朱真，孫琳，羅雄麟

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基于持續(xù)節(jié)能的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱真，孫琳，羅雄麟

（中國石油大學(xué)（北京）自動(dòng)化系，北京 102249）

在石油化工工業(yè)中，換熱網(wǎng)絡(luò)的操作條件時(shí)常發(fā)生改變，尤其是結(jié)垢熱阻隨運(yùn)行時(shí)間不斷增大。針對(duì)操作條件的改變，有研究者提出多周期換熱網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)綜合的設(shè)計(jì)與改造方法。但是，這些方法不涉及結(jié)垢熱阻對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。然而，換熱器結(jié)垢不可避免，傳熱系數(shù)隨之改變，將導(dǎo)致操作工況偏離最優(yōu)值，難以實(shí)現(xiàn)持續(xù)節(jié)能優(yōu)化。以多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化為基礎(chǔ)，提出一種基于持續(xù)節(jié)能的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)方法，以換熱網(wǎng)絡(luò)累積總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，考慮換熱器結(jié)垢對(duì)多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多周期換熱網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)綜合。首先，結(jié)合示例分析換熱器結(jié)垢對(duì)多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果的影響，得出考慮到結(jié)垢熱阻的影響多周期換熱網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)周期內(nèi)的優(yōu)化結(jié)果將改變；然后，基于持續(xù)節(jié)能優(yōu)化,以換熱網(wǎng)絡(luò)累積總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，提出一種多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法；最后，結(jié)合示例驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。

過程系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)模擬；換熱網(wǎng)絡(luò)；結(jié)垢；多周期；優(yōu)化；持續(xù)節(jié)能

引 言

節(jié)能降耗是當(dāng)今不可忽略的重大課題，較為有效的節(jié)能手段是盡可能的能量回收運(yùn)用。換熱網(wǎng)絡(luò)是能量回收的重要途徑，其設(shè)計(jì)的好壞對(duì)節(jié)能降耗有著較大的影響。近幾十年，學(xué)者們做了大量的研究工作。換熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)垢隨著運(yùn)行不斷增大，研究者指出結(jié)垢對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)綜合的影響不容忽視，并建立換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)垢數(shù)學(xué)模型[1-3]。在此基礎(chǔ)上，研究者們提出換熱網(wǎng)絡(luò)面積裕量?jī)?yōu)化、清洗時(shí)序優(yōu)化、旁路設(shè)計(jì)優(yōu)化方法等[4-8]。然而，這些方法側(cè)重于考慮換熱網(wǎng)絡(luò)在結(jié)垢最嚴(yán)重、運(yùn)行情況最差時(shí)，保證操作正常運(yùn)行，并未涉及換熱網(wǎng)絡(luò)整個(gè)運(yùn)行周期的累積費(fèi)用優(yōu)化。

同時(shí)，換熱網(wǎng)絡(luò)的操作條件也時(shí)常發(fā)生改變，尤其是對(duì)可預(yù)期、可控的階段性改變，研究者提出了多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。但是，多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法大多不涉及運(yùn)行過程中結(jié)垢的影響。

多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的發(fā)展主要經(jīng)歷了由分步優(yōu)化方法到同步優(yōu)化方法的過程。分步優(yōu)化最初是1986年由Floudas等[9]提出的，以Papoulias等[10]的轉(zhuǎn)運(yùn)模型為基礎(chǔ)，通過LP（liner programming）轉(zhuǎn)運(yùn)模型估算各操作周期的最小公用工程，然后基于MILP（mixed integer liner programming）轉(zhuǎn)運(yùn)模型的多周期優(yōu)化獲得最少換熱器個(gè)數(shù)和各周期最小公用工程的網(wǎng)絡(luò)配置。這種方法的缺點(diǎn)是增加了換熱器數(shù)而忽略了年度總費(fèi)用。Tantimuratha等[11]提出柔性換熱網(wǎng)絡(luò)分步設(shè)計(jì)方法。根據(jù)Verheyen等[12]的分析，這種柔性換熱網(wǎng)絡(luò)分步設(shè)計(jì)方法會(huì)陷入局部解的缺點(diǎn)。隨后，慢慢提出同步優(yōu)化的思想。

同步優(yōu)化發(fā)展較晚，2002年，首先由Aaltola[13]將分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了多周期拓展，然后不斷發(fā)展的。針對(duì)Aaltola模型，研究者們進(jìn)行了進(jìn)一步研究，并提出了改進(jìn)方法。Verheyen等[12]在目標(biāo)函數(shù)中采用了每組配對(duì)的最大面積而非Aaltola[13]所用的平均面積，并在改進(jìn)的NLP模型中加入罰變量說明面積變化。最大面積的獲取是通過加入非線性約束得到的。另外，還通過在約束中加入非線性因素，將非線性從目標(biāo)函數(shù)中轉(zhuǎn)移到了約束中，所得模型在求解時(shí)間和對(duì)較大問題的處理能力方面有更好的表現(xiàn)。Chen等[14]也在Aaltola[13]所建模型的基礎(chǔ)上，綜合Floudas等[15]提出的處理不確定流量和溫度的方法，將多周期換熱網(wǎng)絡(luò)綜合問題分解為3個(gè)需要進(jìn)行迭代的步驟，包括采用同步方法生成換熱網(wǎng)絡(luò)，可行性測(cè)試和去除不良網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。模型中，他們使用了連續(xù)函數(shù)最大化來得到配對(duì)的最大面積。Chen等[16]還將多周期換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的單一目標(biāo)問題拓展成為多目標(biāo)問題，采用了多目標(biāo)的MILP規(guī)劃和模糊優(yōu)化方法。Ahmad等[17]運(yùn)用模擬退火法對(duì)多周期操作換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，這種方法克服了陷入局部解的缺陷，也在可行的初始換熱網(wǎng)絡(luò)中搜索得到優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

除了以Aaltola[13]為基礎(chǔ)的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，還有研究者提出其他方面的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。李志紅等[18-20]對(duì)多周期操作工況下的換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，求解策略中采用了專家系統(tǒng)。Ma等[21]提出的虛擬溫焓圖法引入多周期換熱網(wǎng)絡(luò)柔性綜合，有效降低了問題復(fù)雜性，使其能夠應(yīng)用于較大規(guī)模的柔性換熱網(wǎng)絡(luò)綜合問題。Kang等[22]提出兩步法解決多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造問題。第1步，通過多周期換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型，求出優(yōu)化目標(biāo)；第2步，通過換熱面積回溯匹配，得到優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)。

研究者對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)操作條件時(shí)常改變時(shí)，提出了多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，卻較少在多周期優(yōu)化時(shí)同時(shí)考慮換熱器結(jié)垢問題，也不涉及累積費(fèi)用計(jì)算相關(guān)問題。本文以多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化為基礎(chǔ)，分析換熱器結(jié)垢對(duì)多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的影響，提出一種基于持續(xù)節(jié)能的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)方法，以換熱網(wǎng)絡(luò)累積總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)面積裕量進(jìn)行多周期優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)綜合。

1 換熱器結(jié)垢與多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

換熱器結(jié)垢是指在設(shè)備系統(tǒng)中與流體相接觸的固體表面上逐漸積累起來的那層固體物質(zhì)，通常以混合物的形態(tài)存在[23]。換熱器結(jié)垢對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能降耗有不良影響，由于結(jié)垢的熱導(dǎo)率極小，會(huì)嚴(yán)重影響熱交換設(shè)備的傳熱性能，使生產(chǎn)能耗大幅度上升。

換熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)垢熱阻的增長(zhǎng)規(guī)律，根據(jù)文獻(xiàn)[24]可表示為

式中，()為結(jié)垢熱阻值，∞表示換熱器結(jié)垢熱阻最大值，表示距離上次清潔之后的時(shí)間間隔，表示結(jié)垢形成的時(shí)間間隔，其中∞和的值是由記錄的不同換熱器設(shè)備中進(jìn)出口物流經(jīng)驗(yàn)值獲得。

根據(jù)結(jié)垢熱阻的增長(zhǎng)規(guī)律，可將換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行分為4個(gè)階段：結(jié)垢初步增長(zhǎng)期、迅速增長(zhǎng)期、增長(zhǎng)減緩期和達(dá)到漸近值。結(jié)垢過程階段劃分如圖1所示。

圖1 換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)垢過程

換熱器的管壁內(nèi)外結(jié)垢熱阻會(huì)影響換熱網(wǎng)絡(luò)的傳熱系數(shù)[24]，導(dǎo)致傳熱系數(shù)逐漸減小，其具體關(guān)系可表述為

式中，s和t分別表示殼程和管程的傳熱系數(shù)，i、o和m是管程內(nèi)壁直徑、外壁直徑以及管中徑，為熱導(dǎo)率，為換熱管厚度，s和t分別為殼程結(jié)垢熱阻以及管程結(jié)垢熱阻。

通過預(yù)測(cè)結(jié)垢的數(shù)學(xué)模型及傳熱系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，得出傳熱網(wǎng)絡(luò)傳熱系數(shù)的變化曲線，如圖2所示。

圖2 傳熱系數(shù)的變化曲線

在多周期換熱網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)周期都存在結(jié)垢問題，對(duì)各個(gè)周期換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行面積裕量?jī)?yōu)化，得到本周期的面積最優(yōu)值，在下一周期時(shí)，以上一周期的面積為初始面積進(jìn)行優(yōu)化，若面積需要增加，則換熱器相應(yīng)增加改造，若優(yōu)化面積減少，則可繼續(xù)用原換熱器，以實(shí)現(xiàn)換熱器的充分利用。各換熱器面積裕量變化可表示為

式中，A(+1)為第個(gè)換熱器在第周期時(shí)的面積裕量，A()為第個(gè)換熱器在第周期時(shí)的面積裕量，?為面積變化量。

并且，隨著結(jié)垢的增加，面積裕量逐漸減小，直到完全釋放后公用工程費(fèi)用增加，為了在本周期實(shí)現(xiàn)持續(xù)節(jié)能優(yōu)化，提出以累積費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)。累積費(fèi)用包括設(shè)備投資費(fèi)用和公用工程累積費(fèi)用

式中，為累積費(fèi)用，為費(fèi)用校正因子，、、是跟設(shè)備材質(zhì)、市場(chǎng)狀況有關(guān)的常數(shù)，一般情況0≤≤1，A為換熱器面積，H為熱公用工程費(fèi)用，C為冷公用工程費(fèi)用，H()和C()分別表示熱公用工程和冷公用工程熱負(fù)荷，H、C分別為熱、冷流股的數(shù)目。

如圖3所示，結(jié)垢熱阻增大會(huì)導(dǎo)致冷熱公用工程費(fèi)用增加，且不同操作條件也會(huì)影響累積費(fèi)用，陰影面積為多周期換熱網(wǎng)絡(luò)累積總費(fèi)用。

圖3 多周期換熱網(wǎng)絡(luò)累積費(fèi)用

針對(duì)結(jié)垢熱阻的增長(zhǎng)規(guī)律，分析結(jié)垢對(duì)多周期換熱網(wǎng)絡(luò)的影響。以Verheyen等[12]的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行分析，多周期換熱網(wǎng)絡(luò)各周期的物流數(shù)據(jù)如表1所示，參考文獻(xiàn)[25]未考慮結(jié)垢情形下的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，初始網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

表1 多周期換熱網(wǎng)絡(luò)物流數(shù)據(jù)

圖4 初始換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）考慮到結(jié)垢熱阻的影響，某些換熱器初始面積就會(huì)增加，當(dāng)操作工況改變到第2個(gè)周期時(shí)，部分換熱器由于初始面積增大依然滿足工藝要求因而無須再增加，而原來沒有考慮結(jié)垢的換熱器面積需要在本周期增加。如表2所示。

周期1和周期2的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)均為360 d，從數(shù)據(jù)得知，在考慮結(jié)垢后，7的面積裕量在第1周期增加了，在第2周期仍然滿足條件，則不需要再增加。而34在第1周期沒有增加，由于結(jié)垢原因，在第2周期時(shí)則需要增加面積。

（2）在考慮結(jié)垢后，優(yōu)化設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)總費(fèi)用相應(yīng)增加。若在優(yōu)化設(shè)計(jì)之初就考慮結(jié)垢的問題，其優(yōu)化結(jié)果能進(jìn)一步優(yōu)化。在優(yōu)化時(shí)，部分換熱器面積增加了，但累積費(fèi)用卻減少了。如表3所示，case 1、case 2、case 3分別為運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)360、720、1080 d的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)，且各運(yùn)行周期相等。

考慮結(jié)垢因素后，優(yōu)化的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)累積費(fèi)用降低，且運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)省的費(fèi)用越多。

通過分析得知，換熱器結(jié)垢對(duì)多周期換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化結(jié)果影響較大，在多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，有必要結(jié)合考慮換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)垢的因素，進(jìn)一步進(jìn)行多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表2 多周期換熱網(wǎng)絡(luò)面積裕量改變

表3 考慮結(jié)垢的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

2 基于持續(xù)節(jié)能的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 多周期換熱網(wǎng)絡(luò)面積裕量設(shè)計(jì)

考慮結(jié)垢對(duì)多周期換熱網(wǎng)絡(luò)的影響，提出一種基于持續(xù)節(jié)能的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，針對(duì)可預(yù)測(cè)的換熱網(wǎng)絡(luò)操作條件改變情況，將換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化劃分為多個(gè)周期，在各周期中以累積總費(fèi)用最小為目標(biāo)對(duì)多周期換熱網(wǎng)絡(luò)面積進(jìn)行優(yōu)化，比較分析考慮結(jié)垢熱阻的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)與未考慮結(jié)垢熱阻的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)的差別。

（1）目標(biāo)函數(shù)

為了同時(shí)考慮換熱器結(jié)垢和變工況問題，提出以累積費(fèi)用最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化面積裕量。累積費(fèi)用包括設(shè)備投資費(fèi)用和公用工程的累積費(fèi)用，表達(dá)式為

式中，a為累積費(fèi)用，u、e分別為公用工程費(fèi)用和設(shè)備投資費(fèi)用，為費(fèi)用校正因子?？紤]到多周期換熱網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備投資費(fèi)用表示為

式中，、、是跟設(shè)備材質(zhì)、市場(chǎng)狀況有關(guān)的常數(shù)，一般情況0≤≤1，A()是換熱器在第周期時(shí)的面積裕量，公用工程費(fèi)用表示為

式中，T為換熱網(wǎng)絡(luò)在第周期的運(yùn)行時(shí)間，C為冷公用工程費(fèi)用，H為熱公用工程費(fèi)用，H()和C()分別表示熱公用工程和冷公用工程熱負(fù)荷。

（2）約束條件

各周期中，流股的熱平衡約束

式中，T,in、T,o、T,in、T,o分別為熱流股輸入輸出溫度、冷流股輸入輸出溫度，C、C為熱容流率，q,i、C,i、q,j、H,j為冷熱物流公用工程。各周期中，換熱器的溫差約束

式中，H,e表示第個(gè)換熱器的熱流溫度，C,e為第個(gè)換熱器的冷流溫度，?min為最小溫差。

（3）優(yōu)化變量

換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化面積匹配中，上周期換熱器的面積裕量與下周期的面積裕量的關(guān)系表示為

式中，A(+1)為第個(gè)換熱器在第+1周期時(shí)的面積裕量，A()為第個(gè)換熱器在第周期時(shí)的面積，?為面積變化量。若換熱器在下周期仍滿足要求，則繼續(xù)使用上周期的換熱器，否則在下周期時(shí)對(duì)換熱器進(jìn)行改造或者更換。

2.2 多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化求解步驟

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下，方框圖如圖5所示。

（1）確定研究對(duì)象，建立多周期換熱網(wǎng)絡(luò)模型。根據(jù)結(jié)垢熱阻公式（1）得到換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)參數(shù)的慢時(shí)變過程，再根據(jù)各周期物流數(shù)據(jù)得到考慮結(jié)垢熱阻的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)模型。

（2）在周期中對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)各換熱器面積設(shè)初值，在約束范圍內(nèi)優(yōu)化面積裕量，求解本周期累積總費(fèi)用。

（3）判定本周期的累積費(fèi)用是否最低，如果還能降低，則繼續(xù)優(yōu)化面積裕量，若已經(jīng)得到最優(yōu)值，得到本周期的最小累積費(fèi)用和各換熱器的面積裕量m。

（4）優(yōu)化下個(gè)周期的換熱網(wǎng)絡(luò)，以上周期優(yōu)化的面積裕量為初始面積，重新優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，得到新周期的累積總費(fèi)用和換熱器的面積裕量m，重復(fù)直到求得最后一個(gè)周期。

圖5 同步優(yōu)化求解步驟

3 示例分析

以Kang等[25]的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)為例，圖4是初始網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)換熱器的投資費(fèi)用為8333.3641.70.7EUR，網(wǎng)絡(luò)的熱公用工程為115.2 EUR·（kW·a）-1，冷公用工程為1.3 EUR·（kW·a）-1。多周期換熱網(wǎng)絡(luò)各周期的物流數(shù)據(jù)如表1所示。

通過gPROMS軟件模擬仿真，換熱網(wǎng)絡(luò)各周期運(yùn)行持續(xù)時(shí)間均為360 d，以累積費(fèi)用最小為目標(biāo)，優(yōu)化時(shí)考慮結(jié)垢熱阻與不考慮結(jié)垢熱阻的面積及累積費(fèi)用對(duì)比，數(shù)據(jù)見表4。

表4 各周期計(jì)算結(jié)果對(duì)比

case1是以累積總費(fèi)用為目標(biāo)，在多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，未考慮結(jié)垢的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)。case 2是以累積總費(fèi)用為目標(biāo)，在多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，考慮結(jié)垢的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)數(shù)據(jù)得到如下結(jié)果。

（1）在多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，考慮了結(jié)垢熱阻以后，累積總費(fèi)用在周期內(nèi)要比不考慮結(jié)垢熱阻時(shí)降低了，同時(shí)，某些換熱器的換熱面積增加，如第1個(gè)周期中3、4和7。

（2）在周期之間，當(dāng)考慮結(jié)垢熱阻以后，發(fā)生面積改變的換熱器，在初始設(shè)計(jì)結(jié)果就會(huì)增加，當(dāng)操作條件改變到第2個(gè)周期時(shí)，依然滿足要求，就不需要改變，而原來沒有改變的換熱器需要增加，如7；

（3）換熱網(wǎng)絡(luò)的初始費(fèi)用可能會(huì)增加，但由于考慮到結(jié)垢的影響，累積總費(fèi)用減少得越來越多，差別分別為23230、50590和86800EUR。通過分析發(fā)現(xiàn)，在多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)考慮操作條件改變和結(jié)垢熱阻的影響是更經(jīng)濟(jì)的。

文獻(xiàn)[12-13,25]都針對(duì)如表1所示數(shù)據(jù)為例的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了多周期換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的研究。假設(shè)多周期換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間均為1年，且各周期運(yùn)行時(shí)間相同，將提出方法得出的優(yōu)化結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 多周期換熱網(wǎng)絡(luò)不同方法對(duì)比

通過數(shù)據(jù)得知，在多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，考慮了結(jié)垢熱阻以后，雖然某些換熱器的換熱面積增加了，但累積總費(fèi)用要比不考慮結(jié)垢熱阻時(shí)降低了。而且，由于換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)垢越來越嚴(yán)重，后期節(jié)省的累積總費(fèi)用也會(huì)越來越多。由此，本文提出的基于持續(xù)節(jié)能的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)方法，以換熱網(wǎng)絡(luò)多周期累積總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)面積進(jìn)行多階段優(yōu)化，是對(duì)考慮結(jié)垢的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)節(jié)能的有效途徑。

4 結(jié) 論

換熱網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，隨著操作條件改變，原換熱網(wǎng)絡(luò)換熱偏離最佳值，甚至不滿足工況條件，研究者們提出了多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的方法。換熱網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，換熱器的結(jié)垢會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱性能下降，研究者們提出了換熱網(wǎng)絡(luò)面積裕量?jī)?yōu)化的方法。本文同時(shí)考慮了換熱網(wǎng)絡(luò)操作條件改變和換熱器結(jié)垢因素，提出一種基于持續(xù)節(jié)能的多周期換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并通過示例分析，驗(yàn)證了該方法的有效性。

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Design optimization of multi-period heat exchanger networks based on continuous energy saving

ZHU Zhen, SUN Lin, LUO Xionglin

(Department of Automation, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

In petrochemical industry, operating conditions of heat exchanger networks (HEN) are always changed, which particularly fouling-induced heat resistance keeps increasing over time. To overcome variation of operating conditions, several optimizing methods on design and retrofit of multi-period HENs are available with no consideration of fouling effect on HEN. The inevitable HEN fouling and increase of heat resistance will drive operation deviate from optimum value and make it difficult to sustain energy saving. A synthesis design method of multi-period HENs based on continuous energy saving was proposed which optimal synthesis was achieved by targeting total accumulative cost and considering fouling influence. First, case study to analyze fouling influence on multi-period HENs showed that optimal value of multi-period HEN in each period had been changed due to fouling. Then, a model on optimizing multi-period HEN was established by considering continuous energy saving and objective function of total accumulative cost. Finally, case study indicated effectiveness of the design optimization method.

process system; computer simulation; heat exchanger networks; fouling; multi-period; optimization; continuous energy saving

date: 2016-09-18.

SUN Lin, sunlin@cup.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20161296

TQ 021.8

A

0438—1157（2016）12—5176—07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21676295）；中國石油大學(xué)（北京）科研基金資助項(xiàng)目（2462015YQ0511）。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21676295) and the Science Foundation of China University of Petroleum, Beijing (2462015YQ0511).

2016-09-18收到初稿，2016-09-21收到修改稿。

聯(lián)系人：孫琳。第一作者：朱真（1988—），男，碩士研究生。