换热器网络的两种最优综合方法的比较
责任编辑：chineselng 浏览：2654次 时间： 2008-04-05 21:21:36
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摘要:王艳王亚朱瑞林(湘潭大学机械学院)摘要:大型化工生产网络中，由于换热器台数较多，因而热量分配、物流匹配、最少换热器台数的确定等较困难。本文就这几个方面对换热器网络优化中的狭点法和结构优化法进行分析比较。关键词:换热器网络优化1概述换热器是能量系统中使用..
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王艳 王亚朱 瑞林 (湘潭大学机械学院) 摘要:大型化工生产网络中，由于换热器台数较多，因而热量分配、物流匹配、最少换热器台数的确定等较困难。本文就这几个方面对换热器网络优化中的狭点法和结构优化法进行分析比较。 关键词:换热器 网络 优化 1 概述 换热器是能量系统中使用最广泛的单元设备之一，在大型化工生产过程中，如何对其网络进行最优设计，成为目前人们普遍关注的问题。早在70年代，许多研究者就对换热器网络的最优综合问题进行了深人的研究，提出了不少综合方法，其中以热熔图算法、根据温一烩图综合的换热器网络、狭点设计法及转运模型的结构优化法最具代表性。 换热器网络的最优化综合就是确定出这样的换热器网络，使它具有最少的设备(换热器，加热器，冷却器)投资费和操作(公用设施物流等)费用，并满足把每一个过程的物流由初始温度达到指定的目标温度。本文将对换热器网络的最优综合的狭点设计法及转运模型的结构优化法进行分析比较。 2 两种优化方法的基本思路 2.1 狭 点设计法 狭点设计法是利用换热器网络的温度狭点限制换热器网络可能达到的最大热回收量。它根据对具体问题进行问题表格法找出其狭点，确定出换热器网络中的最小公用设施加热物流和最小公用设施冷却物流及初步确定出每个子区间上的最小热负荷，通过狭点的限制进行物流的匹配，从而确定出换热器网络中的最少换热器台数，达到对该网络的最优化设计。 2. 2 转 运模型的结构优化法 转运模型的结构优化法是用较小规模的线性规则方法解出换热器网络所需的最小公用设施费用。此方法的关键在于建立一个转运模型通过约束条件的限制求出最小的公用设施物流的费用，继而进行物流匹配，得出最少的换热器设备数目。 3 两种优化方法的比较 与热熔图算法和根据温一烩图对换热器网络进行最优化综合的方法比较，狭点设计法和用转运模型的结构优化法更趋向于进行物流股数多、热容流率相近的网络设计。而在进行网络优化的过程中，主要是对热负荷的计算、冷热物流的匹配原则、最少的换热器个数的计算进行考虑。 3. 1 热 量的计算 狭点法在对换热器网络的热负荷优化过程中，主要通过问题表格法，对各温度区间内的热负荷进行衡算，求出最小的公用设施费用。但用 狭 点法求网络的最优热负荷分配时，存在网络的温度狭点的初步估算问题，因而求出的狭点有可能并不是最终的温度狭点，而必须根据最小温差进行温度狭点的优化。这势必 增加设计计算过程的复杂性，尤其在温差不大、温度区间众多的情况下，狭点温度一旦计算错误，将影响后面的冷热物流间的匹配。 结构优化法也是进行热量的衡算，它主要通过对各温度区间求热负荷，找出温度狭点，但此方法在求温度狭点时，是利用目标函数和每一温度区间的约束条件而进行的川，即  因而在计算过程中省略了对温度狭点的预估计，使结果更趋向于准确，简化了计算过程。但同时由于约束条件的限制，在计算初始，求出相应的约束条件就成为此方法的关键所在。 但狭点法可进行手算，而结构优化法只适合计算机编程算法。 3.2 冷 热物流的匹配 对冷热物流进行匹配，进而确定出所需换热器的个数，求出整个网络的费用，是进行换热器网络优化的最终目标。 在大型化工生产过程中，冷热物流间的热容流率有时存在很大差异，给物流匹配带来极大的麻烦。 在狭点法中，冷热物流的匹配必须遵循以下的原则: (1) 对于狭点下方，热物流(包括其分支物流)数目NF;要大于或等于冷物流(包括分支物流)数目N}，即而对狭点下方则正好相反。  (2) 对于狭点上方，每一狭点匹配中热物流(或其分支)的热容流率CIA,要小于或等于冷物流(或其分支)的热容流率C,，即  而狭点下方则正好相反。 根据这一原则，可保证狭点匹配中的传热温差不小于允许的△界nl、。但根据此原则进行匹配时，如何进行物流的热容流率的分配成为关键。将大流率的物流分配成与另一物流流率相近是目前广泛使用的，但这有时也会造成热容流率分配的不准确，加大回路断开的复杂性.即使运用计算机程序进行回路断开，也难以避免这一问题。因为索引矩阵的复杂，难以满足热量分配过程和最小温差.1T._、的限制，回路断开后仍需进行最小温差的检验。 而用结构优化法进行物流匹配的过程中.不存在热容流率的分配问题，只须考虑物流间匹配换热有无限制的情况。在没有限制的情况下，根据式(1)进行热量衡算，确定设置换热器的种类。而在有限制的情况下。则根据  进行热量衡算，确定换热器的种类。 此方法不需要进行最小温差的核算，但由于存在热物流匹配的限制，在进一步减少公用设施物流的费用时，需要改变工艺物流的流量和温度，且此步骤要与整个化工生产过程系统的综合利用同时求解。 因此 ，从物流匹配的角度分析，如果物流的热容流率相近或冷热物流股数相当时，采用狭点法进行匹配，可减少计算量;而当冷热物流的热容流率相差较大，且通过狭点计算法求出的热量分配存在很大差异时用结构优化法，通过约束条件的限制，可求出整个网络的最优解。 3. 3 选择最少换热器设备数 物流匹配完成后，并不意味着最少换热设备数已确定。因为从节能的角度分析，如果一台换热器的热交换量相对于其它换热器的热交换量很小时，将其合并会更有利于整个网络的优化。因而，如何断开换热回路，使其达到最优，这是继物流匹配后的另一优化问题。 在狭点法中，根据U=N十I,- S 可具体地确定出整个网络所需的换热器台数。因而，一旦确定好了回路数，就定出了换热器的台数，从而完成了整个换热器网络经济费用的计算。而结构优化法需确定出系统中存在的(U,一1)个狭点(剩余热量为零)，然后将原来的k个温度间隔分割成N，个子网络。用混合一整数转运模型确定具有最少换热设备数的网络结构.  从上面可知，在运用结构优化法计算最少设备数时。需要考虑的因素远多于狭点法。 4 结论 狭点法和结构优化法就其热量分配和物流匹配方面来说，结构优化法更方便、简捷。但就最少换热器的确定方面，狭点法能更好地进行优化。因此，在大型化工生产过程中，将狭点法与转运模型结构优化法相结合，用结构优化法的模型方程进行热量分配和物流匹配，再结合狭点法的确定换热器个数的方程，进一步求证优化结果，对于节能、环保等将起到良好的效果。   参考文献 1.姚平经.郑轩荣.换热器系统的模拟、优化与综合.北京:化学工业出版社.1992. 2.吴双应等.换热器性能的州经济评价.热能动力上程.1999.6(11):437^-440 |
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