CN102155860B - 基于火用消耗费用的换热网络构建方法 - Google Patents

Abstract

一种基于火用消耗费用的换热网络构建方法，包括以下步骤：1)、提取物流数据，在温焓图上绘制平衡的复合曲线，划分焓区间，构造换热网络的超结构模型，以投资费用最小化为目标函数对各个子焓区间的流体间的匹配结构进行优化，求解热负荷及面积分配矩阵；2)、采用分段积分法求解各焓区间的传热火用损失，参照公式(1)；并计算匹配单元的流动火用损失，参照公式(2)；3)、以年度总费用最小化为目标函数，参照公式(3)；求解换热网络最佳传热温差以及相应的网络结构。本发明提供一种可靠性良好、求解效率高的基于火用消耗费用的换热网络构建方法。

Description

基于火用消耗费用的换热网络构建方法

技术领域

本发明涉及一种换热网络构建方法。

背景技术

换热网络用于回收系统中可利用的能量，减少对外部公用工程的需求，是化工、炼油等过程工业的主要组成部分之一，其设计水平高低直接决定了过程系统的能耗和经济性。

换热网络的优化综合就是求解在满足把每一股过程物流由初始温度加热或冷却到指定目标温度的前提下、具有最小的设备投资费用和操作费用的换热器网络结构。

换热网络现有综合方法基于的经济性指标由能耗费用和设备投资费用两部分组成，传统方法以冷、热公用工程的消耗来求取能耗费用，把燃料等所需的费用作为输入条件，所设计出来的系统往往难以达到预期经济效果，特别是在能源紧张、能源结构调整、能源价格波动(物价浮动)、低碳排放模式要求下，传统的成本估算及设计方法变得无能为力。

发明内容

为了克服已有换热网络综合方法的可靠性差、求解效率低的不足，本发明通过采用基于火用损费用的热经济学目标函数、基于超结构的分步优化技术、以及基于传热火用损的流动火用损关联求解方法，使得设计方案简便易行，提供一种可靠性良好、求解效率高的基于火用消耗费用的换热网络构建方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于火用消耗费用的换热网络构建方法，所述换热网络构建方法包括以下步骤：

1)、提取物流数据，在温焓图上绘制平衡的复合曲线，划分焓区间，构造换热网络的超结构模型，以投资费用最小化为目标函数对各个子焓区间的流体间的匹配结构进行优化，求解热负荷及面积分配矩阵；

2)、采用分段积分法求解各焓区间的传热火用损失，参照公式(1)：

$\mathrm{\Δ}{E}^H=\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{Q_k}^{Q_{k+1}}\frac{T_0}{T_A{T}_B}(T_A-T_B)\mathrm{\δQ}---\left(1\right)$

并计算匹配单元的流动火用损失，参照公式(2)：

$\mathrm{\Δ}{E}^F=V_1\mathrm{\Δ}{P}_1+V_2\mathrm{\Δ}{P}_2=(V_1{K}_1{h}_1^{3.5}+V_2{K}_2{h}_2^{5.1})A---\left(2\right)$

上式中：ΔE^H、ΔE^F分别为传热火用损失、流动火用损失，单位：W；N为焓区间数目；T₀为环境温度，单位：℃；T_A、T_B分别为热流体、冷流体温度，单位：℃；δQ为传热量，单位：W；微元代表传递微元热量δQ所造成的传热火用损失；Q_k、Q_k+1为第k个焓区间左、右两侧边界上的焓值；V₁、V₂分别为管程、壳程流体的体积流量，m³/s；K₁、K₂分别为管程、壳程流体的常数；h₁、h₂分别为管程、壳程流体的传热系数，单位：W/m²-K；A为传热面积，单位：m²；

3)、以年度总费用最小化为目标函数，参照公式(3)：，

TAC＝(ΔE^H·C_H)+(∑ΔE^F·C_F)+C_CAP        (3)

上式(3)中：TAC为换热网路总的年度费用，单位：元/年；ΔE^H和ΔE^F分别为所述步骤2)中求得的传热火用损失、流动火用损失，单位：W；C_H和C_F分别为换热网络使用的传热火用、流动火用的单位费用，单位：元/(W-年)；C_CAP为网络总的年度投资费用，单位：元/年；

求解换热网络最佳传热温差以及相应的网络结构。

作为优选的一种方案：所述步骤3)中，设定以传热火用损失、流动火用损失的费用作为换热网络的操作费用，并且采用基于超结构的分步优化技术求解换热网络的传热火用损失、流动火用损失。

进一步，所述步骤3)中，设定最小传热面积和负荷约束条件。使得换热网络超结构的求解过程中自动剔除小负荷、小面积换热器，实现换热网络的松弛。

本发明的技术构思为：将火用优化与经济学分析相结合的热经济学方法，即火用经济学，是克服传统热力学设计方法局限性的有效方法，因为火用代表能量的使用价值，按照能量守恒，在生产过程中真正被消耗的是火用，而不是能。但是采用热经济学方法来构建换热网络并不多见，因为在换热网络的构建过程中，换热器及其详细结构是未知的，无法对其火用损失进行严格计算，特别是流动火用损，而流动火用损费用对换热网络总成本的影响一般都在10％以上。现有少量文献报道中采用火用经济学方法合成换热网络，往往只考虑传热火用损的求解，忽略流动火用损；即使考虑流动火用损的计算，要么采用流体输送机械(泵/压缩机系统)的费用来代替流动火用损费用，要么在换热网络构建过程中过多地考虑换热器的结构设计，使得整个换热网络的综合过程过于复杂，违背了换热网络预设计的初衷，而换热器结构设计的假设和简化使得整个系统难以符合实际。因此，迫切需要一种简便易行、行之有效的换热网络热经济学分析方法，克服传统方法的局限性，在浮动物价结构、变化的能源和环境约束条件下，使得合成的系统符合实际，具有较好的参考价值。

采用换热网络夹点分析方法、以及火用优化与经济学分析相结合的热经济学方法，首先，基于夹点分析，利用超结构模型，以投资费用最小化为目标函数初步求取流体间的匹配结构、换热单元的热负荷及面积分配；然后，采用火用分析方法求解换热网络的火用损，即采用对温焓图分段积分的方法求解传热火用损失、利用流动火用损与流体传热系数之间的关联式以及之前获得的流体间匹配关系来计算匹配单元的流动火用损失；最后，以年度总费用最小化为目标函数获得最佳网络结构，并通过增设最小面积、传热负荷约束条件实现换热网络松弛与优化的同步进行。

本发明的有益效果为：1、该方法提供一种基于火用消耗费用的换热网络热经济学优化构建方法，克服了传统方法难以解决的困难，在浮动物价结构、变化的能源和环境约束条件下，使得合成的系统符合实际，具有较好的参考价值；2、该方法基于超结构的分步优化技术，利用流动火用损-传热火用损相关联的求解方法，解决了换热网络中流动火用损难以求解的问题；3、该方法基于数学优化和计算机辅助计算，与传统方法相比，具有较好的实用性和系统性、求解效率高，使得设计方案简便易行。

附图说明

图1是基于火用消耗费用的换热网络构建方法的逻辑结构图。

图2是采用本方法获得的案例换热网络结构图。

图3是换热网络相关费用随传热温差的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于火用消耗费用的换热网络构建方法，所述网络构建方法包括以下步骤：

1)、提取物流数据，在温焓图上绘制平衡的复合曲线，划分焓区间，构造换热网络的超结构模型，以投资费用最小化为目标函数对各个子焓区间的流体间的匹配结构进行优化，求解热负荷及面积分配矩阵；

2)、采用分段积分法求解各焓区间的传热火用损失，参照公式(1)：

$\mathrm{\Δ}{E}^H=\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{Q_k}^{Q_{k+1}}\frac{T_0}{T_A{T}_B}(T_A-T_B)\mathrm{\δQ}---\left(1\right)$

并计算匹配单元的流动火用损失，参照公式(2)：

$\mathrm{\Δ}{E}^F=V_1\mathrm{\Δ}{P}_1+V_2\mathrm{\Δ}{P}_2=(V_1{K}_1{h}_1^{3.5}+V_2{K}_2{h}_2^{5.1})A---\left(2\right)$

上式中：ΔE^H、ΔE^F分别为传热火用损失、流动火用损失，单位：W；N为焓区间数目；T₀为环境温度，单位：℃；T_A、T_B分别为热流体、冷流体温度，单位：℃；δQ为传热量，单位：W；微元

代表传递微元热量δQ所造成的传热火用损失；Q_k、Q_k+1为第k个焓区间左、右两侧边界上的焓值；V₁、V₂分别为管程、壳程流体的体积流量，m³/s；K₁、K₂分别为管程、壳程流体的常数；h₁、h₂分别为管程、壳程流体的传热系数，单位：W/m²-K；A为传热面积，单位：m²；

3)、以年度总费用最小化为目标函数，参照公式(3)：，

TAC＝(ΔE^H·C_H)+(∑ΔE^F·C_F)+C_CAP        (3)

上式(3)中：TAC为换热网路总的年度费用，单位：元/年；ΔE^H和ΔE^F分别为所述步骤2)中求得的传热火用损失、流动火用损失，单位：W；C_H和C_F分别为换热网络使用的传热火用、流动火用的单位费用，单位：元/(W-年)；C_CAP为网络总的年度投资费用，单位：元/年；

求解换热网络最佳传热温差以及相应的网络结构。

所述步骤3)中，设定以传热火用损失、流动火用损失的费用作为换热网络的操作费用，并且采用基于超结构的分步优化技术求解换热网络的传热火用损失、流动火用损失。

所述步骤3)中，设定最小传热面积和负荷约束条件。使得换热网络超结构的求解过程中自动剔除小负荷、小面积换热器，实现换热网络的松弛。

本实施例中，具体步骤如下：

第一步，基于夹点分析方法，在给定条件下，在温焓图上绘制平衡复合曲线，获得夹点温度以及能量目标，并在温焓图上分割焓区间，构造换热网络的超结构模型。

第二步，在能量消耗量一定的情况下，以投资费用最小化为目标函数对各个子焓区间的流体间的匹配结构进行优化，求解热负荷及面积分配矩阵。

第三步，采用分段积分法求解各焓区间的传热火用损失，并计算匹配单元的流动火用损失。

第四步，以年度总费用最小化为目标函数，求解换热网络最佳传热温差以及相应的网络结构；并根据需要，采用适当的网络松弛技术，获得最终设计结果。

表1 实例数据

换热器费用公式为：40000+500×A$/yr；利率：15％；使用寿命：5年；运行时间：8600h/yr；环境温度：20℃；传热火用单价：0.05$/kW·h，流动火用单价：0.05$/kW·h。

为了验证本发明的效果，并与国内外现有方法进行比较，本实施例采用的物流数据如表1，该问题中存在2股热流(H1，H2)，2股冷流(C1，C2)，热公用ST，冷公用CW。

本方法的计算结果与传统夹点方法的计算结果如表2所示，获得的换热网络结构如图2。案例研究表明，在同等条件下，采用本发明方法所获得的换热网络结构，热、冷公用工程消耗量分别从7.514，10.014MW降至5.697，8.197MW，总的能量消耗量下降20.74％，伴随最佳传热温差的减小，公用工程消耗量的降低以及回收热量的增加，换热面积有所增加，更能反映出能源紧缺和能源价格上升背景下换热网络的合理设计需求。图3为换热网络相关费用随传热温差的变化关系，结果显示，较低的传热温差有利于降低传热火用损，但是需要较大的换热设备以及较多的换热设备个数，这种趋势和传统分析方法得到的结果是一致的；但流动火用损的变化趋势与传热火用损相反，与投资费用变化趋势一致，这是传统方法无法揭示的重要信息，进一步说明了在换热网络的设计过程中流动火用损的重要性，也验证了采用本方法的必要性。由于火用分析揭示了能量贬值的本质，基于火用损的热经济学分析为换热网络的构建提供了更为合理的指导方向。此外，由于本方法基于热力学与数学优化计算相结合的思想，具有较好的实用性和系统性，求解效率高。

表2 计算结果

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于

消耗费用的换热网络构建方法，其特征在于：所述换热网络构建方法包括以下步骤：

1)、提取物流数据，在温焓图上绘制平衡的复合曲线，划分焓区间，构造换热网络的超结构模型，以投资费用最小化为目标函数对各个子焓区间的流体间的匹配结构进行优化，求解热负荷及面积分配矩阵；

2)、采用分段积分法求解各焓区间的传热

损失，参照公式(1)：

${\mathrm{\ΔE}}^H=\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{Q_k}^{Q_{k+1}}\frac{T_0}{T_A{T}_B}(T_A-T_B)\mathrm{\δQ}---\left(1\right)$

并计算匹配结构的流动

损失，参照公式(2)：

${\mathrm{\ΔE}}^F=V_1\mathrm{\Δ}{P}_1+V_2\mathrm{\Δ}{P}_2=(V_1{K}_1{h}_1^{3.5}+V_2{K}_2{h}_2^{5.1})A---\left(2\right)$

上式中：ΔE^H、ΔE^F分别为传热

损失、流动

损失，单位：W；N为焓区间数目；T₀为环境温度，单位：℃；T_A、T_B分别为热流体、冷流体温度，单位：℃；δQ为传热量，单位：W；微元

代表传递微元热量δQ所造成的传热损失；Q_k、Q_k+1为第k个焓区间左、右两侧边界上的焓值；V₁、V₂分别为管程、壳程流体的体积流量，m³/s；K₁、K₂分别为管程、壳程流体的常数；h₁、h₂分别为管程、壳程流体的传热系数，单位：W/m²-K；A为传热面积，单位：m²；

3)、以年度总费用最小化为目标函数，参照公式(3)：

TAC＝(ΔE^H·C_H)+(∑ΔE^F·C_F)+C_CAP    (3)

上式(3)中：TAC为换热网路总的年度费用，单位：元/年；ΔE^H和ΔE^F分别为所述步骤2)中求得的传热

损失、流动

损失，单位：W；C_H和C_F分别为换热网络使用的传热流动

的单位费用，单位：元/(W-年)；C_CAP为网络总的年度投资费用，单位：元/年；

求解换热网络最佳传热温差以及相应的网络结构。

2.如权利要求1所述的基于

消耗费用的换热网络构建方法，其特征在于：所述步骤3)中，设定以传热

损失、流动

损失的费用作为换热网络的操作费用，并且采用基于超结构的分步优化技术求解换热网络的传热损失、流动

损失。

3.如权利要求1或2所述的基于火用消耗费用的换热网络构建方法，其特征在于：在所述步骤3)中，求解超结构模型时，规定最小传热面积和最小传热负荷的约束条件。

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