大规模厂际热集成问题的分解与实现

发布时间：2020-03-31 20:38

【摘要】：随着节能减排的要求不断提高,节能工作所面临和处理的对象系统的规模也在不断扩大。业已成熟的夹点技术和随着计算机求解能力不断提高而持续发展的数学规划法为包括能量系统在内的过程系统的集成与优化提供了强有力的工具。对于厂际热集成问题来说,如何在厂内热集成之外提取参与厂际热集成的冷热物流、如何选取厂际热集成的具体实现方式、不同情形下厂际热集成的实现目标和求解模型,都是值得进一步研究的;另外,对于大规模厂际热集成问题来说,如何简化问题或将其分解以降低求解难度并同时使得厂际热集成方案切实可行,也是需要深入研究的问题。以往研究中三种提取参与厂际热集成冷热物流的方法各有优缺点,而冷热物流品位的高低实际上影响着厂际热回收潜力的大小。本研究提出了一个简单但有效的从各热源厂和热阱厂内提取参与厂际热集成冷热物流的新方法。相比于直接利用各厂现行换热网络中废热源/热阱,新方法提取出的可行热源/热阱的品位更高,同时也一样不需要改变现行的换热网络设计,这也避免了利用各厂总复合曲线进行分析以提取过剩热源/热阱时对换热网络复杂的改造或新设计。对于厂际热集成来说,大规模问题的求解难度较高,而且大规模的单个厂际热集成系统对其控制和安全来说也是一个巨大的挑战。以往的研究大多采用通过预先确定一些目标和相应的参数,再进行具体网络设计的分步式求解策略,或直接采用非常少的参与物流数目以减小大规模问题的求解难度。本研究提出了一套名称为“NLQSA”的筛选算法。该算法可以将一个大规模的厂际热集成问题分解成多个小规模的问题,分解得到的结果在等于或接近理论最大厂际能量回收目标的同时,大大降低了大规模问题的求解难度并使其最终方案更加切实可行。基于之前提出的求解策略和步骤,本研究也提出了一套相应的确定厂际热集成网络设计的分级超结构和数学模型。新模型是一套考虑了厂际间距离、管线、泵、换热器和多等级公用工程等多个方面的混合整数非线性规划模型,可直接求得总年度费用最小的厂际热集成网络设计。厂际连接方式实际上影响着厂际能量回收目标和网络总费用,不同的连接方式在网络稳定性和可靠性上的表现也不尽相同,而前人在该方面的研究还较少。本研究分析了并联式相比于其它连接方式的优势所在,并提出了一套完整的确定并联式厂际热集成的逻辑框架,以此同时确定间接厂际热集成在并联式下真实的最大厂际热回收潜力和相应最小的中间介质用量。
【图文】：

热集成,公用工程系统,全局

大范围的热集成手段[20]，也就是将原本分散在各个独立的厂之中的能量资源集起来，形成一个更大范围的能量利用网络。这一手段使得业已成熟的换热网络综和集成扩展到厂际之间，从而提供一套系统有效的进一步节约能量的策略。Dhole 和 Linnhof[19]首先提出了 TSHI 的概念，随后的研究中，TSHI 多是通现有的公用工程系统（多等级蒸汽）在不同的装置间传递能量[21]，如图 1.1 所示之后，这一研究被扩展到包含有可再生能源（例如太阳能[22-23]、地热[24]、生物质源[25]、风能[26]等），以及诸如来自居住或商业区内的其它能量系统[27]在内的一更大范围，这一扩展后的概念被称作“区域能量集成”（Locally Integrated EnerSector, LIES）[28]，，如图 1.2 所示。之后越来越多的研究通过其它中间介质（如水、导热油等）来实现能量在不同厂之间的传递，这一概念又被称作“热回收回路（Heat Recovery Loop, HRL）[29-30]，如图 1.3 所示。需要首先说明的是，本文只关注各厂的热量资源在厂际间的传递和利用，不及系统内其它能量资源的引入，我们将此称为“厂际热集成”（Interplant HeIntegration, IPHI）。

能量集成,区域,热回收,回路

图 1.2 区域能量集成[28]Fig. 1.2 Locally integrated energy sector图 1.3 热回收回路[30]Fig. 1.3 Heat recovery loop
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK17

【参考文献】