基于经济目标和分解协调策略的换热网络最优设计

分析了换热网络在过程系统中的功能 ,从火用分析和火用经济学的角度提出了换热网络最优合成设计的实用火用经济目标函数 ,它包含了网络的流动火用损费 ,且可分解为各个换热单元的总费用之和 .在换热网络目标函数可分解性的基础上 ,本文又进一步提出了换热网络分解协调优化的研究策略 ,它是在各个匹配单元 (子系统 )和整个换热网络结构 (复杂系统 )之间进行优化协调 ,并获得换热网络的最优结构和各匹配单元的最优操作参数 .最后 ,通过一换热网络的最优合成 ,说明了该方法的应用前景     

基于经济目标和分解协调策略的换热网络最优设计

分析了换热网络在过程系统中的功能 ,从火用分析和火用经济学的角度提出了换热网络最优合成设计的实用火用经济目标函数 ,它包含了网络的流动火用损费 ,且可分解为各个换热单元的总费用之和 .在换热网络目标函数可分解性的基础上 ,本文又进一步提出了换热网络分解协调优化的研究策略 ,它是在各个匹配单元 (子系统 )和整个换热网络结构 (复杂系统 )之间进行优化协调 ,并获得换热网络的最优结构和各匹配单元的最优操作参数 .最后 ,通过一换热网络的最优合成 ,说明了该方法的应用前景     

换热网络的新设计方法—双温差法

本文从热力学原理、设计准则及优化方法等几方面介绍了换热网络的一种新设计法——双温差法的最新发展状况。由于该法采取了EMAT≤HRAT的设计准则,较传统的单温差法设计的网络具有较少的分枝、旁路及混合等物流数,这不仅减少了网络的单元数,降低了其复杂性,而且换热面积也可能随之降低。这是目前换热网络设计的一种较理想的方法。     

第二换热网络的应用

本文介绍了“第二换热网络”的技术原理、能量回收措施及其应用效果。     

有阈值问题的换热网络三温差设计法

根据换热网络多温差设计法所依据的热力学原理及门槛问题的性质特点首次对此问题的多温差设计法作了研究，将其划分为“夹点型”门槛问题和“非夹点型”门槛问题二大类，并作了相 应的定义，确定了适应的设计方法。     

智能法合成最优换热网络

本文给出了合成最优换热网络时物流匹配换热的规则,结合设计实践和生产经验制定出物流匹配换热的人工智能图表,给出了合成步骤.依此,不必反复迭代调优,而用解析的方法一次就可以合成最优或接近最优的换热网络.经过大量实例考核,取得了令人满意的结果.     

换热网络的新设计方法──三温差法的应用研究

在Ｇｒａｓｅｍａｎｎ新近提出的以双温差法为基础的垂直ＭＩＬＰ转运模型基础上，建立了三温差法的ＭＩＬＰ转运模型，并编制了相应的软件用于换热网络系统设计。还对实际中涉及到的流股相变问题作了研究，并提出相应的设计方法。     

复杂换热网络双层法通用软件的研制

提出了双层模拟法模拟计算复杂换热网络。整个换热网络方程组求解过程分层,内层将模型线性化,线性模型的参数为迭代变量。外层用内层的结果严格计算物性和传热系数,修正线性模型的模型参数。分析指出,操作工况的稳定性及物性对温度的敏感度是影响收敛性的主要因素。提出了模型线必化的方法并实现了矩阵的压缩存储以及方程组的自动生成。工业实例的计算证明了本算法提高了运行速度并实现了通用性。     

换热网络的同步综合设计

提出了换热网络的一种新的转运模型,以并串模式和非等温混合过程描述换热网络的热力学和经济性的总要求,不使用挟点分离、最小单元数等启发式规则,并允许交叉换热和不同物流间的膜传热系数与温差合理匹配.这一模型与优化模型相结合,自动产生换热网络,确定相应的最优公用工程费用、换热面积、换热器台数与冷热流间的匹配,其可行域由一集线性约束确定,鲁棒性很好,易于求解.该方法克服了换热网络的各种分步骤综合方法的缺陷(包括挟点技术、双温差法及相关数学规划方法).与文献上其它同步优化方法比较,具有模型简单、规模小、可算性强、初始化简易、计算结果可靠的优点.通过对文献中广泛使用的例题的检验,结果优于现有的其它方法.     

Integrating expanders into heat exchanger networks above ambient temperature

The integration of expanders into heat exchanger networks (HENs) is a complex task since both heat and work are involved. In addition, the role of streams (as hot or cold), the utility demand, and the location of pinch points may change. With certain well‐defined conditions, four theorems are proposed for the integration of expanders into HENs above ambient temperature with the objective of minimizing exergy consumption. A straightforward graphical methodology for above ambient HENs design including expanders is developed on the basis of Grand Composite Curves (GCCs). It is concluded that to achieve a design with minimum exergy consumption, stream splitting may be applied and expansion should be done at pinch temperatures, hot utility temperature, or ambient temperature. In the majority of cases, however, and in line with the concept of Appropriate Placement from Pinch Analysis, expansion at pinch temperatures gives the minimum exergy consumption. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 3404–3422, 2015     

Integrating compressors into heat exchanger networks above ambient temperature

Heat from compression processes is normally wasted to cooling water due to its low temperature or concerns about operability. The recoverable amount of heat can be enhanced by increasing the operating temperature of compressors. However, the compression work also increases under this condition. The integration of compressors into heat exchanger networks (HENs) is complex since both heat and work are involved, and the role of streams (as hot or cold streams), the utility demand, and the location of pinch points may change. A systematic graphical design procedure for above ambient HEN design including compressors was presented. The objective is to minimize exergy consumption to balance the complex heat‐work trade‐offs involved. Four theorems are proposed as the basis of the design procedure with certain well‐defined assumptions. It is found that the compression should be performed at pinch or ambient temperatures to achieve minimum exergy consumption. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 3770–3785, 2015     

换热网络控制分析与设计研究进展

回顾了近年来对换热网络可控性方面的研究,即分析了当前换热网络的两种控制策略:控制性能指数法和旁路优化控制方法。阐述了这些方法的优点和尚待改进的问题,并指出换热网络的设计应同时考虑工艺与控制两方面。提出了工艺与控制集成的设计方法的具体研究思路,并指出换热网络工艺与控制集成设计的方法将成为今后换热网络设计与控制方面研究的发展方向。     

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。     

换热网络优化中换热单元生成频次的影响分析及策略改进

换热单元的生成频次对换热网络优化有直接的影响,分析其机理可以指导求解算法的改进。本文采用节点非结构模型及强制进化随机游走算法,通过设置不同的换热单元生成概率与生成个数以改变换热单元的生成频次,观察并记录个体在优化过程中产生的年综合费用变化情况。发现不同生成频次下整型变量和连续变量的相对优化频率发生了变化,从而改变了整体优化过程,并且与个体当前优化状态不适应的生成频次会造成相对优化频率不平衡、优化结果较差。基于此,本文提出了一种具有生成参数动态调节策略的换热单元生成方式,在优化过程中根据个体状态实时调整换热单元的生成概率与生成个数,平衡整型变量与连续变量的相对优化频率。最后,采用15SP、10SP和20SP算例进行验证,换热网络的年综合费用较文献结果分别下降了1.06%、0.16%、0.68%,验证了该策略使得换热单元的生成频次更为合理,有效地提高了算法的优化效率。     

换热网络操作夹点分析与旁路优化控制

换热网络夹点设计法是从设计的角度,针对某一给定的典型操作条件而进行的,而炼油化工过程的生产条件经常在一定范围内波动。在实际的生产中,换热网络的操作夹点和最小温差与设计值往往不尽相同,为换热网络的优化控制带来了一定困难。因而近年来对于换热网络夹点技术以及旁路优化控制方面的研究不断深入,但将夹点技术与换热网络控制集成的方法仍不成熟。本文从操作的角度求解并分析换热网络结构已定或网络正在运行情况下的操作夹点,定性分析操作夹点的变化规律,并提出在操作夹点附近设置旁路实现网络的旁路优化控制,从而将夹点技术应用于换热网络旁路优化控制中。实例仿真表明,这一旁路优化控制方法在满足控制要求的同时明显降低了网络的总公用工程,验证了其有效性。     

换热网络填充函数法的全局优化

换热网络全局优化问题属于混合整数非线性规划范畴,其难点是目标函数和约束条件呈现为严重的非线性和非凸特性,局部最优解陷阱星罗棋布.针对其全局优化的难点,应用一种变换函数的全局优化方法--填充函数法,对换热网络进行全局优化.通过具体的填充函数对某特定算例进行求解表明,通过不断的交替优化,填充函数能够使换热网络目标函数跳出局...     

Globally optimal synthesis of heat exchanger networks. Part II: Non-minimal networks

In Part I of this work, the synthesis of minimal heat exchanger networks using the isothermal mixing stage-wise superstructure was presented. In this Part II, an extension of the algorithm presented in Part I is made to consider networks that allow multiple solutions regarding heat allocation, that is, they have energy loops where heat loads can be rearranged without changing the overall energy consumption. We extend the strategy of our Part I to use a set of nested loops to enumerate the number of units, the structure of matches, the energy consumption, different values of exchanger minimum approximation temperature (EMAT), and different locations where EMAT is active. All the models used are linear and are aided by capital cost evaluations. As in Part I, we claim global optimality based on our conjectures. Literature examples are solved to show the effectiveness of the algorithm.     

换热器优化顺序对换热网络全局优化的影响

为了克服换热网络全局最优化过程中极易陷入局部最优解陷阱的难题,本文将蒙特卡罗随机抽样技术应用到换热网络冷、热流体随机组合中,从而实现换热网络多维优化参数优化顺序的随机变化,使得换热网络优化能够从一个局部最小解跳到另外一个局部最小解,实现全局最优化。通过具体算例表明,这种方法能够找到比以往算例更好的结果,能够更好地满足工业上的应用。     

微分进化算法优化换热网络的性能

通过分析换热网络换热器面积与综合费用之间的关系,证明了连续变量引起的换热网络非线性及非凸等特性,这些特性造成换热网络局部最优解众多。而传统的基于梯度的优化算法受初始点影响很大,容易陷入局部最优解,是换热网络最优化的障碍所在。针对优化换热网络问题难以稳定收敛的角度出发,在换热网络分级超结构模型的基础上,研究了微分进化算法求解换热网络问题的鲁棒性。通过具体的算例,在固定结构下与经典的牛顿法比较,结果表明,该方法优化结果不受初始点影响,具有很好的鲁棒性,并且年综合费用得到进一步降低。用于工业生产过程中,可以稳定有效地节约成本。