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浙江工业大学硕士学位论文 基于压降的换热网络优化设计方法 摘要 换热网络作为过程系统中一个重要的子系统，同样也是化工、炼油等过程工业中的 能量回收利用的一个重要系统，其设计水平的高低对过程系统的能耗和经济性有着重要 的影响。因此，换热网络综合优化成为研究的热点问题。 在众多的换热网络综合研究中，对网络中考虑压降的研究并不多。压降作为换热网 络的重要影响参数，其带来的动力能耗费用和动力设备投资费用在网络总费用中占很大 比重，应该在网络优化过程中予以考虑。遗传算法作为一种自适应概率性搜索算法，具 有较强的全局搜索能力，被广泛用于具有非凸、非线性、存在许多局部极值特点的换热 网络综合当中。本文从考虑压降的角度，利用遗传算法对考虑压降的无分流的换热网络 进行综合。本文围绕这一主题，主要开展的研究工作如下： 1 在换热网络的优化过程中，把压降带来的动力能耗费用和动力设备投资费用作 为网络费用优化目标的一部分。讨论了压降的计算方法，以求解壳程压降的埃索法为基 础推导出了本文的压降公式；并讨论了壳数对网络面积、压降等性能的影响及壳数的计 算方法。 2 利用遗传算法和夹点法相结合对换热网络进行综合。在目标阶段，利用夹点法 获得网络的最优传热温差，在优化阶段，在最优传热温差的指导下，用遗传算法对换热 网络进行求解，获得全局最优解。 3 本文对两个工程案例进行了网络综合研究，第一个工程案例来自某芳香烃工厂 的换热网络系统，结果表明：考虑压降后的换热网络年总费用降低，同步优化了公用工 程、换热面积、压降等参数；相对于块分解法，本文方法可获得全局最优解。第二个工 程案例来自某炼油厂的原油常减压蒸馏系统，综合结果表明：采用本文提出的模型及算 法可以有效、快捷地获得较复杂换热网络综合问题的全局最优解或近似全局最优解。 关键词：换热网络，压降，动力费用，遗传算法，优化 浙江工业大学硕士学位论文 a no p t i m i z a t i o nm e t h o do fh e a te x c h a n g e r n e t w o r k sb a s e do np r e s s u r ed r o p a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n ts u b p r o c e s ss y s t e ma n de n e r g yr e c y c l i n gs y s t e mo fc h e m i c a lo i l r e f i n i n gp r o c e s si n d u s t r i e s ，t h el e v e lo fd e s i g nh a sa ni m p o r t a n te f f e c to ne n e r g yc o n s u m p t i o n a n de c o n o m yo fp r o c e s ss y s t e m s t h e r e f o r e ，i n t e g r a t i o na n do p t i m i z a t i o no fh e a te x c h a n g e r n e t w o r k ( h e n ) h a sb e c a m ea h o tr e s e a r c hi s s u e i nm a n yi n t e g r a t i o nr e s e a r c h e sa b o u th e n ，t h ep r e s s u r ed r o po ft h en e t w o r ki s c o n s i d e r e dl i u l e p r e s s u r ed r o p ，a sam a j o ri n f l u e n c i n gp a r a m e t e ro fh e n ，b yw h i c ht h e i n v e s t m e n tc o s to fp o w e rc o n s u m p t i o na n dp o w e re q u i p m e n ta r ei nal a r g ep r o p o r t i o ni nt 1 1 e t o t a ln e t w o r kc o s t ，s h o u l db ec o n s i d e r e da so p t i m a l g e n e t i ca l g o r i t h r n ( g a ) a sa na d a p t i v e p r o b a b i l i s t i es e a r c ha l g o r i t h m ，w i t has t r o n gg l o b a ls e a r c ha b i l i t y ，i sw i d e l yu s e d i nt h e i n t e g r a t e dh e n w h i c ha r ec h a r a c t e r i z e db yn o n c o n v e x i t y ，n o n l i n e a ra n dm a n yl o c a lm i n i m a b u tt h eg af o rs o l v i n gh e np r o b l e m se x i s td e f e c t so ff a l l i n gi n t oal o c a lo p t i m u mv a l u e c o n s i d e r i n gt h ep r e s s u r ed r o p ，t h i sp a p e ri n t e g r a t e s n o n d i v e r s i o nh e nt h r o u g hu s i n g i m p r o v e dg a m o u n dt h i st h e m e ，t h em a i nr e s e a r c hw o r k a r ec a r r i e do u ta sf o l l o w s ： 1 a na s p e c ta b o u tt a k i n gp r e s s u r ed r o pa sah e no p t i m i z a t i o np a r a m e t e rh a sb e e n i n t r o d u c e di nd e t a i l s p o w e re n e r g yc o n s u m p t i o nc o s t sa n dp o w e r e q u i p m e n ti n v e s t m e n t c o s t sc a u s e db yp r e s s u r ed r o pi sap a r to ft h en e t w o r kc o s to p t i m i z a t i o ng o a l t h ep r e s s u r e d r o pc a l c u l a t i o nm e t h o di sd i s c u s s e d b a s e do nt h ee s s ol a wt o s o l v ep r e s s u r ed r o po f s h e l l s i d e t h ep r e s s u r ed r o pf o r m u l ai sd e p r i v e d a n dd i s c u s s e dt h ei m p a c to f t h es h e l l so n t h ep e r f o r m a n c e so ft h eh e n ，a sw e l la st h em e t h o d sf o rc a l c u l a t i n gt h es h e l l s 2 i n t e g r a t e dh e a te x c h a n g e rn e t w o r k su s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m s a n dp i n c hm e t h o d t o g e t h e r f i r s t l y ，t h eo p t i m a la t m i ni sd e t e r m i n e dt h r o u g hp i n c h m e t h o da tt h et a r g e t i n gs t a g e s e c o n d l y ，a tt h eo p t i m a ld e s i g ns t a g e ，t h eh e np r o b l e m sa r es o l v e db yo a a n dt h eg l o b a l o p t i m u mn e t w o r ks t r u c t u r ei so b t a i n e d 3 t w oc a s e sa r ea n a l y z e da n ds t u d i e du s i n gg a t h ef i r s to n ei sah e ns y s t e mo f a n a r o m a t i cp l a n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et o t a la n n u a lc o s to fh e ns y s t e mh a sr e d u c e d i i i a b s t r a c t _ 一一_ 一 c o m p a r ew i t ht h a tw i t h o u tc o n s i d e r i n gp r e s s u r ed r o p t h eu t i l i t y c o n s u m p t i o na r e aa n d p r e s s u r ed r o pa r eo p t i m i z e ds i m u l t a n e o u s l y r e l a t i v et ot h eb l o c kd e c o m p o s i t i o n ，t h ep a p e r a p p r o a c hc a r l o b t a i nt h eg l o b a lo p t i m a lm o r ee a s i e r t h es e c o n do n ec o m e sf r o ma n a t m o s p h e r e v a c u u m d i s t i l l a t i o nf o rc r u d eo i l t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em o d e la n d a l g o r i t h mo ft h i sp a p e rp r o p o s e dc a r lq u i c k l yg e t t h eg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o no ra p p r o x i m a t e g l o b a lo p t i m a ls o l u t i o nf o rm o r ec o m p l e xh e a te x c h a n g e r n e t w o r k s k e yw o r d s ：h e a te x c h a n g e rn e t w o r k s ，p r e s s u r ed r o p ，p c s y s t e mc o a t ，g e n e t i c a l g o r i t h m ，o p t i m i z a t i o n i v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 能源是经济发展的动力，是现代文明的物质基础。随着世界人口的不断增长和工业 的可持续发展，能源将越来越短缺。工业节能已成为人类社会持续发展的重要前提之一。 我国由于长期粗放型的经济增长方式，能源得不到高效利用，导致我国很多高能耗、高 物耗的化工产业。所以，在化工过程系统中进行节能降耗成了一项迫在眉睫的任务。 化工过程系统节能是指从系统的角度、把整个系统集成起来作为一个有机整体对待 所进行的节能工作。从原料到产品的化工过程，始终伴随着能量的供应、转换、利用、 回收、排弃等环节，不仅要求提供动力和不同温度下的热量，而且又有不同温度的热量 排出，如何根据工艺条件和外界环境，对能量需求和热回收系统进行优化合成，是化工 过程系统节能的主要研究内容。 一个典型的化工过程系统由三个部分组成，分别是：反应分离部分、换热部分、公 用工程部分。化工过程综合的设计体系可通过“洋葱”模型中各个层次形象地表示出来， 如图1 1 所示。过程设计应从过程的“核心”开始，其“核心”为反应器( 化学反应) 。 由反应器生成的产物需要进一步分离，而未反应的原料需要再循环利用，所以紧跟着反 应器设计的是分离和再循环系统的设计。以上两者的设计决定了设计过程的热、冷流股 条件，所以第三步是换热网络设计。经过热、冷流股的合理匹配，不能满足的热、冷负 荷决定了外部冷热公用工程( 冷却水、蒸汽等) 的需求，因此第四步就是公用工程的选 择与设计。换热网络作为过程系统的一个重要子系统，是化工、炼油等过程工业中能量 回收利用的一个重要系统，其设计水平的高低对过程系统的能耗有着重要的影响。 在化工生产过程中，常常会遇到某些物流需要加热，某些物流需要冷却，用热流加 热冷流，这样就可以回收能量。此外，为了保证过程物流达到指定的温度要求，往往还 需要设置一些辅助的加热设备和冷却设备，换热流程中的换热器、加热器、冷却器、混 合器和分流器的组合便构成了换热网络。对换热网络合成，如何使其在满足工艺条件下 在最优状态下运行，使网络具有最小的能耗费用和投资费用，于是就提出了换热网络的 优化设计问题。能耗费用主要与公用工程用量和提供动力的泵或压缩机( p c ) 等动力 第1 章绪论 设备的功耗有关。要使换热网络能耗最小，就要使网络有最大的能量回收和最小的公用 投入，还包括最小的动力投入。投资是对换热器台数、换热面积、动力设备等方面的费 用投入。能耗和投资这两者所包含的因素之间是相互关联、相互制约的，如最大的能量 回收会导致过大的换热面积的投资，于是它们之间存在着个权衡，所以换热网络的优 化研究问题就是对影响换热网络总费用的因素之间相互关系的研究，利用一些研究方法 如夹点设计法、数学规划法等，寻找各因素间的一个最佳配合，使网络费用最小化，运 行最优化。 图1 1 化工过程设计洋葱图 换热网络综合有两种类型：一是对原有换热网络的改造综合，二是新换热网络的设 计综合。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 物流的换热不合理，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。所以换热网络优化综合的应 用是很广泛的，也很重要的。 1 2 换热网络综合方法的研究进展 t e nb r o e c k 【1 1 于1 9 4 4 年发表了第一篇与换热器网络有关的论文。1 9 6 5 年，h w a 2 】 发表了第一篇关于换热网络合成的论文，他首先把所供选择的系统组合成一个配置图， 然后使用可分离规划使之最优化。1 9 6 8 年，r u d d 3 1 提出了换热网络合成的分解法，他 把原设计问题分解为一系列的子问题，而这些子问题的设计都是与某些现有的、老的过 浙江工业大学硕士学位论文 程设计相类似，能用现有的设计技术解决。1 9 6 9 年，m a s s o 和r u d d l 4 提出网络合成的 探试法，利用一些匹配过程物流的经验规则，在计算机上合成最优系统结构。但此法不 能解决复杂的换热网络合成问题。继m a s s o 和r u d d 的经验探试法后，又发展了有理论 指导的直接最优化搜索法。如l e e l s l 等人( 1 9 7 0 ) 的分枝界限法，p h o 和l a p i d u s j ( 1 9 7 3 ) 以及r a t h o r e 和p o w e r s 7 】( 1 9 7 5 ) 的树搜索法。还有将探试法与直接最优化方法结合应 用的，如m e n z e i e s 和j o h n s o n 【8 1 ( 1 9 7 2 ) 将分枝界限法与探试法一起应用，p o n t o n 和 d o n a l d s o n ( 9 1 ( 19 7 4 ) 将探试法与分枝界限法或树搜索法一起应用，进一步提高了方法的 效率。 继h w a 的可分离规划法后，很多研究者致力于用数学语言把合成问题表示为数学 模型，从而应用最优化技术来求解换热网络合成问题。1 9 7 1 年，k o b a y a s h i 1 0 1 等人提出 了线性规划法，把最优换热网络综合分成两个不同水平的问题，一是对给定系统结构的 优化设计，另一个是在前一问题已解决的假定下研究最优结构。先把合成问题化为“基 本问题”形式，将各个过程物流进行相继的或平行的划分，形成许多近似相等的热单元， 使总网络最优化的目标函数近似线性化，然后解两个水平问题。1 9 7 6 年，k e l a h a n 和 g a d a y 【l l j 提出将换热网络的综合作为混合整数最优化问题处理，采用随机搜索方法使换 热器的传热和排列同时最优化，对比较较简单的综合问题取得了良好效果。1 9 7 7 年， n i s h i d a 1 2 1 等人提出了算法加调优的方法，应用数学原理推导出最优结构的必要条件， 从而解析地搜索并根据一组调优规则改进所得网络。以上方法大多数用到的都是分步优 化法，即将换热网络合成分解为：1 、最小能量消耗量的计算；2 、最小匹配数目的选择； 3 、最小投资费用的计算等多个子问题，这些问题存在多解又相互影响，如果不能正确 反映子问题的相互关系，即使各子问题是最优的，整体问题也可能偏离最优解很远。 为克服多目标分步优化的缺点，g r o s s m a n n 等人提出了超结构m i n l p 模型，用来 确定换热网络的最小投资费用。在此基础上，很多学者研究了多种同步综合算法。1 9 8 9 年，d o l a n 1 3 】提出了网络合成的模拟退火法。1 9 9 0 年，y e e 1 4 1 等提出了可同步优化公用 工程、面积费用和单元设备数的线性约束m i n l p 模型。袁一，尹洪超 15 】等人沿用分级 超结构转运模型和剩余吸、放热潜力的概念提出了换热网络同步最优综合m i n l p 的改 进模型。肖云汉0 6 等通过网络的热力学分析和经济分析，提出了换热网络的一种新的同 步优化方法和模型，并研制了相应的软件。 上述数学规划法的基本做法都是将所研究的问题整理成由目标函数和约束条件表 示的数学模型，并根据数学模型的类型选择适宜的优化方法进行求解，求得满足上述约 第1 章绪论 束条件并使目标函数最小( 或最大) 的解。由于数学规划方法不可避免的对换热网络模型 作出各种假设，并且其解空间太大、严重非凸，导致目前的各种求解算法失效或者导致 优化结果往往是局部最优解，所以目前该方法的发展以及在工程设计中的应用受到了限 制。 1 9 7 8 年，l i n n h o f t f l 7 j 等人提出了由热力学定向排列合成换热网络的方法，首次提出 夹点概念。此法分两步：第一步用温度间隔法合成具有最大热回收量的初始网络；第二 步将第一步得到的网络调优以得到最少设备数。此法后来发展为夹点设计法。夹点技术 的核心是根据能量目标构造个具有最大能量回收特性的换热初始网络，其基本点是找 到夹点位置，换热不可以通过夹点；再以最少单元数数目为目标，对初始网络进行调优， 以减少设备投资费用，从而获得一个最优或接近最优的网络结构。夹点技术以热力学理 论为基础，形成了较为系统的理论基础。在1 9 8 6 年前，研究工作都是针对给定夹点温 度t m i n 展开的。1 9 8 6 年，l i n n h o f f 、a b r o a d l i b 】等学者独立提出了求解换热网络最优夹 点温差t m j n 的不同方法，前者称为“超目标法”。1 9 9 2 年，尹清华、华贲【l9 】等人提出 了不考虑流动炯损失及匹配单元优化可能导致所求解并非真正的t m i n ，并讨论了同时 考虑流动烟损、匹配单元优化和传热强化对t m i n 的影响，提出了改进的优化策略。 换热网络中温度“夹点”限制了最大热回收量，充分掌握夹点特性，可有效的进行换热 网络的最优设计。1 9 8 2 年，c l b e r t 2 0 1 提出双最小换热温差法，组合曲线的最小换热温差 取h r a t ，用以决定公用工程用量，合成网络时，个别换热单元的最小换热温差取 e m a t ，且e m a t 1 0 0 0 0 ) 膜系数被假定，d i t t u s b o e l t e r 方程如下： n u ：o 0 2 3 r e o 8p r ” ( 2 1 2 ) 膜系数： h = 屯甜o 8 ( 2 - 1 3 ) k l = o 0 2 3 ( 2 d ) ( p d i t ) o 8p r ” ( 2 1 4 ) 当流体被加热时，n = 0 4 ；当流体被冷却时，n = 0 3 。 管程压降考虑了直管、回弯、进出口段的压降，其方程如下： 够= ( 够，+ 纰：) z m m + 纰，m ( 2 1 5 ) 直管段压降： 啦! = 2 f ( 1 d ) p u 2 ( 2 1 6 ) 回弯段压降： 馘2 = 1 5 p u 2 ( 2 1 7 ) 进出口端压降： 够3 = 0 7 5 p u 2 ( 2 - 1 8 ) 摩擦系数： 厂= 0 0 4 6 r e 。0 2 管速是体积流率、管数和管程数的函数： 单壳程内的传热面积： 合并以上两式得： “= 4 v n p ( z c n r d 2 1 如程= n t 万以， ，= 4 壳程u d 2 ( 4 哪c i d ) 结合式( 2 1 6 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 2 ) 使： 得： 屯1 = 0 0 2 3u0 。2 ( p a l ) n 8 ( v n p d o ) 结合式( 2 1 3 ) ( 2 2 4 ) ，得： 纰1 = 砖1 a 壳程“2 8 卸1 - - ( k , 】砰+ 5 ) 4 壳程h 3 5 结合式( 2 1 3 ) ( 2 1 7 ) ，得： 墨2 = 1 5 p 纰：= ( 岛：砰5 ) 结合式( 2 1 3 ) ( 2 1 8 ) ，得： 有： 使： t 。= 0 7 5 p 纰，= ( t ，砰5 ) 胪 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 纰= ( 岛，砰5 ) 铵程向35 + ( 岛：砰5 ) 办2 。5 ) z 虬n s + ( t ，砰5 ) 办2 j n s ( 2 3 0 ) k 。= f t n p k t ，1 4 5 k 慢= nd k t 27 碚s + k c 3 斌5 ( 2 。3 1 ) ( 2 3 2 ) 1 7 总换热面积 管程压降公式： 其中， 2 壳程( r e 2 0 0 0 ) 传热系数方程： a = 岛程m 衅= k 1 a h 35 + k 2 h 2 。5 m k a = 1 2 4 6 4 6 5 9 2 篇每篙z k 2 = 9 3 4 8 4 9 4 4 五2 5 ( 1 - n ) 。“口2 5 ” ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) d o s ( 2 f n p + 1 1 ( 2 3 6 ) = 0 3 6r e o 5 5p r u 3 ( 心) o “ r e = p u p ：| u h = 毛甜 岛= 0 3 6 ( 2 d e ) ( p d 。) 0 5 5p r l 门( 。) 0 + h ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) 当管子正三角形排列时，吃：生譬一d o ；当管子正方形排列时，吃：生罂望一吃。d d d o “ 液体被加热时，( a p 。) n 1 4 = 1 0 5 ；液体被冷却时，( 。) 0 1 4 = 0 9 5 ；对于气体，无论 加热还是冷却，( 心) n 1 4 = 1 ； 1 8 埃索法压降方程： 管束区压降： 折流板缺口区压降： 摩擦系数( r e 5 0 0 ) ： 他= ( 纰+ 必) f m 舭= 晚( m + 1 ) ( ：2 ) 必= m ( 3 5 - 2 b d ) ( p u ；2 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) 浙江工业大学硕士学位论文 最大流通截面积： f o = 5 0 r e 加2 2 8 4 = b d ( 1 每) 管束中心线或最接近中心线的管排上的管子数： = 芝( 坼) 0 。5 管子正三角形排列时，p z = 1 1 ；正方形排列时，己= 1 1 9 。 管数： 互d 2 m 5 嚣 当正方形排列时，足= 1 ；当三角形排列时，尼= 或最= o 8 6 6 。 结合式( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) ，得： 又： 结合式( 2 2 1 ) ( 2 4 7 ) ，得： n b = l b 一1 么麓= 可z c 2 d 万2 d o l 结合式( 2 - 4 9 ) ( 2 5 0 ) ，得： 州州= 等等 流速： 结合式( 2 4 5 ) ( 2 5 2 ) ，得： 把( 2 5 3 ) 带入( 2 5 1 ) ，得： “。= v a o d b ： 竺 “。( 1 一以# ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) ( 2 5 0 ) ( 2 5 1 ) ( 2 5 2 ) ( 2 5 3 ) 1 9 第2 章考虑压降的换热网络研究 州+ 1 ) = 警熊攀v 万d 。 结合式( 2 4 8 ) ( 2 5 4 ) ，得： ( 2 5 4 ) ( 州) = 型篱笋细。 ( 2 5 5 ) 把( 2 5 5 ) ( 2 4 4 ) 代入( 2 4 2 ) ，得： 纰= 吃么壳程“。2 7 7 2 吒= 型等簪笋幽 结合式( 2 3 9 ) ，消去u o ，得到： 由式( 2 5 1 ) ( 2 5 3 ) 可知： 由式( 2 5 3 ) 得到： 纰= ( 晚砰0 4 ) 岛程h 5 0 4 儿= 警铂。一， b ： 兰 u o d ( 1 一d o ) 把( 2 5 9 ) ( 2 6 0 ) 代入( 2 4 3 ) ，得： ( 2 5 6 ) ( 2 5 7 ) ( 2 5 8 ) ( 2 5 9 ) ( 2 6 0 ) 必= k 】如程甜；一k 2 彳壳程“；一k 3 甜；+ k 。甜。 ( 2 6 1 ) 结合式( 2 3 9 ) ，得到： 小丝挚a 氕yu k ：= 丽4 p p c p 冗。d j 后。3 = 1 7 5 p 尼。一2 f 丽p v ( 2 6 2 ) ( 2 6 3 ) ( 2 6 4 ) ( 2 6 5 ) a 芝= ( 氏，砰4 5 4 5 ) 岛程h 5 + 4 5 4 5 一( 丸：砰6 3 6 4 ) 程办36 3 6 4 一( 吒，。砰6 3 6 4 ) 办36 3 6 4 + ( 氏，。霹8 1 8 2 ) 办1 8 1 8 2 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 6 6 ) 因为： 所以有： 必= u s m ( 鹋+ 必) ( 2 6 7 ) 皑= 正m ( 吃尼】| 5 。4 ) 彳壳程向50 4 + ( k 。k ? 4 5 4 5 ) 么壳程h 54 5 4 5 - ( l ：砰6 3 6 4 ) 彳壳程h 3 6 3 “ 其中， 使： 总换热面积 一( j 。，砰6 3 6 4 ) 3 6 4 + ( 尼。 1 8 2 ) 办1 8 1 8 2 ) k b = f s k b 憾妯 k 们= z 屯1 砰4 5 4 5 k 。：= 一工k ：砰6 3 “ k 。3 = 一f , k w 3 留击3 6 4 k 。4 = z k 4 日8 1 8 2 a = 么壳程m ( 2 6 8 ) ( 2 6 9 ) ( 2 7 0 ) ( 2 7 1 ) ( 2 7 2 ) ( 2 7 3 ) ( 2 。7 4 ) e = k b a h 50 4 + k 。l a h 54 5 4 5 + k w 2 a h 36 3 6 4 + k 0 3 向36 3 6 4 m + 0 4 h 1 8 1 8 2 m ( 2 - 7 5 ) 瑙4 铆6 5 赫 k 。1 = 1 8 6 6 1 4 9 “1 1 8 1 8 川层5 p z ( 1 一d o 俾) 彩2 6 8 碰2 2 8 y 【( u 。) 0 。1 4 5 0 4 名e 2 ( 1 - a o p ) 彩4 5 4 5 2 3 - 6 3 6 30 2 0 8 1 8 2d o v d ( # , u 。) 。1 4 】5 4 5 4 5 铪一1 6 6 4 2 6 斋 足p 2 趣6 3 “ d o d 3 【( 肌) 0 。p 6 4 民卅m 6 2 ， b 地4 嘲南 6 3 6 4 ( p 。) n p 6 4 v a o 8 1 8 2 ( 1 一吃p ) d 2 【( 。) o1 4 1 8 1 8 2 ( 2 7 6 ) ( 2 7 7 ) ( 2 7 8 ) ( 2 7 9 ) ( 2 8 0 ) 2 1 正 f 一 第2 章考虑压降的换热网络研究 2 2 2 壳数的计算 热流进口温度t 1 ，出口温度t 2 ，冷流进口温度t i ，出口温度t 2 。温差修正系数f t 由热容流率比值r 和热效率s 确定，其中 r ：丝 ( 2 8 1 ) f 2 一 s ：三d ( 2 8 2 ) 墨一 如果温差修正系数f t 小于0 8 ，则需要增加壳的数量。一般取f t 为0 8 时，对应最 小的壳数。壳数的确定方法如下： 1 a b r o a d 和s m i t h f 4 9 法： 对于1 2 管壳式换热器( 一个壳程两个管程) ，有： & 。卜2 = 二f ( 2 8 3 ) r + 1 + 、r 2 + 1 当s 1 2 为& 默小2 时，f t 为负无穷大，不可取，所以s 1 2 在( 0 ，x m 钒1 - 2 ) 内取值，有 s 一：= 氏a x , l - 2 鄙 ( 2 8 4 ) 0 4 1 壳程数 m ：l n ( 1 - r s ) ( 1 - s ) ( 2 8 5 ) 1 n 其中， = ( 1 一r s 一2 ) ( 1 一s 一2 ) ( 2 8 6 ) 把( 2 8 4 ) 代入( 2 8 6 ) 中，得到： 渺：r + l + x 厢+ 1 - 2 r x e( 2 8 7 ) 月+ 1 + 4 r 2 + l 一2 彳。 式( 2 8 5 ) 中r ，s 分别按式( 2 8 1 ) ( 2 8 2 ) 计算。本方法的难点在于，当考虑温 度交叉时，西如何取值。a b r o a d 和s m i t h 对局取0 9 ，这个值是在片= 0 8 ，r = 1 的情 况下得到的。 2 g u l y a n i ，k h a n a m 和m o h a n t y 5 0 】法： 当换热流体之间存在较大的温度交叉产生时，会造成换热面积的浪费。因此，温度 浙江工业大学硕士学位论文 交叉要有一定的限制。w a l e s 5 1 1 ( 1 9 8 1 ) 提出： g ：生蔓( 2 8 8 ) 正一t 1 有： g = 1 - s 0 + r 、 对于1 2 管壳式换热器，在r 确定情况下，有 g m i 。卜2 = 1 一s m a x , l - 2 ( 1 + r ) 结合式( 2 8 3 ) ( 2 9 0 ) 得： ，1、r 2 + 1 一( r + 1 ) l r r n i n ，1 22 7 = 专2 5 7 一 、r 2 + 1 + f r + 1 1 如果g 1 2 = g m i n 1 2 ，则会有f t 0 8 ，不可行。所以有： g 1 2 = g m n h + y y 是一个常数，由设计者确定。 由式( 2 8 8 ) 可知： ( 2 8 9 ) ( 2 ，9 0 ) ( 2 9 1 ) ( 2 9 2 ) 1 - r s ：i + r g ( 2 - 9 3 ) 一= 一 lj 1 5尺+ g 把式( 2 9 3 ) 代入( 2 8 5 ) 得： m ：垫【( ! 窒9 21 ( 墨g ! !( 2 - 9 4 ) m 其中， w = ( 1 + 尺g 1 2 ) ( r + g 1 2 ) ( 2 9 5 ) 结合式( 2 9 1 ) ( 2 9 2 ) ，代入式( 2 9 5 ) 得： w：一4rz+i(r+i-ry)-(r+i)(r-1-ry)(2-96) 、r 2 + 1 ( 只+ 1 一y ) - ( r + 1 ) ( r 一1 一j ，) y ：一2 ( r + 1 ) ( 1 - x e ) ( 2 - 9 7 ) 一；= = = = = = 一， r 2 + 1 + ( r + 1 ) p l a n t 5 2 1 ( 1 9 9 2 ) 指出，g = 0 ，s = i ( i + r ) 。g = 0 是在f t = 0 8 的情况下得到的。所以， 对于m 2 m 管壳式换热器( m 个壳程，2 m 个管程) ，如果每个壳的g m = o ，那么m 2 m 管壳式换热器的壳数m 将会是最小。所以当g 1 2 = 0 时，有： w = 1 r( 2 9 8 ) ，3 当r l 时， 当r = t 时， m =业鱼二2 丛! ! 1 1 + 月吒删) 1 1 1r m = ( 百1 m g 瓦m _ 2 m 其中，吒一：m 为m 个壳时的值，r 、吒一：们分别按式( 2 8 1 ) ( 2 8 8 ) 计算。 圆整m 得： m = m m 圆整后，g 1 2 的值不再为0 ，其计算如下： 当r 1 时， 当r = 1 时， ( 2 9 9 ) ( 2 1 0 0 ) ( 2 1 0 1 ) 钆2 篇+ r 笺g m 锹糕- r “2 ， 卜 ( 1 2 m ) ( r + g 0 2 m ) “埘 、一 g 1 ：丝堡鱼= 2 丝2 二墨! ! 二亟= 2 丝2 卜2 m ( r + g 0 2 m ) + ( 1 一g 0 2 m ) 温差修正系数辱的计算如下： 当r 1 时， b = g 亟丛墨二1 ) ) l n ( ( r + g 1 一：) ( 1 + r g l 一：) ) h 【( ( 1 + 尺) ( 1 + g l 一：) + ( 1 一g 1 一：) 而) ( ( 1 + r ) ( 1 + 磊石瓦而 当r = 1 时， 辱= 2 ( 1 一g 1 一：) 1 + g 1 2 压+ g 1 一：( 2 4 5 ) 万历i i 历 3 校核 a 面积校核 对每个壳程内的换热面积必须满足： a 1 2 4 2 ，允许 其中，4 屯允许为一个壳程的最大允许换热面积。 2 4 ( 2 1 0 3 ) ( 2 1 0 4 ) ( 2 1 0 5 ) ( 2 1 0 6 ) r 、， 一塑坚三些奎堂耍主堂垡笙塞 _ 一- 一一。 对于m 2 m 管壳式换热器，换热器总面积为厶一：吖，那么一个壳内的换热面积为 a i 一2 = 如一2 m m 对4 一。进行判定，如果满足式( 2 1 0 6 ) ，则不增加壳数；否则，令： m = 向上圆整 如一2 m a 。2 允许 并根据新的m 值重新计算各匹配的温差修正系数b 以及相应的换热面积。 b 压降校核 对于m 2 m 管壳式换热器，物流压降应满足： ( 2 1 0 7 ) ( 2 1 0 8 ) 等 纰艚 ( 2 _ 1 0 9 ) ，厶：一 z l u y m “” 等 他艚 ( 2 1 1 0 ) l w x l 0 - 3 ，c p ( 2 1 1 5 ) j 其中，w 为泵实际功率，y 为物流体积流率，a p 为压降，7 7 为泵效率，e 为电能耗费 用，f 为年操作时间，c 为电单价。 动力设备费用 q c = 口+ ( y p ) 7 ( 2 1 1 6 ) s t r e a m s 其中，g ，c 为p c 设备的投资费用，口，7 ：费用系数。 压降带来的总费用为 c d = ce + cp | c 其中，c 为动力费用。 考虑动力费用的换热网络的年总费用目标函数为 c f = c u + c d r e ，七c 。t e + c d ( 2 1 1 7 ) ( 2 1 1 8 ) 其关系如图2 3 所示。图中的a r e a c o s t 为式( 2 1 1 8 ) 中g 瑚和g 施两项之和。 2 4 传统方法和考虑压降的换热网络的分析比较 上文中分析了考虑压降对换热网络综合的重要性和探讨了网络中压降的计算方法。 下面将通过一案例，利用夹点技术，对传统方法( 不考虑压降) 和考虑压降的换热网络 研究方法进行分析和对比。 本案例【5 3 】作为一个基本的换热网络设计问题，包含有3 股热流和2 股冷流，1 条加 热公用工程流股和i 条冷却公用工程流股。流股数据、物性数据与费用数据分别见表 2 i 、表2 2 和表2 3 。 表2 1 流股数据 一一一 流股 t t n ( ) t o u r ( 。c ) c p f f k w 。1 ) h ( k w m - 2 1 ) h 1 h 2 h 3 c 1 c 2 h u 1 5 9 7 7 2 2 8 50 1 2 6 7 3 4 3 2 6 11 8 3 0 0 8 0 9 0 1 2 7 2 6 5 2 9 9 2 0 4 5 3 8 9 3 3 1 9 6 1 0 0 4 o 5 0 ，0 1 0 5 0 0 5 c u2 0 6 0 0 2 表2 - 2 物性数据 流股p ( k g m 3 )c p ( j k g - 1 1 ) ( n s m 2 )姒w i l q 一1 ) 表2 3 费用数据 费用参数费用数据 换热器投资费用( $ ) 泵投资费用( $ ) 电单价( $ k w h ) 热公用费用( $ 瓜w y ) 冷公用费用( $ 瓜w y ) 使用年限( y ) 年利率 泵效率 操作时间( h y ) 10 0 0 0 + 5 0 0 a o 8 5 2 0 0 0 + 5 0 ( v a p ) o 6 8 0 0 5 8 0 2 0 5 o 7 0 8 0 0 0 2 7 第2 章考虑压降的换热网络研究 夹点方法对换热网络的综合分三个阶段：目标阶段，初始化阶段，调优阶段。本案 例只是利用夹点技术在目标阶段对考虑压降和不考虑压降两种情况下的网络设计目标 进行分析比较。 在目标阶段，以网络年总费用为目标，寻得网络的最小传热温差t m i n 、夹点温度、 最小公用工程目标、最小面积目标、最小单元数目标、网络年总费用目标。图2 4 和图 2 5 分别为不考虑压降和考虑压降情况下的最小传热温差t m i 。与费用的关系。从图中 可以得知，考虑压降后，网络的最小传热温差比不考虑压降时增大。不考虑压降的换热 网络最小传热温差t m i 。为1 6 3 。c ，考虑压降后为2 1 。c 。 黜3 ， 的 蓉2 搿 嘉1 舞 。 一0 图2 4 投资费用与操作费用权衡优化 图2 5 投资费用、操作费用和动力费用权衡优化 表2 4 为两种情况下各目标结果的对比。从表2 4 中可以看出，不考虑压降时的网 浙江工业大学硕士学位论文 络最小传热温差小，公用工程量也比较少，考虑压降后的最小传热温差增大，公用工程 用量也增多，操作费用增加。两种情况下的最小单元数相等。考虑压降后，换热面积有 所减小，投资费用减少。不考虑压降的动力费用消耗比考虑压降的大。考虑压降后，网 络总费用有所减少。不考虑压降的动力费用占到总费用的11 5 左右，考虑压降的动力 费用占到总费用的1 0 6 。 通过以上分析比较得出，由压降带来的动力费用在网络总费用中占相当一部分。换 热网络综合在考虑压降后使换热网络的换热设备投资费用减少，动力费用下降，网络总 费用也降低。这说明在换热网络综合过程中应该考虑压降问题。 表2 4 各