【摘要】：工業(yè)過程需要消耗大量的水和能量。隨著工業(yè)化進(jìn)展的日益加快,水資源短缺成為了當(dāng)前困擾人類的難題。能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈,我國(guó)對(duì)能源的需求量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì),并成為全球第二大的能源消耗國(guó)。水和能量消耗同時(shí)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題。龐大的水和能源消耗中有一部分是由于錯(cuò)誤的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),不合理的技術(shù)運(yùn)用,錯(cuò)誤的管理理念導(dǎo)致的。如何通過換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化(heat exchanger network synthesis-HENS)、用水網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化(water networks synthesis-WNS)、水熱網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化(heat-integrated water networks synthesis-HIWNS)達(dá)到節(jié)能、節(jié)水的目標(biāo)迫在眉睫。用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的方法比較成熟,但評(píng)估用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果方面的研究稀少;換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和水熱集成優(yōu)化主要依賴于數(shù)學(xué)優(yōu)化法尤其是同步優(yōu)化法,傳統(tǒng)的混合整形模型(mixed integer nonlinear programming-MINLP)對(duì)初值的依賴性強(qiáng)。本文的工作主要針對(duì)上述問題展開。首先,提出折點(diǎn)法(inflection point method IPM)用于單一污染物的用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。折點(diǎn)法是基于物料衡算得出的一組理論公式,用于計(jì)算用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標(biāo)值:新鮮水的最低消耗量、再生水的最低消耗量、新鮮水和再生水用量之間的關(guān)系。通過上述目標(biāo)值進(jìn)而可以計(jì)算得到新鮮水用量和成本之間的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果。由于折點(diǎn)法得到的是全局最優(yōu)解,可以用于評(píng)估夾點(diǎn)技術(shù)、數(shù)學(xué)優(yōu)化等方法優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。其次,建立非線性模型(nonlinear programming-NLP)用于換熱網(wǎng)絡(luò)的同步優(yōu)化。換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化主要采用混合整形非線性模型。基于Yee和Grossmann(Comput.Chem.Eng.1990,14,1165-1184)建立的混合整形非線性模型,本文除去整型變量建立非線性換熱網(wǎng)絡(luò)模型。該模型引入非線性約束達(dá)到除去整形變量的目的。計(jì)算換熱面積所需的總傳熱溫差計(jì)算過程融合在目標(biāo)函數(shù)中,因此非線性模型不需要傳熱溫差變量。變量個(gè)數(shù)和類型的減少,降低了求解過程的復(fù)雜性。應(yīng)用GAMS中的Branch-And-Reduce Optimization Navigator(BARON)求解器求解非線性換熱網(wǎng)絡(luò)模型,求解過程不需要進(jìn)行初值的選取。本文選取12個(gè)案例驗(yàn)證非線性換熱網(wǎng)絡(luò)模型,案例包含多種規(guī)模:流股數(shù)在4-39范圍內(nèi),其中39個(gè)流股的案例是文獻(xiàn)所報(bào)道的最大案例。通過12個(gè)案例分析發(fā)現(xiàn)本文建立的非線性模型不僅可以應(yīng)用于中小型換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)而且可以準(zhǔn)確的求解大型換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。最后,以建立的非線性換熱網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ),建立非線性水熱集成優(yōu)化模型。水熱集成優(yōu)化過程需要應(yīng)用整形變量判斷流股的性質(zhì)-冷流股、熱流股,非線性水熱集成優(yōu)化模型采用非線性約束替代該過程中的整形變量。在非線性換熱網(wǎng)絡(luò)模型降低變量個(gè)數(shù)基礎(chǔ)上,非線性水熱集成優(yōu)化模型進(jìn)一步降低了水熱集成優(yōu)化模型的變量個(gè)數(shù)。變量個(gè)數(shù)的減少,降低了求解過程的復(fù)雜性。應(yīng)用GAMS中的BARON求解器非線性水熱集成優(yōu)化模型,求解過程不需要進(jìn)行初值的選取。通過7個(gè)涉及單一污染物和多污染物的案例分析,發(fā)現(xiàn)本文建立的非線性模型可以準(zhǔn)確的應(yīng)用于水熱集成優(yōu)化。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU991.4

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 倪錦;崔國(guó)民;姜慧;胡向柏;;考慮工況變遷和兼顧運(yùn)行的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];化學(xué)工程;2010年05期

2 倪錦;崔國(guó)民;姜慧;胡向柏;;兼顧求解速度和精度的換熱網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模擬方法[J];化學(xué)工程;2010年06期

3 張宏利;朱燕玲;鄭俊;;利用夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化蒸餾換熱網(wǎng)絡(luò)[J];節(jié)能;2011年05期

4 霍兆義;張曉玲;尹洪超;;換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模擬優(yōu)化[J];化工學(xué)報(bào);2012年02期

5 李智川;崔國(guó)民;俞巧心;;換熱網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)柔性及其優(yōu)化[J];華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2012年02期

6 王金陽(yáng);崔國(guó)民;李智川;胡向柏;;一種分步匹配的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法[J];化工學(xué)報(bào);2012年S1期

7 劉新文;羅行;馬虎根;;換熱網(wǎng)絡(luò)改造可行性研究[J];節(jié)能;2013年03期

8 彭富裕;崔國(guó)民;萬(wàn)義群;李智川;;一種基于優(yōu)選匹配原則的換熱網(wǎng)絡(luò)分步優(yōu)化方法[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2013年08期

9 袁俊生;毛煉;;換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的進(jìn)展[J];鹽業(yè)與化工;2013年07期

10 ;“換熱網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)綜合”通過鑒定[J];清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1982年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 嚴(yán)麗娣;霍兆義;尹洪超;;粒子群算法最優(yōu)同步綜合換熱網(wǎng)絡(luò)[A];中國(guó)化工學(xué)會(huì)2009年年會(huì)暨第三屆全國(guó)石油和化工行業(yè)節(jié)能節(jié)水減排技術(shù)論壇會(huì)議論文集（上）[C];2009年

2 張平;何小榮;;改造型換熱網(wǎng)絡(luò)綜合與模擬調(diào)優(yōu)的集成[A];過程系統(tǒng)工程2001年會(huì)論文集[C];2001年

3 張俊峰;羅雄麟;;換熱網(wǎng)絡(luò)合成問題的分析[A];第九屆全國(guó)化學(xué)工藝學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2005年

4 倪錦;崔國(guó)民;姜慧;胡向柏;;兼顧求解精度的有分流換熱網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)模擬[A];中國(guó)化工學(xué)會(huì)2009年年會(huì)暨第三屆全國(guó)石油和化工行業(yè)節(jié)能節(jié)水減排技術(shù)論壇會(huì)議論文集（上）[C];2009年

5 顧兆林;王贊社;馮詩(shī)愚;;酒精蒸餾換熱網(wǎng)絡(luò)用能與余熱制冷[A];低碳陜西學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2010年

6 張勤;崔國(guó)民;關(guān)欣;;換熱網(wǎng)絡(luò)的解析解及其精度的改進(jìn)[A];中國(guó)化工學(xué)會(huì)2005年石油化工學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2005年

7 姜濤;崔國(guó)民;倪錦;;基于一階滯后特性的換熱網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型及求解[A];中國(guó)化工學(xué)會(huì)2008年石油化工學(xué)術(shù)年會(huì)暨北京化工研究院建院50周年學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文集[C];2008年

8 解增忠;張俊峰;羅雄麟;;原油換熱網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)建模與仿真[A];第九屆全國(guó)化學(xué)工藝學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2005年

9 董其伍;王志彬;劉敏珊;靳遵龍;;換熱網(wǎng)絡(luò)多級(jí)綜合模糊評(píng)價(jià)模型[A];2006年石油和化工行業(yè)節(jié)能技術(shù)研討會(huì)會(huì)議論文集[C];2006年

10 顧兆林;王贊社;馮詩(shī)愚;;酒精蒸餾換熱網(wǎng)絡(luò)用能與余熱制冷[A];中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2009年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前1條

1 常曉飛 鄧民;石化裝置節(jié)能新技術(shù)增效顯著[N];中國(guó)化工報(bào);2003年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 趙慧鵬;多雜質(zhì)水和能量系統(tǒng)集成[D];河北工業(yè)大學(xué);2015年

2 閆方友;水熱網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化研究[D];天津大學(xué);2015年

3 靳遵龍;換熱網(wǎng)絡(luò)多級(jí)綜合策略研究[D];鄭州大學(xué);2007年

4 胡向柏;換熱網(wǎng)絡(luò)非線性特性及其全局最優(yōu)化研究[D];上海理工大學(xué);2012年

5 畢立群;換熱網(wǎng)絡(luò)智能綜合方法的理論研究與實(shí)踐[D];北京化工大學(xué);1995年

6 霍兆義;基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)的換熱網(wǎng)絡(luò)同步綜合與改造方法研究[D];大連理工大學(xué);2012年

7 依大科;考慮系統(tǒng)可靠性的柔性換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的研究[D];大連理工大學(xué);2013年

8 肖豐;柔性換熱網(wǎng)絡(luò)綜合與設(shè)備清洗安排同步優(yōu)化[D];大連理工大學(xué);2011年

9 趙亮;考慮多因素的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造方法研究[D];大連理工大學(xué);2013年

10 葛玉林;常減壓蒸餾流程模擬與優(yōu)化及換熱網(wǎng)絡(luò)綜合[D];大連理工大學(xué);2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 韓佳寶;采用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)玉米加工工藝換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

2 張曉玲;換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)研究[D];大連理工大學(xué);2011年

3 賈濤;換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)的研究[D];北京化工大學(xué);2008年

4 李飛;基于C++的最優(yōu)換熱網(wǎng)絡(luò)合成與分析程序設(shè)計(jì)[D];長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué);2012年

5 劉瑤;常減壓蒸餾裝置中換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬優(yōu)化研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

6 何巧樂;雙層優(yōu)化算法處理大規(guī)模換熱網(wǎng)絡(luò)[D];上海理工大學(xué);2014年

7 方大俊;微分進(jìn)化算法應(yīng)用于換熱網(wǎng)絡(luò)全局最優(yōu)化研究[D];上海理工大學(xué);2014年

8 宋迪;換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改進(jìn)及最優(yōu)控制的理論和方法研究[D];青島科技大學(xué);2015年

9 李韓偉;基于非線性溫焓關(guān)系的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合優(yōu)化[D];浙江工業(yè)大學(xué);2015年

10 沈琳;催化裂化裝置能量系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究[D];中國(guó)石油大學(xué)(華東);2014年

，

本文編號(hào)：2513571