CN107665280A

CN107665280A - 一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法

Info

Publication number: CN107665280A
Application number: CN201710886089.XA
Authority: CN
Inventors: 蒋宁; 韩文巧; 徐英杰; 郭风元
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2018-02-06

Abstract

一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法，对于需要减少换热面积的换热器，用换热器的实际换热面积取代所需面积，之后对面积校核过的换热网络进行性能模拟，得到真实可靠的温度分布和热负荷分布，并在此基础上对换热网络进行优化。模拟之后的温度分布结果分为两种：对于满足目标温度约束的方案，则保留，进行下一步的遗传进化；对于违背流股目标温度约束的方案，直接舍弃，这样避免了不可行解的产生。本发明可以避免因换热面积偏差造成的影响，确保换热网络设计方案的可用性和可行性。

Description

一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法

技术领域

本发明涉及一种换热网络改造优化方法，该方法基于性能模拟和面积再分配策略，采用遗传算法对换热网络进行改造优化。

背景技术

换热网络系统是石油、化工、能源动力等过程工业中最基本的组成部分，在工业生产中扮演着不可或缺的角色，换热网络合成和优化改造已经成为节能减排、提高能源利用率的重要手段和方法。

很多现存的换热网络初建时节能环保要求低，运行过程中能量损耗巨大，难以满足如今节能减排的高要求，改造此类换热网络，经济收益、节能效益非常可观。换热网络优化改造能够充分利用现有换热设备，最大化地回收物流中的有效能量，降低公用工程消耗量，有效地提高能源利用率。目前的换热网络改造方法，存在一个明显的缺陷，即在回用现有换热器时，未考虑由于旧换热器的实际面积与所需面积之间的偏差所造成的影响。换热器所需面积如果小于旧换热器的实际面积，这可能会造成热物流的过度冷却和冷物流的过度加热，进而在多个换热器构成的换热网络中造成一系列连锁式的效应，甚至可能违背物流出口目标温度约束，导致所提出的换热网络改造方案在实际中不可行，无法使用。

发明内容

为了克服已有换热网络改造优化方法的无法避免因换热面积偏差造成的影响、无法保障换热网络设计方案的可用性和可行性的不足，本发明提供了一种避免因换热面积偏差造成的影响、确保换热网络设计方案的可用性和可行性的基于性能模拟的换热网络改造优化方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，设定初始参数，包括最大进化代数、种群大小N、交叉率、变异率、最小传热温差的上限和下限、现有换热器物性、物流特性和单位费用；

步骤二，初始化产生个体数为2N的初始种群

任意一个K级换热网络中M股热过程流体与N股冷过程流体的匹配情况，用一个元素为二进制变量的M×(N×K)阶矩阵来表示，整型变量经初始简化和随机赋值后，根据能量守恒、质量守恒、换热器性能方程来计算网络，得到换热网络的温度、面积和负荷分布连续型变量；

步骤三，应用再分配策略匹配回收利用现有的旧换热器，设定当某个换热匹配所需的换热面积为原有换热器面积的20％～110％时，则回收利用该换热器，否则，配置新的换热器；

匹配方式为：先将原有换热器面积和所需换热器面积分别按面积大小降序排列，将所需换热面积逐个与原有换热面积进行匹配，如果所需换热面积在原有面积的20％～110％范围内，则回用此换热器；当原有换热器全部匹配完，或者所需换热面积全部匹配完成，匹配结束；如果原有换热器已全部回用，而所需换热面积集合中还有剩余，则为剩余的所需换热面积配置新的换热器；

步骤四，校核换热设备的面积，对于所需换热面积大于实际配置的换热面积的换热器，用实际换热面积取代所需换热面积；

步骤五，对换热网络进行性能模拟，获得换热网络的温度分布和热负荷分布；性能模拟的计算基于以下方程：

Q_H＝CP_H(T_H1-T_H2)

Q_C＝CP_C(T_C2-T_C1)

其中，Q为换热负荷，U为总传热系数，CP为热容流率，A为换热面积，T_H1、T_H2为热流体进、出口温度，T_C1、T_C2为冷流体进、出口温度；

已知换热网络的CP_H、CP_C、U、A、T_H1、T_C1，根据以上公式求出换热器的出口温度；对于由W个换热器组成的换热网络而言，共有2W个方程，通过求解这些方程组，得到换热网络的温度分布和热负荷分布；

步骤六，计算目标函数值，根据换热网络模拟结果，计算公用工程消耗量以及目标函数，目标函数为年度化成本TAC，由公用工程费用C_utility和投资费用C_capital构成，目标函数的表达式为：

TAC＝C_utility+C_capital

其中，UC为单位费用，m、n分别为增加面积的换热器数和新增换热器数，FC₁、CC₁、B₁为增加面积的费用参数，FC₂、CC₂、B₂为新增换热器的费用参数，AF为投资费用年度化因子，计算公式为：

其中，r为年利率，Y为使用年限；

步骤七，令进化代数为1，根据目标函数值从2N个初始种群中选择N个较优的个体形成父代种群；

步骤八，对父代种群依次执行交叉、变异操作，产生子代种群，交叉方式为两点交叉，变异方式为结构变异；重复执行步骤三到步骤六，得到子代种群个体；

步骤九，合并父代种群和子代种群，根据目标函数值选择N个较优的个体形成新的父代种群；

步骤十，重复执行步骤八，直到达到最大进化代数后，保存此最小传热温差下的所有种群；

步骤十一，增加传热温差，重复步骤二到步骤十，直到达到最小传热温差的上限；

步骤十二，根据目标函数值选择最优解作为优化结果。

进一步，所述步骤二中，满足的约束条件为：

(1)每股物流的热平衡

式中，T_in、T_out分别表示过程流体的初始温度、目标温度；F为过程流体的热容流率，q_ijk为换热器热负荷，qhu和qcu分别为加热器和冷却器的热负荷，HP＝{i|i表示热过程流体}，CP＝{j|j表示冷过程流体}，HU＝{i|i表示热公用工程流体}，CU＝{j|j表示冷公用工程流体}；

(2)每股物流在每级的热平衡

式中，t_i,k表示热物流i在第k级的进口温度或第k-1级的出口温度；t_j,k表示冷物流j在第k级的出口温度或第k-1级的进口温度，S＝{k|k表示级数}；

(3)各股物流的入口温度

T_in,i＝t_i,1,i∈HP；T_in,j＝t_j,K+1,j∈CP

可行温度约束

t_i,k≥t_i,k+1,t_j,k≥t_j,k+1i∈HP,j∈CP,k∈S

t_i,k≥t_h,ijk,t_c,ijk≥t_j,k+1i∈HP,j∈CP,k∈S

t_i,K+1≥T_out,i,t_j,1≤T_out,j i∈HP,j∈CP

其中，t_h,ijk表示热物流i的第j条股分支与冷物流j的第i条分支在第k级匹配换热后的出口温度；t_c,ijk表示冷物流j的第i条分支与热物流i的第j条分支在第k级匹配换热后的出口温度；

(4)冷热公用工程热负荷

qcu_i＝(t_i,K+1-T_out,i)F_i i∈HP

qhu_j＝(T_out,j-t_j,1)F_j j∈CP

表示换热器是否存在的二进制变量z：

式中，rand(0,1)为区间[0,1]之间任意取值的随机数，i∈HP，j∈CP，k∈S；

(5)传热温差约束

t_i,k-t_c,ijk≥EMAT i∈HP,j∈CP,k∈S

t_h,ijk-t_j,k+1≥EMAT i∈HP,j∈CP,k∈S

t_i,K+1-T_out,cu≥EMAT i∈HP

T_out,hu-t_j,1≥EMAT j∈CP

其中，T_out,hu和T_out,cu分别表示热、冷公用工程的出口温度，EMAT为最小传热温差；

(6)各分流节点的质量平衡

式中，f_h,ijk表示热物流i的第j条分支流经第k级换热器ijk的热容流率；f_c,ijk表示冷物流j的第i条分支流经第k级换热器ijk的热容流率；

(7)每台换热器的热平衡

(t_i,k-t_h,ijk)f_h,ijk＝q_ijk i∈HP,j∈CP,k∈S

(t_c,ijk-t_j,k+1)f_c,ijk＝q_ijk i∈HP,j∈CP,k∈S。

本发明的技术构思为：对现存换热网络进行改造优化时，对于需要减少换热面积的换热器，用换热器的实际换热面积取代所需面积，之后对面积校核过的换热网络进行性能模拟，得到真实可靠的温度分布和热负荷分布，并在此基础上对换热网络进行优化。模拟之后的温度分布结果分为两种：对于满足目标温度约束的方案，则保留，进行下一步的遗传进化；对于违背流股目标温度约束的方案，直接舍弃，这样避免了不可行解的产生。

本发明的有益效果主要表现在：与传统方法相比，本发明可以避免因换热面积偏差造成的影响，确保换热网络设计方案的可用性和可行性。目前的换热网络改造方法，存在一个明显的缺陷，即在回用现有换热器时，未考虑由于旧换热器的实际面积与所需换热面积之间的偏差所造成的影响。换热器所需面积如果小于旧换热器的实际面积，这可能会造成热物流的过度冷却和冷物流的过度加热，进而在多个换热器构成的换热网络中造成一系列联锁式的效应，甚至可能违背物流出口目标温度的设定要求，导致所设计的换热网络改造方案不可靠和不可行。而且传统方法在回收利用原有换热设备时，不考虑减少换热器面积带来的改造费用，但是减少换热面积的改造工程量确实存在，涉及的改造费用更是不可避免，采用本发明则可以避免这种情况的发生。另外，本发明充分利用原有换热设备，并加入性能模拟，既避免了不可行解的产生，又减少了公用工程消耗量，降低了运行费用，更利于换热网络的节能减排。

附图说明

图1是总体算法流程图；

图2是现存的换热网络结构图；

图3是本发明得到的换热网络结构图。图中换热器编号下面的数字表示换热量(面积)，单位为kW(m²)；斜体为热容流率，单位为kW·℃^-1。

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3，一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法，包括以下步骤：

步骤一，设定初始参数，包括：最大进化代数、种群大小N、交叉率、变异率、最小传热温差的上限和下限、现有换热器物性、物流特性、单位费用等初始数据。

步骤二，初始化产生个体数为2N的初始种群。

任意一个K级换热网络中M股热过程流体与N股冷过程流体的匹配情况，可以用一个元素为二进制变量的M×(N×K)阶矩阵来表示。这些整型变量经初始简化和随机赋值后，根据能量守恒、质量守恒、换热器性能方程等来计算网络，得到换热网络的温度、面积、负荷分布等连续型变量。在此过程中需要满足的约束条件为：

(1)每股物流的热平衡

式中，T_in、T_out分别表示过程流体的初始温度、目标温度；F为过程流体的热容流率。q_ijk为换热器热负荷，qhu和qcu分别为加热器和冷却器的热负荷。HP＝{i|i表示热过程流体}，CP＝{j|j表示冷过程流体}，HU＝{i|i表示热公用工程流体}，CU＝{j|j表示冷公用工程流体}。

(2)每股物流在每级的热平衡

式中，t_i,k表示热物流i在第k级的进口温度或第k-1级的出口温度；t_j,k表示冷物流j在第k级的出口温度或第k-1级的进口温度，S＝{k|k表示级数}。

(3)各股物流的入口温度

T_in,i＝t_i,1,i∈HP；T_in,j＝t_j,K+1,j∈CP

可行温度约束

t_i,k≥t_i,k+1,t_j,k≥t_j,k+1 i∈HP,j∈CP,k∈S

t_i,k≥t_h,ijk,t_c,ijk≥t_j,k+1 i∈HP,j∈CP,k∈S

t_i,K+1≥T_out,i,t_j,1≤T_out,j i∈HP,j∈CP

其中，t_h,ijk表示热物流i的第j条股分支与冷物流j的第i条分支在第k级匹配换热后的出口温度；t_c,ijk表示冷物流j的第i条分支与热物流i的第j条分支在第k级匹配换热后的出口温度。

(4)冷热公用工程热负荷

qcu_i＝(t_i,K+1-T_out,i)F_i i∈HP

qhu_j＝(T_out,j-t_j,1)F_j j∈CP

表示换热器是否存在的二进制变量z：

式中，rand(0,1)为区间[0,1]之间任意取值的随机数，i∈HP，j∈CP，k∈S。

(5)传热温差约束

t_i,k-t_c,ijk≥EMAT i∈HP,j∈CP,k∈S

t_h,ijk-t_j,k+1≥EMAT i∈HP,j∈CP,k∈S

t_i,K+1-T_out,cu≥EMAT i∈HP

T_out,hu-t_j,1≥EMAT j∈CP

其中，T_out,hu和T_out,cu分别表示热、冷公用工程的出口温度，EMAT为最小传热温差。

(6)各分流节点的质量平衡

式中，f_h,ijk表示热物流i的第j条分支流经第k级换热器ijk的热容流率；f_c,ijk表示冷物流j的第i条分支流经第k级换热器ijk的热容流率。

(7)每台换热器的热平衡

(t_i,k-t_h,ijk)f_h,ijk＝q_ijk i∈HP,j∈CP,k∈S

(t_c,ijk-t_j,k+1)f_c,ijk＝q_ijk i∈HP,j∈CP,k∈S

步骤三，应用再分配策略匹配回收利用现有的旧换热器，设定当某个换热匹配所需的换热面积为原有换热器面积的20％～110％时，则回收利用该换热器，否则，配置新的换热器。

具体匹配方式为：先将原有换热器面积和所需换热器面积分别按面积大小降序排列，将所需换热面积逐个与原有换热面积进行匹配，如果所需换热面积在原有面积的20％～110％范围内，则回用此换热器。当原有换热器全部匹配完，或者所需换热面积全部匹配完成，匹配结束。如果原有换热器已全部回用，而所需换热面积集合中还有剩余，则为剩余的所需换热面积配置新的换热器。

步骤四，校核换热设备的面积。对于所需换热面积大于实际配置的换热面积的换热器，用实际换热面积取代所需换热面积。

步骤五，对换热网络进行性能模拟，获得换热网络的温度分布和热负荷分布。性能模拟的计算基于以下方程：

Q_H＝CP_H(T_H1-T_H2)

Q_C＝CP_C(T_C2-T_C1)

其中，Q为换热负荷，U为总传热系数，CP为热容流率，A为换热面积，T_H1、T_H2为热流体进、出口温度，T_C1、T_C2为冷流体进、出口温度。

已知换热网络的CP_H、CP_C、U、A、T_H1、T_C1，根据以上公式可以求出换热器的出口温度。对于由W个换热器组成的换热网络而言，共有2W个方程，通过求解这些方程组，可以得到换热网络的温度分布和热负荷分布。

步骤六，计算目标函数值。根据换热网络模拟结果，计算公用工程消耗量以及目标函数，目标函数为年度化成本(TAC)，由公用工程费用(C_utility)和投资费用(C_capital)构成，目标函数的表达式为:

TAC＝C_utility+C_capital

其中，UC为单位费用，m、n分别为增加面积的换热器数和新增换热器数，FC₁、CC₁、B₁为增加面积的费用参数，FC₂、CC₂、B₂为新增换热器的费用参数，AF为投资费用年度化因子，计算公式为:

其中，r为年利率，Y为使用年限。

步骤七，令进化代数为1，根据目标函数值从2N个初始种群中选择N个较优的个体形成父代种群。

步骤八，对父代种群依次执行交叉、变异操作，产生子代种群。交叉方式为两点交叉，变异方式为结构变异。重复执行步骤三到步骤六，得到子代种群个体。

步骤九，合并父代种群和子代种群，根据目标函数值选择N个较优的个体形成新的父代种群。

步骤十，重复执行步骤八，直到达到最大进化代数后，保存此最小传热温差下的所有种群。

步骤十一，增加传热温差，重复步骤二到步骤十，直到达到最小传热温差的上限。

步骤十二，根据目标函数值选择最优解作为优化结果。

实例：为更好地体现本发明的应用效果，现将本发明的方法应用于实例进行说明。该案例由2条热物流、2条冷物流组成，热公用工程为蒸汽，冷公用工程为水，各物流的数据见表1，原始换热器的数据见表2，现有的换热网络结构图如图2所示。换热器的总传热系数为0.1kW/m²，原有换热设备4个，设备使用年限为2年，年利率为10％。新增换热器费用计算公式：C_capital＝30000+750A^0.81$；现有换热器增加面积费用计算公式：C_capital＝750A^0.81$。该换热网络的公用工程消耗为2720kW/年，运行费用为181200$/年。

表1

步骤一，设定初始参数：最大进化代数为50，种群大小为100，交叉率为0.8，变异率为0.005，最小传热温差为5℃到20℃，步长为0.1。

步骤二，初始化产生初始种群。遵照启发式规则对表示换热网络结构的整型变量进行初始化，随机赋值后根据能量守恒、质量守恒、换热器性能方程等优化连续型变量，产生个体数为200的初始种群。

步骤三，应用再分配策略匹配所需换热器和现有换热器。

换热器1的所需面积为264.5m²，原有换热器1面积为268.7m²，需要减少4.2m²，在(20％～110％)*268.7的回用范围之内，所以回用原有换热器1。以此类推回用原有换热器2、3、4。原有换热器已全部匹配完成，而419.1m²的所需换热面积没有匹配，所以增加新的换热器5。

步骤四，校核换热设备的面积。对于所需换热面积大于现有换热面积的换热器，即：需要减少面积的换热器，用现有换热面积取代所需换热面积。表2为原换热面积及面积校核前后换热面积对比。

对于换热器1，传统方法回用该换热器时，仅仅简单地将面积视为所需的换热面积264.5m²，造成了所需面积和原有面积之间的偏差，且不考虑减少面积所需要的改造成本，误导了优化结果而本发明所提出的方法对此换热设备进行面积校核，采用符合换热器实际情况的268.7m²的换热面积，并正确估计改造成本。换热器2、3、4的回用也是如此。由此得到新的换热网络面积分布，如图3。

步骤五，对换热网络进行性能模拟，获得换热网络温度分布和热负荷分布。由于校核之后，面积发生了改变，换热网络温度分布也随之变化，所以在应用面积再分配策略和面积校核之后，需加入模拟来重新计算换热网络的温度分布和热负荷分布。新的换热网络的温度分布和热负荷分布如图3所示。

步骤六，计算目标函数值。根据换热网络模拟结果，校核计算公用工程消耗量，以及目标函数。

换热面积的变化也引起了公用工程换热量的改变，所以需对公用工程消耗量进行校核，得到所需的公用工程换热量。由于面积和换热量的变化，投资费用以及公用工程费用也需重新校核，校核之后的各项结果列于表3中。

步骤七，令进化代数为1，根据目标函数值选择100个个体形成父代种群。

步骤八，对父代种群依次执行交叉、变异操作，产生个体数为100的子代种群。交叉方式为两点交叉，变异方式为结构变异。重复执行步骤三到步骤六。

步骤九，合并父代种群和子代种群，根据目标函数值选择较优的100个个体形成新的父代种群。

步骤十，执行步骤八，重复相应计算，直到达到最大的进化代数50，保存此最小传热温差下的所有种群。

步骤十一，传热温差增加0.1℃，重复步骤二到步骤十，直到达到最小传热温差的上限20℃。

步骤十二，根据目标函数值选择最优解作为优化结果。

表2

表3

从表3中可以看出，与原换热网络相比，经本发明改造优化之后的换热网络，公用工程消耗量每年可节省1416.6kW，运行费用也减少了51％，年度化总成本大幅度减少，节能潜力巨大，减排效果显著。由于回用原有换热设备，仅需增加一个换热设备，改造工程量少，改造利润为17278$/year，投资回报期仅为0.81年，改造费用投入少，收益可观。

在该案例中，本发明得到的方案回用了所有的原有换热设备，新增了一个换热器，充分利用了现有换热面积。在优化中加入了性能模拟校核，不仅避免了回用换热器时，由于面积偏差带来的改造成本以及不可行解的产生，而且公用工程消耗量减少，最终使得目标函数年度化总成本减少。

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

1.一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤二，初始化产生个体数为2N的初始种群

Q_H＝CP_H(T_H1-T_H2)

Q_C＝CP_C(T_C2-T_C1)

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TAC＝C_utility+C_capital

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其中，r为年利率，Y为使用年限；

步骤十二，根据目标函数值选择最优解作为优化结果。

2.如权利要求1所述的一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法，其特征在于：所述步骤二中，满足的约束条件为：

(1)每股物流的热平衡

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(2)每股物流在每级的热平衡

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(3)各股物流的入口温度

T_in,i＝t_i,1,i∈HP；T_in,j＝t_j,K+1,j∈CP

可行温度约束

t_i,k≥t_i,k+1,t_j,k≥t_j,k+1 i∈HP,j∈CP,k∈S

t_i,k≥t_h,ijk,t_c,ijk≥t_j,k+1 i∈HP,j∈CP,k∈S

t_i,K+1≥T_out,i,t_j,1≤T_out,j i∈HP,j∈CP

(4)冷热公用工程热负荷

qcu_i＝(t_i,K+1-T_out,i)F_i i∈HP

qhu_j＝(T_out,j-t_j,1)F_j j∈CP

表示换热器是否存在的二进制变量z：

(5)传热温差约束

t_i,k-t_c,ijk≥EMAT i∈HP,j∈CP,k∈S

t_h,ijk-t_j,k+1≥EMAT i∈HP,j∈CP,k∈S

t_i,K+1-T_out,cu≥EMAT i∈HP

T_out,hu-t_j,1≥EMAT j∈CP

(6)各分流节点的质量平衡

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(7)每台换热器的热平衡

(t_i,k-t_h,ijk)f_h,ijk＝q_ijk i∈HP,j∈CP,k∈S

(t_c,ijk-t_j,k+1)f_c,ijk＝q_ijk i∈HP,j∈CP,k∈S。