（化学工艺专业论文）常减压蒸馏装置换热网络的模拟优化.pdf

摘要 能源是人类物质活动的基础。作为石油化工企业用能大户的常减压装置，其能量消 耗约占整个炼油厂所用能量的2 0 3 0 。因此，优化换热网络结构、最大限度的回收热 量，意义重大。本文以原油常减压蒸馏装置的流程模拟及其换热网络优化为研究内容， 运用流程模拟以及换热网络优化理论，对常减压蒸馏工艺进行流程模拟，对其换热网络 进行优化。主要工作如下： 本文对过程工业最常见的一类问题一换热网络综合进行了综述。在阐述了当今社会 对能量的需求以及节能的重要性后，综述了换热网络综合的三种基本方法：夹点设计法、 数学规划法以及人工智能法。分别对这三种方法在发展过程中的研究内容和设计方法及 其取得的研究成果进行了讨论。并从工业应用角度对不同的方法做了比较和评价。 根据某常减压装置的流程，本文应用序贯模块法对常减压装置的闪蒸塔、常压塔和 减压塔进行流程模拟计算。首先利用原油实沸点蒸馏数据将原油切割为一定数目的虚拟 组分，并以此作为常减压装置闪蒸塔的输入。然后选择适合模拟炼油过程的单元模块和 收敛方法，同时规定各塔的模拟模型和过程参数，对闪蒸塔、常压塔和减压塔逐个进行 模拟计算。流程模拟结果与标定结果吻合良好，证实模型可靠，且模拟结果正确。可信 的流程模拟结果为流程优化提供了坚实的基础。 在进行常减压装置的流程模拟时，通过查阅资料，发现国内以往在模拟闪蒸塔、常 压塔和减压塔时，并没有加入换热器将这三个塔结合为有机的整体。为此，本文在前述 装置模拟的基础上，加入换热器进行模拟，为后面的换热网络优化提供更为准确的数据。 根据夹点理论，在夹点上方引入冷却公用工程、在夹点下方引入加热公用工程以及 存在穿越夹点的换热流股，都会造成系统的加热和冷却公用工程的双重损失。通过改善 夹点附近的流股匹配，减少穿越夹点的热流量，可以减少系统的公用工程消耗量。 本文通过对用能状况进行全面分析，清楚装置和系统的用能现状，找到了换热流程 的“瓶颈 所在，并提出了解决问题的思路：首先建立了年总费用目标最小的换热网络 模型，找到夹点位置所在，确定最优的热量传递网络，然后以计算结果为基础，考虑装 置原有流程布置，充分利用装置原有的设备，得出最终的换热流程。 本文所得方案改造工程量小，现有设备全部利用，只需增加3 台换热器，就可显著 提高原油的换后终温。从而对实际生产操作具有指导意义。 关键词：常减压蒸馏，流程模拟，换热网络，夹点技术，优化 t h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fac r u d ed i s t i l l a t i o n u n i ta n di t sh e a te x c h a n g e rn e t w o r k d i n gx i a o m i n g ( c h e m i c a lt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f c h e nh o n g g a n g d r z h a oh u i a b s t r a c t e n e r g y i st h ef o t m d a t i o no fh u m a n b e i n g s m a t e r i a l p r o d u c t i o na c t i v i t i e s t h e a t m o s p h e r e v a c u u md i s t i l l a t i o nu n i tc o n s u m e st h em o s te n e r g yi nar e f i n e r y , w h i c ho c c u p i e s t w e n t yp e r c e n tt ot h i r t yp e r c e n to fe n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h ee n t i r er e f i n e r y s o ，o p t i m i z i n g t h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r ka n dm a x i m i z i n gt h ee n e r g y - s a v e da r eo fg r e a ti m p o r t a n c e t h i s p a p e r t a k e st h ef l o ws i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o n o fh e a t e x c h a n g e rn e t w o r ko f a t m o s p h e r e v a c u u md i s t i l l a t i o nu n i ta st h er e s e a r c h w ea p p l yt h e o r yo ff l o ws i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o no fh e a te x c h a n g e rn e t w o r kt os i m u l a t et h ed i s t i l l a t i o np r o c e s s ，a n dt oo p t i m i z e t h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r k d e t a i lr e s e a r c h e sa r es u m m a r i z e da sb e l o w t h i sp a p e rp r o v i d e sac r i t i c a lr e v i e wo ft h el i t e r a t u r eo nh e a te x c h a n g e rn e t w o r k s y n t h e s i s ，t h em o s tc o m m o n l yp r o b l e mi np r o c e s ss y n t h e s i s t h r e em e t h o d so fh e a te x c h a n g e r n e t w o r ks y n t h e s i s i n c l u d i n gp i n c ht e c h n o l o g y , m a t h e m a t i c s p r o g r a m m i n gm e t h o da n d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e m e t h o da r er e v i e w e d t h ec o n t e n t s ，m e t h o d sa sw e l la st h e c h r o n o l o g i c a lm i l e s t o n ei nt h ed e v e l o p m e n to ft h e s em e t h o d sa r ep r e s e n t e d a c c o r d i n gt o t h ef l o wo fa t m o s p h e r e v a c u u md i s t i l l a t i o n u n i t ，t h ep a p e ra p p l i e s s e q u e n t i a lm o d u l a rm e t h o do nf l a s ht o w e r , a t m o s p h e r i ct o w e ra n dv a c u u mt o w e rt op e r f o r m p r o c e s ss i m u l a t i o n f i r s to fa l l ，c r u d eo i li sc u t t i n gi n t os e v e r a lp s e u d oc o m p o n e n t sw h i c ha c t a si n p u to ff l a s ht o w e ra c c o r d i n gt oi t st r u eb o i l i n gp o i n t sd a t a s e c o n d l y , p r o p e rm o d u l eu n i t a n dc o n v e r g e n c em e t h o da r es e l e c t e d ，a n ds i m u l a t i o nm o d e l sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r sa r e r e g u l a t e ds u b s e q u e n t l y a tl a s t ，p r o c e s ss i m u l a t i o no ff l a s ht o w e r , a t m o s p h e r i ct o w e ra n d v a c u u mt o w e ra r ec a l c u l a t e di nr u m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht h e r a t i n gd a t a c r e d i t a b l er e s u l t so ff l o ws i m u l a t i o np r o v i d eo p t i m i z a t i o nw i t hf i r mf o u n d a t i o n i nt h ep r o c e s so fa t m o s p h e r e v a c u u md i s t i l l a t i o nu n i ts i m u l a t i o n ，t h ea u t h o rc o n s u l t s m a n yd a t aa n df i n d sm o s tr e s e a r c h e r si g n o r e dt oa d dh e a te x c h a n g e r st ob r i n gt h ef l a s ht o w e r , a t m o s p h e r i ct o w e ra n dv a c u u mt o w e ri n t oau n i f i e dw h o l e t h e r e f o r et h i sp a p e ra d d sa l lt h e h e a te x c h a n g e r st h a th a v eb e e nu s e dt op r o v i d em o r ea c c u r a t ed a t af o r t h eo p t i m i z a t i o no ft h e h e a te x c h a n g e rn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ep i n c ht h e o r y , i fc o o l i n gu t i l i t yi su s e du pt h ep i n c h ，h e a t i n gu t i l i t yi s u s e dd o w nt h ep i n c ho rt h eh e a te x c h a n g es t r e a m sa c r o s st h ep i n c h ，t h e r ew i l lb ed o u b l el o s s i nt h eu t i l i t y b ym e a n so fi m p r o v i n gt h es t r e a m sm a t c hp r o p e f l y w ec a nd e c r e a s et h e c o n s u m p t i o no ft h em i l i t yi nt h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r k t h i sp a p e ru s e ss y s t e me n e r g ys y n t h e t i c a la n a l y s i st e c h n o l o g yt oa n a l y s et h ew h o l eh e a t e x c h a n g e rn e t w o r k t h e nw eg r a d u a l l yu n d e r s t a n dt h eu n i t sc u r m e te n e r g yc o n s u m p t i o n s i t u a t i o na n df i n dt h e p i n c h o ft h ep l a n t sh e a te x c h a n g e rn e t w o r k w ef i n dh o wt os o l v et h e p r o b l e mu s i n gp i n c ht e c h n o l o g y f i r s t l y , w es e tu pt h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r k sm o d e lo f m i n i m i z e da n n u a lc o s t s e c o n d l y , w ef i n dw h e r et h ep i n c hi sa n dm a k es u r et h ea p p r o p r i a t e h e a te x c h a n g e rn e t w o r k f i n a l l y , w eo p t i m i z et h ep r o c e s sf l o w , e x i s t i n ge q u i p m e n t sa n d e n e r g yr e c o v e r yu s i n gc a l c u l a t e dd a m s t h er e t r o f i th e a te x c h a n g e rn e t w o r ko b t a i n e d ，w h e r et h e r ei sal i t t l em o d i f i c a t i o n i n v o l v e d ，h a sb a s i c a l l ym a i n t a i n e dt h ep r e s e n ti n s t a l l m e n ts i t u a t i o n a l lt h e e x s t i n g e q u i p m e n t sa r ec o m p l e t e l yr e u s e da n do n l yt h r e eh e a te x c h a n g e r ss h o u l db ea d d e d m o r e o v e r t h ee n dt e m p e r a t u r eo ft h ec r u d eo i li sr e m a r k a b l ye n h a n c e d t h u st h ep a p e rh a sg u i d a n c e m e a n i n gf o rp r a c t i c a lm a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：a t m o s p h e r e - v a c u u l t id i s t i l l a t i o n ，f l o ws i m u l a t i o n ，h e a te x c h a n g e rn e t w o r k ，p i n c h t e c h n o l o g y , o p t i m i z a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：i 笼旦i j日期：) 一刁年9 月6 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：互遗鲴 指导教师签名：二毡壶l i 叠l 一 日期： z 罗年主月，6 日 日期： o 口 年f 月6 日 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 1 1 引言 第一章文献综述弟一早义陬琢迎 随着全球能源、资源的急剧消耗，资源短缺成为了2 1 世纪全世界所面临的难题之 一，并严重制约了人类的生存和发展。而在整个社会生产过程中，过程工业( 包括石化、 化工、食品、造纸、冶金、制药、建材等) 的能耗相当可观。由于我国长期粗放型经济 增长模式，导致它是高能耗、高物耗的产业，其能耗占全国工业终能耗的一半以上1 1 1 。 过程综合与集成是当今工程节能中的主要手段。近二三十年来，世界许多传统化工 生产的能耗一直处于逐年下降的趋势。然而这些进步很少是由于工艺或设备有什么革命 性的改革或突破而导致，而主要是将己有的技术通过过程集成、综合匹配等手段，使之 产生整体的节能效果。所以在化工设计中为了合理、经济的利用资源、降低生产成本， 设计人员已不仅着眼于单个操作单元的节能，而且越来越注重整个生产系统的能量的综 合应用，这会带来更显著的效果【2 1 。 近年来，由于国际上石油危机越演越烈，炼油工业发展也极为迅速。我国炼油企业 的节能工作取得了很大的成绩，不少装置的能耗已经接近世界先进水平。但从整个炼油 厂来看，单位原油加工量的能耗还是比世界先进水平高出许多i 引。 常减压蒸馏装置是炼油工业的“龙头，是原油深度加工的基础，同时也是炼油企 业的用能大户，约占全厂总能耗的2 0 3 0 4 1 。因此常减压蒸馏装置的节能优化对于 炼油厂极为重要。 在常减压蒸馏装置中，进来的原油需要大量的热量来加热，而出去的产品温度又偏 高，不便于储运，需把这些产品冷却到一定温度，这需要大量的冷量。因此合理的匹配 冷热负荷，用温度较高的产品去加热进入系统的温度较低的原油，对于炼油厂节能优化 非常重要。鉴于炼油厂常减压蒸馏装置的这个特点，每个炼油厂都有一套庞大的换热网 络来实现全厂的节能优化。通过换热网络综合设计一个最优的换热网络也就显得极为重 要。 下面将分别对化工过程流程模拟以及换热网络的模拟优化综合等作一概述。 1 2 化工过程流程模拟 过程系统模拟是指建立过程系统的数学模型或描述模型并在计算机上加以体现和 第一章文献综述 试验。流程模拟是过程系统工程中最基本的技术，不论过程系统的分析和优化，还是过 程系统综合，都是以流程模拟为基础的1 5 。 世界各国的经验表明，流程模拟、先进控制与过程优化技术是提高企业的经济效益、 降低生产成本、提高其在国际市场中的创新力、应变力、适应力和综合竞争力的主要技 术手段之一。例如，美国7 0 的炼油厂、美洲6 0 的炼油厂、世界炼油加工总量的4 0 ， 都使用生产计划调度、资源优化软件引。 过程系统按其模型的计算模式不同，可分为模拟型、设计型和综合型。而按模拟对 象所要求的特性与时间的关系，又可分为稳态模拟与动态模拟。 1 2 1 稳态流程模拟 1 2 1 1 稳态模拟简介 化工过程稳态模拟又称静态模拟或离线模拟( s t e a d ys t a t es i m u l a t i o n ，o f f - l i n e s i m u l a t i o n ) ，是在计算机上“再现 实际的生产过程。当前化工过程稳态模拟主要用于 炼油、石油化工和化工领域，如常减压、加氢、催化裂化、油田气分离及合成氨等装置。 在医药、农药、造纸和环保等行业也有一定应用。随着科学技术的进步，目前对于石油 馏分和烃类物质的计算已经相当准确、可靠，达到了无需小试、中试，模拟结构可直接 用于工业装置设计的程度【9 】。 从算法上看，稳态流程模拟一直沿着两条平行的路线发展，即序贯模块法和联立方 程法【6 1 。 序贯模块法【6 】的代表是美国麻省理工学院开发的a s p e n 和s i m u l a t i o ns c i e n e e 公司 开发的p r o c e s s ( 9 0 年代更名为p r o i i ) 商品软件。其基本思想是：按照实际物流 流动的物理顺序对各单元模块依次进行计算，当遇到流程中的回路( 物流，能流) 时， 进行流股的切割，然后迭代，直到收敛。其特点是便于使用和通用化，技术难度小，计 算机内存开销不大。但这种方法处理再循环流股，有设计规定及优化计算等问题时，要 经过层层迭代收敛，因而很费机时。 联立方程法1 6 j 从2 0 世纪6 0 年代首先为英国帝国理工学院s a r g e n t 所倡导，其开发 的s p e e d u p 软件经过二十多年的反复锤炼已经商品化，此外尚有剑桥大学h u t c h i s o n 的q u a i l i n h 和美国w e s t e r b e r g 的a s c e n d 等。 2 0 世纪8 0 年代以来以上两种方法路线向融合方向发展，如联立模块法( 双层法) ， 该方法交替使用两种模型。设计规定可以在流程水平上直接处理，所以不需要像序贯法 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 那样要用费时的控制回路去满足设计规定。联立模块法流程水平上只需求解外部变量， 而不像联立方程法那样要在流程水平上同时求解外部变量和内部变量，所以存储量的要 求大为减少1 6 】。 1 2 1 2 国内外研究现状 国外，化工过程稳态模拟始于2 0 世纪5 0 年代中后期。并相继推出了f l e x i b l e f l o w s h e e t i n g 、f l o w t r a n 、p r o c e s s 等化工模拟软件。现在模拟软件的开发、研制 已从过去的分散在大学和各个炼油、石化公司转向主要由专门的化工软件公司进行。模 拟计算的准确性、可靠性大大加强，应用范围不断拓宽，功能愈益丰富，使用越来越方 便。并且化工模拟已从“离线 走向“在线 ，从单纯的稳态计算发展到工业装置紧密 相连。其中，a s p e n t e c h 公司自从1 9 9 6 年以来收购了美国著名的过程控制公司s e t p o i n t 公司和d m c ( d y n a m i cm a t r i xc o n t r 0 1 ) 公司、b a c h t e l 公司道德计划调度软件部p i m s 等 1 0 余家公司后，其业务范围已涵盖了从过程模拟到工程控制及企业管理，成为过程工 业最大的软件及工程服务供应商 9 1 。 国内化工过程模拟起步较国外要晚，始于2 0 世纪6 0 年代末。当前国内化工模拟软 件和模拟力量主要集中在有关的化工设计院、大型炼油石化企业和大专院校中。但与国 外相比，国内化工界模拟软件的应用还不十分普及，应用水准也不如国外高1 9 1 。 1 2 2 动态流程模拟 1 2 2 - l 动态模拟简介 在复杂的化工生产过程中，稳态过程只是相对的、暂时的，而实际过程总是存在各 种各样的波动、干扰以及条件的变化。因而化工过程的动态变化是必然的、经常发生的， 由此带来的一些问题用稳态模拟的思路无法解决，必须由过程的动态模拟来完成。在这 种形势下，动态过程模拟技术应运而生，并在过程操作特性的研究方面显示出独特的优 越性【1 0 1 。 动态模拟广泛的应用于各种过程动态特性的研究。研究过程参数随时间变化的规 律，从而得到有关过程的正确设计方案或操作步骤。 动态模拟1 6 】的发展较稳态模拟晚1 0 年左右，且一直沿着两个方向发展：设计型动 态模拟系统和操作培训型动态模拟系统。设计用的动态模拟系统按其结构方法又可分为 连续系统模拟语言c s s l 和具有操作单元模型库的模拟器两大类。最近的发展趋势是： 将稳态流程模拟系统扩充改进，使之有动态模拟的能力。操作培训用的动态模拟系统的 3 第一章文献综述 发展方向是“全厂模拟 ，不仅包括全部工厂流程，而且包括公用工程辅助系统及人一 机界面仿真器，不仅可以用于培训，而且可以用于自动控制，故障诊断，局部失效等试 验。 1 2 2 2 国内外研究现状【1 0 l 国外有关动态模拟研究成果的报道出现于2 0 世纪7 0 年代初期。其后，s y n s y s 系统、d y f l o 和d y s c 0 等软件蓬勃发展。现在动态模拟计算的准确性、可靠性大大 加强，应用范围不断拓宽，功能更加丰富，使用也越加方便，并且开始应用于聚合过程 的模拟和计算。加拿大m cm a s t e r 大学开发的p o l y p r o 、c i t ( c o m p u t i n gi nt e c h n o l o g y g m b h ) 的w u l k o w 开发的p r e d i c i 以及p e r t s i n i d s 等人开发的专用于低密度聚乙烯 ( l d p e ) 生产过程的c a d 软件包等，都已经商业化并已用于实际设计工作中。 国内动态模拟起步于2 0 世纪9 0 年代，现在模拟软件的开发力量主要集中在化工设 计院、大型炼油石化企业和大专院校。如北京化工大学在化学反应器人为非定态反应技 术模拟方面取得了一定的成果，并开展了从动态模拟转向仿真培训器的研发，开发了燕 山烟机发电仪表培训器，并逐步开发、完善了有自主产权的动态模拟软件平台。 1 2 3 稳态模拟与动态模拟的异同 稳态模拟是在装置的所有工艺条件都不随时间变化的情况下进行的模拟，而动态模 拟是用来预测当某个干扰出现时，系统的各工艺参数如何随时间而变化。 对于稳态模拟，尽管从理论上讲，存在多种流程计算的方法，但几乎所有的商业化 软件都采用序贯法( s e q u e n t i a lm e t h o d ) 来进行流程计算。序贯法要求每一单元过程的模 型( m o d e l ) 和算法( a l g o r i t h m ) 组合在一起，构成所谓的模块( m o d u l e ) 。计算过程按模块逐 一进行。 对于动态模拟，其单元过程的模拟则仅仅是描述该过程的一组方程组。每一单元过 程中并不包括该方程组的任何解法。模型的组集方式称之为开放型式的方程或面向方程 的型式( o p e nf o r me q u a t i o n ，e q u a t i o n - o r i e n t e df o r m ) ，其特点是可以随意指定约束和变量。 流程的计算是采用通用的解法软件，同时处理所有单元的全部方程组，并联立解所有的 方程。 由于动态模拟是联立解所有的方程，它的计算速度很快，但必须要求有较好的初值， 否则无法收敛。故通常都采用稳态模拟的结果作为动态模拟的初值1 6 i 。 1 2 4 流程模拟系统软件的基本结构 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 流程模拟系统软件的基本结构如图l 一1 所示f l l 】。输入系统输入模拟计算中所需要的 有关信息，包括流程的拓扑结构、所有输入物流的信息、单元模块的设备参数及收敛准 则。 图1 - 1 流程模拟系统软件的基本结构 f i g u r e l - 1 b a s i cs t r u c t u r eo ft h es y s t e ms o f t w a r eo f f l o ws i m u l a t i o n 单元模块库是模拟软件的重要组成部分，为了求解各种类型模块的有关方程，需要 计算方法库、物性数据库与热力学性质相配合，提供热力学性质的推算程序、数值计算 方法、收敛方法以及用户提供的特殊算法。管理系统执行程序是模拟软件的核心。输出 系统按用户要求输出中间结果与产品物流信息，有的软件还具有灵敏度分析、优化、成 本估算与经济分析的功能【1 l 】。 1 3 换热网络的模拟、优化综合 众所周知，在过程工业的生产装置中，总有若干物流需要被加热( 称之为冷物流) ， 例如进入反应器的原料物流、分离设备的迸料等，而又有另一些物流需要被冷却或冷凝， 例如反应产物、分离产品等( 称之为热物流) 。通常总是利用生产装置本身的热物流与 冷物流进行换热，回收一部分热量。若冷物流与热物流换热后达不到要求温度时，则用 蒸汽或燃料等加热公用工程来加热；若热物流与冷物流换热后达不到要求温度时，则用 水冷或空冷等冷却公用工程加以冷却。这种由装置中冷、热物流之间进行换热的换热器 和加热公用工程用的加热器以及冷却公共工程中的冷却器所构成的换热系统称之为换 热网络【1 2 1 。 由于能源危机，各国政府非常重视节能工作。节能工作主要经历三个阶段：第一个 阶段，重视单体设备的余热回收；第二阶段，考虑单体设计、强化传热、减少系统中单 体的数目；第三阶段，考虑整个系统的优化节能，把过程工业设计的能耗最小、环境污 染少、费用最小，把整个系统集成起来作为一个有机整体，达到整体设计最优化。换热 5 第一章文献综述 网络就是这样的一个有机的系统1 1 3 1 。 1 3 1 换热网络的模拟 所谓换热网络的数学模拟是指解决这样的一类问题1 2 】：建立换热网络的数学模型或 描述模型并在计算机上加以体现和实验；已知输入该网络的物流数据和该系统的流程结 构以及各换热设备的结构参数，求算换热系统中各换热设备输出物流的有关数据以及各 换热设备的热负荷、传热系数、流动阻力等信息。利用计算机高超的计算能力解算化工 过程的数学模型，以模拟化工过程系统的性能，这种技术早在2 0 世纪5 0 年代就己经开 始在化学工业中应用。现在已发展成为一种普遍采用的常规手段。 现代化工系统中的换热器常常是以换热网络的形式出现的，用来实现多种流体、多 温度区间的热量回收和交换。另一方面，由于过程系统的复杂性和大型化，使得换热网 络的规模也越来越大、结构越来越复杂、对于整个过程系统的能量有效利用越来越重要。 因此对于换热网络的优化设计、性能预测以及系统动静态仿真的研究一直是过程系统优 化节能中的主要研究方向和研究热点。但是，无论是换热网络的优化综合还是性能预测 仿真都离不开对其模拟，换句话说，换热网络的模拟是所有上述工作的基础。 1 3 2 换热网络的优化综合 现有化工生产中的一些老装置，由于初建时比较落后，对节能要求不高，过程物流 换热不合理，有许多需要优化改进的；有些生产工艺由于生产能力或条件的变化，对已 有换热网络产生影响，也需对已有网络进行调整改进。所以换热网络优化改进的应用是 非常广泛的，也是非常重要的【1 4 1 。 换热网络优化设计的目标旨在求得最小换热器数目、最大换热网络面积以及最大换 热量。换热网络的最优综合就是确定出这样的换热网络，它具有最小的设备( 换热器、 加热器、冷却器) 投资费用和操作( 公用设施物流等) 费用，并满足把每一过程物流由 初始温度加热或冷却到指定的目标温度f 1 5 l 。当然，还要求网络具有良好的灵活性、操 作性和可控性。 常减压换热网络的优化综合研究过程中所遵循的主导思想为：( 1 ) 充分回收热量并 满足工艺要求；( 2 ) 充分利用原有设备，减小设备投资；( 3 ) 尽可能使换热流程结构简单， 便于操作、维修、管理。原有换热网络存在的主要问题是：( 1 ) 冷、热物流匹配不合理； ( 2 ) 流程结构复杂；( 3 ) 换热设备利用不充分；( 4 ) 取热比不合理f 1 5 】。 下面对换热网络的研究进展进行综述。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 3 换热网络的研究进展 最初的换热网络研究是以尽可能的回收系统内部能量、减少外加能量为目标。因此 问题被归结为数学中的任务分配问题，建立相应的数学模型进行求解。这些研究大都分 只注重数学求解，对实际应用没有太大的指导意义6 1 。 使换热网络综合研究有了突破性进展的是r u d d 、h o h m a n n 及他们的合作者。他们 认为换热网络不仅仅是个数学问题，在综合过程中还要考虑到许多热力学问题。为此他 们提出应该首先对系统进行热力学分析，以便从理论上确定可以回收的最大能量及最小 换热设备数，这一过程称为确定目标1 1 7 】。 r u d d 和h o h m a n n 关于热力学分析的思想对后来的研究具有重要的影响，b l i n n h o f f 就是根据这一思想于1 9 7 9 年提出了关于确定最小能耗的“夹点”的概念【l 引。 总而言之，换热网络的优化综合可以分为三大类：基于热力学的启发试探法，数学 规划法和人工智能法( a i ) 。在启发试探法中，l i n n h o f f , h i n d m a r s h 以及u m e d a 等识别 了热回收夹点，并提出了用于换热网络合成的夹点技术【2 0 1 。在此后的研究中，夹点设 计法成为用启发试探法进行换热网络最优合成的众多方法中最引入注目的一个。 下面将分别对夹点设计法、数学规划法以及人工智能法的研究进展进行综述。 1 3 3 1 夹点设计法 夹点技术( p i n c ht e c h n o l o g y ) 是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量 沿温度的分布，从中发现制约系统用能的“瓶颈”，并给出解“瓶颈”的一种方法。夹 点技术的核心是根据能量目标构造一个具有最大能量回收特性的换热初始网络，其基本 点是找出夹点，不允许通过夹点换热；再以最少换热设备数为目标，对初始网络进行调 优，以减少换热设备数及设备投资费用，从而获得一个最优或接近最优的换热网络i l 列。 1 9 7 8 年，u m e d a 等( 1 8 l 基于热力学原理和概念，提出了利用t - h 图综合网络的策略， 并指出了网络中温度夹点的存在。自l i n n h o f f 等【1 9 1 提出了夹点技术以来，换热网络综 合有了突破性的进展。1 9 8 6 年，l i n n h o f f 和a h i n a d 【2 0 1 提出了求解h e n 优化夹点温差 t m i n 的不同方法。1 9 8 9 年，l i n n h o f f 和a h m a d 2 1 】比较系统地论述了用于换热网络综合 的夹点分析。t r i v e d i 等提出了改进的双温差法，指出不应以夹点温度作为换热网络 最优合成的唯一变量，区分了最大能量回收网络的最小传热温差z x t m i n ( h r a t ) 和系统 中换热器所允许的极限温差e m a t ，同时h r a t _ e m a t 。1 9 9 2 年尹清华、华责等【1 7 1 提 出不考虑流动有效能损失及匹配单元优化可能会导致所求出的解并非真正的 a t m i n o p t ，并详细论证了同时考虑流动有效能损失、匹配单元优化及传热强化对 7 第一章文献综述 a t m i n o p t 的影响，提出改进的优化策略。 s a l 锄a 【2 3 矧针对现有的问题表格算法( p t a ) ，提出了一种直接、简单的数学方法来 确定夹点分析中的最佳能量目标。这种改进的算法被称为简化问题表格算法( s p t a ) 。与 传统的从问题表格算法开始的夹点分析不同，此算法可以简化夹点设计方法( p d m ) 中的 问题表格算法，首先确定最佳组合曲线，然后依次确定最佳能量目标和夹点位置，最后 才确定总组合曲线。此方法可以处理准线性组合曲线以及不连续的组合曲线。 计算机辅助夹点设计和模拟软件也有了很大的进展。如：a s p e n 技术公司的基于过 程综合与集成的a s p e np i n c h 夹点技术计算软件、美国加州电力研究学院和弗吉尼亚大 学等开发的用于夹点技术的原型专家系统等。国内也有多家单位开发了类似的软件， 如：清华大学开发的e s o p 软件，其功能包括：能量消耗目标的计算、最优夹点温差的 确定、换热网络模拟计算等1 2 5 1 。所有这些软件都在很大程度上方便了工程师对能量系 统进行优化综合。 1 3 3 2 数学规划法 数学规划法是根据换热网络特点建立数学模型，然后在约束条件下选择适宜的优化 方法求解建立的目标函数，求最大的能量回收值，或者求最小公用设施消耗或投资费用 值，从而得到最优的换热网络。数学规划法可用于解决具有大量变量和多种反馈的问题， 很适合工业系统的网络设计。 在过去几十年中，研究者开发了很多工具来解决换热网络问题，然而，大多数都是 假设传热系数为常数，并且所有的流股都是逆流匹配，这些都导致了非最优的结果。 近年来，发表了很多关于换热网络合成阶段换热器设计的文章。n i e 和z h u l 2 6 】致力 于研究将压力降低以及传热系数增加合并到改造问题中；s e m a 和j i m e n e z 开发了一 种合成最小总面积的换热网络的方法，此方法与报道的j e g e d 和p o l l e y 的数学形式相似， 所不同的是对于换热器壳程的计算使用b e l l d e l a w a r e 方法；m i z u t a n i 等矧将换热器设 计模型与y e e 和g r o s s m a n n 提出的网络结构联系起来。这种方法是最初提出在换热网 络综合阶段考虑详细换热器设计的方案之一。但是，他们并没有考虑实际问题中的可行 性约束；r a v a g n a n i 和c a b a l l e r o 使用遗传算法首先优化a t a p p r o a c h 和过程最小温度， 然后再次使用遗传算法在夹点的上、下得到换热网络。 s a l a m a l 3 0 j 提出在过程换热网络合成中使用的最小规贝j j ( m i n i m u mr u l e ) 的方法。此方 法由换热网络中每个逆流换热器确定了四个简单的代数表达式，其中两个公式与每个换 热器每股物流输入及输出的冷热温差有关，另两个公式与每个换热器的冷热物流的热负 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 荷平衡有关。s a l a m a 用这四个代数表达式的最小值作为最佳的逆流换热器热负荷，并 用此方法确定最佳的换热网络热负荷。 m a 等【3 1 】提出用混合整数非线性规戈i ( m i n l p ) 模型表示多流股换热网络( m s h e n ) 的多周期合成。他们研究出多周期多流股换热网络弹性综合的新方法，并通过遗传模拟 退火算法( g a s a ) 使此方法达到最优化。通过基于物流虚拟温度的温焓图的方法，明显 降低了问题的复杂性，并保证了遗传模拟退火算法的可行性解。 在超结构模型的研究中，温卿云等阎对分级超结构换热器网络模型的温度提出了 一种通用精确解的方法，同时得到了显式解析解，并以这一解析解为基础，设计了以遗 传算法和模拟退火算法为主，结合最速下降法的混合遗传算法。此外还在算法中引进精 英策略和结构变异策略。应用实例的计算结果显示了这一混合遗传算法对于换热器网络 的参数和结构都具有良好的搜索能力。 i s a f i a d e l 3 3 1 等针对换热网络合成，提出了基于时间的混合整数非线性规划超结构模 型。这种超结构的时间间隔是通过一系列冷物流或热物流( 包括公用工程) 的温度定义 的，而且热量可以在每个时间间隔内通过每股冷热物流传递。与夹点的组合曲线不同， 这种超结构可以同时交替出现能量、单元数以及换热面积。这种基于时间的混合整数非 线性规划超结构模型可以处理有多种公用设施的问题，并可以克服以前的技术局限性 ( 如初始化和步骤的多样性等) ，产生优于先前结论的结果。 h o n g g u a n gd o n g 掣3 4 1 在改进了状态一空间超结构模型的基础上，使用混合整数非 线性规划，优化了多股物流混合的换热网络。此方法的优点是，能够更容易的将混合 分裂工业生产流股的附加设计选项合并到模型公式中。使用这种方法，可以降低传统换 热网络的公用工程费用及投资费用。 最近，数学规划法中的多目标优化也被用于燃料油混合嘲和工业流化床催化裂化【3 6 】 等问题中。 数学规划法的优点是可以由计算机完成匹配的自动搜索，缺点是物理意义不清晰。 由于大规模过程系统具有的复杂性和特殊性，其中连续变量和整数都具有非线性，目标 函数和约束方程往往是不可微、非连续、多峰的非凸函数，所以对于同步优化的m i n l p 问题尚未形成有效的求解算法，同步综合的方法还未能从学术研究走向实际应用。 1 3 3 3 人工智能法 人工智能是一门探索和模拟人的感觉和思维过程的规律，并进而设计出类似人的某 些智能的机器的科学。 9 第一章文献综述 专家系统是近年来人工智能走向实用化研究中最引人注目的一个领域，是一种以知 识为基础的计算机程序系统。j e z o w s k i 3 7 】尝试建立换热网络综合的专家系统，先产生1 个多种网络结构的树型结构，然后用人工智能中的搜索技术找到最佳的网络。g r i m e 等 1 3 8 设计的专家系统h e a t e x 含有1 1 5 条产生式规则，利用推理技术可以求出最小公用 工程消耗。h a r t m a n n 掣3 9 】提出换热网络综合问题存在着大量可行方案和评价标准，这 些准则具有一定的模糊性，因此，他提出了一种简单的将产生式规则和模糊理论相结合 的专家系统。李志红【4 0 】在一种基于专家系统的无分流换