A systematic strategy for multi-period heat exchanger network retrofit under multiple practical restrictions

A systematic strategy for retrofit of the multi-period heat exchanger network (HEN) on the basis of the multi-objective optimization is developed. In this three-stage procedure, a simplified multi-objective optimization model of the multi-period HEN is first established and then solved to target the retrofit, aiming to minimizing the total annual cost and total annual CO2 emissions. The obtained Pareto front represents series of retrofit targets under different emission limitations, from which the most desirable one can be selected. The matching of the existing and the required heat exchangers is further implemented to finalize the retrofit, which wil meet the practical retrofit requirements and matching restrictions. The application of the proposed procedure is il ustrated through a case study of a HEN in a vacuum gas oil hydro-treating unit.     

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。     

考虑冗余控制的多周期换热网络设计

实际多周期换热网络的设计不但要满足多个离散周期的操作条件要求,还应该满足单个周期下的柔性要求,以补偿实际操作中单周期下可能出现的参数波动。而根据工程经验增加换热面积裕量和采用文献中的最大面积思想进行设计,都会造成多周期换热网络中换热面积的过度冗余,导致资源的浪费和投资成本的增加。针对以上问题,在综合考虑多周期操作条件要求和单周期柔性要求的基础上,提出了一种控制面积冗余的多周期换热网络设计方法。该方法首先在单周期换热网络集成的基础上获取一个初始的多周期换热网络设计方案。然后以此方案为基础,构建一个基于单周期换热网络模型和柔性分析模型的换热网络修正模型,并通过求解该模型获得初始多周期换热网络在各周期下的最优修正方案。通过综合初始多周期换热网络设计和修正方案,即可完成最终的多周期换热网络设计。最后,通过将所得多周期换热网络与文献中所得结果进行对比,验证了方法的有效性。     

基于遗传/模拟退火算法考虑压降的换热网络优化改造

工艺系统中需要加入新物流、现存的换热网络结构需要改动、换热网络有较大的能量回收潜力,这些都是换热网络需要进行改造的原因.本文基于非等温混合分级超结构,建立了换热网络优化改造的MINLP数学模型,同时考虑了改造后的公用工程费用、新增换热器的费用、原有换热器新增面积的费用、新增动力设备的费用.将用于换热网络综合的分级超结构模型进行了简要的改进,增加了一些和现存设备相关的限制条件和二元变量.通过对现存换热网络进行分析,充分的利用原有的换热设备和换热网络结构,基于GA/SA算法求解可 得到优化改造的换热网络结构.实际算例的计算结果和文献结果对比表明,本文得到的改造方案用较少的投 资,实现了较多的公用工程节省,新增设备费用的静态投资回收期为0.53年,为换热网络改造提供了好的可行方案.     

考虑热泵设置的换热网络分步改造及其多目标优化策略

为了研究热泵设置对换热网络系统节能和CO₂减排的综合影响,建立了以换热网络年度化的改造费用和新增CO₂排放量最小为目标的多策略分步改造的多目标优化模型。以酮苯脱蜡装置的换热网络改造为例,阐明了本文所提方法的有效性,并获得了经济性和CO₂排放量目标权衡的Pareto曲线。本文还对热泵在换热网络中的设置位置进行了讨论,对比和分析了换热网络优化、热泵设置和燃料替换3种改造策略的经济性、减排效果以及节能效果。该方法可为过程工业系统的节能和CO₂排放控制策略的制定提供理论依据。     

利用余热回收多能互补技术的原油蒸馏装置热集成系统的优化改造

针对换热网络（HEN）的优化改造,提出了一种利用公用热量实现多能互补理念的改造思路,通过充分利用热过程物流中的低温余热,完成热集成系统的优化改造。本文基于参考点非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅲ）,通过综合评估集成废热回收（WHR）系统的换热网络的年度改造费用、年度改造收益、能耗（包含换热网络的冷/热公用工程和废热系统冷却水和电力消耗）和废热系统的有益产出,从而获得最优解决方案。对原油蒸馏系统（10H5C）的优化改造研究案例表明,通过权衡集成系统的能源消耗、WHR系统的产出、改造费用和改造收益4个目标,采用NSGA-Ⅲ算法求解获得了多维度的改造方案,相较于基础网络不仅有可以为用户最大节省22.9%能源消耗的改造方案,还有WHR系统最大输出为4.003×10⁴kW的解决方案,也有最小改造费用为1.848×10⁶USD/a的改造方案,还有最大改造收益和最大投资回报率分别为1.173×10⁷USD/a和121%的解决方案;最后通过比较集成WHR系统与单独HEN优化改造的性能,证明了集成WHR系统的实用性和可行性,以及余热回收多能互补技术对提高流程工业能量集成系统能量利用效率的重要作用。     

换热网络的优化改进和控制

通过对换热网络的定性分析提出了换热网络优化改进的4条规则：①控制变量应对调节变量反应灵敏；②选择的调节变量数应小于或等于控制变量数；③一组控制变量应有一组调节变量相匹配；④如果在标准操作条件下现有换热网络是最佳的，而且改进过程中对它做最小的改变就使换热网络适合当前的或多周期操作条件, 那么该改进费用一定是最小的，因此这种改进就是最佳的.根据上述规则，结合换热网络的灵敏度分析建立了换热网络优化改进及控制的数学模型和求解方法，给出了换热网络优化改进的步骤，通过实例计算及应用证明本文所提方法正确、可靠、有效，可在解决实际工程问题中使用.     

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。     

采用换热器负荷图指导换热网络改造的新方法

目前大部分图形工具仅适用于以节能为目标的换热网络（HEN）设计或者改造。能量回收量的增加往往伴随换热单元数的增多,而换热单元数对设备投资费有较大影响。采用换热器负荷图（HELD）提出一种系统化的换热网络改造新方法。新方法基于夹点分析,在改造区间中选择匹配目标,重新构建改造用HELD,从而简化问题;通过在水平方向上平移热流股曲线实现跨夹点负荷的重新分配,完成节能目标,并结合经验规则,尽可能减少改造后换热网络的换热器数目。以一个工业造纸厂为例,对其进行节能改造方案设计,相较于文献报道结果,得到两个节能目标值相近且换热器改动数目更少的新方案,验证了新方法的有效性。     

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。     

Simultaneous MINLP synthesis of heat and power integrated heat exchanger networks

This paper describes the simultaneous MINLP synthesis of heat and power integrated heat exchanger networks. The objective of this work is to obtain feasible networks with optimal tradeoffs between investment, utility and power consumption caused by pressure drops in heat exchangers, and to use a detailed design model for exchangers in the synthesis in order to represent pressure drops and heat transfer coefficients as functions of exchanger design variables. In this way, the simultaneous synthesis of HEN and the detailed exchanger design become completely consistent and optimal.     

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。     

Synthesis of multipass heat exchanger networks based on pinch technology

The multipass heat exchanger is the most common type of heat transfer equipment used in heat exchanger networks (HENs) by the chemical process industries. There are many methods that have been proposed for the synthesis of HENs with multipass heat exchangers, which are mostly derived from the FT design method. In this paper, an alternative new method to synthesis multipass HENs is presented based on the classical pinch technology. In the multipass heat exchanger, both countercurrent and co-current flow are involved. For the co-current flow, composite curves and problem tables are modified, and compared with that of the countercurrent flow. A proper minimum temperature difference is also selected considering the energy-capital cost trade-offs, and then a multipass HEN is synthesized. Results of the case study demonstrate that the new approach meets operating requirements and minimizes the total cost successfully.     

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。     

Automated retrofit targeting of heat exchanger networks

The aim of this paper is to develop a novel heat exchanger network (HEN) retrofit method based on a new automated retrofit targeting (ART) algorithm. ART uses the heat surplus-deficit table (HSDT) in combination with the Bridge Retrofit concepts to generate retrofit bridges option, from which a retrofit design may be formulated. The HSDT is a tabular tool that shows potential for improved re-integration of heat source and sink streams within a HEN. Using the HSDT, retrofit bridges—a set of modifications that links a cooler to a heater to save energy—may be identified, quantified, and compared. The novel retrofit method including the ART algorithm has been successfully implemented in Microsoft ExcelTM to enable analysis of large-scale HENs. A refinery case study with 27 streams and 46 existing heat exchangers demonstrated the retrofit method’s potential. For the case study, the ART algorithm found 68903 feasible unique retrofit opportunities with a minimum 400 kW·unit^–1 threshold for heat recovery divided by the number of new units. The most promising retrofit project required 3 new heat exchanger units to achieve a heat savings of 4.24 MW with a favorable annualised profit and a reasonable payback period.

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考虑关键换热器备用的原油预热系统清垢周期优化

原油结垢是原油预热过程面临的一个严峻问题,它使换热器的传热系数降低,影响正常的生产过程。应对原油预热过程的结垢问题最普遍的方法就是对换热器进行周期清洁,并优化清洁周期。许多结垢严重的行业都采用换热器备用的方式来减少因换热器离线造成的热回收减小,但原油预热系统尚未考虑,因而进一步考虑了关键换热器的备用来进行原油预热系统清垢周期优化。首先选取关键换热器,再通过模拟退火算法进行清洁周期优化。应用所提出的方法对简化的原油预热系统进行了清垢周期优化,结果显示,考虑换热器备用时所得到的清垢周期经济效益更好。     

带有热储罐的间歇过程换热网络综合

间歇过程流股对时间的依赖性增加了其换热网络综合的难度。提出了一种采用间接换热进行换热网络综合的方法,且考虑了直接换热,同时提出了合并热储罐的方法,并利用热储罐的特点合并间接换热中的换热器,用以减少设备费用,以热储罐中介质的温度为变量以年度总费用最小为目标函数建立非线性规划数学模型,确定热储罐内介质温度,最后将该方法应用于实例中证明此方法的有效性。     

Experiences from using heat integration software to determine retrofit opportunities within a refinery process

Heat integration techniques can be used to optimize the energy requirement for both new and retrofit plant designs. Software tools for identifying retrofit options are becoming available. This paper reports our experiences from using heat exchanger network (HEN) optimization software for a retrofit case study of an oil refinery process. The HEN optimization software was used to automate the search for the most beneficial retrofit designs following the twostage process proposed by Asante and Zhu. The software provided three potential retrofit designs. Results from this analysis were used as the basis of a rigorous mass and energy balance simulation of the plant. The simulation corroborated the energy savings, but there were some important differences. The simulation required 20% more heat exchange area. Furthermore, the retrofit design involving one topology change was shown to be less economic than an alternative design. These differences are discussed and a revised methodology is proposed.