换热网络综合优化研究方法的新进展

学第一定律考虑, 既然交换的能量相等, 那么净热流为 零, 同样可以认为夹点处没有能量通过。如果从热力学 第二定律考虑, 虽然夹点上下 2 部分交换的能量相等, 但这 2 部分能量的品位是不同的, 即从火用分析的角度 来看, 势必会增大火用损失, 因此, 综合系统时不能违背 第一条原则的原始意义。
1. 2 夹点技术的延伸方法 不管是 T -H 图法, 还是问题表格法都需要给定最
的基础上做了不少改进, 提出很多更为有效的方法。 G rossmann 等[ 9] 提出一个混合整数非线性规划模
型, 该模型同时强调能量回收目标、换热器单元数以及
换热面积目标, 并且允许划分网络时温差可以不同, 这
样就减少了网络结构的复杂性。同时, 以换热面积为参 数, 给出一个连续的投资费用函数。我们知道, 在实际
2006 年第 3 期
提出以三温差法为基础的 M IL P 转动模型, 可以从整 体考虑能量系统的综合, 相关的方法将放在后面讨论。
G . T . P olley 等[ 7] 认为, 不管是用夹点技术还是 用M INLP 方法, 都不能保证最后设计出的换热网络 是最优的。这一问题来源于: 在综合换热网络时仅仅对
求解, 使目标函数最大或最小。比如: 公用工程目标函
数可以表示如下
∑ ∑ M inimize Z =
S
m
F
s m
+
W
n
F
w n
其中: S m > 0; W n > 0
F
s m
≥
0;
F
w n
≥
0
S m - 公用工程加热物流单位价格;
W n - 公用工程冷却物流单位价格;
F
s m
、F
w n
-
公用工程质量流率;
夹点技术是以热力学为基础, 从宏观的角度分析 过程系统中能量流沿温度的分布, 从中发现系统用能 的“瓶颈”, 并给以解“瓶颈”的1 种方法[ 3] 。夹点技术给 出了最大能量回收的 3 条基本原则以及冷热物流匹配 的规则。这 3 条原则成为过程系统综合优化问题的指 导性原则。
对于夹点处不能有能量通过这一基本原则, 有文 献[ 4] 认为: 夹点上下 2 部分可以有能量交换, 只要交换 的能量相等, 并不影响系统达到最大能量回收。从热力
第 24 卷 第 2006 年 9
3期 月
轻工机械 Li ght Industry Machinery
V ol . 24, N o. 3. S ept . , 2006
[ 环保·安全]
换热网络综合优化研究方法的新进展
靳遵龙, 董其伍, 刘敏珊, 刘 宏
( 郑州大学热能工程研究中心, 河南 郑州 450001)
上对过程和装置的用能状况进行描述, 由于其具有简
单、直观、物理意义明了等特点, 长期以来就是过程和 设备设计的基础。但此方法不能反映由用能过程不可
逆引起的能量贬值。热力学第二定律将能量的“质”与
“量”有机地结合起来, 指出了能量的真正价值所在:
[ 环保·安全]
靳遵龙, 等 换热网络综合优化研究方法的新进展
热温差 T min ( HRA T ) 和系统中换热器所允许的极限 温差EM AT , 同时有 HRAT ≥EM AT 。
在双温差发展的基础上, 三温差法及多温差法得 到发展。由HRA T 决定网络的夹点位置和所需要的公 用工程用量; T IAT 用来确定各温度段的剩余能量和 过夹点的最大能量, 并决定网络的划分; 而 EM AT 决 定系统中换热器的最小温差。不管是单温差法还是多 温差法, 在初期组建网络的过程中, 都是把整个系统分 为 2 个孤立的子系统, 当温差变化时, 夹点位置也随之 发生了变化, 这样必然会造成夹点上下 2 部分物流相 互换热, 得不到最佳的换热网络。只有把能量系统整体 考虑, 才能消除这一问题, 王莉等[ 6] 在前人的基础上,
0 引 言 换热网络综合优化从 20 世纪 60 年代起就作为过
程设计综合的一个子问题而引起重视, 具有重要的理 论意义和实用价值。许多研究者对换热网络的综合优 化问题进行了深入的研究, 提出了不少综合方法, 并且 用于工程实际, 取得了显著的经济效益。Gundersen[ 1] 通过对以往众多相关文献的论述, 系统地回顾了基于 夹点技术和热力学原理以及数学规划等换热网络综合
优化与设计的方法。本文中, 作者仅对近几年来该方面 取得的进展作一简要的回顾。 1 基于夹点技术的综合优化与设计方法
L innho ff 于 1982 年和 1983 年比较系统地论述了 用于换热网络综合的夹点技术[ 2] , 并在后来推广应用 于整个过程系统的能量分析与调优, 包括公用工程、反 应、分离系统在内的整个过程系统。夹点技术的出现, 使得换热网络的综合方法取得了重大突破, 很快为工 业界所接受, 并在世界范围内得到了推广应用。 1. 1 夹点技术的基本方法
由图1 可知, 在进行系统的操作评价及优化时, 需 要把热力学第二定律与经济因素结合起来考虑, 为系 统的合理用能提供经济上的保障。
和设备选择, 这些需要用整数变量或 0～1 变量表示。
பைடு நூலகம்
还包括一些连续变量和决策变量以及这些变量的等式
或者不等式约束, 并且这些约束条件常常是非线性的。
这些模型很难求解, 所以常对数学模型进行简化处理。
那么简化了的数学模型不再是对原问题的真实反映, 即使能够得到简化后给定条件下的严格最优解也只能
是对原问题的失真的反映。基于此, 后人在该基本方法
应用中, 随着换热器面积的变化, 投资费用不再是面积 的连续函数。K w ok-Yuen Cheung 等[ 10] 对投资费用与 面积的关系进行细化研究, 提出投资费用与面积关系
的非连续函数
C = 4500 + 600A 0. 6 ∨ 0 ≤ A ≤ 80 C = 21000 + 120A 0. 6 160 ≤ A ≤ 240
火用经济分析( Ex ergo economic A nalysis) 不再像火用 分析那样片面追求热力学上的完善性, 而是以热力学 第一、二定律为基础, 将热力学原理与经济概念运用到 过程系统的综合优化当中, 从经济效益最大化的角度 来衡量系统是否最优。
自然界中, 任何过程的进行都需要推动力。对于热 力系统, 温差越小过程的不可逆性越小, 此时的火用损也 越小, 当达到完全可逆时, 系统的火用 效率最大[ 14] 。但 是, 对于一个实际的热力系统其硬件投资将会是无限 大。所以, 有必要寻求最优的温差。图1 表示出某合成 氨厂氨合成工段换热网络的最小传热温差与年平均费 用( 包括操作费用和折算后的投资费用) 的关系。
C = 15000 + 250A 0. 6 ∨ 80 ≤ A ≤ 160
其中: C/ ＄; A / m2
基于混合整数非线性规划( M INL P) 方法上的全 局优化法, 由于该方法存在许多计算上的困难, 特别是
对大型的系统, 更是一个十分复杂的问题。G. At hier 等[ 11 ] 提出两段设计法, 首先用模拟退火法产生不同的
收稿日期: 2005-11-03 基金项目: 河南省杰出人才创新基金项目( 0221000600) 。 作者简介: 靳遵龙( 1973- ) , 男, 河南淮阳人, 博士研究生, 主要从事过程系统综合优化及换热设备强化传热方面的研究。
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轻工机械 Light Indust ry M achinery
G ouy -Sto dla 公 式指出: 火用 损失与 系统的不可 逆 程度成正比, 而不可逆程度可以由熵产来表示, 即有
EX , Q( A) - EX , Q( B) = T 0S g 式中: EX , Q( A) - 系统初始状态的火用;
EX , Q( B) - 系统终了状态的火用; T 0- 环境温度; S g- 熵产。 火用分析是通过火用 平衡确定过程的火用 损失和效率。 对于多股物流的稳流系统, 在忽略位能与动能变化时, 其平衡方程为
小传热温差 T min , 或者根据能量回收的要求确定最小 传热温差 T min。但是, 当采用能量松弛法, 增加系统的 公用工程用量, 减少设备单位数, 以减少总费用时, 综 合的新网络的最小传热温差不再是 T min , 而是大于该 数据的某个数。基于此, T r iv edi 等[ 5] 提出了改进的双 温差设计法, 指出不应以夹点温差作为换热网络最优 合成的惟一变量。区分了最大能量回收网络的最小传
如: ASPEN 公司推出的ADV ENT 软件、英国L innhoff 教 授 及 其 同 事 开 发 的 SUP ERT ARGET 软 件 以 及 SIMSCI 公司推出的 HEXT RAN 软件等, 都是以夹点
法为基础模型。此外, 国内也有多家单位开发了类似的 软件, 如: 清华大学开发了 ESOP( Energy Sy st em Optim ization Pro gram ) 软件[ 8] , 其功能包括: 能量消耗目
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“火用”。 火用的热力学定义如下: 在环境条件下, 能量中可转
化为有用功的最高份额, 或者: 热力系统只与环境相互 作用, 从任意状态可逆地变化到与环境相平衡的状态 时, 做出的最大有用功[ 13] 。其定义式为
E x = ( H - H 0 ) - T 0 ( S- S 0) 式中: H- 焓, S- 熵, 下标“0”表示环境基准状态。
摘 要: 随着能源供需矛盾的加剧, 能源利用问题越来 越为人们所关注。换热网络作为过程工业中耗 能的主要部分, 其综 合优化方法的研究已经取得了很大的进步。文中综述并讨论了换热网络近年来的综合优化合成研究 的内容和方法, 并展 望了今后的研究发展方向。 关 键 词: 换热网络; 研究方法; 进展 中图分类号: T K 01 文献标志码: A 文章编号: 1005-2895( 2006) 03-0149-04
换热器单元的面积做出粗略估计, 以及假定出各物流 的传热膜系数。他提出在综合换热网络时要对每个换
热器进行详细设计, 满足单个换热器的传热面积要求、
管程压降以及壳程压降要求。并给出综合优化实例, 这
样设计的换热网络总费用降低了 6% 。 作为夹点技术的辅助手段, 计算机模拟也有了很
大进展。目前已有若干商业化的夹点技术应用软件。比
∑ ∑ ∑ ( j EX j ) 出- ( i EX i) 入 = k EX , Q, k- W 轴- W 损
火用分析能够得出系统的火用 损及火用效率, 指出系统 的不可逆性是系统损的根本原因, 从本质上指出正确 的节能方向, 目前该方法被人们广泛认识并掌握、应用 到过程系统的节能与分析当中。 3. 1 火用经济分析
网络结构, 再用非线性规划法对这些网络结构进行选 择并优化, 这种方法对处理一些大型复杂系统十分凑
效。Hongm ei Yu 等[ 12] 用遗传算法与模拟退火法相结 合对大型的能量系统进行优化, 取得了良好的效果。
近年来, 人工智能的方法也应用于换热网络的综 合中, 比如专家系统合成网络的方法, 以及智能法合成
标的计算、最优夹点温差的确定、换热网络模 拟计算
等。所有这些软件大大方便了工程师们对能量系统进
行综合优化与设计。
2 数学规划法 随着计算机技术的发展, 换热网络的研究出现了
一个新的分支: 数学规划法。其基本作法是: 将所研究
的问题整理成由目标函数和约束条件组成的 数学模
型, 并根据数学模型的类型选择适宜的优化方法进行
换热网络等方法。从以上众多综合优化与设计方法可
以看出, 把各种方法有机地结合起来, 取长补短, 将是 未来的发展方向。随着综合优化方法研究的深入及其
在工业实际的推广应用, 研究方法及研究手段必将从
目前的中观向微观及宏观领域的方向发展。
3 火用( Exergy) 分析
热力学第一定律从能量转换的数量关系、从“量”
S - 热公用工程集合;
W - 冷公用工程集合。
从理论上讲, 只要建立的数学模型考虑全面、正确 以及加上所有的约束条件, 那么数学规划法可得到严
格的最优解。仅从这一点讲, 它比夹点技术严密。但是,
对于换热网络来说, 全面考虑已经很困难, 建立包括所 有影响因素以及约束条件的数学模型更为困难。实际
的换热网络模型是很复杂的, 包括很多物流匹配约束