基于面积再分配和遗传算法的换热网络改造

在过程工业中,现存的许多换热网络由于结构和工艺的不合理,存在较大的能量回收潜力,使得许多换热网络有改造的需要。本文结合了分级超结构模型和换热器再分配策略,并对现有换热器再分配策略做了进一步改进,充分利用现有换热器,而当再利用现有换热器时,对比新增面积费用和新增换热器费用的大小,选择较小的方案,使相同的改造效果下的投资费用最小化。基于分级超结构模型,建立了换热网络优化改造的MINLP数学模型,充分考虑改造后节省的公用工程、原有换热器增加面积的投资费用、新增换热器的投资费用;基于遗传算法求解得到优化改造的换热网络。案例研究表明,改造所得到的换热网络与原换热网络相比,公用工程费用的降幅超过60%,改造收益为1.49×10~7$/a;年度总费用为1.290×10~7$/a,比相关文献低31.2%和9.2%,公用工程费用也比文献节省了42.4%和17.0%,实现了更优的改造效果。     

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.     

酮苯脱蜡溶剂回收系统换热网络的夹点分析

对某炼厂酮苯脱蜡溶剂回收系统进行流程模拟,由模拟结果提取冷、热物流参数,然后运用夹点技术对换热网络进行分析。在夹点分析结果的基础上,结合现有换热网络特点提出了改造方案。模拟结果表明,改造后的换热网络冷、热公用工程负荷分别下降了29.5%和31.7%,每年可节省操作费用371.3万元,新增设备费用182万元,可在半年内收回。     

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。     

考虑系统可靠性分析的柔性换热网络综合

基于虚拟温-焓图法与遗传/模拟退火算法,提出了一种考虑系统可靠性水平的柔性换热器网络综合方法。为简化求解问题的复杂度,首先通过虚拟温-焓图法得到了柔性网络匹配,对于得到的网络结构,通过网络结构的连接矩阵分析网络之中的连接状况,搜索出换热网络中存在关联的换热器单元,以关联的换热器作为主线识别出网络之中不相关的子系统,根据包含换热器单元个数最多的不相关的子系统含有换热器的数量,计算出换热网络系统的可靠性。对于未能满足网络系统可靠性要求的网络结构,通过去掉与其它换热器相关联总数最多的换热器,进行网络解耦,改变换热网络的关联状况,提高了系统的可靠性。换热网络结构改变后,采用遗传/模拟退火算法对热负荷回路中相关换热器的热量分配和换热面积进行计算,得出满足系统可靠性需求,并且总费用最为节约的网络结构。本文所提出的方法可以将需要改善系统可靠性的网络结构系统可靠性提高至设计的容许范围,适用于包含系统可靠性分析的柔性换热网络综合。计算实例表明了所提方法的实用性与可行性。     

循环换热分离器运行过程分析

循环换热分离器是费托合成工艺核心设备,通过总结分析8台循环换热分离器改造前后运行数据,证明现有改造措施无法长期有效解决热侧整体压降、换热性能、重质油分离效果差的问题,费托合成装置随运行周期被迫降负荷且能耗高,对此提出将换热器与分离器独立设置的改造思路,建议换热器选用传统列管式结构,分离器选用抗堵旋风式结构。     

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。     

具有柔性拓扑结构的厂际多周期换热网络优化

针对厂际多周期换热网络优化,提出了一种考虑柔性设计的数学规划模型,旨在解决现有网络设计缺乏灵活性及无法适应生产波动等问题。该模型由两个子模型组成,第一个子模型通过厂际热集成的超结构模型优化各个周期内的换热网络结构,第二个子模型以年度总成本费用为目标函数,优化换热器面积与热负荷。在每个工厂内,所有换热器都具有共享功能,通过开闭阀门调整过程物流走向,改变网络结构以完成热量传递任务。案例测试表明最小网络年度总成本费用为210919.4 USD·a^-1,需要设置13台共享换热器,其中工厂1有6台,工厂2有4台,工厂3有3台。提出的厂际多周期换热网络优化模型具有设计灵活性高、应对生产环境变化能力强等特点,为企业提供了一种更为智能且高效的换热网络设计方法。     

蓄热式换热器的优化设计

提出了一种基于改进遗传算法的蓄热式换热器优化设计方法。该方法以换热器直径、蓄热部分的长度、冷(热)流体的流通面积比、转子的转速及烟气出口平均温度6个独立变量作为优化设计变量,考虑了由技术条件限制的工艺和结构约束,将换热设备的年运行费用作为寻优目标函数,运用改进遗传算法求解。优化结果表明,换热器的年成本有了明显的降低。     

数据驱动的固定拓扑结构换热网络优化改造方法

获得经济可行的换热网络改造方案目前仍然是一个巨大的难题。传统的改造方法严重依赖拓扑修改,这往往会增加改造时间和投资成本。因此,本文将围绕固定拓扑结构的换热网络改造展开研究,提出了一种基于数据驱动的高效改造方法。该方法通过建立性能模拟模型,模拟计算换热器在不同性能参数时的公用消耗与温度分布,以此获取大量的驱动换热网络改造的数据。然后通过BP神经网络预测模型与遗传算法,求解得到以最大节能量为目标的改造方案。案例研究表明,改造后的换热网络可以通过较小的投资获得较大的节能效益,与文献相比,单位费用节能量提高了51.4%;与同为固定拓扑结构的灵敏度分析相比,可以快速地获得经验规则法无法获得的改造方案,验证了改造方法的经济实用性与高效性。     

Minimizing investment cost for multi-period heat exchanger network retrofit by matching heat transfer areas with different strategies

Multi-period heat exchanger network (HEN) retrofit is usually performed by targeting and matching heat trans-fer areas. In this paper, based on the reverse order matching method we proposed previously, three strategies of matching heat transfer areas are proposed to minimize the investment cost for the retrofit of HEN in multi-period, in which replacement of heat exchangers, addition of heat exchangers and addition of heat transfer areas are performed. We demonstrate the procedures through three scenarios, including maximum number of substituted heat exchangers after retrofit, minimum additional heat transfer areas in the retrofitted HEN, and minimum investment cost for retrofit. The strategies are extended to a single period HEN retrofit problem. The results of multi-period and single period HEN retrofit problems indicate the effectiveness of the strategies. More-over, these results are better than those reported in literature. The strategies are simple and easy to implement, which are of great benefit to large-scale HEN retrofit in practice.     

基于智能预测和机理模型的换热网络清洗决策

原油石化装置的换热器常受到结垢影响,导致换热器性能衰退严重,换热网络性能也会随之衰退,同时换热器之间的耦合关系,导致不同换热器的性能衰退对换热网络整体性能变化的影响不同。以往的清洗决策主要是根据单台换热器性能衰退到一定程度来制定的,这会导致换热网络整体可能处在较差的运行状态。因此,本文提出一种基于智能预测和机理模型的换热网络清洗决策方法,基于换热器的运行数据建立智能预测模型,获得换热器性能变化趋势,结合换热网络的性能模拟模型,进一步获得换热网络的性能变化趋势,从而从换热网络整体性能变化的角度来制定清洗方案。研究表明,对收集到的原油换热器运行数据,建立神经网络预测模型,具有较好的预测精度。通过对原油精馏装置换热网络的案例分析,当HE1、HE2和HE5三台换热器同时发生性能衰退时,换热网络年度公用工程能耗费用将增加12.1%。与传统基于单台换热器性能衰退情况制定的清洗方案相比,从换热网络整体性能衰退角度制定的清洗方案,年度额外公用工程费用减少13.1%,损失费用减少14.1%,年度总费用减少13.8%,而清洗次数仅增加3台次。     

空心环管壳式换热器在20kt/a硫酸系统中的应用

20kt/a冶炼烟气制酸系统转化工序改造中,采用4台空心环管壳式换热器替代原有6台双圆缺形列管式换热器.与原有换热器相比,空心环管壳式换热器具有传热系数高、占地面积小、阻力小、运行费用低、使用寿命长的优点.改造后的运行情况表明,转化工序实现了自热平衡,电耗由210.03 kWh/t降至165.73 kWh/t,综合效益明显.     

Effects of fouling on performance of retrofitted heat exchanger networks: A thermo-hydraulic based analysis

The energy recovery performance of crude pre-heat trains (PHTs) in oil refineries is typically impaired by deposition over time of fouling on the thermal surfaces. Such time varying effects are normally not considered in the design or retrofit of heat exchangers networks. In this paper, the importance of taking into account such effects is demonstrated, by means of a case study. An existing industrial PHT network is simulated using a dynamic, distributed mathematical model for shell-and-tube heat exchangers undergoing crude oil fouling. To systematically assess the impact of fouling at the network level, several key performance indicators are proposed and used to analyse three retrofit options aimed at maximising overall heat recovery. Simulation results show that network designs that maximise energy recovery at steady state are not the best when fouling occurs. It is concluded that a proper retrofit design must include consideration of time varying fouling effects.     

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。     

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.