隨著全球能源匱乏、能耗加劇,節(jié)約能源的重要性日益突顯。在整個(gè)社會(huì)生產(chǎn)過程中,過程工業(yè)能耗占比較大,其中功和熱是化學(xué)工業(yè)中廣泛使用的兩種重要能量形式。由于熱量、功量、溫度、壓力之間存在復(fù)雜的交互作用關(guān)系,即流股壓力的改變會(huì)導(dǎo)致溫度變化,同時(shí)流股溫度的改變亦會(huì)引起壓縮/膨脹功量的變化,因此研究功熱交換網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用對(duì)于提高過程整體能效具有至關(guān)重要的意義。針對(duì)目前化工過程中換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一、忽視壓力操作對(duì)換熱匹配的影響等問題,本文開展了基于拓展超結(jié)構(gòu)的功集成換熱網(wǎng)絡(luò)綜合研究,著重分析只有壓縮或者膨脹的單一壓力操作過程與換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的同步綜合。本論文的主要研究?jī)?nèi)容有:（1）針對(duì)壓縮過程與換熱網(wǎng)絡(luò)耦合問題,提出了一種冷流股分支流股上同時(shí)考慮換熱器和壓縮機(jī)的拓展分級(jí)超結(jié)構(gòu),建立了混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型,模型中分支流股為等壓、非等溫混合。壓縮可能導(dǎo)致流股冷熱性質(zhì)的改變,通過優(yōu)化選擇預(yù)冷器、末端公用工程加熱器/冷卻器以滿足目標(biāo)溫度要求。分別以?耗和年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),揭示了壓縮機(jī)的優(yōu)化配置與換熱網(wǎng)絡(luò)用能瓶頸之間的交互作用機(jī)制,并在此基礎(chǔ)上完成了多目標(biāo)分析。通過算例分析證明了提出的拓展超結(jié)... 

【文章來(lái)源】：大連理工大學(xué)遼寧省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：75 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

氮?dú)獾牟祭最D循環(huán)

圖1.1氮?dú)獾牟祭最D循環(huán)上述文獻(xiàn)基于熱力學(xué)分析探討了壓縮機(jī)、膨脹機(jī)優(yōu)化配置與換熱網(wǎng)絡(luò)用能瓶頸的耦合關(guān)系,但仍存在較多問題。冷流股經(jīng)壓縮后溫度升高可能表現(xiàn)為熱流股,同理,熱流股經(jīng)膨脹溫度降低可能表現(xiàn)為冷流股,但上述并未充分考慮壓縮/膨脹過程中流股冷熱性質(zhì)的可能變化。文獻(xiàn)只考慮一條冷/熱流股需進(jìn)行壓力操作,但在實(shí)際工藝流程中可能存在多條流股需進(jìn)行壓力操作,具有很強(qiáng)的局限性。另外,文中將低溫HEN與常溫HEN分開考慮,在低溫HEN中,流股的最高溫度低于環(huán)境溫度,則熱公用工程可由常溫空氣、水代替,所以忽略熱公用工程;同理,常溫HEN中忽略冷公用工程,即只考慮一種公用工程。雖然在熱力學(xué)上具有一定的可行性,但未考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

基于上述壓力操作路徑,Wechsung等[53]建立MINLP模型,構(gòu)建了如圖1.3所示的超結(jié)構(gòu),采用狀態(tài)空間法將夾點(diǎn)分析、?分析和數(shù)學(xué)規(guī)劃相結(jié)合,優(yōu)化低溫環(huán)境下包含壓縮和膨脹過程的換熱網(wǎng)絡(luò)。通過調(diào)節(jié)過程流股的壓力,減小換熱過程的不可逆性,從而降低能耗。為權(quán)衡設(shè)備投資和操作費(fèi)用,Onishi等[54,55]進(jìn)一步以年度總費(fèi)用最小為目標(biāo),建立了包含流股壓力操作的HEN同步綜合的優(yōu)化模型。該模型中流股的溫度和壓力均為優(yōu)化變量,并考慮將壓縮和膨脹過程耦合(即耦合連接渦輪機(jī)和壓縮機(jī))。當(dāng)渦輪機(jī)產(chǎn)生的功大于壓縮機(jī)所需要的功時(shí),考慮用閥門代替部分渦輪機(jī),因?yàn)殚y門本身的設(shè)備費(fèi)用與渦輪機(jī)相比可忽略,但使用閥門會(huì)增加系統(tǒng)的冷公用工程用量。因此,為有效權(quán)衡設(shè)備費(fèi)用和公用工程費(fèi)用,基于經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)優(yōu)化選擇渦輪機(jī)或閥門。隨后,進(jìn)一步將該優(yōu)化模型拓展以解決現(xiàn)有HEN的改造問題[56],通過調(diào)節(jié)流股壓力、優(yōu)化傳熱面積、換熱設(shè)備數(shù)目,增強(qiáng)熱集成,從而減少昂貴的冷公用工程用量,尤其在低溫工藝中其改造意義更大。基于Onishi的研究,Pav?o[57]提出了一種拓展的超結(jié)構(gòu),其中流股可多次通過特定的HEN分級(jí)超結(jié)構(gòu),并且在每次通過之間,都可以進(jìn)行壓力操作;并通過改進(jìn)用于HEN綜合的元啟發(fā)式求解方法,用以處理與功熱交換網(wǎng)絡(luò)(Work-Heat Exchange Network,WHEN)設(shè)計(jì)問題相關(guān)的新變量。之后,Onishi等人[58]從另一個(gè)角度出發(fā),提出了一種考慮熱集成的功交換網(wǎng)絡(luò)綜合優(yōu)化模型,證明了熱集成對(duì)于顯著提高功交換網(wǎng)絡(luò)(Work Exchange Network,WEN)能效、降低設(shè)備和操作成本具有決定性意義。2016年,Huang等[59]考慮間接式功交換網(wǎng)絡(luò)與換熱網(wǎng)絡(luò)同步綜合,提出了一種由兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)組成的用于功熱交換網(wǎng)絡(luò)綜合的多級(jí)超結(jié)構(gòu),其中一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)專門用于熱集成,另一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)用于功集成,如圖1.4所示,其中WEN超結(jié)構(gòu)如圖1.5所示,考慮使用SSTC(Single-Shaft-Turbine-Compressor)功交換器、單一的壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、閥門對(duì)壓力能進(jìn)行回收。該研究針對(duì)多流股壓力變化及末端加熱器/冷卻器優(yōu)化選擇方面進(jìn)行了改進(jìn),以年度總費(fèi)用(total annual cost,TAC)最小為目標(biāo)建立MINLP模型,得到最優(yōu)的WHEN結(jié)構(gòu)。此外,針對(duì)直接式功交換網(wǎng)絡(luò)與熱集成的耦合,由于直接式功交換存在復(fù)雜的壓力約束以及溫度與壓力間的非線性關(guān)系,莊鈺等[60]基于改進(jìn)的轉(zhuǎn)運(yùn)模型提出功熱分步集成的思想,先以公用工程用量最小為目標(biāo)函數(shù),建立非線性規(guī)劃模型,基于所提出的匹配規(guī)則和優(yōu)化策略得到最優(yōu)的功交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);然后在最優(yōu)的功交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入換熱設(shè)備,并以年度總費(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)備功率、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)用和功公用工程操作費(fèi)用的目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]考慮管殼式換熱器傳熱強(qiáng)化的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合研究進(jìn)展[J]. 肖武,史朝霞,姜曉濱,李祥村,吳雪梅,賀高紅,羅立.  化工進(jìn)展. 2018(04)
[2]BP世界能源展望:中國(guó)煤炭消費(fèi)2013年已經(jīng)達(dá)峰,碳排放可望2025年達(dá)峰[J]. E-Small Data.  新能源經(jīng)貿(mào)觀察. 2018(03)
[3]基于轉(zhuǎn)運(yùn)模型的功交換網(wǎng)絡(luò)綜合[J]. 莊鈺,劉琳琳,李繼龍,樊婕,滕佳志,都健.  化工進(jìn)展. 2015(04)
[4]考慮經(jīng)濟(jì)性的功量交換網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)匹配[J]. 馮霄,陳慧.  清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2012(03)
[5]考慮效率的功交換網(wǎng)絡(luò)問題表格法[J]. 周華,劉桂蓮,馮霄.  化工學(xué)報(bào). 2011(06)
[6]換熱網(wǎng)絡(luò)的新設(shè)計(jì)方法──三溫差法的應(yīng)用研究[J]. 王莉,姚平經(jīng),袁一.  化學(xué)工程. 1995(01)

碩士論文
[1]基于改進(jìn)超結(jié)構(gòu)的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造[D]. 俞杭生.浙江工業(yè)大學(xué) 2017
[2]基于轉(zhuǎn)運(yùn)模型的功交換網(wǎng)絡(luò)綜合[D]. 莊鈺.大連理工大學(xué) 2015



本文編號(hào)：3583868