刚性换热网络的弹性化

针对给定的换热流程(刚性网络),以对换热面积作最小调整为目标,使重要物流达到工艺要求的目标温度以及消耗最少公用能为约束,建立1个NLP模型.该模型的解,将给出为使网络具有一定的操作弹性而必须对其中各物流间换热器的传热面积做出的调整值.具体应用例证明,此法简单可靠.由于合成刚性网络远比直接合成弹性网络简单,故本法与刚性网络的合成软件结合,可以更方便地做出弹性网络设计;在对现有换热流程进行改造时,由于该法以既成网络为基础,将做出工程量与投资最少的改造方案.     

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     

多周期操作工况下换热网络的弹性设计

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各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;最后用分解协调法对网络结构和匹配单元同时进行优化。该方法不仅能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,说明本方法的有效性和应用前景。     

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。     

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。     

某合成氨厂氨合成工段换热网络的模拟与优化

降低化工过程系统用能的手段之一就是应用系统能量综合技术,对整个系统进行用能的分析及调优,确定整个换热网络最佳的流程结构,在满足过程工艺物流初、终温要求的基础上,使其具有最少的设备投资费用和操作费用.基于夹点设计为主要方法,以年平均费用最小为目标,利用化工模拟软件SIMSCI HEXTRAN对某大型合成氨厂氨合成工段进行模拟,发现传热温差较大,用能状况有不尽合理之处,提出改善建议,并给出优化结果.     

常减压装置换热网络优化节能研究

利用夹点技术优化换热网络是提高换热终温的有效措施之一。针对夹点分析给出的结果存在理论性强、涉及到的改造量大的问题,从低温热利用的角度出发,结合夹点技术对常减压装置换热网络进行优化,使热物流换热网络外的热量进入换热网络进行换热,以减少跨越夹点的能量。结果表明:该方法节能效果十分明显,改造后可使原油换热终温提高8℃,且涉及到的调整较小,在工程上更易实现。     

换热器网络同步最优综合方法──改进的MINLP转运模型法

针对现有的换热器网络最优综合方法的局限性，采用分级超结构转运模型和物流吸、放热潜力的概念，提出了非等温混合线性约束的换热器网络同步最优综合混合整数非线性规划（MINLP）的改进模型．该模型不仅可以对公用工程费用、换热面积、换热设备台数及物流的匹配选择进行多目标同步优化，而且在线性约束的条件下消除了等温混合的不合理假设，只需求解一次MINLP问题就可得到包括分流情况在内的最优网络结构．算例表明，该模型优于以往的几种同步优化模型．     

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.     

Design of resilient processing plants—II Design and control of energy management systems

The “standard heat exchanger network problem” has been surprisingly difficult to solve. It is only now that simple and reliable methods have evolved to synthesize the most efficient network of heat exchangers to heat and cool known process streams between stated temperature bounds. This has taken over a decade of research and scores of publications.The “resilient heat exchanger network problem” requires a solution that can cope with the uncertainties of industrial design. Fixed flow rates and temperature bounds rarely occur industrially. Rather, an industrial heat exchanger network problem necessarily involves ranges of flow rates and ranges of temperature bounds, and must include ease of operation and control.In this paper we make several fundamental advances in the design of resilient heat exchanger networks. (1) An efficient design procedure is developed to yield resilient designs which handle fluctuations within the condition of maximum energy efficiency. (2) A control structure and operating policy are developed to adjust flow distributions in the network to meet temperature constraints with minimum utility usage.These developments are based on several new theorems concerning resiliency in network design.     

有分流换热网络的弹性设计-基于温度波动情形

提出了基于温度波动的有分流换热网络的超结构模型和同步优化的弹性设计方法。首先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。然后建立换热网络同步优化的数学模型,最后对分段物流进行合并,并通过能量松弛方法得取满意一定弹性要求的换热网络结构。     

Design of resilient processing plants—IV: Some new results on heat exchanger network synthesis

Simple and reliable methods to synthesize the most efficient network of heat exchangers to heat and cool known process streams between stated temperatuExamples in this paper demonstrate the strong need for systematic design procedures for resilient networks. Networks designed on the basis of intuitiveSome fundamental properties of optimal resilient heat exchanger networks are proven first. On this basis a theoretically rigorous synthesis technique i     

Heat exchanger network area targeting considering stream allocation to shell or tubes

An optimal heat recovery network requires optimum values of area and energy targets. Current heat exchanger network targeting methods do not consider the optimal allocation of each stream to shell or tube side of the exchanger during the network cost estimation. Some researchers pre-set the allocation of the streams ahead of targeting [Polley, G. T., & Panjeh Shahi, M. H. (1991). Interfacing heat exchanger network synthesis and detailed heat exchanger design. Transactions of the Institute of Chemical Engineers, 69(Part A), 445–457]. In real design case however, some practical considerations such as fouling and corrosion constrain the allocation of streams. Apart from those, other streams are allowed to be allocated to either tubes or shell. Appropriate allocation of these streams can considerably affect the network cost estimation. This paper introduces a new area-targeting procedure which utilizes the optimal allocation of streams in all enthalpy intervals. The procedure evaluates two possible options for each stream split passing through each exchanger in the spaghetti network. Thus, two different exchanger area requirements can be estimated and the one with less area requirement will be selected. During this evaluation process, the optimal distribution of each stream pressure drop within enthalpy intervals is fully utilized. The proposed targeting procedure is applied on a case study and comparison of the results with previous method (Polley & Panjeh Shahi, 1991) shows reduction of around 18% in the network area. In another case study, the area–energy trade offs using the new procedure shows a reduction of 12.4% in minimum network area requirement and 14.5% in total annual cost. Therefore, the new procedure can considerably alter the area–energy trade offs.     

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。     

大规模复杂过程系统能量综合方法

针对过程系统工程的一个难点－－全过程系统能量综合,提出了“过程用能一致性原则”,从用能的角度上提高系统的集成性,将全过程系统的能量综合问题为相应的虚拟换热网络综合问题;并对大规模虚拟换热网络的求解进行了研究,提出了适用的分解策略;应用自行开发的过程用能夹点分析软件进行用能分析及换热网络匹配,实例分析节能效果显著。     

酮苯脱蜡装置节能减排一体化

对企业的能量系统进行集成优化,可以提高能源的利用效率,并同时减少装置的用水量和CO2的排放量。本文针对某酮苯脱蜡装置,对其现行的换热网络进行了夹点分析,提取了物流数据,找出了用能不合理之处和装置的能量目标,通过计算获得该装置的节能潜力为4228.3 kW。考虑该装置实际的状况,提出对部分物流进行重新匹配的热集成优化方案,结果表明可分别节约1456.4 kW的加热公用工程和524.2 kW的冷却公用工程。对优化后方案进行的经济性分析显示,该方案每年可节约278.5万元的能量费用、减少0.3万吨污水和9078.2吨CO2的排放。对酮苯脱蜡装置进行一体化的优化可以降低能耗和成本,本文提出的优化方案对相关装置的节能减排也具有一定的指导作用。     

基于复杂网络控制理论的换热网络旁路位置确定

换热网络的旁路控制是增加自由度和提升系统控制性能的有效手段。为了保证控制的有效性和经济性,本文基于复杂网络理论,结合“下游路径”理论中换热网络的干扰传递规律,构建出换热网络的有向加权的复杂网络模型,然后把换热网络旁路抽象为复杂网络驱动节点集,权衡可控性与经济性两方面因素,给出两种旁路位置确定方法。在可控性要求较高时,基于复杂网络结构可控性理论,提出了换热网络全局可控的旁路位置确定法,该算法不仅通过设置最少的旁路实现了换热网络的全局可控,还实现了对换热网络控制性能的优化;当旁路数目受限时,基于复杂网络目标控制理论,提出了重要节点可控的旁路位置确定法,在保证其重要节点可控的同时,减少旁路数量从而节省投资费用。最后,以大型原油换热网络为例分别求解全局可控和重要节点可控的换热网络旁路位置,验证了该方法的可行性。