間歇化工過(guò)程熱集成問(wèn)題的研究能夠促進(jìn)過(guò)程系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展并且提高產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力,順應(yīng)了化工發(fā)展大環(huán)境。本文介紹了以系統(tǒng)綜合優(yōu)化為目標(biāo)的間歇化工過(guò)程熱集成研究的發(fā)展現(xiàn)狀,整理了早期研究的三大通用圖解模型,并討論和比較了在建模求解過(guò)程中常見(jiàn)算法�？偨Y(jié)了當(dāng)前研究的重點(diǎn)在換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)優(yōu)化、熱儲(chǔ)罐系統(tǒng)和考慮調(diào)度的熱集成三個(gè)方面,并評(píng)述了與之相關(guān)的進(jìn)展、瓶頸和研究意義。指出了熱集成問(wèn)題已成為當(dāng)前間歇化工過(guò)程的研究熱點(diǎn),其中熱集成和生產(chǎn)調(diào)度的協(xié)同優(yōu)化十分必要,能夠從系統(tǒng)全局的角度上給出優(yōu)化方案。但由于間歇化工過(guò)程中存在較多的不確定性和約束條件,增加了熱集成的研究難度,因此對(duì)間歇化工過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求。 

【文章來(lái)源】：化工進(jìn)展. 2020,39(10)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)

【部分圖文】：

三維級(jí)聯(lián)圖[9]

近年來(lái)，連續(xù)時(shí)間模型（continuous-time representation）在求解間歇過(guò)程調(diào)度問(wèn)題中得到了廣泛應(yīng)用，以此為基礎(chǔ)展開(kāi)了對(duì)間歇過(guò)程調(diào)度和熱集成同步優(yōu)化的研究。圖5解釋了連續(xù)時(shí)間模型和離散時(shí)間模型的區(qū)別。連續(xù)時(shí)間模型與離散時(shí)間模型不同的是，允許事件在任意時(shí)刻發(fā)生，因此減少了很多不必要的時(shí)間點(diǎn)的存在。Majozi[55]利用連續(xù)時(shí)間模型求解間歇化工熱集成問(wèn)題，并說(shuō)明了該模型具備的三大優(yōu)勢(shì)：(1)相較于離散時(shí)間模型使用了更少的二元變量；(2)放寬時(shí)間約束；(3)目標(biāo)函數(shù)更為靈活，能夠給出短期操作的直接熱集成方案，因此能夠求解大規(guī)模優(yōu)化問(wèn)題。Chen和Chang[3]利用連續(xù)時(shí)間模型和資源-任務(wù)網(wǎng)絡(luò)（resource-task network）對(duì)間歇過(guò)程短周期和多周期操作的直接熱集成進(jìn)行研究，由于引入變化參數(shù)和調(diào)節(jié)參數(shù)，使得方程更加靈活。Majozi等[56]在此前研究[55]的基礎(chǔ)上引入了熱儲(chǔ)罐系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了過(guò)程的節(jié)能效果；隨后對(duì)熱儲(chǔ)罐參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，考慮了熱儲(chǔ)罐的蓄熱能力和中間熱交換媒介的初始溫度以及熱損失等問(wèn)題[57]；并將魯棒準(zhǔn)則運(yùn)用到多目的廠(chǎng)的同步優(yōu)化中[58]，能夠獲得更優(yōu)的目標(biāo)值、較少的所需時(shí)間點(diǎn)和較短的計(jì)算時(shí)間。Lee等[59]對(duì)流股在轉(zhuǎn)移過(guò)程中的熱集成可能性進(jìn)行研究，減少了流股占用設(shè)備的時(shí)間，在節(jié)能的同時(shí)提高了產(chǎn)量，隨后改進(jìn)模型[60]對(duì)換熱器數(shù)量也進(jìn)行了優(yōu)化。間歇過(guò)程的調(diào)度信息決定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息，熱集成匹配豐富了系統(tǒng)的參數(shù)信息，分步優(yōu)化和同步優(yōu)化都體現(xiàn)了調(diào)度和熱集成的在系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中的關(guān)聯(lián)性。分步優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)在于：(1)求解難度低，將復(fù)雜問(wèn)題拆分成易于求解的子問(wèn)題分別求解，可以快速求解大規(guī)模復(fù)雜問(wèn)題；(2)不犧牲總體生產(chǎn)效率，對(duì)于某些小批量、高附加值的精細(xì)化工產(chǎn)品，由于其工藝路線(xiàn)、產(chǎn)品方案的優(yōu)化所產(chǎn)生的效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)能量綜合優(yōu)化的效果，此時(shí)采用分步優(yōu)化策略較為適用。分步優(yōu)化的缺點(diǎn)在于無(wú)法得到全局的最優(yōu)解。同步優(yōu)化將調(diào)度和熱集成綜合成一個(gè)問(wèn)題，能夠協(xié)同優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度和熱集成，從而得到系統(tǒng)的最優(yōu)解，對(duì)于工藝、設(shè)備技術(shù)趨于成熟的生產(chǎn)過(guò)程，同步優(yōu)化能夠獲得更低的能源消耗和更少的設(shè)備投資，更有利于提高產(chǎn)業(yè)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)性。但是同步優(yōu)化需要考慮的問(wèn)題多，模型復(fù)雜，求解難度較大。

為了克服時(shí)間平均模型的缺點(diǎn)，Kemp等[7]提出了時(shí)間-溫度級(jí)聯(lián)法（time-dependent heat cascade analysis,TDHCA）。該方法將各個(gè)流股分配在不同的時(shí)間間隔內(nèi)，在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)利用夾點(diǎn)分析法建立時(shí)間-溫度級(jí)聯(lián)計(jì)算出總換熱量，并繪制出如圖2所示的過(guò)程總組合曲線(xiàn)（grand composite curve,GCC），確定每一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的熱集成情況，然后綜合考慮間歇過(guò)程調(diào)度，優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，回收低品位的熱能[8]。利用熱儲(chǔ)罐的形式，使得前一時(shí)間間隔夾點(diǎn)以下的熱量，儲(chǔ)存并傳送到后面的時(shí)間間隔內(nèi)的夾點(diǎn)上方使用，從而實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間間隔內(nèi)熱量的傳遞。Kemp等[9]還繪制了時(shí)間-溫度-熱量的三維熱級(jí)聯(lián)圖，如圖3所示，直觀反映了過(guò)程中溫度和熱流流率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)；并實(shí)例證明了該方法的優(yōu)勢(shì)[10-12]。時(shí)間-溫度級(jí)聯(lián)法的關(guān)鍵是分析與時(shí)間相關(guān)的溫度級(jí)聯(lián)表格，這種分析策略是連續(xù)過(guò)程問(wèn)題表格法的一種延伸。但時(shí)間-溫度級(jí)聯(lián)法在應(yīng)用過(guò)程中并沒(méi)有給出熱量貯存及釋放的具體信息，包括貯熱物流、貯熱量、貯熱溫度、貯熱時(shí)間及貯熱分配方案[13]。圖2 總過(guò)程組合曲線(xiàn)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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