CN103914605A - 一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法，包括如下步骤：步骤S1:网络初始化，创建一个可行的初始网络；步骤S2:将多分段流股转为单分段流股；步骤S3:初始化参数；步骤S4:将当前网络变化产生一个新的网络；步骤S5:建立线性规划模型优化新网络；步骤S6:判断是否接受新网络：如果是，用新网络替换当前网络；步骤S7:判断是否降温：如果是，更新模拟退火温度；步骤S8:判断是否达到终止条件：如果没达到，返回步骤S4；步骤S9：转回多分段流股，判断网络是否需要调整,如果不需要调整，结束;步骤S10:调整网络；S11:结束。本发明实现换热网络的自动优化设计，在设定的约束条件下找到最优的换热网络，处理了流股热容随温度变化的问题，使优化结果符合生产实际。
Description
技术领域
本发明涉及换热网络技术领域，特别涉及一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法。
背景技术
目前，换热网络设计主要有三类方法：夹点分析法、数学规划法、随机优化方法。现有的方法有如下缺点：
夹点分析法对于大规模实际问题使用起来比较困难。数学规划方法容易陷入局部最优解。随机优化方法一般采用遗传算法或者模拟退火算法，如果想要得到较好的结果，可能需要运行多次，需要较长的求解时间。此外，现有的方法一般以最小操作费用或者最小总费用（操作费用+设备费用）为优化目标。现有技术一般不考虑流股热容随温度的变化，与工程实际存在一定偏差。
因此，如何将现有技术问题加以解决，而提供一种新的高效准确的换热网络优化设计方法，即为本领域技术人员的研究方向所在。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法，其通过考虑流股热容随温度的变化，能使优化后的结果更符合实际情况。
为了达到上述目的，本发明提供一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法其包括如下步骤：
步骤S1:网络初始化，创建一个可行的初始网络，可以手工建一个所有流股都与公用工程换热的初始网络；
步骤S2:将多分段流股转为单分段流股，保持总焓变不变；
步骤S3:初始化参数；
步骤S4:将当前网络变化产生一个新的网络；
步骤S5:建立线性规划模型优化新网络；
步骤S6:判断是否接受新网络：如果是，用新网络替换当前网络；
步骤S7:判断是否降温：如果是，更新模拟退火温度；
步骤S8:判断是否达到终止条件：如果没达到，返回步骤S4；
步骤S9：转回多分段流股，判断网络是否需要调整,如果不需要调整，结束;
步骤S10:调整网络；
步骤S11:结束。
其中，所述的调整网络步骤S10如下：
步骤S101：减小所有违反最小传热温差的换热器的负荷，使其满足最小传热温差约束；
步骤S102:查找违反目标温度约束的流股,如果找到流股S，进入步骤S103，如果找不到,结束；
步骤S103：判断流股S末端是否与公用工程换热，即流股上最后一个换热器UHX是否连接到公用工程，如果是,进入步骤S104，如果不是,进入步骤S106；
步骤S104:调整流股S与公用工程换热的负荷，即调整换热器UHX的负荷；
步骤S105:判断流股S是否仍旧违反目标温度约束，如果不违反，返回步骤S102;
步骤S106:判断流股S上的换热器总负荷是否需要增加，如果需要增加，进入步骤S107，否则进入步骤S108;
步骤S107:为流股S添加一个与合适公用工程换热的换热器，返回步骤S102;
步骤S108:降低流股S上某些换热器的负荷，返回步骤S102。
其中，步骤S2中，对于热容随温度变化的流股采用多分段建模方法，将流股温度区间划分成多个分段，每个分段采用一个热容值，即采用分段线性化的方法近似实际的热容随温度的变化。
其中，在步骤S4中，是以全网络的温度点的温度为变量，建立线性规划模型，在当前网络结构下进行换热器负荷的优化。
其中，以某些温度点温度最大或者年化总费用最小为目标函数，最大化某些温度点温度max∑s,n W(s,n)T(s,n)，其中s代表流股，n代表流股上的温度点，(s,n)代表换热网络的某个温度点，T(s,n)代表该点的温度，W(s,n)代表该点的权重；年化总费用=年化设备投资费用+年公用工程操作费用， hx代表换热器。Areahx为换热器面积、Nshell为换热器壳程数，A、B、C为三个计算参数。R为投资回报率、PL为投资回报期。年公用工程操作费用=∑uUCO(u)*Duty(u)*3600*YH，u代表公用工程。UCO(u)为公用工程单位能耗费用、YH为年开工小时数。
其中，在步骤S3中的初始化参数为初始化初始温度、终止温度、最大迭代次数。
其中，在步骤S5中，将当前网络变化产生一个新的网络的方式为：添加一个换热器、删除一个换热器、修改换热器负荷、调整换热器位置、添加一个分流器、删除一个分流器、为分流器添加一个分支、为分流器删除一个分支、修改分流率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的方法能实现换热网络的自动优化设计，能在设定的约束条件下找到最优的换热网络，同时处理了流股热容随温度变化的问题，使优化结果符合生产实际，并且，优化方法采用模拟退火的数学规划混合的算法，结合了两者的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法流程图；
图2为本发明一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法调整网络的流程图；
图3为本发明一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法的初始网络结构图；
图4为本发明一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法的优化后的网络结构图；
图5为本发明一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法的调整后的网络结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法流程图，本发明是一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法，其对热容随温度变化的流股进行了处理：是通过建立一流股模型，将流股温度区间划分成多个分段，每个分段采用一个热容值，即采用分段线性化的方法近似实际的热容随温度的变化，其具体包括如下步骤：
步骤S1:网络初始化，创建一个可行的初始网络，可以手工建一个所有流股都与公用工程换热的初始网络；
步骤S2：将多分段流股转为单分段流股，保持总焓变不变；
步骤S3:初始化参数，初始化参数为初始化初始温度、终止温度、最大迭代次数等参数；
步骤S4:将当前网络变化产生一个新的网络；将当前网络变化产生一个新的网络，其是通过添加一个换热器、删除一个换热器、修改换热器负荷、调整换热器位置、添加一个分流器、删除一个分流器、为分流器添加一个分支、为分流器删除一个分支、修改分流率的方法进行的。
步骤S5:建立线性规划模型优化新网络；建立线性规划模型优化新网络是以全网络的温度点的温度为变量，建立线性规划模型，进行网络优化。实例中以年化总费用最小为目标函数；
步骤S6:判断是否接受新网络：如果是，用新网络替换当前网络；
步骤S7:判断是否降温：如果是，更新模拟退火温度；
步骤S8:判断是否达到终止条件：如果没达到，返回步骤S4；
步骤S9：转回多分段流股，判断网络是否需要调整,如果不需要调整，结束;
步骤S10:调整网络；
步骤S11:结束。
如图2所示，为本发明调整网络示意图，所述的调整网络步骤S10如下：
步骤S101：减小所有违反最小传热温差的换热器的负荷，使其满足最小传热温差约束；
步骤S102:查找违反目标温度约束的流股,如果找到流股S，进入步骤S103，如果找不到,结束；
步骤103：判断流股S末端是否与公用工程换热，即流股上最后一个换热器UHX连接到公用工程，如果是,进入步骤S104，如果不是,进入步骤S106；
步骤S104:调整流股S与公用工程换热的负荷，即调整换热器UHX的负荷；
步骤S105:判断流股S是否仍旧违反目标温度约束，如果不违反，返回步骤S102;
步骤106:判断流股S上的换热器总负荷是否需要增加，如果需要增加，进入步骤S107，否则进入步骤S108;
步骤S107:为流股S添加一个与合适公用工程换热的换热器，返回步骤S102;
步骤S108:降低流股S上某些换热器的负荷，返回步骤S102。
以下，列举一实施例对上述的考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法进行详细说明：
参阅表1及表2所示，表1为流股数据表，表2为公用工程数据表：
表1：流股数据
MCp=流股热容*流股质量流量；
表2：公用工程数据表
经济参数如下:
年化总费用=年化设备投资费用+年公用工程操作费用
其中：
hx代表换热器，Areahx为换热器面积，Nshell为换热器壳程数，A、B、C为三个计算参数，R为投资回报率，PL为投资回报期。
年公用工程操作费用=∑uUCO(u)*Duty(u)*3600*YH，其中：
u代表公用工程。UCO(u)为公用工程单位能耗费用、YH为年开工小时数。
具体参数如下：
| 投资回报率(R)[%]: | 10 |
| 投资回报期(PL)[year]: | 5 |
| 年开工小时数[hours/year]: | 8000 |
换热器设备费用参数：
| Parameter Set | A[$] | B[$/(m2)] | C |
| DEFAULT | 1000 | 100 | 0.8 |
公用工程单位能耗费用：
如图3所示，为本发明一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法的初始网络结构图，首先进行步骤S1网络初始化：为能够进行热量传递的所有冷热流股匹配建一个负荷为0的换热器，为所有流股找到一个合适的公用工程，添加一个负荷为流股总焓变的换热器将流股从TS加热或冷却到TT。
然后进行步骤S2：将多分段流股转为单分段流股，其是将流股中初顶油气和初底油因热容随温度变化较大采用了多分段的流股，在开始模拟退火之前需要先转成单分段流股。
单分段的MCp等于总焓变除以总温差，传热系数取原第一个分段的传热系数值。如表3所示，为转换得到的流股数据表
表3：转换得到的流股数据
然后进行运行模拟退火过程
设置模拟退火的初始温度为1.0E8，结束温度为1.0E-5，并限制换热器总数小于40个，分流器总数小于等于3个。运行模拟退火算法直至结束（结束温度达到），得到如图4结构的网络，即优化后的网络结构。
然后进行转回多分段，其是将常顶油气和初底油转回多分段的流股。
然后进行调整网络，转回多分段后，发现换热器6，12，20，22实际最小传热温差下于10°C，网络需要调整。网络调整后结构如图5所示，换热器1、11、35，36为调整过程中新增的换热器。
最后的优化结果为：
| 项目 | 结果 | 理论目标 |
| 热公用工程负荷[kW] | 73970.52 | 70691.89 |
| 冷公用工程负荷[kW] | 50077.52 | 46798.89 |
| 公用工程年化操作费用[$/y] | 9475288.00 | 8935727.00 |
| 换热器数 | 42.00 | 28.00 |
| 换热器总面积[m2] | 63743.67 | 75711.65 |
| 年化换热器设备费用[$/y] | 468209.30 | 498391.10 |
| 年化总费用[$/y] | 9943497.00 | 9434118.00 |
最终的优化结果年化总费用为9943497[$/y]。
根据夹点理论计算得到的理论年化总费用为9434118[$/y]。
优化结果与理论值很接近，说明优化效果较好。
表4表示换热器数据；表5表示分流器数据。
表4：换热器数据
表5分流器数据
| 分流器 | 流股 | 分支 | 分流率 |
| SP2673 | 电脱盐后原油 | 1 | 0.2983 |
| 2 | 0.4378 | ||
| 3 | 0.2639 | ||
| SP2797 | 原油 | 1 | 0.3626 |
| 2 | 0.1312 | ||
| 3 | 0.5063 | ||
| SP2760 | 初底油 | 1 | 0.5486 |
| 2 | 0.2581 | ||
| 3 | 0.0755 | ||
| 4 | 0.1177 |
综上所述，本发明的方法能实现换热网络的自动优化设计，能在设定的约束条件下找到最优的换热网络，同时处理了流股热容随温度变化的问题，使优化结果符合生产实际，并且，优化方法采用模拟退火的数学规划混合的算法，结合了两者的优势。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤S1:网络初始化，创建一个可行的初始网络；
步骤S2:将多分段流股转为单分段流股；
步骤S3:初始化参数；
步骤S4:将当前网络变化产生一个新的网络；
步骤S5:建立线性规划模型优化新网络；
步骤S6:判断是否接受新网络：如果是，用新网络替换当前网络；
步骤S7:判断是否降温：如果是，更新模拟退火温度；
步骤S8:判断是否达到终止条件：如果没达到，返回步骤S4；
步骤S9：转回多分段流股，判断网络是否需要调整,如果不需要调整，结束;
步骤S10:调整网络；
步骤S11:结束。
2.根据权利要求1所述的一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法，其特征在于，所述的调整网络步骤S10如下：
步骤S101：减小所有违反最小传热温差的换热器的负荷，使其满足最小传热温差约束；
步骤S102:查找违反目标温度约束的流股,如果找到流股S，进入步骤S103，如果找不到,结束；
步骤S103：判断流股S末端是否与公用工程换热，即流股上最后一个换热器UHX是否连接到公用工程，如果是,进入步骤S104，如果不是,进入步骤S106；
步骤S104:调整流股S与公用工程换热的负荷，即调整换热器UHX的负荷；
步骤S105:判断流股S是否仍旧违反目标温度约束，如果不违反，返回步骤S102;
步骤S106:判断流股S上的换热器总负荷是否需要增加，如果需要增加，进入步骤S107，否则进入步骤S108;
步骤S107:为流股S添加一个与合适公用工程换热的换热器，返回步骤S102;
步骤S108:降低流股S上某些换热器的负荷，返回步骤S102。
3.根据权利要求1所述的一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法，其特征在于，步骤S2中，对于热容随温度变化的流股采用多分段建模方法，将流股温度区间划分成多个分段，每个分段采用一个热容值，即采用分段线性化的方法近似实际的热容随温度的变化,在进行模拟退火前现将多分段流股转成单分段流股，模拟退火结束后再转回多分段流股。
4.根据权利要求1所述的一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法，其特征在于，在步骤S5中，是以全网络的温度点的温度为变量，建立线性规划模型，在当前网络结构下进行换热器负荷的优化。
5.根据权利要求4所述的一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法，其特征在于，以某些温度点温度最大或者年化总费用最小为目标函数，最大化某些温度点温度max∑s,n W(s,n)T(s,n)，其中s代表流股，n代表流股上的温度点，(s,n)代表换热网络的某个温度点，T(s,n)代表该点的温度，W(s,n)代表该点的权重；年化总费用=年化设备投资费用+年公用工程操作费用， hx代表换热器，Areahx为换热器面积、Nshell为换热器壳程数，A、B、C为三个计算参数，R为投资回报率、PL为投资回报期，年公用工程操作费用=∑uUCO(u)*Duty(u)*3600*YH，u代表公用工程，UCO(u)为公用工程单位能耗费用、YH为年开工小时数。
6.根据权利要求1所述的一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法，其特征在于，在步骤S3中的初始化参数为初始化初始温度、终止温度、最大迭代次数。
7.根据权利要求1所述的一种考虑流股热容变化的换热网络优化设计方法，其特征在于，在步骤S4中，将当前网络变化产生一个新的网络的方式为：添加一个换热器、删除一个换热器、修改换热器负荷、调整换热器位置、添加一个分流器、删除一个分流器、为分流器添加一个分支、为分流器删除一个分支、修改分流率。
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