基于性能模拟的换热网格优化方法研究

发布时间：2020-08-10 17:44

【摘要】：换热网络作为石油、化工等过程工业的子系统,担负着回收过程能量的重任,其性能直接影响着这些高耗能过程工业的经济性和高效性。由于建厂之时,工艺水平以及信息技术相对落后,能源转换效率低,现有换热网络具有巨大的节能潜力,亟待进行优化升级。尤其在能源与环境问题备受关注的今天,改造现有换热网络已成为提升过程工业领域能效、实现节能降耗的重要途径。为了尽可能地减少改造成本,尽可能多地回用原有换热器是改造现有换热网络最有效的方法。旧换热器回用的可行性和合理性,直接影响着改造决策的正确性和经济性。在回用旧换热器时,所需面积和旧换热器的实际面积必然不同,而目前的换热网络改造方法却忽略了所需面积和实际面积之间的偏差,将大于所需面积的原有换热器应用于改造后的网络,导致了改造后的换热网络性能发生改变,造成基于目前方法制定的改造方案无法满足工程应用要求。因此,本文提出了一种基于性能模拟的换热网络优化改造方法,围绕这一方法,开展了如下工作:1、首次将性能模拟加入到非等温混合分流分级超结构改造模型中,结合面积再分配策略对换热网络进行优化,消除了面积偏差对换热网络性能的不利影响。同时,基于性能模拟获得的温度分布和热负荷分布,计算了目标函数并评估了改造后的换热网络性能,从而保证了换热网络改造方案的可行性。2、以年度化改造收益为目标,建立了适用于换热网络改造的混合整数非线性规划(MINLP)模型,提出了系统的求解策略和方法,并采用遗传算法优化求解换热网络结构和具体参数,获得了改造收益最大的换热网络。3、基于MATLAB环境,借助于GUI平台,开发了具有换热网络优化改造功能的人机交互软件,并结合试运行案例介绍了软件的具体功能和操作流程。4、应用建立的换热网络模型以及提出的求解策略,对四个不同规模的换热网络实施了改造,均获得了可观的换热网络收益。通过换热器传热计算,验证了本文数据的合理性和可靠性;并与以往的研究结果相对比,验证了本文所提方法的有效性和优越性。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE65;TQ051.5
【图文】：

结构图,换热网络,构架图,软件系统

即优化求解得到的最优解。基于 MATLAB 的换热网络优化软件设计MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是一款功能强大、应业数学软件。由于其具有编程语言简单、数据处理能力强、编程环境友好、能完备等优点，被广泛应用于数据可视化、数据分析、数值计算、以及各种的开发与实现。其中，图形用户界面（Graphical User Interfaces，GUI）功能单，允许用户进行数据的输入、输出，可以实现人机交互，满足客户的操作者可通过图形用户界面开发环境（GUIDE）方便快速地设计出符合要求的图。为了实现本文所提出的基于性能模拟的换热网络优化方法，本文基于 Matlab 了计算机程序编制与界面开发。本软件系统主要包括数据输入、数据处理、图形输出四大模块，如图 3-5 所示。窗口输入

界面图,软件,界面,换热网络优化

浙江工业大学硕士学位论文（学术型）本文开发的换热网络优化改造软件可用于换热网络优化改造，其操作界面如图 3-6所示。主要由参数输入窗口（Parameter）、现有换热器数据读入窗口（Existing HeatExchanger）、物流数据读入窗口（Streams Data）、结果数据输出窗口（Results with MaximalARP），以及一系列的功能按钮组成，软件操作步骤、界面参数说明、变量含义和功能按钮的使用方法等均可通过点击工具栏中的“Illustration”，查看说明文本。

示意图,系统数据,示意图,进度条

图 3-7 系统数据输入示意图（2）数据处理数据处理是基于数据输入，通过运行程序，实现换热网络优化改造的过程。在设置完运算参数、现有换热器数据、物流数据等原有换热网络参数和运行参数之后，可通过“Mode”模块选择单核或者多核并行运算，然后点击“Retrofit”按钮，软件将会进入程序运行阶段，通过建立的遗传算法程序优化改造现有换热网络。当选择单核运算时，软件会显示运算进度条，便于实时掌握计算进度，如图 3-8 所示，当运行结束后，进度条会自行关闭。由于目前 MATLAB 并行运算不支持进度条的显示，无法实时观测运行进度，因此，当选择并行运算进行初始参数设置时，需要注意参数设置的合理性，以确保能够在合适的时间获得优化结果。

【参考文献】