换热器结垢与换热网络裕量设计方法研究进展

从结垢现象影响换热系统正常运行的角度出发,介绍了近几年换热网络裕量设计以及针对结垢问题不同学者研究出的换热网络优化设计。总结了在换热网络设计中对换热器清洗时序、清洗周期优化或者增加换热网络的裕量设计的不同换热网络设计最优方法,但这些方法都是在换热网络设计之初,考虑换热器结垢最严重的情况即换热网络在“最差”工况下进行的优化,因此优化得到的换热网络难以保证换热网络全运行周期的持续节能优化。本文结合现有换热网络设计方法的利弊,针对结垢过程的慢时变、持续特点,提出一种基于长周期持续节能的换热网络设计优化方法,在换热网络设计之初,定量分析结垢对网络结构的影响,以换热网络全周期累积总费用为目标函数,实现换热网络的最优综合。     

换热网络设计方法的研究进展

回顾了近年来换热网络设计研究的内容和方法。分析了当前求解换热网络最小公用工程设计的3种方法：传统的给定工艺条件的设计法、最近几年得到很大发展的弹性设计法和控制与工艺一体化设计法。阐述了这些方法各自的优势和尚待改进的问题,并指出换热网络的设计同时应考虑先进控制和动态优化,先进控制与工艺一体化换热网络设计是今后的发展方向。     

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。     

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。     

过程工业水分配网络的研究进展

回顾了水分配网络的发展历程,介绍了水分配网络的用水网络和废水处理网络2个子系统的研究进展,阐述了图解方法、数学优化法等用水网络综合方法的发展状况,并对水分配网络设计中多杂质和热集成等方面的问题进行了展望。     

多周期操作工况下无分流换热网络的弹性设计

提出了基于多周期无分流换热网络的超结构形式及弹性设计方法——同步优化方法。首先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。该方法能自动地合成多周期操作工况的换热网络最优流程结构。最后,通过换热网络的最优合成设计实例,说明本方法的有效性和应用前景。     

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。     

基于模糊深度置信网络的陶瓷梭式窑PID优化控制

针对目前陶瓷梭式窑控制方法落后的情况,本文提出了一种基于模糊深度置信网络的陶瓷梭式窑PID参数优化控制方法.同时,设计了模糊深度置信网络结构模型,给出了所设计的控制器结构和相应的算法,并通过改进的LM算法来估计网络参数,从而降低样本数据训练时的存储空间和计算复杂度.该方法通过采集实时温度数据以及使用模糊深度置信网络在线...     

无分流换热网络的弹性设计(Ⅰ)基于温度波动情形

提出了基于温度波动的无分流换热网络的超结构模型和同步优化的弹性设计方法。对于起始温度在一定范围内波动的物流进行预处理即分段处理,并提出了分段原则;提出了基于规则的网络超结构模型并建立了弹性换热网络同步优化的数学模型;采用遗传算法求解了所提出的优化数学模型;提出了分段物流的合并及能量松弛的原则,对分段物流进行合并,并通过能量松弛方法得到优化的弹性换热网络结构。通过几个换热网络的弹性设计,说明了本方法的有效性和应用前景。     

具有中水道的过程工业水网络设计方法

提出了一种具有中水道的过程工业水网络设计方法,该方法强调合理地确定第一中水道位置的重要性,运用一种确定某一中水道回用到它的后续过程的优先顺序的新方法精确地完成了从任意一个中水道到它的后续过程的水分配,并在设计步骤中给出了一些可能出现情况的处理方法.实例求解结果表明,具有中水道的水网络能明显减少新鲜水的消费,设计方法简便易行.     

水夹点分析与数学规划法相结合的用水网络优化设计

提出了水夹点分析和数学规划法相结合的用水网络最优设计法。水夹点分析基于对过程用水的理解,获得新鲜水用量目标并给出用水网络设计的基本规则。在此基础上建立过程使用新鲜水、排放废水和回用的各种可能匹配方案的用水网络超结构及其MINLP模型。既避免了用水夹点综合设计用水网络得不到真正意义上的最优解,又在一定程度上防止超结构规模过大,MINLP维数太高,求解困难。采用通用代数建模系统GAMS得到用水网络最优设计方案。文献中的应用实例表明,本文所提方法可充分发挥水夹点分析确定新鲜水用量或回用结构的简洁实用性和超结构MINLP寻求最佳方案的优点。     

具有中间水道的多杂质用水网络简化设计方法

与常规水网络相比,具有中间水道的水网络更有利于运行和控制。浓度势是作者最近提出的解决多杂质用水网络设计的新概念。在浓度势概念基础上提出了一种具有中间水道的多杂质用水网络设计新方法。该方法采用浓度势方法设计出初始水网络,并在此基础上初步确定各中间水道的结构及水量,然后根据浓度势从小到大的顺序依次由中间水道满足各用水过程,而各级中间水道的最终水量以能满足各级水阱需求来确定。该方法只需简单计算即可完成具有两级中间水道的水网络设计。对文献实例求解结果表明,所得结果与由数学规划法得出的结果接近。     

An iterative method for design of water‐using networks with regeneration recycling

Both freshwater consumption and wastewater discharge can be reduced significantly when wastewater regeneration recycling is introduced in the design of the water‐using networks (WUNs). However, it is often difficult to design the WUNs involving regeneration recycling. This article presents an iterative method to design the WUNs involving regeneration recycling. The final designs can be obtained without iteration for the networks with known regenerated concentrations, and in a few iterations for the networks with known removal ratios of the contaminants. The method proposed can reduce the following parameters simultaneously, the consumptions of freshwater and the regenerated water, and the concentrations of the stream before regeneration, and all of them reflect the cost of the network involving regeneration recycling. The results of a few literature examples show that the designs obtained in this work are comparable to that obtained in the literature. The proposed method is simple and effective. © 2011 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2012     

采用迭代方法设计具有再生再利用/循环的单杂质用水系统

具有再生再利用/循环利用的水网络与只有再利用的水网络不同之处在于前者增加了再生水流。如能确定再生水流的浓度和流量并将之加到只考虑再利用的水网络中,即可构成具有再生再利用/循环利用的水网络。在上述思想基础上提出一种迭代法设计具有再生再利用/循环利用的水网络。该方法既可以解决给定移除率（removal ratio,RR）问题,又可以解决固定再生浓度问题。对RR问题,根据水网络及再生过程的特点估算出初始再生水流浓度,再生水流的量待定。将所得再生水流加到只考虑再利用的网络中构成具有再生过程的水网络。设计上述水网络,可以得出新的再生水流的量及浓度。当相邻两次再生浓度之差小于给定值时迭代结束。对RR问题,通常只需几次迭代即可得出最终设计;对于固定再生浓度问题,只需一次迭代即可得出最终设计。设计中考虑了影响水网络设计总费用的新鲜水用量、再生水用量和杂质再生负荷3个主要参数。对文献中几个实例的研究表明,本文方法得到的设计与文献中的设计相当,而设计步骤比文献中的简单。     

物质流的网络合成技术研究进展

首先综述了换质网络 综合技术的设计方法与理论基础,即夹点设计法与数学规划法。并简要叙述了物质流网络综合技术在水处理,废水处理,炼厂氢管理等方面的最新应用研究进展,指出该技术研究的发展对于化学工业的清洁生产有着重要的意义。是国际上新兴的前沿领域。     

Integrated water resource management through water reuse network design for clean production technology: State of the art

This article considers new and existing technologies for water reuse networks for water and wastewater minimization. For the systematic design of water reuse networks, the theory of the water pinch methodology and the mathematical optimization are described, which are proved to be effective in identifying water reuse opportunities. As alternative solutions, evolutionary solutions and stochastic design approaches to water system design are also illustrated. And the project work flow and an example in a real plant are examined. Finally, as development is in the forefront in process industries, this paper will also explore some research challenges encountered in this field such as simultaneous water and energy minimization, energy-pinch design, and eco-industrial parks (EIP).     

设计过程工业多杂质用水网络的计算方法

This paper introduces a non-iterative algorithmic procedure to design water utilization networks with multiple contaminants in process plants. According to the water pinch analysis rules, the processes in water utilization systems were first divided into three groups, then water-supply priority algorithm was proposed. The results of case studies showed that the water networks designed by this method gave water consumption lower than that estimated by other approaches. In addition, the procedure was subiect to no limitation on the problem scale.     

Optimal interplant water networks for industrial zones: Addressing interconnectivity options through pipeline merging

To date, alternative design options that exist for interconnecting transmission and distribution networks have not been considered in water reuse network synthesis. Existing approaches that do incorporate piping expenses in the design of interplant water networks assign a separate pipeline for every water allocation. However, merging together common pipeline regions for the transmission of water from, or to nearby but different processing facility destinations may improve the overall water network performance not only in terms of cost efficiency but also in terms of complexity. A novel approach that is capable of accounting for pipeline merging scenarios that could exist within a water reuse network is introduced in this article. Two different pipeline branching possibilities have been introduced in this work, for the purpose of merging: (1) forward branching and (2) backward branching. The approach is implemented for the design of interplant water networks considering direct water reuse amongst several coexisting processing facilities within an industrial zone. A case study is presented to illustrate the application of the approach and its benefits. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 2853–2874, 2014     

Mixing potential: A new concept for optimal design of hydrogen and water networks with higher disturbance resistance

During the last decade, the design methods of hydrogen and water networks have been improved greatly. Since the resulting network structure featuring minimum utility consumption is not unique, other properties such as disturbance resistance have drawn more and more attention. In this article, a novel concept, Mixing Potential, is proposed to improve the disturbance resistance ability of the networks in the design stage. This concept originates from measuring the concentration fluctuation of a single sink, and could be calculated by its graphical and algorithmic definition, respectively. In addition, a sufficient condition for minimizing the Mixing Potential of a single sink has been proved. Based on this sufficient condition, a graphical and its corresponding algorithmic method are proposed to design the hydrogen and water networks with minimum utility consumption. Literature examples illustrate that the disturbance resistance ability of the network can be improved by adjusting the satisfying order of sinks. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 3762–3772, 2014