了迅速的发展，并且已经成为过 程系统综合的一个重要分支。
国内，针对换热器网络综合与优化的研究基本集中于高校内的研究工作。大连 理工大学姚平经教授在窄点技术法和数学规划法方面取得一定早期成果[13,14]， 并针对其不足之处提出和发展了先进的网络优化方法，例如，建立了三温差 MILP转运模型及其设计方法[15,16]等；华南理工大学华贲教授将人工智能和数 学规划[17]有机地结合起来应用于换热器网络的优化，建立了大规模网络的超 结构模型[18]，且充分考虑了换热器网络弹性设计问题[19]；清华大学肖云汉教 授、朱明善教授和王补宣教授在国内很早提出换热器网络综合和优化的重要性， 在该方面也作了大量有意义的研究[20,21]。 但总的看来，无论是窄点技术法还是数学规划法，到目前为止大都还是一种多 目标分步优化方法，很难一次得到网络的整体最优解。因而有必要对换热器网 络的综合与优化做进一步器网络的窄点法．新疆化工，1994，(1)：24-38. [2]肖云汉，朱明善，王补宣．换热网络的同步综合设计．化工学报，1993，(6)：635-643. [3] Linnhoff B, Flower J R. Synthesis of Heat Exchanger Networks: Systematic Generation of Energy Optimal Networks. AICHE Journal, 1978, 24(4): 633-654. [4]Trividi K K, et al. A New Dual-Temperature Design Method for the Synthesis of Heat Exchanger Networks. Comput Chem Eng, 1989, 16: 667-685. [5] Fraser D M. The Use of Minimum Flux instead of Minimum Approach Temperature as A Design Specification for Heat Exchanger Networks. Chem Eng Sci, 1989, 44: 1121-1127. [6] Cenda J, Westerberg A W, Mason D, Linnhoff B. Minimum Utility Usage in Heat Exchanger Networks Synthesis. Chem Eng Sci, 1983, 38: 373-387. [7]Papoulias S A, Grossman I E. A Structural Optimization Approach in Process Synthesis (II): Heat Recovery Network. Comput Chem Eng, 1983, 7(6): 707-721. [8]Floudas C A, Ciric A R, Grossman I E. Automatic Synthesis of Optimum Heat Exchanger Networks Configuration. AICHE. J, 1986, 32: 276-290. [9]Floudas C A, Ciric A R. Strategies for Overcoming Uncertainties in Heat Exchanger Network Synthesis. Comput Chem Eng, 1989, 13: 1133-1152. [10] Yee T F, Grossmann I E, Kravanja I. Computer Chem Eng, 1990, 14: 1151-1164. [11]Ciric A R, Floudas C A. Heat Exchanger Network Synthesis Without Decomposition. Comput Chem Eng, [J], 1991, 15: 385-396. [12] Yee T F, Grossmann I E. Simultaneous Optimization Models for Heat Integration (I)：Area and Energy Targeting and Modeling of Multi-stream Exchangers. Comput Chem Eng, 1990, 14(10): 1151-1164. [13] 詹士平，姚平经，袁一． 用转运问题求解换热器网络的最小公用设施费用． 化学工程，1989，17(5)：17-27. [14] 尹洪超，周东浩，崔峨．夹点技术与换热网络综合调优方法．节能，1994(5): 11-13. [15] 王莉，姚平经，袁一．换热器网络的新设计方法．化学工程，1995，23(1)：25-30. [16] 尹洪超，袁一，王晓云，施光艳．换热器网络非等温混合目标同步最优综合．大连理工大学学报，1995，35(5)：639-643. [17] 李志红，尹清华，华贲．换热网络最优合成研究的进展与展望．炼油设计，1997(3)：5-10. [18] 李志红，华贲，尹清华，何耀华． 人工智能与数学规划的集成用于换热网络最优合成设计的研究． 石油化工，1998(9)：660668. [19] 李志红，华贲．换热网络弹性分析的研究和应用．石油炼制与化工，1995(8)：11-14. [20] 肖云汉，朱明善，王补宣．换热网络设计方法的研究进展．化工进展，1994(1)： 1-8. [21] 朱明善，肖云汉，王补宣．换热网络的一种新的自动设计方法．石油炼制，1993(12)：46-52.
方法一、全过程采用单一的温差 方法一、全过程采用单一的温差(Heat Recovery Approach Temperature) 方法二、实际过程系统中冷热物流间匹配的换热温差，此时传热温差各不相同。 方法二、实际过程系统中冷热物流间匹配的换热温差，此时传热温差各不相同。 可用虚拟温度计算。 可用虚拟温度计算。
法。
1)线段的斜率为热容流率的倒数; 2) 线段水平移动不改变对物流热特性的描述。
a无相变的冷物流 b无相变的热物流 c单组分饱和液体的汽化 d单组分饱和蒸汽的冷凝 e多组分饱和液体的汽化 f多组分饱和蒸汽的冷凝
Problem table algorithm
1) 夹点处冷热物流间传热温差最小； 2)夹点处过程系统的热流量为0，夹点上方为热阱(heat sink),夹点下方为热 源(heat source)。
数学规划法始于二十世纪八十年代。1983年Cerda[6]把换热器网络表示成目 标函数和约束条件的形式，将数学规划法引入到换热器网络的综合中；1983 年Parpoulias和Grossmann[7]将最大能源回收问题归结为一线性（LP）问题， 以求解最少的换热单元数目；在自动产生换热器网络的结构方面进行了尝试。 1986年Floudas、Ciric和Grossmann[8]合作采用数学规划法生成最优换热器 网络，奠定了其应用基础。1989年Floudas和Ciric[9]把混合整数线性规划法 （MILP）与Floudas的超结构相结合，得到混合整数非线性规划（MINLP） 模型，成功确立了换热器网络最小投资费用；1990年Yee、Grossmann和 Kravanja[10]提出了同时考虑运行费用和投资费用的同步最优综合方法，但 是其没有考虑涉及单元数目的固定费用，问题原则上可归结为一非线性规划 （NLP）问题求解，其结果中可能包括较多的换热单元数目。1991年Ciric和 Floudas[11]所提出的MINLP模型严重非凸，约束是二次型的，虽然采用的分 解算法大大改善了解的质量，但由于其主问题仍为非凸，无法克服局部极小 值点，同时建立的模型依赖于窄点技术的网络温差及子网络的划分。1990年 Yee和Grossmann[12]提出的线性约束MINLP模型可同步优化公用工程、面 积费用和单元设备数，但模型的非等温混合假设造成了有分流情况下必须进 行二次优化。
国内外研究现状
通俗地说，换热器网络的综合与优化就是设计一个由热交换器、辅助加热器和辅助冷却器 组成的换热器网络，使系统中需要加热或冷却的物流都达到预定的出口温度，并使系统的 投资费用和运行费用最小。 国外，针对换热器网络的综合和优化的研究始于二十世纪六十年代，迄今已开发出许多具 有实用意义的网络最优综合方法。其基本可划分为窄点技术法和数学规划法两大类。窄点 法由英国Linnhoff和Flower[3]于1978年创立，这种方法物理意义清楚，且简单易行、效果 显著。窄点技术的核心是找出窄点，不允许通过窄点换热，再以最少换热单元数为目标， 对初始网络进行调优，以减少换热单元数及设备投资费用，从而获得一个最优或接近最优 的换热器网络。窄点技术以热力学理论为基础，迄今已经形成了较为完备的理论体系。 但是，在利用窄点法进行换热器网络的综合与优化时，也存在着自身的一些缺点和不足。 换热器网络的总投资主要由公用工程、换热单元数目和总换热面积决定，窄点技术法在网 络初步合成时，认定组合曲线及个别换热单元具有相同的最小换热温差。为了达到具有最 小的公用工程这一目标，在网络初步合成时，禁止能量穿越窄点，在窄点处，将网络分为 窄点以上和窄点以下两个部分，分别进行合成。这一原则与热力学第二定律是一致的，然 而其结果却使得初步合成的换热单元数目太多。此后，Trividid[4]提出改进的双温差法，建 议不能以窄点温度作为唯一的网络优化变量；接着，Fraser[5]进一步提出对初始网络进行 调优的系统能量松弛法等，对窄点法进行了完善与补充，但实质上此时已经有能量穿越窄 点，其显然与原始禁止能量穿越窄点相矛盾。在利用窄点法进行旧系统网络的改造时，还 可能出现未考虑已有能源和旧设备的利用等影响，使得改造方案难以实现，而且设计时必 须首先给定最小传热温差，依赖于设计人员的经验，因而一般只能得到接近最优的换热器 网络优化结构。