13减压蒸馏装置中换热网络的模拟优化

1、常减压蒸馏装置中换热网络的模拟优化研究SIMULATION AND OPTIMIZATION OF HEATEXCHANGER NETWORK IN ATMOSPHERICAND VACUUM DISTILLATION UNITS滨工业大学2015 年 6 月国内图书国际图书号：TE09号：621.8学校代码：10213密 级：公开工学常减压蒸馏装置中换热网络的模拟优化研究研究 生：导师：教授副导师：讲师申请学位： 工学学科： 化工过程机械所在： 能源科学与期： 2015 年 7 月答辩日授予学位：滨工业大学Classified Index: TE09U.D.C: 621.8Dissertat

2、ion for the Master Degree in EngineeringSIMULATION AND OPTIMIZATION OF HEATEXCHANGER NETWORK IN ATMOSPHERICAND VACUUM DISTILLATION UNITSCandidate： Supervisor： Vice Supervisor：Academic Degree Applied for： Speciality：Affiliation：Liu YaoProf.Wang Qingchao Cai PengMaster of Engineering Chemical Process

3、EquipmentSchool of Energy Science and EngineeringJuly, 2015Harbin Institute of TechnologyDate of Defence：Degree-Conferring-Institution：滨工业大学工学摘要21 世纪，能源问题已成我国，甚至全世界所的严峻。其中，作为不可再生的能源：煤、石油以及天然气的贮备量愈加减少，消耗量却在不断增加。仅 2014 年一年，我国的原油消费量就高达五亿多吨，总产量仅为耗量的五分之二左右。另外，由于我国长期以来粗放型的增长模式，使得整个石化行业的能耗量巨大。在原油的炼制过程中，常减压

4、蒸馏作为原油的第一道工艺，决定着原油品质的高低，其装置用能约占整个炼厂的四分之一。因此，常减压蒸馏装置的工艺水平对与企业的节能降耗、效益的增长有重要意义。目前，我国的炼化工业越来越注重装置的基础设计与优化改造。这一现模拟并对状，本文拟使用 Aspen plus 模拟对常减压蒸馏装置的工艺流其换热网络加以优化设计，以此来实现化工过程全局用能优化。本次课题以惠州炼化常减压装置为研究对象。作为世界上第一座集中高含酸重质海洋油的炼厂，惠州炼化具备许多石化企业所没有的装置特点与工艺特点。另外，该炼厂的原油量为 1200 万吨/年，巨大的量使得实际生产中的常减压装置操作繁多，连接复杂。在建模前期，通过绘制

5、其工艺原则图对实际流plus 模拟适当的规划与调整，增加模拟计算的准确性。在模拟过程中，利用 Aspen根据原油性质、设计规定进行模拟参数的设定以选用适当的物性BK10，收敛算法 WEGSTEIN，建立常减压蒸馏装置的操作模型。分别输入相应的工艺参数，对整个常减压工艺流模拟。随后，提取出参与换热过程的工艺流股和公用工程流股的温度、流量、热量等操作数据，利用 Aspen pinch 模块对其换热网络进行模拟。确的夹点温度，热回收量以及公用工程耗量。另外，为了验证所取夹点温差的正确性，取Tmin 为多个温度值，分别计算换热网络在该传热温差下的夹点温度以及公用工程耗量。绘制换热网络的栅格图，通过夹点

6、计算可得实际换热终温与理论值有一定差距，从而该换热网络具有一定的改造潜力。根据夹点技术对换热系统的优化理论，提出改造方案：将换热网络分为油、原油以及油三个换热段，对其中夹点理论、改造潜力的流程段重新规划设计，确立新的换热流程。计算得改造后换热网络的换热终温得以提高，且装置的气用量减少，系统的能量回收率提高。从而，改造具有一定效果，并可对实际操作产生指导作用。：常减压蒸馏；换热网络；夹点技术；Aspen plus；优化综合I滨工业大学工学AbstractIn the 21st century, energy problem has become a serious challenge toand

7、even the whole world. Among them, coal, oil, gas - as the non-renewable energy, theamount of their reserve is becofewer and fewer, however, their consumption hascontinued to increase. Only in the year 2014,s consumption of crude oil was ashigh as 519 million tons, but our countrys total production w

8、as only 211 million tons.Moreover,has developed with the extensive mode of economic growth for solong a time, which makes a huge energy consumption throughout the petrochemical industry. During the refining process of crude oil, as its first technological process- atmospheric and vacuum crude distil

9、lation, it determines the level of quality of the oil production. However, it takes about a quarter of the whole energy amount for a refinery. As it can be seen, the level of technology and energy consumption of the atmospheric and vacuum crude distillation unit has an important impact on energycons

10、ervation and optimization as well as economic improvement for the enterprise。At present,s refining industry has increasingly focused on basic devicedesign and optimization. In response to this situation, author of this paper intends to use the Aspen plus process simulation software to simulate the c

11、hemical process of atmospheric and vacuum distillation unit and its heat exchanger network in order to redesign the system and achieve global energy optimization.Huizhou refinerys atmospheric and vacuum distillation unit has been chosen as the simulation object in this paper.As the first refinery ce

12、ntralized processes high acid heavy marine oil in the world, Huizhou refinery has many characteristics in their device and technology that many petrochemical companies do not have. In addition, the refinerys crude oil processingcapacity is 12 million tons / year, a huge amount of which makes the act

13、ual operatingunits too many and complex when connected with each other. Before ming, bydrawing its process principle diagram to modify and redesign part of actual process, so that the accuracy of simulation calculations can be guaranteed. During the simulation, according to the crude nature of the d

14、esign requirements, set simulation parameters inthe Aspen plus simulation software. Then choose the proper physical methods BK10and convergence algorithm WEGSTEIN to establish operational mIIof atmospheric滨工业大学工学and vacuum distillation unit. At last, input the appropriate parameters respectively to

15、get the entire process simulation.Followed by that, extracting the data of all the process streams and utilities stream involved in heat transfer process, then use Aspen pinch software simulate its heat exchanger network. Calculate pinch temperature, amount of heat recovery and utility consumption w

16、ithin the system. Furthermore, in order to verify the correctness of the pinch temperature, choose ten different temperature for Tmin and calculate the pinch value and minimum utility consumption of the heat exchanger network respectively inorder to determine whether the simulation of heat exchanger

17、 network is correct or not.By drawing heat exchanger networkter image and pinch temperature calculation,it can be seen that the actual final heat exchanger temperature is a little lower than the theoretical value, so the network has some certain potential for improvement. According to the pinch theo

18、ry: setting a cooling utility upon pinch area or locating a heating utility blow it as well as exchanging heat through it, all this can multiplied increase the systems utility consumption. On the basis of pinch theory, an improved plan is proposed, which is to divide the heat exchanger network into

19、three part of heat transfer zone : before desalination zone、after desalination zone and after flash distillation tower zone. Then, redesign the processes that violates the theory and has potential to be modified and establish new heat flows. After calculation, it can be found that the final heat-exc

20、hanging temperature is increased and the fuel gas consumption of devices is reduced, so the new heat exchanger network can increase the rate of energy recovery in the system. Thus, the transformation plan dose havesome certain effect on energy saving and can be a guidance on practical produce.Keywor

21、ds:atmospheric and vacuum distillation, heat exchanger network, pinchtechnology, Aspen plus, integrated optimizationIII滨工业大学工学目录摘要IAbstractII第 1 章 绪论11.11.2课题的背景及研究意义1化工流程模拟及其国内外研究进展21.2.1 稳态化工流程模拟31.2.2 化工流程模拟国内外研究进展3换热网络的优化综合与国内外研究进展4常减压蒸馏装置的节能技术6本文的主要研究内容7换热网络的优化综合91.31.41.5第 2 章2.12.2. 9换热网络的优化综

22、合夹点技术法102.2.12.2.22.2.3夹点分析的基本原理10夹点设计准则15利用夹点技术法对换热网络的设计调优162.32.4第 3 章3.13.2相关优化简介17本章小结18常减压蒸馏工艺流程的模拟19原油的常减压蒸馏工艺流程19模拟项目简介213.2.1 装置特点213.2.2 工艺特点22流程模拟前期的准备工作243.33.3.13.3.23.3.3基础数据的选取24典型的塔模型27模块及简介283.4常减压蒸馏工艺流程的模拟303.4.1 常减压蒸馏工艺流程的规划与调整30IV滨工业大学工学3.4.2 单元模块及的选取303.4.3 流程的模拟31本章小结35换热网络的模拟及能

23、耗分析37对现行换热网络的分析373.5第 4 章4.14.1.14.1.24.1.3油换热分析37原油换热分析38油换热分析394.24.34.44.5第 5 章5.1流股数据的提取39夹点温度的计算41不同传热温差下换热网络的能耗分析46本章小结48换热网络的优化设计49换热网络的用能. 495.1.15.1.25.1.3油换热流程调整51原油换热流程调整53油换热流程调整565.25.35.45.5工程改造建议58更换59预期改造效果60本章小结60结论61参考文献63及使用说明67滨工业大学性致谢68V滨工业大学工学第1章 绪论1.1课题的背景及研究意义近些年来，能源的消耗量的增加使得

24、各种资源急剧短缺。这严重影响并制约着的发展以及的平衡。其中，作为一种不可再生资源-石油，在全球范围内的剩余量越来越少，但它在世界中所发挥的作用却越来越重要。在我国，石油的消费量随着发展水平的提高不断攀升，其供需问题已成为日益突出的。2013 年，我国原油年产量约两亿吨，消费量却接近五亿吨。2014 年，我国的原油消费量之二1。五亿吨，累计净进口量约为三亿吨左右，对外依存度接近三分由于我国长期以来粗放型的增长模式，导致整个石化行业的生产过程能耗、物耗量巨大。，近些年来能源成本的持续上涨，严重制约了石化企业发展，使得该领域正想方设法地进行各种技术上的改进以降低能源消耗，节约运营成本。就目前来看，虽

25、然石油炼制生产技术的发展水平在不断提升，但从整个炼油工业的角度来看，大多数装置的原油换热终温未能达到行业内设计要求水准。从而，对常减压蒸馏工艺进行改造、提高能量回收率对于炼油企业的节能降耗至关重要。本课题中所选择的研究对象为中海油炼化责任惠州炼油分公司，该炼厂集中高含酸重质海洋油，它的规模为 1200 万吨/年。该炼厂中的主要的生产装置：常减压蒸馏、延迟焦化、加氢裂化元以及连续重整等 16 套操作单元。除此之外，配有相应的成品油码头、大型储罐、污水处理装置等公用工程设施2。常减压蒸馏为原油生产的第一道工艺，常减压蒸馏工艺准确对油品的质量有很大影响。在惠州炼化中，由于其常减压蒸馏装置处理量巨大（

26、1200 万吨/年），从而涉及带的投资费用与操作费用也十分庞大。另外，常减压蒸馏装置约为全厂总能耗的十分之一甚至置能耗水平的高低直接，是整个炼厂的耗能最大的操作单元。由于常减压装到整个企业的能耗水平和运行水平，因此在保证收率和质量的前提下，降低耗量、提高换热率将对整个常减压蒸馏装置节能降耗起到重要作用。在常减压蒸馏操作过程中，有一部分物流需要被加热，而另一部分物流需要-1-滨工业大学工学被冷却，从而，多条流股将会在装置内通过换热进行热量的匹配，形成完整的换热系统。由于这样工艺的特点，每个常减压蒸馏装置都拥有一套庞大而复杂的换热网络用于能量回收，该换热网络设计的优劣在装置的节能降耗方面起到关键的

27、作用。因此，通过合理匹配冷热流股，设计最优的换热网络对于升装置的节能水平、炼厂的效益意义深远。1.2 化工流程模拟及其国内外研究进展的发展离不开化工行业的发展，而在生产过程中，如何对其操作工艺与单元进行改进以提高工作效率、节约能源是我们所关心的主要问题。通常，在一个化工过程中，因为某些实际因素我们无法直接得到系统内部的具体情况情况，从而需要对整个流模拟以获取所需。作为化工过程系统中最基本的技术，无论是对系统内部情况详细分析还是优化工艺过程或是对系统的综合设计都离不开化工流程模拟技术。对流程的模拟即就是根据化工过程中的工艺操作，建立一个能够准确描述流程中所有的模型并采用相关算法对该模型求解，从而

28、获得所需3。它是由化工原理、工程热力学、传热学以及系统工程学等多学科体系综合发展而来的产物。随着化工流程模拟的研发以及模拟中准确度和复杂性的提升，目前数学模型的建立与求解通常是利用计算机完成。对于任何一个化工流程模拟系统，均可将其分为四部分：模型、算法、与用户接口，具体结构如图 1-1 所示。通过化工流程模拟技术对操作工艺进行改进、提高生产效率；节约能源，有效地防治污染并且降低了工厂的投资费用和运营成本。问题结果图 1-1 化工流程模拟系统结构图-2-用户接口软件算法模型滨工业大学工学1.2.1稳态化工流程模拟稳态流程模拟是指根据工艺的特点，在与实际相差不大的基础上，将部分工艺操作参数理想化为

29、不随时间改变的态化工流程模拟技术主的应用相对较，对整个化工过模拟。目前，稳，主要集中在以下几个方面4：（1）工艺流程再现：利用相关计算机模拟及相关工艺操作参数的输入，可对现行化工过，通过建立运行装置的模型以模拟，实现生产流程的复现；（2）优化生产过程：通过对现行装置的工艺流程模拟，利用相关模块分析计算其工艺操作参数、流股数据等，找到工艺过程的的不足之处，进行优化改造。可利用多套不同方案的流程模拟间的比较，从中优选出最佳设计方案，确定生产工艺路线；（3）对新型化工过程开发与技术可行性分析：通常情况下，新型工艺的研发与推广需要大量的试验与实际性操作，这将会耗费一定的时间和人力。另外，由于工艺准确性

30、无法得以保证，操作中稍有不慎还可能造成一定的危害。通过稳态模拟技术来代替中间试验，可在新型工艺条件下进行流程模型，装置调优以及过程剖析，从中探索得到最佳操作工况，以及利益收率情况的预估。这不仅提高了工作效率，又可降低生产成本。（4）对生产过程的性分析与评估：通过流程模拟中的相关模块设定适当的目标函数与约束条件，跟据计算结果对系统的费用，能量费用的投资比率以及总的收率做一预估；（5）集成的综合应用；将流程模拟与其它工程集成用于化工工艺流程的优化设计。目前已得到普遍推广应用的流程模拟技术主要是流程的稳态模拟。工程项目中所使用的模拟技术或是基于计算机进行设计、操作的流程模拟均为稳态的，所以在后续章节

31、中将其简化成化工流程模拟，即是指稳态的流程模拟。1.2.2化工流程模拟国内外研究进展化学工业的发展，过程学科的精细化，使得人们对化工过程、工艺流程、单元操作等的认识不断深化。在此基础上，“化工流程模拟”这一概念应运而生。随后，在计算机技术的迅速发展下，于上世纪后半叶时期化工流程模拟开始研发，这使得解决流程模拟时所采用的一些数值计算件而实现5。可以通过使用计算机软国外对于化工流程模拟的研究始于 20 世纪 50 年代中后期，并相继推出了各-3-滨工业大学工学种流程模拟。50 年代，世界上第一款流程模拟程序“Flexible Floweet”由美国 Kellogg 公司率先推出，其主要应用于对系统

32、中单个操作的流程模拟。60年代，休斯顿大学开发出“CHESS”通用性化工流程模拟系统。70 年代中后期，麻省理工大学与能源部合作研发了新一代化工流程模拟系统“Aspen”6，此时的化工模拟已经开始由着眼于单个转向对整体装置的工艺模拟、计算。发展至 80 年代，化工过程模拟的技术日益成熟，功能也愈加完善。在这个时Simsci 模拟公司研发的大型通公司推出第二代化工流程模拟系统段里，一大批优秀的模拟相继突出，如：用性流程模拟“Pro/II”，Aspen Tech“Aspen Plus”。90 年代中后期，新型的交互式模拟系统“Hysys”由公司推出“Htfs”、Hyprotech 公司Aspen

33、Tech开发并得以推广应用。随后，“Aspen One”，它在模拟计算方面有较大改进。该公司的“Hysy”、“Aspen Plus”等各大成为目前的主流模拟。与此同时，另一种完全不同的化工流程模拟技术也得以问世，即以神经元网络（ANN）为理论基础并将其应用于流程模拟中的人工智能，目前仍处于理论阶段。国外对于流程模拟的研究以及相关模拟的广工作主要由专门的化工模拟公司进行，而非像过去的分散在各大学院及炼化公司。其模拟计算的精确度、可靠性大大提升，应用范围也已经从单纯的稳态计算开始向工业使用愈加方便，功能愈益丰富7,8。装置“在线化”模拟方向发展，在我国，尽管对于化工流程模拟的研究起步相对较晚，但仍

34、取得了一定的成果。其中，比较著名的有：上世纪 80 年代后期，青岛化工大学自行研制了“ECSS”通用模拟9，这是国内到目前为止唯一一款广并得以应用的化工流程模拟；90 年代，化工大学对于动态模拟转向仿反应器的研发，并在该人为非定态反应模拟技术方面取得了一定的成果之后将其应用于燕山烟机件模拟平台上；石油化工研发再生流程模拟系统“CCSOS”，随后将其应用于催化裂化反应装置的模拟中。与国外相比，当前我国流程模拟软件及模拟力量主要集中在相关院校、石化企业和各大化工研究所，应用还不十分普及，平均水准也未达到国际先进水平10。1.3 换热网络的优化综合与国内外研究进展在石油的生产过程中，着部分物流需要得

35、加热，如：进入脱盐罐前的原油、进入常压塔的油等；而又着一部分物流需要加以冷却，如：常压塔、减压塔产出的测线油品等，这些冷、热物流流经换热器，并在其中进行合理的热负荷匹配所形成交换系统，即为装置的换热网络。由于工艺和节能的需要，-4-滨工业大学工学工艺流程中总着如何确定冷、热物流间换热匹配使能量的回收率升到，公用工程耗量降至最低的最优设计问题。换热网络的优化综合即就是为解决这样的问题产生的。换热网络的优化是指对在整个换热过程的模拟中，对不合理的换热段加以改进，使得系统的能耗量减至最小的；换热网络的综合是指在满足工艺要求的前提下，降低投资费用与能量费用，并且使得整个换热网络具有较好可控性和较高的准

36、确度11。1944 年，TeiiBroeck12首次在其文献中提到有关换热网络的优化设计问题；1965 年，Hwa13分析了换热网络优化综合所需具备的基本要素，随后阐述了提出在系统分析中的重要性；1969 年，Masso 和 RuddtiG14两人对这一理论了性的概念做出了较为严格的定义，并开始探索换热网络的优化，认为应当对换热匹配设定适当的约束性条件。虽然并未得到准确的可行方式，但为之后有关，Hohmann15与他的合作者提出在对换热换热网络设计优化奠定了基础。网络优化设计之前，应对系统进行热力学分析，确内的冷、热工艺流股数以及参与换热的公用工程物流，以此为依据构建换热网络，而非仅仅进行单纯

37、的数学计算，从理论上确定换热过程能耗量。随后，B.Linnhoff16提出了关于确定换热网络夹点温度的最小能耗设计法，该将换热网络的优化分为两个步骤依次求解：首先，确定工艺过程中可回收的最大换热量以及系统所需最小公用工程耗量；其次，在能量回收率一定的前提条件下，调整换热流程，优化热量分配，将操作装置中的换热数目降至最低，这一概念被定义为夹点理论。夹点理论的出现使得换热网络的研究有了性的进展，具有重要的指导性价值。80 年代后期，Grossmann17提出了将换热网络转化为带有多变量约束数学模型 MINLP 的数学规划法.这两种思想成为了换热网络优化综合中的两大主流设计法，一直被沿用至今。随后，

38、不断有学者分别对这两种进行了专门的综述和分析，使得数学规划法与夹点设计法不断加以完善。在我国，换热网络的优化综合在节能技术中也占有非常重要的位置，换热网络综合设计与优化的研究相对更集中在各大教授、肖云汉教授18等人在此高校内。其中，比较著名的有：方面做了大量的研究；大连理工大学的的经教授19分别在夹点技术和数学规划这两种中所的缺点提出了一系列的可行性改进措施，如：建立三温差 MILP 转运模型及其设计优化等；华南理工大学的华贲20教授将人工智能法与数学规划法有机地结合起来，建立了大规模的网络超结构模型，从而对于换热网络中的弹性与收敛的问题做出了详细解答。-5-滨工业大学工学目前,换热网络的研究

39、主要集于两个方面：新型换热系统的设计与原有换热流程的改造。其应用范围也已从原来的石化能源动力行业。由于换热系统容易受到流域拓展至制冷、热电联产等其他以及操作上各种变化的干扰，导致模拟结果失真。因此，目前的换热网络正朝着智能模拟的方向发展，以适应各种变工况操作环境下模拟，的性与准确性。1.4 常减压蒸馏装置的节能技术节能是指通过加强用能管理，采用现有技术基础上可以实现的，投入产出经济合理的并能够减少对环境污染的措施，减少能源消耗量。在化工过程系统中，以系统的合理用能为指导思想，把整个装置集为一个有机的整体，提高能源的回收率,实现利润的最大化。由于石化行业的能耗量巨大，从而，节能技术在该领域内的应

40、用就显得意义非凡。对于炼油工艺中的常减压蒸馏装置的节能发展大致经历了三个阶段的发展:第一阶段是对常减压蒸馏装置中余热的回收,所采用节能措施只是考虑单个操作单元的余热流，并未将整个热回收系统纳入考虑范围内；第二阶段是对整体系统中某特定操作单元工艺上的优化；第三阶段也就是目前的阶段，通过将整个过程系统集优21。为一个有机整体来考虑，对系统内进行节能优化，使整体设计达到最目前，我国炼油厂中常减压蒸馏装置中主要的节能技术可以归纳为三类22。第一类是通过改进操作过程以降低系统的能耗，如：采用新型工艺、技术，优化总流程；使用新型的催化剂等，其在于减少利用环节的过程火用损耗，使可用能能被地回收利用。第二类是

41、对操作单元间进、出物料的重置的与热联合。例如：原油蒸馏装置被分成了两个甚至的塔，重新配置成一个热联合过程。这些塔都是热耦合的，热联合原油蒸馏装置被设计为一个多效分馏过程，或者为了节能修改了塔的进料条件23。尽管这些技术的应用会减少加热炉的负荷，但是只有一部分热被回收，而且还要靠燃烧来供应大量的额外的热量。第三类是利用夹点技术或数学归纳法对于常见减压蒸馏装置换热网络的优化。在石油炼化过程中，着多股冷、热物料，这些流股通过换热进行热交换所的庞大而繁杂的换热系统，即为装置的换热网络24。当若系统内部的热回收量不足够时，则需要补充外部公用工程，以确保换热网络的正常运行。所以，作能量回收利用中的一个重要

42、部分，换热系统设计得越合理，优化越到位，能源利用率就越高，从而企业生产成本也就不断降低。-6-滨工业大学工学1.5 本文的主要研究内容量为 1200 万吨/年的中海油惠州炼化常减压装置为研究本课题是以原油对象，对其常减压工艺流个方面的研究工作：（1）换热网络优化模拟以及换热网络优的化综合，具体将做以下几的学习：对换热网络的概念及其优化：试探法、夹点技术法、数学规范法与人工智法分别进行了解。之后，对于本次模拟中所使用的基于热力学定律的夹点技术法进行细致的学习。对夹点分析中所涉到、问题表格、设计准则以及对换热网络的基本调优方式均加以研究，对为后续章节打好扎实的理论基础；（2）常减压蒸馏工艺的学习：

43、通过绘制常减压工艺流程图，对典型三段汽化：闪蒸塔-常压塔-减压塔的原油炼制工艺流程加以学习。通过对本次模拟炼厂的原油性质参数与侧线相关数据的提取、实沸点蒸馏曲线和原则流程图的绘制，对该炼厂的原油装置特点加以学习。（3）常减压蒸馏装置工艺流程的模拟：工艺特点、运用 Aspen plus 流程模拟对原油的常减压蒸馏工艺流模拟。在对，选取相应的实际流程加以适当简化与调整的基础上，运用 Aspen plus 模拟物性热、收敛算法与模型模块，分别建立其闪蒸塔、常压塔、减压塔、换等各个操作单元的模型。进而，根据原油性质、设计规定进行模拟参数的设定，建立整个装置的工艺流程。将各个操作模块的模拟结果与实际标对

44、比，以确定流程模拟的正确性；进行（4）换热网络的建立及用能将现行的换热网络分为；油、原油以及油三个换热段对其换热流程加以分析。提取出过程系统中所有参与换热过程的工艺流股以及公用工程流体匹配换热流股的基础数据：进初始温度、目标温度、质量流率、比热容比等。运用 Aspen pinch 建立系统的原始换热网络，通过冷、热流股的组合曲线图以及问题表格获取夹点温度、热回收量以及公用工程耗量等数据。通过选取不同的最优换热温差Tmin 绘制换热网络，以确定该夹点温差取值的正确性。（5）换热网络的综合优化设计；通过绘制换热网络的栅格图，寻找夹点理论进行换热的流股。以此为基础， 分析系统目前的能量利用问题并确定

45、其是否具有可改造潜力。以此为为优化目标，提出相关改造方案。将换热网络分为油、原油以及油三个换热段，-7-滨工业大学工学对其中夹点理论、改造潜力的流程段重新规划设计，并对改造后可提升的效益进行简单计算。本文中，各章节的逻辑结构如图 1-2 所示。第三章：常减压蒸馏装置的流程模拟第一章：绪论理论基础，统领全文第四章：换热网络的建立及用能第五章：换热网络的综合优化设计图 1-2各章节逻辑-8-结论第二章：Aspen plus 流程模拟简介；换热网络优化综合滨工业大学工学第2章 换热网络的优化综合2.1换热网络的优化综合对于换热网络的优化综合所使用的主要可以分为四类:试探法、数学规划法、夹点技术法和人

46、工智能算法，其简述分别如下：（1）试探法；试探法也称启发式经验规则法或直观推断调优法。该能得到最优解，其精确度不高。实际问题中，可在此的调优方试用来有效地可加快系统的调优速度，需通过多次调试才有可的基础上采用一些其他了其调整方向的正确性，25。是工程设计中常常采用到的（2）数学规划法；数学规划是指通过系统工艺流程的分析与简化，建立研究对象数学模型，继而选择目标函数计算求解，并在可行解范围内得到一个最优匹配的。通常，在实际建模过程中，通常要对数学模型进行一些可以合理的约束。在数学计算中， 将该问题称作混合整数非线性规划问题(MINLP)，可依据如下函数式（1-1）加以计算：minZ= f (x,

47、y)s.t h(x, y) 0g(x, y) 0x X , y Y（1-1）式中， f (x, y) 为目标函数，通常可设置的总费用函数等，x工艺流程中的连续变量，如温度、等操作参数， y结构的离散变量，通常是0-1。X 表示所有可能的 x 的集合。通过求解模型可得到换热网络结构的优化结果。数学规划法具有较强的数学理论基础，但对于复杂的大规模工业系统，由于其变量的非线性，目标函数及约束方程非连续、不可微性，数学规划法目前尚未对此类问题形成有效的求解算法26。（3）夹点技术法；夹点设计是依据热力学定律，对研究系统中违背传热原理的流程重新进行设计修改得到初始换热网络的。该的关键点是要先确定夹点温度

48、，以夹点温度将换热网络分为两部分分别进行冷热流股的合理匹配，不允有许通过夹点换热的流程，以此来设计具有最大热量回收的网络。-9-滨工业大学工学（4）人工智能法；人工智能算法是一门通过模拟人的感觉和思维过程设计出可作出类似人类反应的智能化机器的科学。人工智能法中最为重要的式就是遗传算法，该算法的理论基础是遗传理论和生物进化论。在自然界中，生物以 “适者生存，优胜劣汰”的方式不断进化，而遗传算法就是将自然选择与自然遗传原则相结合而提出的一种并行性随机搜索的优化算法。通过收集现有，利用遗传算子选，将人工智能法应用择出一组更搜索点以实现特定目标下的迭代优化。于换热网络的优化综合虽然是极具潜力的创新性想

49、法，但目前该阶段，适用范围窄。仍属于起步2.2 夹点技术法夹点技术法是一种以热力学为基础，利用和问题表格对换热网络逐步。对该技术的研究始于上世纪后期：1978 年 Linnhoff 和Flower27首先优化的指出了加点的。随后，Umeda28提出了优化换热网络的工具：复合曲线（T-H）图；1983 年，Linnhoff 和 HindMarsh29对换热网络综合的夹点分析做了比较详细的论述，奠定了夹点设计法的理论基础。正是由于这一理念，利用夹点技术的换热网络优化综合得以迅速发展。国内也有不少学者对该项技术进行了深入的研究，如：华贲30、31等人提出在不考虑有效能损失情况下求取最优夹点温差 Tm

50、inopt 的问题，并进行了深度研究，提出改进方案。夹点分析的基础是热力学定律，它是从宏观的角度将整个换热系统作为一个有机整体来分析其用能状况，综合了换热网络中各个环节所涉及到的有因素，如：沿的投资、流程的合理、操作过程的可控性等。调优的首要目的是使能量合理的，降低公用工程损耗，能量的回收增至最大；其次，在能量回的前提下，尽可能降低投资费用，增大利润值32。目前，夹点收率基本保持技术法已成为过程工业中最使用的优化设计，在扩颈改造、节能降耗、降低投资等方面均取得了显著的成效，成为世界性工程设计标准。2.2.1 夹点分析的基本原理（1）(T-H 图)；(T-H 图)能够准确直观地描述出过换热网络中

51、各个环节工艺流股的热中，纵轴表示温度 T；横轴表示焓值 H，任一流量随温度变化的特性。在股可由一条线段在图中表示，如图 2-1 所示。-10-滨工业大学工学图 2-1 物流在上的标识假设某条冷流股在加热的过程中，其热容流率 CP1（流股的质量流量与热容的乘积）为一，当该流股从Ts 升至终温 TT 时所需要的总热量 Q 可依据公式（2-1）计算得出：TT CQ =d = C (T - T ) =H（2-1）P1 tP1TSTS从等式中可以看出，流股所需热量的数值大小为该流股在这段温度区间内的焓值差，从图中标识即为线段首尾两点投影在横坐标上的距离，如图 2-2 所示。图 2-2 物流在上的热量标识

52、TT - TS= DT1CP1=有：（2-2）DHDH即图中冷物流线段的斜率为 1/CP。从图 2-3 上观察可得，在中物流线段任意的水平移动影响该物流的温度与焓值的变化。-11-滨工业大学工学图 2-3 一股冷物流在上的标识（2）组合曲线；若所需表示的冷、热流股数目较多，可在中将物流进行合并，即把所需多股热物流组合绘制成一条热复合曲线；将多股冷物流绘制复合曲线，从33如下（绘制过程如而便可形图 2-4 所示）：、热流股的组合曲线。具体的绘制的1）把所有的冷、热流股按其-焓图上。每条流股与焓差绘制在同一可沿水平方向移动，但必须保证它们在横轴 H 轴上的投影（即焓值差）不能有重叠区域；2） 沿每

53、一条流股的初始温度和重点温度分别画水平线，确定温度区间的边界，从低到高分别表示为 Ti，i=1,2n，将整个温度区域分割成了一系列连续的温度区间；3） 将每个温度区间内部所有冷、热物流的焓差值相叠加，并在相应的温度区间内重新画出焓值相加后的流股线段，最后将各线段首尾连接即可得到冷、热流股组合曲线。-12-滨工业大学工学图 2-4 组合曲线的绘制过程（3）夹点的确定；夹点的确定有两种分别为组合曲线法和问题表，1）组合曲线法；分别将所有冷、热物流集合形成的组合曲线绘制在上，两曲线中间交叠部分投影在横轴 H 上的距离即过两物流间换热可回收的能量。在热组合曲线下端，缺少冷物流，不能换热的部分需要采用一定的外部公用工程加以冷却； 而在冷组合曲线顶上端超出的部分表示在这个温度区间内缺少热物流将其加热到目标温度，需采用一定量的外部热公用工程。图 2-5 组合曲线及夹点位置-13-滨工业大学工学通过