基于拓展超结构的功集成换热网络综合
发布时间：2022-01-12 01:51
随着全球能源匮乏、能耗加剧,节约能源的重要性日益突显。在整个社会生产过程中,过程工业能耗占比较大,其中功和热是化学工业中广泛使用的两种重要能量形式。由于热量、功量、温度、压力之间存在复杂的交互作用关系,即流股压力的改变会导致温度变化,同时流股温度的改变亦会引起压缩/膨胀功量的变化,因此研究功热交换网络的协同作用对于提高过程整体能效具有至关重要的意义。针对目前化工过程中换热网络结构单一、忽视压力操作对换热匹配的影响等问题,本文开展了基于拓展超结构的功集成换热网络综合研究,着重分析只有压缩或者膨胀的单一压力操作过程与换热网络设计的同步综合。本论文的主要研究内容有:（1）针对压缩过程与换热网络耦合问题,提出了一种冷流股分支流股上同时考虑换热器和压缩机的拓展分级超结构,建立了混合整数非线性规划模型,模型中分支流股为等压、非等温混合。压缩可能导致流股冷热性质的改变,通过优化选择预冷器、末端公用工程加热器/冷却器以满足目标温度要求。分别以?耗和年度总费用最小为目标优化网络结构,揭示了压缩机的优化配置与换热网络用能瓶颈之间的交互作用机制,并在此基础上完成了多目标分析。通过算例分析证明了提出的拓展超结...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氮气的布雷顿循环
图1.1氮气的布雷顿循环上述文献基于热力学分析探讨了压缩机、膨胀机优化配置与换热网络用能瓶颈的耦合关系,但仍存在较多问题。冷流股经压缩后温度升高可能表现为热流股,同理,热流股经膨胀温度降低可能表现为冷流股,但上述并未充分考虑压缩/膨胀过程中流股冷热性质的可能变化。文献只考虑一条冷/热流股需进行压力操作,但在实际工艺流程中可能存在多条流股需进行压力操作,具有很强的局限性。另外,文中将低温HEN与常温HEN分开考虑,在低温HEN中,流股的最高温度低于环境温度,则热公用工程可由常温空气、水代替,所以忽略热公用工程;同理,常温HEN中忽略冷公用工程,即只考虑一种公用工程。虽然在热力学上具有一定的可行性,但未考虑网络结构的经济性评价。
基于上述压力操作路径,Wechsung等[53]建立MINLP模型,构建了如图1.3所示的超结构,采用状态空间法将夹点分析、?分析和数学规划相结合,优化低温环境下包含压缩和膨胀过程的换热网络。通过调节过程流股的压力,减小换热过程的不可逆性,从而降低能耗。为权衡设备投资和操作费用,Onishi等[54,55]进一步以年度总费用最小为目标,建立了包含流股压力操作的HEN同步综合的优化模型。该模型中流股的温度和压力均为优化变量,并考虑将压缩和膨胀过程耦合(即耦合连接涡轮机和压缩机)。当涡轮机产生的功大于压缩机所需要的功时,考虑用阀门代替部分涡轮机,因为阀门本身的设备费用与涡轮机相比可忽略,但使用阀门会增加系统的冷公用工程用量。因此,为有效权衡设备费用和公用工程费用,基于经济评价优化选择涡轮机或阀门。随后,进一步将该优化模型拓展以解决现有HEN的改造问题[56],通过调节流股压力、优化传热面积、换热设备数目,增强热集成,从而减少昂贵的冷公用工程用量,尤其在低温工艺中其改造意义更大。基于Onishi的研究,Pav?o[57]提出了一种拓展的超结构,其中流股可多次通过特定的HEN分级超结构,并且在每次通过之间,都可以进行压力操作;并通过改进用于HEN综合的元启发式求解方法,用以处理与功热交换网络(Work-Heat Exchange Network,WHEN)设计问题相关的新变量。之后,Onishi等人[58]从另一个角度出发,提出了一种考虑热集成的功交换网络综合优化模型,证明了热集成对于显着提高功交换网络(Work Exchange Network,WEN)能效、降低设备和操作成本具有决定性意义。2016年,Huang等[59]考虑间接式功交换网络与换热网络同步综合,提出了一种由两个子网络组成的用于功热交换网络综合的多级超结构,其中一个子网络专门用于热集成,另一个子网络用于功集成,如图1.4所示,其中WEN超结构如图1.5所示,考虑使用SSTC(Single-Shaft-Turbine-Compressor)功交换器、单一的压缩机、膨胀机、阀门对压力能进行回收。该研究针对多流股压力变化及末端加热器/冷却器优化选择方面进行了改进,以年度总费用(total annual cost,TAC)最小为目标建立MINLP模型,得到最优的WHEN结构。此外,针对直接式功交换网络与热集成的耦合,由于直接式功交换存在复杂的压力约束以及温度与压力间的非线性关系,庄钰等[60]基于改进的转运模型提出功热分步集成的思想,先以公用工程用量最小为目标函数,建立非线性规划模型,基于所提出的匹配规则和优化策略得到最优的功交换网络结构;然后在最优的功交换网络结构中引入换热设备,并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率、压力上下限值逼近的策略,达到节省膨胀(压缩)机设备费用和功公用工程操作费用的目标。
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑管壳式换热器传热强化的换热网络综合研究进展[J]. 肖武,史朝霞,姜晓滨,李祥村,吴雪梅,贺高红,罗立. 化工进展. 2018(04)
[2]BP世界能源展望:中国煤炭消费2013年已经达峰,碳排放可望2025年达峰[J]. E-Small Data. 新能源经贸观察. 2018(03)
[3]基于转运模型的功交换网络综合[J]. 庄钰,刘琳琳,李继龙,樊婕,滕佳志,都健. 化工进展. 2015(04)
[4]考虑经济性的功量交换网络的最优匹配[J]. 冯霄,陈慧. 清华大学学报(自然科学版). 2012(03)
[5]考虑效率的功交换网络问题表格法[J]. 周华,刘桂莲,冯霄. 化工学报. 2011(06)
[6]换热网络的新设计方法──三温差法的应用研究[J]. 王莉,姚平经,袁一. 化学工程. 1995(01)
硕士论文
[1]基于改进超结构的换热网络优化改造[D]. 俞杭生.浙江工业大学 2017
[2]基于转运模型的功交换网络综合[D]. 庄钰.大连理工大学 2015
本文编号：3583868
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氮气的布雷顿循环
图1.1氮气的布雷顿循环上述文献基于热力学分析探讨了压缩机、膨胀机优化配置与换热网络用能瓶颈的耦合关系,但仍存在较多问题。冷流股经压缩后温度升高可能表现为热流股,同理,热流股经膨胀温度降低可能表现为冷流股,但上述并未充分考虑压缩/膨胀过程中流股冷热性质的可能变化。文献只考虑一条冷/热流股需进行压力操作,但在实际工艺流程中可能存在多条流股需进行压力操作,具有很强的局限性。另外,文中将低温HEN与常温HEN分开考虑,在低温HEN中,流股的最高温度低于环境温度,则热公用工程可由常温空气、水代替,所以忽略热公用工程;同理,常温HEN中忽略冷公用工程,即只考虑一种公用工程。虽然在热力学上具有一定的可行性,但未考虑网络结构的经济性评价。
基于上述压力操作路径,Wechsung等[53]建立MINLP模型,构建了如图1.3所示的超结构,采用状态空间法将夹点分析、?分析和数学规划相结合,优化低温环境下包含压缩和膨胀过程的换热网络。通过调节过程流股的压力,减小换热过程的不可逆性,从而降低能耗。为权衡设备投资和操作费用,Onishi等[54,55]进一步以年度总费用最小为目标,建立了包含流股压力操作的HEN同步综合的优化模型。该模型中流股的温度和压力均为优化变量,并考虑将压缩和膨胀过程耦合(即耦合连接涡轮机和压缩机)。当涡轮机产生的功大于压缩机所需要的功时,考虑用阀门代替部分涡轮机,因为阀门本身的设备费用与涡轮机相比可忽略,但使用阀门会增加系统的冷公用工程用量。因此,为有效权衡设备费用和公用工程费用,基于经济评价优化选择涡轮机或阀门。随后,进一步将该优化模型拓展以解决现有HEN的改造问题[56],通过调节流股压力、优化传热面积、换热设备数目,增强热集成,从而减少昂贵的冷公用工程用量,尤其在低温工艺中其改造意义更大。基于Onishi的研究,Pav?o[57]提出了一种拓展的超结构,其中流股可多次通过特定的HEN分级超结构,并且在每次通过之间,都可以进行压力操作;并通过改进用于HEN综合的元启发式求解方法,用以处理与功热交换网络(Work-Heat Exchange Network,WHEN)设计问题相关的新变量。之后,Onishi等人[58]从另一个角度出发,提出了一种考虑热集成的功交换网络综合优化模型,证明了热集成对于显着提高功交换网络(Work Exchange Network,WEN)能效、降低设备和操作成本具有决定性意义。2016年,Huang等[59]考虑间接式功交换网络与换热网络同步综合,提出了一种由两个子网络组成的用于功热交换网络综合的多级超结构,其中一个子网络专门用于热集成,另一个子网络用于功集成,如图1.4所示,其中WEN超结构如图1.5所示,考虑使用SSTC(Single-Shaft-Turbine-Compressor)功交换器、单一的压缩机、膨胀机、阀门对压力能进行回收。该研究针对多流股压力变化及末端加热器/冷却器优化选择方面进行了改进,以年度总费用(total annual cost,TAC)最小为目标建立MINLP模型,得到最优的WHEN结构。此外,针对直接式功交换网络与热集成的耦合,由于直接式功交换存在复杂的压力约束以及温度与压力间的非线性关系,庄钰等[60]基于改进的转运模型提出功热分步集成的思想,先以公用工程用量最小为目标函数,建立非线性规划模型,基于所提出的匹配规则和优化策略得到最优的功交换网络结构;然后在最优的功交换网络结构中引入换热设备,并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率、压力上下限值逼近的策略,达到节省膨胀(压缩)机设备费用和功公用工程操作费用的目标。
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑管壳式换热器传热强化的换热网络综合研究进展[J]. 肖武,史朝霞,姜晓滨,李祥村,吴雪梅,贺高红,罗立. 化工进展. 2018(04)
[2]BP世界能源展望:中国煤炭消费2013年已经达峰,碳排放可望2025年达峰[J]. E-Small Data. 新能源经贸观察. 2018(03)
[3]基于转运模型的功交换网络综合[J]. 庄钰,刘琳琳,李继龙,樊婕,滕佳志,都健. 化工进展. 2015(04)
[4]考虑经济性的功量交换网络的最优匹配[J]. 冯霄,陈慧. 清华大学学报(自然科学版). 2012(03)
[5]考虑效率的功交换网络问题表格法[J]. 周华,刘桂莲,冯霄. 化工学报. 2011(06)
[6]换热网络的新设计方法──三温差法的应用研究[J]. 王莉,姚平经,袁一. 化学工程. 1995(01)
硕士论文
[1]基于改进超结构的换热网络优化改造[D]. 俞杭生.浙江工业大学 2017
[2]基于转运模型的功交换网络综合[D]. 庄钰.大连理工大学 2015
本文编号：3583868
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