多管程换热器网络的最小温差分析与夹点设计

在实际生产过程中,多管程换热器广泛应用,其中既存在逆流换热也存在并流换热。针对多管程换热器网络中并流换热与逆流换热时换热温差对夹点特性尤其是换热网络综合的影响,定量分析最小温差的选择与夹点特性及其总费用的关系。兼顾管程数目的选择以及换热网络总费用两方面因素,以年度化总费用最低为目标,优化求解多管程换热器网络的最小温差。然后,将求得的最小温差作为夹点温差,遵循夹点设计原则综合换热网络。同时,计算得出多管程换热器网络的F_T修正因子,并对结果进行分析。最后,结合示例对比分析求解结果,证明方法的有效性。     

考虑压降的换热网络研究

在换热网络综合设计中,压降是一重要影响因素。安装泵、压缩机等设备可克服流体流动过程中的阻力损失,这些动力设备的投资费用和能耗费用(简称动力费用)是换热网络总投资的重要部分,所以年总费用目标函数中应包括公用工程费用、换热器投资费用和动力费用,这三者应作权衡处理来决定最优夹点温差ΔTmin,以得到年总费用最小、结构更优化的换热网络。     

柔性换热器网络综合与清洗时序安排同步优化

提出在柔性换热器网络设计时考虑设备投入运行后实施在线清洗时序安排的同步优化方法,实现换热器网络动态综合。为降低该问题计算的复杂性,提出采用两阶段法。第一阶段利用虚拟温-焓图法初步综合获得考虑设备结垢过程和流股入口温度、热容流率发生变化时的多周期柔性网络,在同步优化之前识别出较优匹配候选。第二阶段,换热网络结构、设备面积和清洗时序安排利用遗传/模拟退火算法进行同步优化。通过积分方法来计算随时间变化的公用工程消耗,所建立的数学模型因此比以往文献更加严格。计算实例表明,所提方法有效降低年度总费用,同时能够解决大规模柔性换热器网络综合问题。     

绕管式换热器单相流计算方法及实验对比

为了绕管式换热器的准确设计计算,针对Schmidt和Gilli关于绕管式换热器单相流的管程和壳程的对流换热及流动压降的计算关联式,文中通过实验及理论分析,给出了修正关联式。制作了一台按照典型绕管换热器结构设计的试件,用于水-水对流换热实验,得到了分别改变管程水速和壳程水速的传热系数图和流动压降图。通过Schmidt和Gilli公式的计算值与实验值的对比,采纳了Schmidt关于管程对流换热的计算关联式,对壳程对流换热计算关联式以及管程和壳程的流动压降计算关联式进行了改进。改进后的计算关联式进行计算后的传热系数及流动压降与实验数据吻合较好。     

换热网络旁路优化设计

提出了一种可以降低已有换热网络运行费用的旁路优化设计方法,使得网络控制自由度增大,运行费用明显降低。该优化设计方法将网络运行总费用作为目标函数,同时考虑结垢热阻对换热器换热效果的影响,经过多次优化计算确定旁路位置和开度,并根据现场具体情况选择合适的旁路开度下限,确定旁路数目,最终实现网络旁路优化设计。通过示例说明了本文所提方法的有效性和实用前景。     

基于持续节能的多周期换热网络优化设计

在石油化工工业中,换热网络的操作条件时常发生改变,尤其是结垢热阻随运行时间不断增大。针对操作条件的改变,有研究者提出多周期换热网络最优综合的设计与改造方法。但是,这些方法不涉及结垢热阻对设计结果的影响。然而,换热器结垢不可避免,传热系数随之改变,将导致操作工况偏离最优值,难以实现持续节能优化。以多周期换热网络优化为基础,提出一种基于持续节能的多周期换热网络综合设计方法,以换热网络累积总费用为目标函数,考虑换热器结垢对多周期换热网络优化结果的影响,进而实现多周期换热网络的最优综合。首先,结合示例分析换热器结垢对多周期换热网络优化结果的影响,得出考虑到结垢热阻的影响多周期换热网络在各个周期内的优化结果将改变;然后,基于持续节能优化,以换热网络累积总费用为目标函数,提出一种多周期换热网络优化方法;最后,结合示例验证了该设计方法的有效性。     

基于持续节能的多周期换热网络优化设计

在石油化工工业中,换热网络的操作条件时常发生改变,尤其是结垢热阻随运行时间不断增大。针对操作条件的改变,有研究者提出多周期换热网络最优综合的设计与改造方法。但是,这些方法不涉及结垢热阻对设计结果的影响。然而,换热器结垢不可避免,传热系数随之改变,将导致操作工况偏离最优值,难以实现持续节能优化。以多周期换热网络优化为基础,提出一种基于持续节能的多周期换热网络综合设计方法,以换热网络累积总费用为目标函数,考虑换热器结垢对多周期换热网络优化结果的影响,进而实现多周期换热网络的最优综合。首先,结合示例分析换热器结垢对多周期换热网络优化结果的影响,得出考虑到结垢热阻的影响多周期换热网络在各个周期内的优化结果将改变;然后,基于持续节能优化,以换热网络累积总费用为目标函数,提出一种多周期换热网络优化方法;最后,结合示例验证了该设计方法的有效性。     

基于面积再分配和遗传算法的换热网络改造

在过程工业中,现存的许多换热网络由于结构和工艺的不合理,存在较大的能量回收潜力,使得许多换热网络有改造的需要。本文结合了分级超结构模型和换热器再分配策略,并对现有换热器再分配策略做了进一步改进,充分利用现有换热器,而当再利用现有换热器时,对比新增面积费用和新增换热器费用的大小,选择较小的方案,使相同的改造效果下的投资费用最小化。基于分级超结构模型,建立了换热网络优化改造的MINLP数学模型,充分考虑改造后节省的公用工程、原有换热器增加面积的投资费用、新增换热器的投资费用;基于遗传算法求解得到优化改造的换热网络。案例研究表明,改造所得到的换热网络与原换热网络相比,公用工程费用的降幅超过60%,改造收益为1.49×10~7$/a;年度总费用为1.290×10~7$/a,比相关文献低31.2%和9.2%,公用工程费用也比文献节省了42.4%和17.0%,实现了更优的改造效果。     

冷链换热器结构设计分析及热工水力计算

提出了海生物通流能力强的二壳程二管程管壳式换热器方案，为了增强管壳式换热器的换热能力，降低流致振动风险，在多个维度上对其具体结构进行了设计分析。基于管壳式的结构方案，针对其热工设计工况参数进行了热工水力计算分析，结果表明，该管壳式换热器的换热、压降和流致振动均满足设计要求。     

换热网络集成与优化研究进展

首先回顾了上世纪80年代初期提出的以夹点技术和数学规划法为代表的经典换热网络集成优化方法,进而分别论述了近期换热网络集成优化的主要进展,包括考虑压降、结垢和换热器详细设计等实际问题的换热网络集成优化方法;针对不断升级的环境问题,考虑全生命周期分析、二氧化碳捕集和水系统的换热器网络集成优化方法;以及为进一步提升能量利用效率,将换热网络的边界扩展至多个装置,甚至工业园区的能量系统优化方法。最后展望了今后换热网络集成优化的发展趋势与方向。     

Heat exchanger network synthesis with detailed exchanger designs—2. Hybrid optimization strategy for synthesis of heat exchanger networks

We propose a new strategy to synthesize heat exchanger networks with detailed designs of individual heat exchangers. The proposed strategy uses a multistep approach by first obtaining a heat exchanger network topology through solving a modified version of the mixed integer nonlinear programming (MINLP) stage-wise superstructure of Yee and Grossmann, which includes a smoothed LMTD approximation and pressure drops. In a second nonlinear programming (NLP) suboptimization step, we allow for nonisothermal mixing to solve problems with or without exchanger bypasses. The selected heat exchangers along with the mass and energy balances obtained are then used to design the network with detailed exchanger designs through solving a sequence of NLPs for individual heat exchanger designs. The NLPs are based on the detailed discretized optimization models of Kazi et al., which solve quickly and reliably to obtain heat exchangers based on rigorous, first-principles derived coupled differential equations. These models solve a differential algebraic equation system and do not rely on usual assumptions associated with other heuristic-based exchanger design methods, such as log mean temperature difference and F_T correction factors. These detailed exchanger designs are then used to update the network optimization model through sets of correction factors on heat exchanger area, number of shells, heat transfer coefficients, and pressure drops of each exchanger design, in a method based on that of Short et al. The method solves reliably, guaranteeing feasible exchangers for every potential network generated by the shortcut models, through validation with rigorous heat exchanger models at every iteration. In addition, the method does not increase the nonlinearity of the MINLP model, nor does it require any manual intervention or initialization from the user. Three examples are solved and the results are compared to those obtained in the literature.     

考虑压力因素的柴油加氢改质装置换热网络改造

在换热网络设计和改造中考虑压力因素,可以提高换热网络的经济性。本文采用夹点技术,针对某炼厂柴油加氢改质装置,提出了3种不同程度考虑压力因素的换热网络优化方案。方案1为最大热回收方案,不考虑压力约束,回收热量最大但投资也最高;方案2,在考虑可更换反应进料泵的前提下,考虑压力因素,适合于该换热网络的新设计;方案3,在维持反应进料泵不动的前提下,考虑压力因素,适合于该换热网络的改造。方案2和方案3均较方案一明显地减少了设备投资费用,具有更好的经济效益,说明了在换热网络综合中压力因素不可忽视。     

Heat exchanger network synthesis with detailed exchanger designs: Part 1. A discretized differential algebraic equation model for shell and tube heat exchanger design

A new method for the detailed design of shell and tube heat exchangers is presented through the formulation of coupled differential heat equations, along with algebraic equations for design variables. Heat exchanger design components (tube passes, baffles, and shells) are used to discretize the differential equations and are solved simultaneously with the algebraic design equations. The coupled differential algebraic equation (DAE) system is suitable for numerical optimization as it replaces the nonsmooth log mean temperature difference (LMTD) term. Discrete decisions regarding the number of shells, fluid allocation, tube sizes, and number of baffles are determined by solving an LMTD-based method iteratively. The resulting heat exchanger topology is then used to discretize the detailed DAE model, which is solved as a nonlinear programming model to obtain the detailed exchanger design by minimizing an economic objective function through varying the tube length. The DAE model also provides the stream temperature profiles inside the exchanger simultaneously with the detailed design. It is observed that the DAE model results are almost equal to the LMTD-based design model for one-shell heat exchangers with constant stream properties but shows significant differences when streams properties are allowed to vary with temperature or the number of shells are increased. The accuracy of the solutions and the required computational costs show that the model is well suited for solving heat exchanger network synthesis problems combined with detailed exchanger designs, which is demonstrated in Part 2 of the paper.     

换热网络运行模拟优化

换热网络系统大多数是按给定工况,以投资费用和运行费用最优为目标设计的。但在实际运行过程中,确定和不确定性的影响因素往往导致换热网络的运行工况偏离设计值。偏离设计工况运行的换热网络性能变差,导致运行费用增加,甚至不能满足工艺物流换热要求。在换热网络结构给定条件下,将满足物流目标温度和运行费用最优作为目标函数,以单体模型和Yee et al.（1990）提出的多级超结构为基础,建立换热网络运行模拟优化模型,并进一步去除恒定膜传热系数假设使模型贴近实际问题。针对提出的非线性数学模型（NLP）问题,以标准粒子群算法为基础建立求解策略。在论文的最后,4个来源于已发表论文的实例研究证明了该优化方法的有效性。     

有旁路换热网络全周期节能的动态优化控制实现方法

为了实现换热网络的全周期持续节能,在网络上设置旁路从而增加其控制自由度,同时设计一定的裕量来提供优化控制的操作空间。为了较好地利用旁路调节和裕量空间,提出一种基于换热网络动态模型的在线优化控制方法,巧妙地结合原有常规控制回路,不但扩大了优化控制的可行域,并且满足原常规控制回路的精度要求。该方法以换热网络一定周期内的累积费用最小为目标函数,同时考虑扰动对换热网络的影响,在满足工艺条件的基础上,求解最佳旁路开度,以实现换热网络的持续节能。由于采用闭环校正、迭代计算和滚动优化的实施方法,始终把优化建立在实际的基础上,尽管它每次不一定能得到全局最优解,然而使得实际控制结果达到最优。最后,以某炼油厂的常减压脱盐前换热网络为具体的研究对象,说明所提方法的有效性和使用前景。     

基于热损失的换热网络夹点设计法

现行的换热网络目标方法,在进行换热网络价格估算时,未考虑热物流的热损失。在真实的设计中,换热器壳体保温后仍与环境温度相差较大,则其热损失不可忽略。文章提出了一个新的基于热损失的换热网络夹点设计法,该方法首先以综合费用最小为目标确定出最小温差,然后建立问题表格确定出夹点位置及最小公用工程消耗,最后再进行换热网络设计。文中采用某石油常减压换热网络系统为典型算例对该方法的前两步进行了分析研究,论证了该方法的必要性及可行性。结果表明:该方法与基本Linnhoff夹点技术法估算的投资费用有较大的差距之外,在一定的最小温差下,其与基本Linnhoff夹点技术法确定的夹点位置不同,公用工程消耗也有较大的差距。     

基于实际热负荷分布的换热网络优化改造

采用非等温混合分流分级超结构,建立了基于实际热负荷分布的换热网络改造模型,以由改造费用和运行费用组成的年度化总成本为目标,并采用遗传算法进行求解。改造费用涉及现有换热器增加换热面积、配置新换热器、重新布置管道以及移动现有换热设备所产生的费用,充分考虑了原有换热网络经改造后结构的变化所引起的改造成本。在回用原有换热设备后,根据设备实际面积来计算换热网络的热负荷分布和温度分布,即基于实际热负荷分布对换热网络进行改造。案例研究表明,改造后的换热网络结构具有良好的节能效益,合理地再利用了原网络中的旧换热设备,并以较少的改造成本实现了较高的能量回收,投资回报期仅为0.43年,验证了所提改造方法的有效性和实用性。     

换热器结垢与换热网络裕量设计方法研究进展

从结垢现象影响换热系统正常运行的角度出发,介绍了近几年换热网络裕量设计以及针对结垢问题不同学者研究出的换热网络优化设计。总结了在换热网络设计中对换热器清洗时序、清洗周期优化或者增加换热网络的裕量设计的不同换热网络设计最优方法,但这些方法都是在换热网络设计之初,考虑换热器结垢最严重的情况即换热网络在“最差”工况下进行的优化,因此优化得到的换热网络难以保证换热网络全运行周期的持续节能优化。本文结合现有换热网络设计方法的利弊,针对结垢过程的慢时变、持续特点,提出一种基于长周期持续节能的换热网络设计优化方法,在换热网络设计之初,定量分析结垢对网络结构的影响,以换热网络全周期累积总费用为目标函数,实现换热网络的最优综合。     

基于智能预测和机理模型的换热网络清洗决策

原油石化装置的换热器常受到结垢影响,导致换热器性能衰退严重,换热网络性能也会随之衰退,同时换热器之间的耦合关系,导致不同换热器的性能衰退对换热网络整体性能变化的影响不同。以往的清洗决策主要是根据单台换热器性能衰退到一定程度来制定的,这会导致换热网络整体可能处在较差的运行状态。因此,本文提出一种基于智能预测和机理模型的换热网络清洗决策方法,基于换热器的运行数据建立智能预测模型,获得换热器性能变化趋势,结合换热网络的性能模拟模型,进一步获得换热网络的性能变化趋势,从而从换热网络整体性能变化的角度来制定清洗方案。研究表明,对收集到的原油换热器运行数据,建立神经网络预测模型,具有较好的预测精度。通过对原油精馏装置换热网络的案例分析,当HE1、HE2和HE5三台换热器同时发生性能衰退时,换热网络年度公用工程能耗费用将增加12.1%。与传统基于单台换热器性能衰退情况制定的清洗方案相比,从换热网络整体性能衰退角度制定的清洗方案,年度额外公用工程费用减少13.1%,损失费用减少14.1%,年度总费用减少13.8%,而清洗次数仅增加3台次。     

不确定性下基于多工况优化的可控性换热器网络综合

换热器网络在化工生产过程中起着能量回收、节能降耗的重要作用。常规换热器网络综合方法以经济性为目标进行参数和结构优化，导致换热设备之间的强烈耦合从而引起潜在的控制困难。此外，在实际生产中，无论是单个换热设备还是整个网络都不可避免地受到一些不确定性因素的干扰，故能够抵御这些扰动的可控性换热器网络是至关重要的。通过考虑网络结构与可控性之间的相互作用，提出可控性换热器网络综合方法，并基于多工况优化探究了决策变量对网络结构的影响。然后以柔性指数衡量扰动存在情况下换热器网络操作可行性，进一步优化换热器网络结构以抵御不确定性因素的干扰。最后，通过算例分析验证了该方法的可行性与有效性。