换热网络优化设计的研究进展.pdf
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能源工程$%$*$%收稿日期!
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董其伍!
&）*&%#男#浙江鄞县人#教授#博士生导师#主要从事传热装备及系统的模拟优化与综合方面的研究%换热网络优化设计的研究进展董其伍刘敏珊谢$伟!
郑州大学热能工程研究中心#河南郑州*#!
摘$要!
换热网络优化是化工生产中常遇到的一类问题#综述了换热网络优化设计的三种基本方法#分别指出了夹点技术$数学规划法和经济分析法的基本原理$应用领域$优缺点及其在国内外的发展状况#并对其作了展望#注重更接近于工程实际的考虑%关键词!
换热网络&优化&进展&动态特性中图分类号!
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L9$换热器广泛地应用在化学）电力）制药等许多行业中#生产实践中人们发现&虽然单个换热器的效率较高#但它进入一个大型换热网络之后换热效率有时并不理想%于是&）#年SJ=在美国化学工程师协会上首次提出了换热网络的最优化问题&（%化工生产中#一些物流需要加热#一些物流需要冷却#我们希望合理匹配物流#充分利用热物流去加热冷物流#尽可能地减少公用工程加热和冷却负荷#以提高系统的热回收能力和投资费用%换热网络的主要作用就是在各种条件允许的情况下#尽可能经济地回收所有过程物流的有效能量#以减少公用工程的耗能量%&）&年Q?
A696和Q=6通过进一步对!
多篇文献的论述#系统地回顾了基于热力学原理和启发式规则的综合方法以及基于数学规划法的综合方法3（%本文参考国内外的文献资料#对热力系统换热网络优化的方法进行概括总结#并对其发展方向作出展望%&$换热网络优化设计方法&+&$用夹点技术设计换热网络&）（年末#d:
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A;=978技术（%夹点技术以热力学为基础#从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布#从中发现系统用能的+瓶颈,#并给以解+瓶颈,的一种方法（%夹点技术把最大的能量回收和夹点温度通过最小温差联系起来#使换热网络优化在理论和工程设计中取得突破性进展#并已被广泛地应用于工业生产中%用夹点技术设计换热网络的基本思想是&从最大能量回收出发#建立一个初始网络#然后根据设备费用和能量费用的协调#对初始网络进行修!
研究与探讨万方数据%$+$%4Q4,WX4QWOQ44,OQW!
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正#从而得到一个最佳的换热网络结构%夹点位置的确定可以用%PC图法或问题表格法#SL=C和45%针对这一情况#&）年09?
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提出了伪夹点的概念和双温差法&（%伪夹点的设计和夹点的设计相似#不同之处在于允许伪夹点以下的网络传递静物流S#相应地#物流数与分支规则和热容都要进行修改#因此得到的网络往往比夹点法设计的简单%所谓双温差法就是采用两种温差#即网络热回收的传热温差!
S,20#以及!
划分温度段温差0O20!
换热器允许的最小传热温差4B20%代表方法有&伪夹点设计法）垂直BOb/运转模型等%另外还有三温差法#即在综合过程中采用三种温差#用S,20来决定网络的夹点位置和所需的公用工程用量#0O20确定各温度段的剩余热量和过夹点的最大能量值#并决定网络温度段的划分#4B20决定系统中换热器两股物流的最小温差%代表方法有BOQb/超结构模型等%夹点技术是换热网络综合调优的有效）实用的方法%与其他过程综合方法相比#夹点技术具有实用）简单）直观和灵活的特点%但对多流股问题#其初始化网络比较复杂#进一步调优时要考虑公用工程消耗量最低）单元数最少和面积最低网络#需要协调三者之间的关系#因此工作量较大%随着计算机的广泛应用#一些针对夹点技术的过程仿真软件也得到了不断发展%现在已经推出商品化的夹点技术应用软件#包括b?
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IIB=97技术公司#美国加州电力研究学院#弗吉尼亚大学等开发的用于夹点技术的原型专家系统&!
（%国内也有多家单位开发了类似的软件#如&清华大学开发的4-R/软件&3（#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%这些软件大大方便了工程师们对能量系统进行综合优化与设计%&+!
$用数学规划法设计换热网络随着计算机技术的发展#换热网络的研究出现了一个新的分支.数学规划法%该法是通过对换热网络建立数学模型#利用计算机求解数学模型#实现从众多可能的结构中选择最优结构的任务%数学规划法可用于解决具有大量变量和多种反馈的问题%从理论上说#如果问题的有关影响因素在数学模型中都予以考虑#那么它是最完美的方法%然而#即使是全部由换热器构成的网络#它的影响因素也非常多#关系非常复杂#比如&不同物性的物流在不同几何参数的管程或壳程中#它们的膜传热系数和压力降以及关联式差别很大$在不同的压力条件下#对于腐蚀性不同的物流#换热器的壁厚和材质也不同%如果我们把所有的影响因素全部考虑进来#网络模型就很难建立#结果根本无法求解#因而必须对数学模型进行!
研究与探讨万方数据!
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能源工程$%$/$%简化%为了使简化的数学模型与真实情况最为接近#后人在基本方法的基础之上作了很多改进#提出了不少更加有效的方法%最早是&）年#16569和/=9T69提出了线性规划!
b/分析法&*（$&）年WLA696和W9:
;=基于组合曲线之间的垂直传热能够提高驱动力而减少换热总面积的思想#提出了垂直BOb/模型&#（$W9:
;=等基于线性化分解方法#提出了超结构混合整数非线性规划!
BOQb/综合策略&（#该模型同时强调能量回收目标）换热器单元数及换热面积目标#并且允许划分网络时温差可以不同#这样就降低了网络结构的复杂性#可以进行各子系统的同步热集成联合优化%但这个模型也存在着很多问题#它的目标函数和约束条件中均存在着非凸的非线性项#使一些传统的BOQb/算法失效%大连理工大学的袁一）尹洪超等提出了改进的BOQb/转运模型&（#它不仅同时考虑网络设计的不同费用目标#而且在线性约束条件下消除了等温混合的不合理假设#只需求解一次BOQb/问题#就可得到包括分流情况在内的同步优化网络结果%但是混合整数非线性规划!
BOQb/存在许多计算上的困难#特别是对大型复杂的系统#更是一个十分突出的问题%W28C;6?
XL等人用遗传算法与模拟退火法相结合对大型的能量系统进行优化#也取得了良好的效果&）（%针对由于忽略工程因素而做出的各种假设和在网络结构不同时没有考虑匹配单元的优化等原因造成网络的最小接近温差的最优值偏离工程实际的真正最优解的情况#李志红等提出了人工智能和数学规划集成的方法#用于解决具有各种工艺条件限制的换热网络的最优合成设计!
（%上述优化方法中#体现了各种优化方法的互相结合利用#以取得最优的换热网络结构%&+3$基于经济目标优化换热网络不管是夹点技术法还是数学规划法#都是以热力学第一定律分析为基础来计算换热网络的能耗费#即是以冷）热公用工程的消耗量来求取耗能费用#而忽略了由于克服流体流动阻力而消耗的动力费用.流动损费%这实际上是不合理的#因为从分析的观点来看#能量在换热网络中的变化不是数量的增减#能量在数量上守恒#在换热网络中变化和消耗的只是输入能量中的#即可用能#正是由于的损耗推动了换热过程的进行%因此#应该以分析和经济学为基础来描述换热网络的能耗费及目标函数%&+3+&$分析的热力学定义为!
&（&以给定的环境为基准#理论上能够最大限度地转换为+可无限转换能量,的那部分能量%如果在转换过程中#这种+可无限转换能量,表现为向外界提供有用功时#则也可以把定义为&在除环境外无其他能源的条件下#当系统由任意状态可逆地变化到与给定的环境相平衡的状态时#能量最大限度地转换为有用功的那部分能量%分析是根据能量中的平衡关系#即热力学第一和第二定律#揭示出能量中的的转换）传递）利用和损失的情况#确定出该系统或装置的利用效率%换热网络的目标函数可以表示为热费）流动损费和设备投资之和!
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$经济分析经济分析通过热力学与经济学的相互交叉#以热力学第一）第二定律分析法为基础#将热力学原理与经济学的观点结合为一体#运用系统工程的思想研究用能过程的合理性）方案的可行性以及系统的最优性等问题#是热力学分析法取得实用化的有益的补充*（%&+3+3$环境随着社会的发展和经济技术条件的变化#能源紧缺）环境污染等问题日益突出%我国的过程工业在不断发展的同时#对环境也造成了严重污染%为了达到国家规定的污染物排放标准#需通过改变工艺流程）优化操作条件等#从源头上减少废物的生成量#或者增加废物治理单元#进行末端治理%这样就改变了原有的系统结构#造成了系统分析优化的困难%还可以作为描述偏离环境平衡态和驱动过程本质的重要指标#来度量环境效应和环境污染程度%同时考虑热力学）经济学和环境三个目标的能量系统环境经济学业已发展起来!
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$换热网络研究发展方向展望!
+&$考虑压降的换热网络综合换热网络综合已成为一个专门的课题#并且!
研究与探讨万方数据%$0$%4Q4,WX4QWOQ44,OQW!
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在理论和实践中都取得了重大突破%然而在大多数关于换热网络综合的文献中#一些重要的特征常常被忽略#比如压力降#从而导致换热网络在实际工业应用中得到的结论往往跟理论上有很大出入%这是由于目前大部分的网络综合技术是基于不变的膜传热系数假设#而具体的换热器设计要满足以下三个主要目标!
*（&,所需的热量传递能力$-管侧压降要低于最大允许值$.壳侧压降要低于最大允许值%因此#换热网络综合和细化设计不是基于同一标准#我们就不能保证在综合优化阶段假定的传热系数是否和设计阶段是一致的%关于这方面有少量相关的文献#比如/:
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*（等在&）年X66和W9:
;=提出的BOQb/转运模型的基础之上#在综合阶段把压力降对换热网络的影响考虑进来#因而此时换热网络综合是基于允许的压力降而非不变的膜传热系数%B=97:
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#（等将压力降方法和面积矩阵联系起来#同时为了克服由于不同的流动情况使目标面积和现存面积之间存在误差#提出了一个修正的+意大利面式换热网络,%a#然后在网络设计之前建立面积）公用工程和压降目标#根据%;?
设计网络结构#对其进行优化得到最优解%,=F=C=?
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（等提出了考虑压降）结垢的换热网络综合新方法#其基本思想是&首先根据夹点设计法设计换热网络结构#然后在对单个换热器进行具体详细的设计#在这个细化设计过程中考虑压降的影响#并通过改变换热器的类型来降低整个压力降损失%这种换热网络综合优化方法由于在目标函数中引进了压力降的限制#使得优化结果更接近于实际工业生产#所以有更深远的应用前景%!
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$换热网络的动态特性研究换热网络的研究目前已取得了很大进展#但是按照优化结果得到的换热器网络投入实际运行后#研究人员发现#由于外部载荷变化和系统调整#换热网络常常会受到瞬间扰动#造成实际运行参数偏离设计参数#使换热网络不能精确地工作在额定工况#造成换热网络的经济性下降%针对这种情况#1=G）b:
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研究与探讨万方数据换热网络优化设计的研究进展换热网络优化设计的研究进展作者：
董其伍，刘敏珊，谢伟，DONGQi-wu，LIUMin-shan，XIEWei作者单位：
郑州大学,热能工程研究中心,河南,郑州,450002刊名：
能源工程英文刊名：
ENERGYENGINEERING年，卷（期）：
2005，（6）引用次数：
1次参考文献（31条）参考文献（31条）1.张俊华.应启戛.黄为民换热器网络优化研究进展期刊论文-热能动力工程2000（87）2.肖云汉.朱明善.王补宣换热网络设计方法的研究进展1994（01）3.GundersenT.NaessLThesynthesisofcostoptimalheatexchangernetwork,anindustrialreviewofthestateoftheart19884.姚平经全过程系统能量优化综合19955.MubarakEbrahim.Al-KawariPinchtechnology:
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