隨著全球能源匱乏、能耗加劇,節(jié)約能源的重要性日益突顯。在整個社會生產(chǎn)過程中,過程工業(yè)能耗占比較大,其中功和熱是化學(xué)工業(yè)中廣泛使用的兩種重要能量形式。由于熱量、功量、溫度、壓力之間存在復(fù)雜的交互作用關(guān)系,即流股壓力的改變會導(dǎo)致溫度變化,同時流股溫度的改變亦會引起壓縮/膨脹功量的變化,因此研究功熱交換網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用對于提高過程整體能效具有至關(guān)重要的意義。針對目前化工過程中換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一、忽視壓力操作對換熱匹配的影響等問題,本文開展了基于拓展超結(jié)構(gòu)的功集成換熱網(wǎng)絡(luò)綜合研究,著重分析只有壓縮或者膨脹的單一壓力操作過程與換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的同步綜合。本論文的主要研究內(nèi)容有:（1）針對壓縮過程與換熱網(wǎng)絡(luò)耦合問題,提出了一種冷流股分支流股上同時考慮換熱器和壓縮機的拓展分級超結(jié)構(gòu),建立了混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型,模型中分支流股為等壓、非等溫混合。壓縮可能導(dǎo)致流股冷熱性質(zhì)的改變,通過優(yōu)化選擇預(yù)冷器、末端公用工程加熱器/冷卻器以滿足目標(biāo)溫度要求。分別以?耗和年度總費用最小為目標(biāo)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),揭示了壓縮機的優(yōu)化配置與換熱網(wǎng)絡(luò)用能瓶頸之間的交互作用機制,并在此基礎(chǔ)上完成了多目標(biāo)分析。通過算例分析證明了提出的拓展超結(jié)... 

【文章來源】：大連理工大學(xué)遼寧省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

氮氣的布雷頓循環(huán)

圖1.1氮氣的布雷頓循環(huán)上述文獻基于熱力學(xué)分析探討了壓縮機、膨脹機優(yōu)化配置與換熱網(wǎng)絡(luò)用能瓶頸的耦合關(guān)系,但仍存在較多問題。冷流股經(jīng)壓縮后溫度升高可能表現(xiàn)為熱流股,同理,熱流股經(jīng)膨脹溫度降低可能表現(xiàn)為冷流股,但上述并未充分考慮壓縮/膨脹過程中流股冷熱性質(zhì)的可能變化。文獻只考慮一條冷/熱流股需進行壓力操作,但在實際工藝流程中可能存在多條流股需進行壓力操作,具有很強的局限性。另外,文中將低溫HEN與常溫HEN分開考慮,在低溫HEN中,流股的最高溫度低于環(huán)境溫度,則熱公用工程可由常溫空氣、水代替,所以忽略熱公用工程;同理,常溫HEN中忽略冷公用工程,即只考慮一種公用工程。雖然在熱力學(xué)上具有一定的可行性,但未考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性評價。

基于上述壓力操作路徑,Wechsung等[53]建立MINLP模型,構(gòu)建了如圖1.3所示的超結(jié)構(gòu),采用狀態(tài)空間法將夾點分析、?分析和數(shù)學(xué)規(guī)劃相結(jié)合,優(yōu)化低溫環(huán)境下包含壓縮和膨脹過程的換熱網(wǎng)絡(luò)。通過調(diào)節(jié)過程流股的壓力,減小換熱過程的不可逆性,從而降低能耗。為權(quán)衡設(shè)備投資和操作費用,Onishi等[54,55]進一步以年度總費用最小為目標(biāo),建立了包含流股壓力操作的HEN同步綜合的優(yōu)化模型。該模型中流股的溫度和壓力均為優(yōu)化變量,并考慮將壓縮和膨脹過程耦合(即耦合連接渦輪機和壓縮機)。當(dāng)渦輪機產(chǎn)生的功大于壓縮機所需要的功時,考慮用閥門代替部分渦輪機,因為閥門本身的設(shè)備費用與渦輪機相比可忽略,但使用閥門會增加系統(tǒng)的冷公用工程用量。因此,為有效權(quán)衡設(shè)備費用和公用工程費用,基于經(jīng)濟評價優(yōu)化選擇渦輪機或閥門。隨后,進一步將該優(yōu)化模型拓展以解決現(xiàn)有HEN的改造問題[56],通過調(diào)節(jié)流股壓力、優(yōu)化傳熱面積、換熱設(shè)備數(shù)目,增強熱集成,從而減少昂貴的冷公用工程用量,尤其在低溫工藝中其改造意義更大。基于Onishi的研究,Pav?o[57]提出了一種拓展的超結(jié)構(gòu),其中流股可多次通過特定的HEN分級超結(jié)構(gòu),并且在每次通過之間,都可以進行壓力操作;并通過改進用于HEN綜合的元啟發(fā)式求解方法,用以處理與功熱交換網(wǎng)絡(luò)(Work-Heat Exchange Network,WHEN)設(shè)計問題相關(guān)的新變量。之后,Onishi等人[58]從另一個角度出發(fā),提出了一種考慮熱集成的功交換網(wǎng)絡(luò)綜合優(yōu)化模型,證明了熱集成對于顯著提高功交換網(wǎng)絡(luò)(Work Exchange Network,WEN)能效、降低設(shè)備和操作成本具有決定性意義。2016年,Huang等[59]考慮間接式功交換網(wǎng)絡(luò)與換熱網(wǎng)絡(luò)同步綜合,提出了一種由兩個子網(wǎng)絡(luò)組成的用于功熱交換網(wǎng)絡(luò)綜合的多級超結(jié)構(gòu),其中一個子網(wǎng)絡(luò)專門用于熱集成,另一個子網(wǎng)絡(luò)用于功集成,如圖1.4所示,其中WEN超結(jié)構(gòu)如圖1.5所示,考慮使用SSTC(Single-Shaft-Turbine-Compressor)功交換器、單一的壓縮機、膨脹機、閥門對壓力能進行回收。該研究針對多流股壓力變化及末端加熱器/冷卻器優(yōu)化選擇方面進行了改進,以年度總費用(total annual cost,TAC)最小為目標(biāo)建立MINLP模型,得到最優(yōu)的WHEN結(jié)構(gòu)。此外,針對直接式功交換網(wǎng)絡(luò)與熱集成的耦合,由于直接式功交換存在復(fù)雜的壓力約束以及溫度與壓力間的非線性關(guān)系,莊鈺等[60]基于改進的轉(zhuǎn)運模型提出功熱分步集成的思想,先以公用工程用量最小為目標(biāo)函數(shù),建立非線性規(guī)劃模型,基于所提出的匹配規(guī)則和優(yōu)化策略得到最優(yōu)的功交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);然后在最優(yōu)的功交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入換熱設(shè)備,并以年度總費用最小為目標(biāo)函數(shù),依次采用直接引入換熱設(shè)備、調(diào)整相鄰功公用工程設(shè)備功率、壓力上下限值逼近的策略,達到節(jié)省膨脹(壓縮)機設(shè)備費用和功公用工程操作費用的目標(biāo)。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]考慮管殼式換熱器傳熱強化的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合研究進展[J]. 肖武,史朝霞,姜曉濱,李祥村,吳雪梅,賀高紅,羅立.  化工進展. 2018(04)
[2]BP世界能源展望:中國煤炭消費2013年已經(jīng)達峰,碳排放可望2025年達峰[J]. E-Small Data.  新能源經(jīng)貿(mào)觀察. 2018(03)
[3]基于轉(zhuǎn)運模型的功交換網(wǎng)絡(luò)綜合[J]. 莊鈺,劉琳琳,李繼龍,樊婕,滕佳志,都健.  化工進展. 2015(04)
[4]考慮經(jīng)濟性的功量交換網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)匹配[J]. 馮霄,陳慧.  清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2012(03)
[5]考慮效率的功交換網(wǎng)絡(luò)問題表格法[J]. 周華,劉桂蓮,馮霄.  化工學(xué)報. 2011(06)
[6]換熱網(wǎng)絡(luò)的新設(shè)計方法──三溫差法的應(yīng)用研究[J]. 王莉,姚平經(jīng),袁一.  化學(xué)工程. 1995(01)

碩士論文
[1]基于改進超結(jié)構(gòu)的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造[D]. 俞杭生.浙江工業(yè)大學(xué) 2017
[2]基于轉(zhuǎn)運模型的功交換網(wǎng)絡(luò)綜合[D]. 莊鈺.大連理工大學(xué) 2015



本文編號：3583868