【摘要】：近幾十年來,伴隨著能源需求的增加、化石能源儲備的快速枯竭、可回收能源的技術(shù)壁壘及對能源安全的擔(dān)憂,能源問題日益引起人們關(guān)注。隨著化工系統(tǒng)工程理論與過程集成技術(shù)的發(fā)展,目前換熱網(wǎng)絡(luò)(HEN)綜合的研究對于熱量回收、降低能耗已取得長足進(jìn)步。然而在煉油廠加氫精制工藝、氨與甲醇合成工藝、液化天然氣(LNG)凈化與液化流程的低溫工藝等流程中,流股壓力變化會引起大量能耗,單一地使用膨脹機(jī)與壓縮機(jī)無法有效回收過程的功量。若能在過程工業(yè)中考慮功集成甚至考慮功熱同步集成,將有利于提高能源利用效率,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。提高功、熱系統(tǒng)中壓力能和熱量的回收效率均是提高能量利用率的有效方法,目前的研究多局限于分別綜合功交換網(wǎng)絡(luò)(WEN)和換熱網(wǎng)絡(luò)。然而從全局角度出發(fā),功交換網(wǎng)絡(luò)和換熱網(wǎng)絡(luò)存在耦合關(guān)系:熱集成影響流股的壓縮、膨脹過程;而功交換過程改變流股的換熱匹配。因此本文開展了基于拓展超結(jié)構(gòu)的功熱交換網(wǎng)絡(luò)同步綜合的研究,提出了基于熱力學(xué)分析和數(shù)學(xué)規(guī)劃模型的功交換網(wǎng)絡(luò)綜合方法,以及功、熱交換網(wǎng)絡(luò)分步綜合方法和流股匹配規(guī)則,揭示功、熱交互作用機(jī)制,并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)探索了功、熱耦合同步集成的策略和方法。本論文主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)由于功交換器和換熱器的操作模式存在較大差異,換熱網(wǎng)絡(luò)中的夾點(diǎn)分析法不能直接應(yīng)用于功集成。為解決功交換網(wǎng)絡(luò)綜合問題,提出了等溫做功和絕熱做功條件下改進(jìn)的熱力學(xué)圖解法,該方法基于壓力指數(shù)-功量(μ-W)圖得到以功阱壓力為基準(zhǔn)劃分的各個壓力間隔并構(gòu)造功源、功阱組合曲線,在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的線性近似功阱輔助線和三條基于熱力學(xué)的匹配規(guī)則用于尋求流股間的可行匹配,從而得到具有最大功回收量和最小功公用工程用量的最優(yōu)功交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用文獻(xiàn)中兩個算例驗(yàn)證了該方法的有效性,本方法直觀地明確功交換過程的能量回收瓶頸,實(shí)現(xiàn)了功源、功阱間的一一匹配和功交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計。(2)鑒于圖解法搜索可行匹配的過程繁瑣,所要求的最小壓力差偏大,無法保證最優(yōu)匹配,為實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)規(guī)劃法在功交換網(wǎng)絡(luò)綜合中的有效應(yīng)用,建立了拓展轉(zhuǎn)運(yùn)模型,并以功公用工程用量最小和功交換設(shè)備數(shù)最少為目標(biāo)分步綜合絕熱做功過程的功交換網(wǎng)絡(luò)。分別采用構(gòu)造低壓流股中間壓力值的策略和合并相鄰壓力間隔的策略,并基于所提出的匹配規(guī)則及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略,用于自動搜索可行匹配得到初始的以及優(yōu)化后的功交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而進(jìn)一步減少功公用工程用量和功交換設(shè)備個數(shù)�；诖�,提出了換熱設(shè)備優(yōu)化配置與功交換網(wǎng)絡(luò)綜合耦合的思想,以年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù),依次采用直接引入換熱設(shè)備、調(diào)整相鄰功公用工程設(shè)備功量、壓力上下限值逼近的策略,達(dá)到節(jié)省膨脹(壓縮)機(jī)設(shè)備費(fèi)用和加壓、減壓公用工程操作費(fèi)用的目的。并深入探討等熵效率對功交換網(wǎng)絡(luò)綜合與換熱設(shè)備配置耦合過程的影響規(guī)律,可作為功熱交換網(wǎng)絡(luò)綜合的基礎(chǔ)。(3)為有效權(quán)衡功熱集成過程中設(shè)備投資費(fèi)用和操作費(fèi)用,提出了一種功熱交換網(wǎng)絡(luò)分步綜合的方法,依次進(jìn)行功交換網(wǎng)絡(luò)綜合、流股冷熱性質(zhì)判定和換熱網(wǎng)絡(luò)綜合。構(gòu)建級內(nèi)考慮功公用工程且有分流的拓展分級超結(jié)構(gòu)進(jìn)行絕熱做功過程的網(wǎng)絡(luò)綜合,以年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)得到混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP)模型,求解得到最優(yōu)的功交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);提出流股冷熱性質(zhì)的判定方法及功、熱網(wǎng)絡(luò)兩個超結(jié)構(gòu)的耦合策略,基于確定的換熱匹配冷熱流股數(shù)實(shí)現(xiàn)功熱交換網(wǎng)絡(luò)分步綜合。針對溫度與壓力變化一致與不一致的不同操作工況,進(jìn)一步探究功熱集成順序優(yōu)化和流股冷熱性質(zhì)變化對整個系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。并基于設(shè)備(?)損理論對所得的功熱交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱力學(xué)分析,探討功、熱不同子網(wǎng)絡(luò)之間的用能合理性,從而明確網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中能量損失與經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)目標(biāo)之間的關(guān)系,進(jìn)而為后續(xù)功熱交換網(wǎng)絡(luò)同步綜合奠定理論基礎(chǔ)。(4)在分步集成的基礎(chǔ)上,提出了基于WEN與無區(qū)別HEN耦合拓?fù)涑Y(jié)構(gòu)的功熱交換網(wǎng)絡(luò)同步綜合方法,從全局角度進(jìn)一步探索功、熱兩個子網(wǎng)絡(luò)的整體最優(yōu)化。提出了基于流股冷熱性質(zhì)識別與功交換、換熱匹配優(yōu)化相結(jié)合的同步綜合策略,建立以功熱交換網(wǎng)絡(luò)年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)的MINLP數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)包含預(yù)先指定高低壓流股和流股冷熱性質(zhì)不確定的功熱交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計。在WEN超結(jié)構(gòu)的進(jìn)口處、級間和出口處同時考慮熱集成,并對每一條潛在的換熱流股優(yōu)化選擇末端冷卻器和加熱器。針對同步優(yōu)化模型復(fù)雜、求解困難等問題,采用所提出的一系列熱力學(xué)策略和確定性算法組合的方式簡化模型及強(qiáng)化求解過程。對文獻(xiàn)中的兩個算例采用該方法進(jìn)行功熱同步集成的優(yōu)化設(shè)計,證明所提出的同步綜合策略能有效提高功熱交換網(wǎng)絡(luò)的能源效率和經(jīng)濟(jì)效益。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ083.4
【圖文】：

基于拓展超結(jié)構(gòu)的功熱交換網(wǎng)絡(luò)同步綜合研究邐逡逑能源利用形式主要有煤炭、石油、天然氣、核能以及可再生能源等，其中現(xiàn)階段煤逡逑是我國能源消耗結(jié)構(gòu)中主要組成部分。近年來，隨著油氣田的開采和利用使我國能源逡逑費(fèi)結(jié)構(gòu)有所調(diào)整，煤炭比重有所下降。根據(jù)《ＢＰ世界能源統(tǒng)計年鑒２０１７》［１６］可知，逡逑０１６年天然氣消耗增長量最快，達(dá)７．７％，而煤炭呈負(fù)增長（－１．６％）；在能源消耗結(jié)構(gòu)逡逑，煤炭由２０１５年的６４％下降至６２％；可再生能源如太陽能、風(fēng)能以及核能的消費(fèi)量逡逑均有所提升，能源利用的結(jié)構(gòu)正向清潔、高效、低碳方向轉(zhuǎn)變，但與世界能源結(jié)構(gòu)相逡逑，天然氣消耗量僅占世界總消耗量的５．９４％，不符合灰色系統(tǒng)理論模型所預(yù)測的天然逡逑氣需求量ｔ１７］，而煤炭消耗量占據(jù)５０．５８％。短期內(nèi)，煤炭仍將為中國能源結(jié)構(gòu)中的主要逡逑分。據(jù)國際能源署預(yù)計，未來３０年我國能源消耗總量將持續(xù)增長，預(yù)計２０４０年將達(dá)逡逑４８３４百萬噸油當(dāng)量，如圖１．２所示［１８’１９］。逡逑Ｃｈｉｎｎ＇ｓ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋Ｃｈａｎｇｅ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋Ｎｅｘｔ邋３０邋Ｙｅａｒｓ逡逑

從能量利用的角度來看，工業(yè)過程（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ邋Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）、換熱網(wǎng)絡(luò)（ＨＥＮ，Ｈｅａｔ逡逑Ｅｘｃｈａｎｇｅ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ）和公用工程系統(tǒng)（Ｕｔｉｌｉｔｙ邋Ｓｙｓｔｅｍ）是過程工業(yè)系統(tǒng)三個相互關(guān)聯(lián)的逡逑重要組成部分，如圖１．３所示［２４Ｕ換熱網(wǎng)絡(luò)作為連接工業(yè)過程中冷、熱流股與公用工程逡逑進(jìn)行能量交換的紐帶，是增加能量熱回收、降低整個系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵ｆ２５，２６ｌ。此外，換熱逡逑網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計還能夠顯著降低年度總費(fèi)用，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價值［２７＿２９】。換句話逡逑說，換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化在化工過程綜合與集成技術(shù)中占有舉足輕重的地位，是化學(xué)工業(yè)實(shí)逡逑現(xiàn)節(jié)能減排的重要方法，對于能量的回收和合理利用具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，一直是逡逑該領(lǐng)域研宄的熱點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容之一。逡逑／４ｍ逡逑邐／＼丨＼邋…，逡逑原料／、工業(yè)過程邐＼副產(chǎn)品＿逡逑／＾／ｉ邐＾ｖ＼逡逑燃料邋／［邐＾邐邐邐＼逡逑公用工Ｓ邐換熱》網(wǎng)絡(luò)邋＼逡逑＾１一１■—！＼逡逑圖１．邋３過程系統(tǒng)總覽圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ａｎ邋ｏｖｅｒａｌｌ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑熱回收的優(yōu)化設(shè)計對于解決能源的高效利用已被證明是可行的、有效的，然而系統(tǒng)逡逑在實(shí)際運(yùn)行過程中對流股的溫度和壓力均有一定的要求，同時流股壓力的變化會改變過逡逑程流股間的熱集成

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2722081