基于面积再分配和遗传算法的换热网络改造

在过程工业中,现存的许多换热网络由于结构和工艺的不合理,存在较大的能量回收潜力,使得许多换热网络有改造的需要。本文结合了分级超结构模型和换热器再分配策略,并对现有换热器再分配策略做了进一步改进,充分利用现有换热器,而当再利用现有换热器时,对比新增面积费用和新增换热器费用的大小,选择较小的方案,使相同的改造效果下的投资费用最小化。基于分级超结构模型,建立了换热网络优化改造的MINLP数学模型,充分考虑改造后节省的公用工程、原有换热器增加面积的投资费用、新增换热器的投资费用;基于遗传算法求解得到优化改造的换热网络。案例研究表明,改造所得到的换热网络与原换热网络相比,公用工程费用的降幅超过60%,改造收益为1.49×10~7$/a;年度总费用为1.290×10~7$/a,比相关文献低31.2%和9.2%,公用工程费用也比文献节省了42.4%和17.0%,实现了更优的改造效果。     

换热网络的柔性识别及基于旁路调节的运行优化

从研究换热网络的运行特性和调节特性出发,引入灵敏度理论,建立了基于灵敏度评价指标的柔性识别方法,获得了换热网络的柔性特性和柔性区间。通过柔性分析捕获换热网络中的敏感流体,并将旁路调节应用在此类敏感流体的调节控制,建立了换热器及其网络的旁路调节方法。实例应用表明:针对频繁扰动或对运行性能影响严重的流体设置旁路,抑制了流体扰动作用的传递,保证了换热网络中绝大多数流体出口参数的稳定,在公用工程费用不变的基础上显著地减少了公用工程的数目,优化换热网络结构的同时实现了运行优化。     

基于遗传/模拟退火算法考虑压降的换热网络优化改造

工艺系统中需要加入新物流、现存的换热网络结构需要改动、换热网络有较大的能量回收潜力,这些都是换热网络需要进行改造的原因.本文基于非等温混合分级超结构,建立了换热网络优化改造的MINLP数学模型,同时考虑了改造后的公用工程费用、新增换热器的费用、原有换热器新增面积的费用、新增动力设备的费用.将用于换热网络综合的分级超结构模型进行了简要的改进,增加了一些和现存设备相关的限制条件和二元变量.通过对现存换热网络进行分析,充分的利用原有的换热设备和换热网络结构,基于GA/SA算法求解可 得到优化改造的换热网络结构.实际算例的计算结果和文献结果对比表明,本文得到的改造方案用较少的投 资,实现了较多的公用工程节省,新增设备费用的静态投资回收期为0.53年,为换热网络改造提供了好的可行方案.     

数据驱动的固定拓扑结构换热网络优化改造方法

获得经济可行的换热网络改造方案目前仍然是一个巨大的难题。传统的改造方法严重依赖拓扑修改,这往往会增加改造时间和投资成本。因此,本文将围绕固定拓扑结构的换热网络改造展开研究,提出了一种基于数据驱动的高效改造方法。该方法通过建立性能模拟模型,模拟计算换热器在不同性能参数时的公用消耗与温度分布,以此获取大量的驱动换热网络改造的数据。然后通过BP神经网络预测模型与遗传算法,求解得到以最大节能量为目标的改造方案。案例研究表明,改造后的换热网络可以通过较小的投资获得较大的节能效益,与文献相比,单位费用节能量提高了51.4%;与同为固定拓扑结构的灵敏度分析相比,可以快速地获得经验规则法无法获得的改造方案,验证了改造方法的经济实用性与高效性。     

利用余热回收多能互补技术的原油蒸馏装置热集成系统的优化改造

针对换热网络（HEN）的优化改造,提出了一种利用公用热量实现多能互补理念的改造思路,通过充分利用热过程物流中的低温余热,完成热集成系统的优化改造。本文基于参考点非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅲ）,通过综合评估集成废热回收（WHR）系统的换热网络的年度改造费用、年度改造收益、能耗（包含换热网络的冷/热公用工程和废热系统冷却水和电力消耗）和废热系统的有益产出,从而获得最优解决方案。对原油蒸馏系统（10H5C）的优化改造研究案例表明,通过权衡集成系统的能源消耗、WHR系统的产出、改造费用和改造收益4个目标,采用NSGA-Ⅲ算法求解获得了多维度的改造方案,相较于基础网络不仅有可以为用户最大节省22.9%能源消耗的改造方案,还有WHR系统最大输出为4.003×10⁴kW的解决方案,也有最小改造费用为1.848×10⁶USD/a的改造方案,还有最大改造收益和最大投资回报率分别为1.173×10⁷USD/a和121%的解决方案;最后通过比较集成WHR系统与单独HEN优化改造的性能,证明了集成WHR系统的实用性和可行性,以及余热回收多能互补技术对提高流程工业能量集成系统能量利用效率的重要作用。     

考虑生产排序的间歇过程换热网络综合与优化

间歇过程换热网络综合是化工系统工程研究的重要部分,设计时需要考虑时间、设备、生产排序等多方面因素,具有一定的复杂性。本文围绕多批次间歇过程的直接换热问题,考虑生产排序的影响,采用覆盖操作和非覆盖操作,通过调整批间隔增加流股直接换热的可能性,减少设备闲置,得到3种不同的生产方案;针对每一个生产方案,采用启发式方法综合得到初始换热网络,并对该网络进行结构调优,提出渐进调优规则,在公用工程费用和设备费用间作权衡,减少换热器个数和流股分流,得到年度总费用最低且换热设备个数较少的换热网络,使其更符合实际应用;将3种生产方案对比,可以发现生产排序对换热网络的影响。最后将所提方法应用于实际算例,验证所提方法的可行性。     

使用板式换热器优化常减压蒸馏装置换热网络

阐述了使用窄点技术对常减压蒸馏装置换热网络优化设计时,通过在换热网络窄点附近使用板式换热器代替传统的管壳式换热器,以减小窄点处最小温差,提高换热终温,降低冷、热公用工程用量,降低冷换设备投资。该方法很好地解决了过去对常减压蒸馏装置换热网络优化设计时,减小换热网络窄点处的最小接近温差必须增大换热网络换热面积,增加换热器设备投资之间的矛盾,是优化换热网络设计的一种新思路。应用该方法成功优化设计某国内大型常减压蒸馏装置的换热网络,提高了原油换热终温,减少了燃料和循环水用量,降低了换热器一次性投资,减小了装置占地面积,装置投产后经济效益显著。     

基于实际热负荷分布的换热网络优化改造

采用非等温混合分流分级超结构,建立了基于实际热负荷分布的换热网络改造模型,以由改造费用和运行费用组成的年度化总成本为目标,并采用遗传算法进行求解。改造费用涉及现有换热器增加换热面积、配置新换热器、重新布置管道以及移动现有换热设备所产生的费用,充分考虑了原有换热网络经改造后结构的变化所引起的改造成本。在回用原有换热设备后,根据设备实际面积来计算换热网络的热负荷分布和温度分布,即基于实际热负荷分布对换热网络进行改造。案例研究表明,改造后的换热网络结构具有良好的节能效益,合理地再利用了原网络中的旧换热设备,并以较少的改造成本实现了较高的能量回收,投资回报期仅为0.43年,验证了所提改造方法的有效性和实用性。     

最小年度化费用换热网络综合的匹配规则研究

本文在分析换热器投资费用的基础上，指出在进行换热网络综合时应以壳程数作为一个综合目标，并通过与公用工程费用的权衡得到年度化费用的换热网络，提出了基于最小壳程数的换热网络综合方法的匹配规则，指出了为获得最小壳程数，冷热流股进行匹配的最大可能交叉程度以及流股间进行匹配的顺序，并提出了不可行匹配的基本准则，通过实例分析得到较好的效果。     

考虑工况变迁和兼顾运行的换热网络优化设计

基于固定工况设计的换热网络无法保证变工况下的运行性能,以换热网络的运行优化和动态设计为出发点,提出了换热器旁路调节的方法,结合Grossmann的换热网络分级超结构模型,建立了换热网络旁路调节的数学模型和求解策略。利用蒙特卡罗随机技术和最速下降法混合优化策略获得了最佳旁路开度,保证了工况迁移时换热网络的运行性能。实例应用表明:旁路调节大大增加了换热网络的柔性,降低了运行费用。合理调整旁路开度可使得换热网络的运行始终处在较优状态,获得显著的经济效益。     

考虑关键换热器备用的原油预热系统清垢周期优化

原油结垢是原油预热过程面临的一个严峻问题,它使换热器的传热系数降低,影响正常的生产过程。应对原油预热过程的结垢问题最普遍的方法就是对换热器进行周期清洁,并优化清洁周期。许多结垢严重的行业都采用换热器备用的方式来减少因换热器离线造成的热回收减小,但原油预热系统尚未考虑,因而进一步考虑了关键换热器的备用来进行原油预热系统清垢周期优化。首先选取关键换热器,再通过模拟退火算法进行清洁周期优化。应用所提出的方法对简化的原油预热系统进行了清垢周期优化,结果显示,考虑换热器备用时所得到的清垢周期经济效益更好。     

换热器结垢与换热网络裕量设计方法研究进展

从结垢现象影响换热系统正常运行的角度出发,介绍了近几年换热网络裕量设计以及针对结垢问题不同学者研究出的换热网络优化设计。总结了在换热网络设计中对换热器清洗时序、清洗周期优化或者增加换热网络的裕量设计的不同换热网络设计最优方法,但这些方法都是在换热网络设计之初,考虑换热器结垢最严重的情况即换热网络在“最差”工况下进行的优化,因此优化得到的换热网络难以保证换热网络全运行周期的持续节能优化。本文结合现有换热网络设计方法的利弊,针对结垢过程的慢时变、持续特点,提出一种基于长周期持续节能的换热网络设计优化方法,在换热网络设计之初,定量分析结垢对网络结构的影响,以换热网络全周期累积总费用为目标函数,实现换热网络的最优综合。     

用于管壳式原油换热器在线清洗小球的性能研究

管壳式原油换热器在石化工业中有广泛应用,在换热器管内结垢会增大热阻,影响换热,经济性变差,因此,需要对换热器进行清洗。研究用于管壳式原油换热器在线清洗的小球,将不同材质和不同形状的9种小球分别放置在240℃原油的高压反应釜内,进行连续搅拌72 h,之后采用数码显微镜进行表观分析以及采用电子万能试验机进行拉伸强度和伸长率测试,结果表明:氟橡胶和氢化丁腈橡胶的实心球均表现出较好的拉伸强度和伸长率,可用于高温原油换热器。     

Constrained thermohydraulic optimization of the flow rate distribution in crude preheat trains

Crude preheat trains are heat exchanger networks which heat the crude oil stream in the petroleum distillation using hot product streams and pumparounds. The final heating step is executed in a furnace. The thermal efficiency of this process is strongly dependent on the crude preheat train performance, and, during the refinery operation, the heat load of the exchangers may decrease due to fouling. Associated to the reduction of the thermal effectiveness of the heat exchangers, fouling also causes an increase of the flow resistances along the thermal equipment. A potential approach to mitigate this problem is based on the optimization of the distribution of the flow rates in the crude preheat train for maximizing the final crude temperature. In this context, this paper presents a constrained nonlinear programming formulation for this task. The equality constraints encompass mass, energy and mechanical energy balances and heat exchanger equations for describing the thermal and hydraulic behavior of the system. The performance of the proposed approach is explored using two examples, a simple network and a crude preheat train based on a real Brazilian refinery.     

基于Kalman滤波的换热器非线性状态参数校正

炼化工艺系统中换热网络数据的准确提取将直接影响到集成优化方案和优化控制的性能。针对换热器非线性状态参数的数据校正,构建了换热器分段线性集总参数传热过程模型,有效地解决了换热器流股物性非线性变化所引起的非线性状态空间方程求解的问题;提出了分段线性的Kalman滤波状态空间方程建立和换热器状态参数校正方法,并通过蜡油加氢装置反应流出物高压换热器工业实例阐述了所提出方法的实现过程和效果。研究表明：换热器分段线性集总参数模型中分段数对Kalman滤波的计算收敛性具有重要影响,随着分段数的增大,换热器状态参数收敛于固定值,分段数需根据计算精度通过试差确定。本文方法可对换热器非线性状态参数实施有效的数据校正,对流股物性进行分段线性化处理具有较高的计算精度,可用于大温差或物性变化较剧烈情况下换热器非线性状态参数的数据校正。     

基于全周期节能的有旁路换热网络裕量优化设计

换热网络全周期运行期间,由于设备老化等因素,换热性能逐步下降,能耗逐步提高。而当前工业换热网络的裕量设计并没有有效地解决此问题。因此提出了一种基于有旁路换热网络全周期节能优化的裕量优化设计方法,通过旁路调节,逐步释放有效面积裕量,达到全周期节能的目的。该优化方法以换热网络运行全周期内总累积费用为目标函数,同时考虑结垢热阻对换热器换热效果的影响以及旁路对换热网络的调节作用,在满足工艺条件的基础上求解换热网络的最优裕量,最终实现换热网络的持续节能。最后,以某炼油厂的常减压脱盐前换热网络为具体的研究对象,说明所提方法的有效性和使用前景。     

换热器网络设备面积与清洗时序同步优化

表面结垢会严重影响换热器的传热效率,定期清洗是解决该问题的主要方式.针对以往换热器网络清洗时序优化方法中用于决策的整型变量较多而难以求解的问题,提出以换热器清洗的最大允许污垢热阻为优化变量,取代表示换热器是否清洗的二进制变量,将混合整数非线性规划问题转化成非线性规划问题,能够有效地减小问题规模,降低求解难度.优化过程中兼顾换热器网络的设计型与操作型问题,采用遗传/模拟退火算法同步优化换热器的面积与清洗时序.将该方法用于一个实例,所得年度总费用与文献基本一致,验证了该方法的有效性.     

一种基于并行计算的混合算法优化有分流换热网络

换热网络优化是化工过程系统工程领域的研究难点,其数学模型具有高度的非凸、非线性,在使用单一启发式算法优化时,往往具有局限性。研究以换热网络的年综合费用最小为目标,针对强制进化随机游走（RWCE）算法在优化时由于个体间独立进化,导致优化过程中信息缺乏交流的问题,提出将遗传算法（GA）与其混合。混合后的算法在保持前一半优势种群中的个体单独进化的基础上,通过周期性的交叉、变异等操作产生子代来替换掉劣势种群,从而增强了原有算法的整型变量优化能力,并弥补了弱势个体无法更新的不足。为了兼顾算法在大种群下优化有分流换热网络的计算效率,节约时间成本,使用OpenMP系统将混合算法实现了并行化设计。通过三个不同规模的换热网络问题对并行后的混合算法进行验证,结果表明该算法能在有效提升优化质量的前提下相比串行算法大幅缩短计算时间,其中两个算例突破了目前文献最优解。     

Effects of fouling on performance of retrofitted heat exchanger networks: A thermo-hydraulic based analysis

The energy recovery performance of crude pre-heat trains (PHTs) in oil refineries is typically impaired by deposition over time of fouling on the thermal surfaces. Such time varying effects are normally not considered in the design or retrofit of heat exchangers networks. In this paper, the importance of taking into account such effects is demonstrated, by means of a case study. An existing industrial PHT network is simulated using a dynamic, distributed mathematical model for shell-and-tube heat exchangers undergoing crude oil fouling. To systematically assess the impact of fouling at the network level, several key performance indicators are proposed and used to analyse three retrofit options aimed at maximising overall heat recovery. Simulation results show that network designs that maximise energy recovery at steady state are not the best when fouling occurs. It is concluded that a proper retrofit design must include consideration of time varying fouling effects.