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。     

综合考虑经济性与效率的换热网络多目标约束优化方法

换热网络优化中不仅要考虑能量回收的“量”,还要考虑能量回收过程中“质”的耗散问题。在换热网络最大能量回收的前提下,基于不可逆传热过程中的耗散理论,以代表能量回收品质的效率最高为目标,建立综合能量回收数量、品质并同时考虑换热网络经济性的多目标混合整数非线性规划（MOMINLP）模型。根据模型目标有主次之分的特点,基于ε约束法对模型进行分步优化并结合BARON软件进行精确求解,依次求解换热网络的最大能量回收量(MER)与最低年均总成本(TAC),再将所得结果乘以松弛系数ε_i作为缩小搜索区域的约束条件,获得能量与成本约束下效率的Pareto前沿。通过对经典10SP1案例进行计算求解,最终得到最大能量回收量下,费用松弛系数为1.05时费效比最小的优化方案,而且本文的多目标约束优化方法能够更快求得综合的最优解。最后通过T-Q图中的换热网络组合曲线对比不同优化方案的效率,将换热网络划分为内部换热部分与剩余流股部分,多目标约束优化方法能够降低内部换热不可逆损失,提高剩余流股的温度。     

同时考虑流动损费和传热强化的换热网络合成

详细论证了在求解换热网络优化狭点温差△T_mtn,opt过程中,同时考虑换热器流动(火用)损、匹配单元优化和传热强化的必要性.提出以“Supertargeting”所给出的最优狭点温差为初值向狭点温差增大的方向寻求最优解的方法.文中对影响△T_min,ovt大小及其与初值之差的经济条件和复合线特性进行了讨论;提出了新的换热网络优化合成策略.用3个实例来说明所提出方法的优越性.     

同时考虑流动损费和传热强化的换热网络合成

详细论证了在求解换热网络优化狭点温差△T_mtn,opt过程中,同时考虑换热器流动(火用)损、匹配单元优化和传热强化的必要性.提出以“Supertargeting”所给出的最优狭点温差为初值向狭点温差增大的方向寻求最优解的方法.文中对影响△T_min,ovt大小及其与初值之差的经济条件和复合线特性进行了讨论;提出了新的换热网络优化合成策略.用3个实例来说明所提出方法的优越性.     

基于NSGA-Ⅲ算法的高维能量集成网络的优化改造

针对现有随机算法对高维能量集成网络（换热网络）求解困难与易陷入局部最优的问题,提出了一种基于参考点的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅲ）的换热网络优化方法。该方法使用特殊的支配关系引入了自适应离散化Pareto前沿与参考点机制,对那些非支配且接近参考点的种群个体进行保留。本文基于非等温混合分流分级超结构模型,以用户最关心的环境影响指数、投资费用、操作费用与改造工程量为改造优化目标,从多个方面、多个层次考虑换热网络改造问题,为用户提供多种可供选择的改造方案。案例研究表明,改造后的换热网络以每年57304USD的投资费用节省25%的年度操作费用,同时还具有较小的环境影响指数与改造工程量;与文献相比,可以提供多元化的节能改造方案,满足用户的不同改造需求,且获得优于文献的综合改造结果,表明该方法具有较强高维求解能力。     

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。     

基于平均传热温差的炼化企业换热网络设计

传统夹点法设计的换热网络没有考虑热量在运输和换热过程中的耗散。结合炼化企业生产现场的特点,为了设计出符合实际能量目标需求的换热网络,将物流间匹配换热的平均传热温差按照两侧物流传热膜系数的比率分配为冷、热物流的温差贡献值之和,以此确定各物流的温差贡献值。将采用温差贡献值法获得的结果与原案例结果进行比较,结果表明,根据物流传热膜系数的比率确定各物流温差贡献值的方法是有效实用的。     

基于群体智能算法的换热网络同步最优综合

换热网络同步综合方法一般需要建立复杂的混合整数非线性数学规划模型,该模型具有非凸、非线、不连续的特点,属于最难求解的一类NP-hard问题,应用传统的优化算法很难确定其全局最优解,尤其是对大规模换热网络综合问题,甚至无法在合理时间内接近全局最优的局部最优解。针对换热网络同步综合问题,提出基于群体智能算法的分层优化策略,外层采用离散粒子群算法与遗传算法相结合的混合群体智能算法优化换热网络结构,内层在结构变量给定条件下利用改进粒子群算法优化冷热物流分流比与换热负荷。两个典型算例研究证明了该方法能以较高的效率和稳定性得到较好的优化结果。     

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。     

考虑非等温混合的能量集成用水网络综合

提出了考虑非等温混合的新的水网络模型,并结合线性规划（LP）转运模型同时优化水网络的水耗及公用工程目标。新的水网络模型引入非等温混合以改善用水网络的能耗特性及减少模型中参与集成换热网络的流股数,从而降低设计换热网络的复杂程度。在确定水网络的水耗及公用工程目标后,采用夹点法设计详细的换热网络结构。两个算例结果表明,新的水网络模型不仅能确定用水网络的最优水耗及公用工程目标,而且还能得到一个更加简单的换热网络。这对节省设备投资及减少操作费用具有重要意义。     

基于分解算法的功热交换网络多目标优化

功热网络设计问题指在流程设计中对变压和换热过程进行耦合优化设计的问题,以此来提高整体系统的能效并降低成本。前人工作中一般采用数学规划法对功热网络建模优化。然而,由于存在变压过程和换热器面积计算的非线性约束,以及换热匹配的二元变量,整体模型往往是一个高度非凸的混合整数非线性规划模型,难以求解。本文提出一种高效的功热网络优化方法。模型中分别用透平压缩机和换热器实现功热网络中轴功和热的交换。求解过程采用分解算法,主问题中用随机算法对关键变量优化,功和热两个子网络问题中用确定性算法求解。目标函数考虑了经济和环境影响。案例测试对比了不同优化目标得到的结果以及多目标Pareto曲线,验证了所提出方法的高效性。     

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.     

基于自组织Petri Net优化设计换热网络

基于Petri Net的动态并发特性和逻辑表述能力,构造最小传热温差优化、夹点分析、网络综合及结构调优模块。首先,根据Petri Net激发规则和垂直传热原则,实现最小允许传热温差的优化;然后,根据Petri Net四则运算机制,实现夹点分析数据流辗转传递,确定夹点、最大热回收和最小冷、热公用工程等信息;进而,根据Petri Net监督学习机制,拓扑夹点设计可行性经验规则,综合初始换热网络结构;最终,根据Petri Net自组织机制,通过断裂环路、松弛路径,实现换热网络渐进调优。通过实例计算说明提出方法的可行性和有效性。     

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。     

板翅换热器导流结构非线性映射与性能多目标优化

板翅式换热器入口位置纵向方向上的流体分布不均匀问题影响不同层之间流体传热。目前已有的导流结构采用试验方式确定部分参数,缺乏对导流结构参数优化。本文提出板翅换热器导流结构多目标优化分析方法,分别考虑导流结构中孔径、孔数、流体流速、板翅式换热器入口直径、导流结构在换热器入口处的位置、孔的间距等影响换热器入口处流体均匀分布的因素,构建导流结构压强与单位时间换热量的多目标优化数学模型。采用正交试验方法选择不同参数组合建立仿真试验模型,根据试验结果推导导流结构非线性映射方程,以BP神经网络与遗传算法相结合的方式对导流结构尺寸进行优化分析,得到导流结构多目标优化结果。采用Fluent数值模拟板翅式换热器导流结构参数优化前后流体均匀分布情况,通过对比无导流结构板翅换热器可以看出,对导流结构进行优化可以明显改善流体在换热器各层流道中的流动均匀性,提高换热量,强化换热器的传热性能。     

一种分步匹配的换热网络优化方法

针对复杂换热网络全局优化中可操作性、优化效率与优化质量三者间的矛盾问题,基于换热网络优化中的最佳温位匹配的原则,提出了一种复杂换热网络分步优化方法。该方法将复杂的网络集成问题分解为以冷(热)流体数目为基础的多个单一流体匹配优化的子问题,以最优匹配优选的原则进行网络结构的分步生成,最终获得网络的总体结构。结果表明,以优选匹配的换热网络结构优化结果优于焓差匹配、温位匹配的结果,匹配的原则中,优选匹配要作为首选的匹配原则,可以避免前两种匹配原则上的匹配失当,该方法极大地提高了复杂换热网络优化的可操作性,优选匹配顺序使得分步优化能够取得更高的质量。     

逆向传热

对换热器设计中经常遇到,同时又易于忽略的温度交叉和逆向传热进行了深入的探讨并指出其弊病。通过换热器的严格法计算机模拟,对某烃-水换热器,完成规定的热负荷;若采用单台换热器,存在6.5℃的温度交叉,需面积229m2,若采用2台串联,既避免了逆向传热,面积还降低到78m2。通过对于最常用的3类换热器分析得到以下结论:由于存在逆向传热的风险以及对数平均温差校正因子过低,单壳程、双管程换热器不允许存在温度交叉;而对于单壳程、单管程和双壳程、双管程2类换热器,允许存在温度交叉,且无逆向传热之虞。最后指出了解决逆向传热的方法。     

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。     

特殊换热网络算例优化与分析

换热网络综合属于混合整数非线性规划问题,具有严重的非凸、非线性特性。为探讨某些换热网络算例可能存在内部公用工程且年综合费用极低的特殊换热网络结构,本文采用了允许公用工程内置的无分流分级超结构模型。基于布谷鸟搜索算法,通过设置最小换热量阀值及以较小概率接受较差结构来指导换热网络结构进化,建立适用于求解换热网络综合问题的优化算法,并对特殊算例的优化结果进行分析。本文列举3个特殊算例,具有热流体的初始温度高于热公用工程的入口温度或热公用工程的进出口温差较大的特征,改进的布谷鸟搜索算法能够搜索到带有内部公用工程的换热网络结构,且年综合费用得到明显下降。结果表明：对于特殊算例,公用工程内置能够优化换热网络的热量分布,节约换热器面积,有效降低换热网络的年综合费用。