综合考虑泵的设备及运行费用的换热网络优化

流体流经换热设备产生的压降是影响换热网络综合的重要因素,且压降会对整个换热网络系统的稳态运行造成影响。因此在进行换热网络综合时,泵的设备购置费、运行泵的能耗费用需同换热设备费用和公用工程费用同时进行考虑。本文基于有分流的非等温混合分级换热网络超结构模型,并且去除流股给热系数为常数的假设,将流股的给热系数作为流股流速的函数,以换热网络最低年总费用作为本文数学模型的目标函数,综合考虑泵的设备购置费用和泵运行时的能耗费用,建立了一个换热网络同步综合的MINLP数学模型。采用改进的拟并行的遗传/模拟退火算法对该数学模型进行求解,可获得最优的压降值及最优流股给热系数下的换热网络结构。最后,通过具体的算例证明了模型的有效性和可靠性,达到了既简化换热网络结构又降低了年总费用的目标。     

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。     

考虑压降和多壳的换热网络集成

介绍了一种考虑压降和多壳的换热网络集成方法。首先采用埃索法推导得出不依赖于各种校正系数的管壳式换热器壳程压降计算关联式,并通过考虑换热器内是否存在温度交叉来计算换热器所需的壳数;然后以包含压降相关费用的年度总费用为优化目标,利用遗传算法,实现换热网络的优化设计。案例研究表明压降相关的动力与投资费用在换热网络年度总费用中占一定比例。所提出的方法能有效处理考虑压降和多壳所引入的非线性问题,使设计结果更为经济和可靠。     

随机搜索算法在换热网络优化中的应用进展

随着对能源利用率要求的不断提高,换热网络的优化已引起了人们的高度重视。本文综述了国内外应用随机搜索算法处理换热网络优化问题的最新研究进展,分析了当前应用较多的4种随机搜索算法：遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法、禁忌搜索算法。阐述了这些算法各自的优势和尚待改进的问题,指出将不同算法结合起来解决大规模的换热网络优化问题是今后的研究方向。     

一种基于并行计算的混合算法优化有分流换热网络

换热网络优化是化工过程系统工程领域的研究难点,其数学模型具有高度的非凸、非线性,在使用单一启发式算法优化时,往往具有局限性。研究以换热网络的年综合费用最小为目标,针对强制进化随机游走（RWCE）算法在优化时由于个体间独立进化,导致优化过程中信息缺乏交流的问题,提出将遗传算法（GA）与其混合。混合后的算法在保持前一半优势种群中的个体单独进化的基础上,通过周期性的交叉、变异等操作产生子代来替换掉劣势种群,从而增强了原有算法的整型变量优化能力,并弥补了弱势个体无法更新的不足。为了兼顾算法在大种群下优化有分流换热网络的计算效率,节约时间成本,使用OpenMP系统将混合算法实现了并行化设计。通过三个不同规模的换热网络问题对并行后的混合算法进行验证,结果表明该算法能在有效提升优化质量的前提下相比串行算法大幅缩短计算时间,其中两个算例突破了目前文献最优解。     

应用于换热网络优化的并行双层RWCE算法

换热网络规模越大,其解空间内极值点呈指数性增长,优化时不仅要求算法具有强大的全局寻优能力,局部解空间的高精度搜索也不可或缺。鉴于强制进化随机游走算法(RWCE)优化换热网络时难以兼顾局部搜索能力、易导致遗漏最优解的现象,同时为增大算法优化大规模换热网络的种群数量,本文将精细搜索和并行计算相结合提出了并行双层RWCE算法。算法基于多核并行技术,通过并行线程分配建立基础层和精细层,基础层在并行计算技术加持下,算法全局搜索能力大幅提升,精细层将基础层当前最优解实时精细搜索,避免了原算法差解代替优解现象。最后通过两个算例进行验证,结果表明并行双层RWCE算法不仅具有更强的全局搜索能力,且兼具高精度的局部搜索能力,在优化进程中有效保护了最优解。     

加氢裂化装置换热网络的节能改造

针对一套20世纪80年代引进的加氢裂化装置,首先对其进行了夹点分析,由于该装置仍然存在温度低于夹点温度的加热器,特别是由于存在跨越夹点的传热,该装置中占实际加热公用工程用量一半以上的用能是不合理的.针对这些用能不合理的环节,对装置进行热集成,并结合工程实际和经济性因素,提出了2种换热网络优化改造方案,并对换热器网络改动最小的方案进行了调优.     

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。     

基于蒙特卡罗微分算法优化大规模换热网络

在换热网络数学模型及分级超结构基础上,提出蒙特卡罗结合微分进化算法,双层优化换热网络。外层利用蒙特卡罗算法全局范围内搜索最佳的换热网络结构;内层用微分进化算法优化换热器面积;通过设定合理的预期换热器个数,控制Grossmann超结构下产生换热器的个数,不但能提高求解效率,而且可以有效地解决大规模换热网络问题。最后,算例结果表明,基于蒙特卡罗微分算法能保证在全局搜索能力的前提下,混合求解策略能够获得较优的结果。     

大规模过程系统能量优化综合的遗传模拟退火算法

为求解一般优化算法难以解决的大规模化工系统全过程用能优化综合问题,根据过程用能一致性原则,将其转换为一个大规模虚拟换热网络的求解问题．本文将改进的遗传算法和模拟退火算法有效地结合,增强了遗传算法的搜索能力,预防了传统遗传算法提前收敛的缺陷．数值计算表明,此算法显著优于求解优化问题的遗传算法和模拟退火算法,可处理热、冷流股数超过100的大规模过程系统的用能优化问题,取得了满意的结果．     

考虑管壳式换热器传热强化的换热网络综合研究进展

换热器传热强化在换热网络中的应用可以解决现有换热网络改造中的瓶颈问题,在热回收系统配置没有过多结构改造的条件下,可以达到明显的节能及降低成本的目的;同时,在换热网络设计中,换热器传热强化技术的应用可以降低设备投资,实现更好的经济效果。本文首先通过文献检索数据说明了在换热网络改造和设计中考虑传热强化技术的研究在近5年得到了研究者的关注。然后概述了管壳式换热器传热强化的基本原理及主要方式,分析了传热强化技术的应用对换热器传热性能的影响,系统总结了管壳式换热器传热强化技术的分类和强化效果。进一步从设计和改造两个方面,对换热网络优化中考虑管壳式换热器传热强化的应用研究进行了综述,展示了传热强化对换热网络设计和改造的效果和优势。最后对下一步的研究进行了展望,指出可进一步探究换热器传热强化设备几何尺寸和换热网络同步优化、传热强化和换热器详细设计同步优化等。     

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。     

多头螺旋管式换热器换热与压降计算

从实际工程设计出发,对多头螺旋管式换热器的设计进行了研究,提出了多头螺旋管束受热面结构的设计方法,推荐了螺旋管内外的传热系数和压降的计算关系式。并对200MW蒸汽发生器进行了实例设计计算。     

兼顾求解速度和精度的换热网络动态模拟方法

以换热器集总参数动态模型为基础,首次建立了基于Grossmann分级超结构的换热网络动态模型和求解方法,可自动识别换热网络结构并建立相应的求解策略,实现了换热网络的动态模拟。模型中考虑了流体温度变化对物性和换热性能的影响,有效地提高了换热网络动态解的求解精度;采用内外双层解法,提高了换热网络动态解的求解速度。实例应用表明,基于Grossmann分级超结构的换热网络动态模型及求解策略可靠、准确,能够获得扰动后换热网络中流体参数的真实变化过程,为换热网络的动态优化和控制奠定了基础。     

基于夹点技术与超结构模型的多程换热网络最优综合

基于热力学原理,以夹点技术为基础结合数学规划法,采用两步法综合多程换热网络。第一步在多程换热网络热力学分析的基础上优化求解最小温差,计算公用工程用量。第二步将求得的最小温差作为夹点温差,将网络分为夹点之上和夹点之下两个子网络,建立多程换热网络的超结构模型,确定流股匹配并优化网络配置。最后,以换热网络总费用最小为目标,连接两个子网络,权衡设备投资费用和操作费用,综合多程换热网络。该方法基于热力学原理,改进了夹点技术在多程换热网络综合中的应用,进而实现了多程换热网络的自动综合。示例分析证明了本文所提方法的有效性。     

板式换热器相变流动的传热及压降特性

建立了三维单流道模型,模拟了波纹倾角和波纹节距对相变流动传热和压降特性的影响。结果表明,沸腾传热和压降特性同时受到流动形式和触点影响,"曲折型"流动有利于液膜蒸发增强传热,触点对气相的扰动作用小于液相,因此在气相体积分数较高的区域的触点处气液相变转化现象不明显。传热系数随波纹倾角的增加而增大,随波纹节距的增加而减小,但在相同入口Reynolds数下波纹节距λ=16 mm比14 mm的传热系数大,主要是因为流动形式的改变在某种程度上减弱了触点数目减少对传热的影响。β=75°和λ=10 mm时传热性能最好。沸腾流动的压降随波纹倾角的增大先升高后降低,在β=65°左右达到峰值,随着波纹节距的增大而降低。     

Pressure drop considerations for heat exchanger network grassroots design

Pressure drop is an important issue in design of a heat exchanger network (HEN), which has yet to be addressed properly. To overcome pressure losses incurred when streams flow through heat exchangers, pumps/compressors must be installed. The total cost for a system of pumps and compressors consists of the purchase cost of equipment and the electricity cost to run these equipment. This cost could occupy a significant part of the overall cost for a HEN design. Therefore, the pressure drop aspect should be considered together with the costs for heat exchanger area and utility consumption. A new approach is proposed to consider the pressure drop aspect in the overall context of a HEN design. Firstly, the optimal ΔT_min is determined through three-way trade-offs between area, utility and pressure drop at the targeting stage. As a result of targeting, targets for area, utility and pressure drops can be established ahead of the network design. Then a network structure is initialised at the determined ΔT_min and optimised to achieve a final design. In this procedure, the pressure drop is considered at both the targeting stage and the design stage in a systematic manner.     

带有Kenics静态混合器的水平液固两相流化床换热管的压降研究

以饱和硫酸钙为介质,在安装Kenics静态混合器的水平液固两相流化床换热管上进行实验研究,考察介质流速、Kenics静态混合器扭率、颗粒体积分数及颗粒尺寸对压降的影响,并与冷态实验条件下的压降变化规律进行比较。结果表明：同等操作条件,安装Kenics静态混合器后压降比安装前提高20%～140%;压降随雷诺数的增大而增大,随Kenics静态混合器扭率的增大而减小;颗粒体积分数对压降也有影响。根据实验数据,得出了稳定操作条件下压降与上述影响因素之间的经验关联式,为带有Kenics静态混合器的水平液固两相流化床换热器的设计提供计算依据。