考虑非等温混合的能量集成水网络设计方法

讨论了能量集成水网络中非等温混合对系统能量目标的影响,提出了分割温度的概念。对于同性混合,系统的公用工程需求量不会减少。对于异性混合,通过确定分割温度并比较分割温度以上区间混合流股的热量之和与低温区间所需的热量,可以准确确定系统公用工程会增加、减少或者保持不变。基于以上思想,得到了非等温混合规则。它能判断是否存在能量惩罚,以及如何通过设计混合温度来避免能量惩罚。结合改进的"分离系统"法,提出了一种系统化的能量集成水网络设计方法。     

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。     

多杂质水网络集成技术的研究进展

介绍了近年来多杂质水网络集成研究进展,讨论了当前设计多杂质水网络的几种方法,包括水夹点及图解方法、数学规划法、中间水道技术及基于经验的设计方法。探讨了各种方法的特点以及各方法涉及废水的直接回用、再生回用和再生循环。最后对今后的发展方向做了展望。     

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。     

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。     

多周期操作工况下热换网络的弹性设计

提出了基于专家系统的多周期换热网络的超结构形式及弹性设计方法。首先通过专家系统确定周期操作工况下物流的分流及匹配禁止情况。在此基础上建立网络多周期操作工况下的超结构模型;然后用遗传算法对上述模型进行求解。最后用分解协调法和网络结构和匹配单元同时进行优化。该方法不仅自动地合成多周期操作工况的换热网络最优流程结构,而且能同时满足网络在各操作工况下的各种工艺限制条件,最后,通过某个换热网络的最优合成设计     

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。     

涉及固定流量用水单元的多杂质水网络直观设计方法

水网络集成是过程工业一项重要的节水技术,如今受到越来越多的关注。固定流量过程与固定杂质负荷过程是工业水网络中典型的两类操作过程。不同于固定杂质负荷过程,固定流量过程是一类不涉及传质的用水操作单元。改进了针对固定杂质负荷过程的多杂质用水系统提出的浓度势概念,并将其应用于固定流量过程的多杂质用水系统设计。设计中各过程的执行顺序由需求水流的浓度势(CPD)决定：按照CPD值由小到大的顺序依次执行各过程。满足需求水流时,按照虚拟分配量由大到小的顺序来选择内部水源,按照价格由低到高的顺序选择外部水源。实例结果表明,该方法只需简单计算即可获得多杂质固定流量水系统的设计网络。     

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。     

Globally optimal synthesis of heat exchanger networks. Part III: Non-isothermal mixing in minimal and non-minimal networks

In this work, the enumeration algorithms presented in Parts I and II for the globally optimal synthesis of minimal and non-minimal heat exchanger networks are extended to consider non-isothermal mixing. New mathematical models, including non-isothermal mixing constraints, are proposed to target the bounds of energy consumption and the binding exchanger minimum approximation temperature. These models are solved using the algorithms, which involve solving systems of equations instead of mathematical programming. Three global optimization strategies are proposed to optimize each enumerated structure, involving the use of a global solver directly, or the use of a Golden Search based on energy consumption and a flowrate optimization model considering non-isothermal mixing. The flowrate optimization model is reformulated as a convex problem, which is solved by using nonlinear programming or a mathematical programming-free methodology, that is, solving Karush–Kuhn–Tucker equations. A new Global Optimum Search Algorithm is developed and examples are tested comparing different optimization strategies.     

Simultaneous integration of water and energy in heat‐integrated water allocation networks

This article proposes a new methodology for simultaneous integration of water and energy in heat‐integrated water allocation networks (WAHEN). A novel disjunctive model is first developed to determine an optimal water allocation network (WAN) where water and energy are integrated in one step. Based on the optimal WAN, a detailed heat exchanger network (HEN) to satisfy the utility target is then synthesized. Although the final network structure is obtained through two steps, the targets of freshwater and utility are optimized simultaneously. The proposed method has specific advantages. First of all, it can capture a tradeoff among freshwater usage, utility consumption, and direct heat transfer by nonisothermal mixing. Second, it can greatly reduce the complexity of subsequent HEN design. Finally, it is effective for simultaneous water and energy integration in large‐scale WAHEN systems. The advantages and applicability of this new method are illustrated by three examples from literature. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 2202–2214, 2015     

并联连续再生/再循环的多杂质间歇用水系统优化方法

为了有效地减少多杂质间歇用水系统的新鲜水消耗量和再生处理量,针对多杂质间歇过程用水网络提出连续操作并联再生处理单元水网络结构模型及其优化设计方法。通过在用水网络中设置中间储罐和再生单元以实现对不同水质废水并联分质处理,建立了减少用水系统的新鲜水用量和再生水量以及废水排放量的数学规划模型,采用GAMS软件对一个实例进行求解。计算和分析表明：提出的水网络结构与优化设计方法可有效地解决按水质对废水进行并联处理的间歇用水系统,使系统的新鲜水用量和再生水流率同时达到最小。     

数学规划与图形方法相结合设计热集成用水网络

将数学规划法与图形方法相结合探究单杂质用水网络与换热网络的集成问题。首先构建混合整数非线性规划模型（MINLP）,在最小公用工程消耗下优化流股参数未知情况下的分离系统组合曲线面积,得到了最为节能、换热面积最小的用水网络结构。在此基础上,提出了新的分离系统组合曲线演化步骤和规则,可以得到换热单元数目较小的换热网络结构。算例表明,与现有的基于分离系统的热集成用水网络设计方法相比,在最小化公用工程用量的同时可以进一步降低换热器数目与总换热面积。     

考虑本质安全的换热网络多目标优化

由于国内外重大化工事故的频发及化工行业节能降耗的需求日益迫切,研究本质更安全的换热网络多目标优化具有重要意义。采用评价指数的方法,对换热网络的本质安全易爆性、毒性、存量进行量化表征。采用数学规划法分别建立换热网络经济与本质安全易爆性、毒性、存量同步优化数学模型。采用归一化法构建经济和安全的目标函数。通过算例研究发现,考虑易爆性,倾向于不易爆流股间换热,减少易爆流股换热次数;考虑毒性,倾向于减少有毒流股流经换热器的次数;考虑存量倾向于减少换热网络的总存量。最后综合考虑易爆性、毒性、存量作为安全指标与经济同步优化,通过算例研究表明,多目标优化的最优换热网络在很大程度上取决于经济权重的选取。     

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。