基于拓展超结构的功热交换网络同步综合研究

发布时间：2020-06-20 07:26

【摘要】：近几十年来,伴随着能源需求的增加、化石能源储备的快速枯竭、可回收能源的技术壁垒及对能源安全的担忧,能源问题日益引起人们关注。随着化工系统工程理论与过程集成技术的发展,目前换热网络(HEN)综合的研究对于热量回收、降低能耗已取得长足进步。然而在炼油厂加氢精制工艺、氨与甲醇合成工艺、液化天然气(LNG)净化与液化流程的低温工艺等流程中,流股压力变化会引起大量能耗,单一地使用膨胀机与压缩机无法有效回收过程的功量。若能在过程工业中考虑功集成甚至考虑功热同步集成,将有利于提高能源利用效率,进一步实现节能减排的目标。提高功、热系统中压力能和热量的回收效率均是提高能量利用率的有效方法,目前的研究多局限于分别综合功交换网络(WEN)和换热网络。然而从全局角度出发,功交换网络和换热网络存在耦合关系:热集成影响流股的压缩、膨胀过程;而功交换过程改变流股的换热匹配。因此本文开展了基于拓展超结构的功热交换网络同步综合的研究,提出了基于热力学分析和数学规划模型的功交换网络综合方法,以及功、热交换网络分步综合方法和流股匹配规则,揭示功、热交互作用机制,并在此基础上重点探索了功、热耦合同步集成的策略和方法。本论文主要研究内容及成果如下:(1)由于功交换器和换热器的操作模式存在较大差异,换热网络中的夹点分析法不能直接应用于功集成。为解决功交换网络综合问题,提出了等温做功和绝热做功条件下改进的热力学图解法,该方法基于压力指数-功量(μ-W)图得到以功阱压力为基准划分的各个压力间隔并构造功源、功阱组合曲线,在此基础上提出了改进的线性近似功阱辅助线和三条基于热力学的匹配规则用于寻求流股间的可行匹配,从而得到具有最大功回收量和最小功公用工程用量的最优功交换网络结构。采用文献中两个算例验证了该方法的有效性,本方法直观地明确功交换过程的能量回收瓶颈,实现了功源、功阱间的一一匹配和功交换网络结构设计。(2)鉴于图解法搜索可行匹配的过程繁琐,所要求的最小压力差偏大,无法保证最优匹配,为实现数学规划法在功交换网络综合中的有效应用,建立了拓展转运模型,并以功公用工程用量最小和功交换设备数最少为目标分步综合绝热做功过程的功交换网络。分别采用构造低压流股中间压力值的策略和合并相邻压力间隔的策略,并基于所提出的匹配规则及网络结构优化策略,用于自动搜索可行匹配得到初始的以及优化后的功交换网络结构,从而进一步减少功公用工程用量和功交换设备个数。基于此,提出了换热设备优化配置与功交换网络综合耦合的思想,以年度总费用最小为目标函数,依次采用直接引入换热设备、调整相邻功公用工程设备功量、压力上下限值逼近的策略,达到节省膨胀(压缩)机设备费用和加压、减压公用工程操作费用的目的。并深入探讨等熵效率对功交换网络综合与换热设备配置耦合过程的影响规律,可作为功热交换网络综合的基础。(3)为有效权衡功热集成过程中设备投资费用和操作费用,提出了一种功热交换网络分步综合的方法,依次进行功交换网络综合、流股冷热性质判定和换热网络综合。构建级内考虑功公用工程且有分流的拓展分级超结构进行绝热做功过程的网络综合,以年度总费用最小为目标函数得到混合整数非线性规划(MINLP)模型,求解得到最优的功交换网络结构;提出流股冷热性质的判定方法及功、热网络两个超结构的耦合策略,基于确定的换热匹配冷热流股数实现功热交换网络分步综合。针对温度与压力变化一致与不一致的不同操作工况,进一步探究功热集成顺序优化和流股冷热性质变化对整个系统经济性和网络结构的影响规律。并基于设备(?)损理论对所得的功热交换网络结构进行热力学分析,探讨功、热不同子网络之间的用能合理性,从而明确网络结构中能量损失与经济性最优目标之间的关系,进而为后续功热交换网络同步综合奠定理论基础。(4)在分步集成的基础上,提出了基于WEN与无区别HEN耦合拓扑超结构的功热交换网络同步综合方法,从全局角度进一步探索功、热两个子网络的整体最优化。提出了基于流股冷热性质识别与功交换、换热匹配优化相结合的同步综合策略,建立以功热交换网络年度总费用最小为目标的MINLP数学模型,实现包含预先指定高低压流股和流股冷热性质不确定的功热交换网络结构最优设计。在WEN超结构的进口处、级间和出口处同时考虑热集成,并对每一条潜在的换热流股优化选择末端冷却器和加热器。针对同步优化模型复杂、求解困难等问题,采用所提出的一系列热力学策略和确定性算法组合的方式简化模型及强化求解过程。对文献中的两个算例采用该方法进行功热同步集成的优化设计,证明所提出的同步综合策略能有效提高功热交换网络的能源效率和经济效益。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ083.4
【图文】：

煤炭,能源利用,核能,可再生能源

基于拓展超结构的功热交换网络同步综合研究逦逡逑能源利用形式主要有煤炭、石油、天然气、核能以及可再生能源等，其中现阶段煤逡逑是我国能源消耗结构中主要组成部分。近年来，随着油气田的开采和利用使我国能源逡逑费结构有所调整，煤炭比重有所下降。根据《ＢＰ世界能源统计年鉴２０１７》［１６］可知，逡逑０１６年天然气消耗增长量最快，达７．７％，而煤炭呈负增长（－１．６％）；在能源消耗结构逡逑，煤炭由２０１５年的６４％下降至６２％；可再生能源如太阳能、风能以及核能的消费量逡逑均有所提升，能源利用的结构正向清洁、高效、低碳方向转变，但与世界能源结构相逡逑，天然气消耗量仅占世界总消耗量的５．９４％，不符合灰色系统理论模型所预测的天然逡逑气需求量ｔ１７］，而煤炭消耗量占据５０．５８％。短期内，煤炭仍将为中国能源结构中的主要逡逑分。据国际能源署预计，未来３０年我国能源消耗总量将持续增长，预计２０４０年将达逡逑４８３４百万吨油当量，如图１．２所示［１８’１９］。逡逑Ｃｈｉｎｎ＇ｓ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋Ｃｈａｎｇｅ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋Ｎｅｘｔ邋３０邋Ｙｅａｒｓ逡逑

过程系统,换热网络,工业过程

从能量利用的角度来看，工业过程（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ邋Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）、换热网络（ＨＥＮ，Ｈｅａｔ逡逑Ｅｘｃｈａｎｇｅ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ）和公用工程系统（Ｕｔｉｌｉｔｙ邋Ｓｙｓｔｅｍ）是过程工业系统三个相互关联的逡逑重要组成部分，如图１．３所示［２４Ｕ换热网络作为连接工业过程中冷、热流股与公用工程逡逑进行能量交换的纽带，是增加能量热回收、降低整个系统能耗的关键ｆ２５，２６ｌ。此外，换热逡逑网络的优化设计还能够显著降低年度总费用，为企业创造更多的经济价值［２７＿２９】。换句话逡逑说，换热网络的优化在化工过程综合与集成技术中占有举足轻重的地位，是化学工业实逡逑现节能减排的重要方法，对于能量的回收和合理利用具有极为重要的现实意义，一直是逡逑该领域研宄的热点和重点内容之一。逡逑／４ｍ逡逑逦／＼丨＼邋…，逡逑原料／、工业过程逦＼副产品＿逡逑／＾／ｉ逦＾ｖ＼逡逑燃料邋／［逦＾逦逦逦＼逡逑公用工Ｓ逦换热》网络邋＼逡逑＾１一１■—！＼逡逑图１．邋３过程系统总览图逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ａｎ邋ｏｖｅｒａｌｌ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑热回收的优化设计对于解决能源的高效利用已被证明是可行的、有效的，然而系统逡逑在实际运行过程中对流股的温度和压力均有一定的要求，同时流股压力的变化会改变过逡逑程流股间的热集成

【参考文献】