間歇化工過程熱集成問題的研究能夠促進(jìn)過程系統(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)競爭力,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程中常見算法。總結(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、熱儲罐系統(tǒng)和考慮調(diào)度的熱集成三個方面,并評述了與之相關(guān)的進(jìn)展、瓶頸和研究意義。指出了熱集成問題已成為當(dāng)前間歇化工過程的研究熱點(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,因此對間歇化工過程優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求。 

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

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

三維級聯(lián)圖[9]

近年來，連續(xù)時間模型（continuous-time representation）在求解間歇過程調(diào)度問題中得到了廣泛應(yīng)用，以此為基礎(chǔ)展開了對間歇過程調(diào)度和熱集成同步優(yōu)化的研究。圖5解釋了連續(xù)時間模型和離散時間模型的區(qū)別。連續(xù)時間模型與離散時間模型不同的是，允許事件在任意時刻發(fā)生，因此減少了很多不必要的時間點(diǎn)的存在。Majozi[55]利用連續(xù)時間模型求解間歇化工熱集成問題，并說明了該模型具備的三大優(yōu)勢：(1)相較于離散時間模型使用了更少的二元變量；(2)放寬時間約束；(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)化問題。Chen和Chang[3]利用連續(xù)時間模型和資源-任務(wù)網(wǎng)絡(luò)（resource-task network）對間歇過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)上引入了熱儲罐系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了過程的節(jié)能效果；隨后對熱儲罐參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，考慮了熱儲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題[57]；并將魯棒準(zhǔn)則運(yùn)用到多目的廠的同步優(yōu)化中[58]，能夠獲得更優(yōu)的目標(biāo)值、較少的所需時間點(diǎn)和較短的計(jì)算時間。Lee等[59]對流股在轉(zhuǎn)移過程中的熱集成可能性進(jìn)行研究，減少了流股占用設(shè)備的時間，在節(jié)能的同時提高了產(chǎn)量，隨后改進(jìn)模型[60]對換熱器數(shù)量也進(jìn)行了優(yōu)化。間歇過程的調(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)化過程中的關(guān)聯(lián)性。分步優(yōu)化的優(yōu)勢在于：(1)求解難度低，將復(fù)雜問題拆分成易于求解的子問題分別求解，可以快速求解大規(guī)模復(fù)雜問題；(2)不犧牲總體生產(chǎn)效率，對于某些小批量、高附加值的精細(xì)化工產(chǎn)品，由于其工藝路線、產(chǎn)品方案的優(yōu)化所產(chǎn)生的效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過能量綜合優(yōu)化的效果，此時采用分步優(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問題，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，對于工藝、設(shè)備技術(shù)趨于成熟的生產(chǎn)過程，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)競爭性。但是同步優(yōu)化需要考慮的問題多，模型復(fù)雜，求解難度較大。

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

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3127810