低温过程多流股换热器网络综合

　　化工进展C08低温过程多流股换热器网络综合马相坤\姚平经y（1人连理工人学化工系统工程研究所，大连116012；2德国汉堡国防大学热力学研究所，德国，汉堡，D-22039）的选取上充分考虑了流股热力学平均温度的影响，使其取值更加合理；冷公用二程的利用不同于常温换热网络，温度越低其相应的费用越高，通过采用分批-逐次利用的原理分配冷公用工程，得到冷公用工程的温位及相应的匹配位置，能够有效地利用过程系统的传热温差，降低换热网络的操作费用；该方法利用虚拟r-//图法产生初始解，具有决策变量少，产生初始解均为可行的特点，能显著提高遗传模拟退火算法的计算效率，并适用于不同材质、不同传热膜系数网络的设计和优化：以国内某乙烯装置脱坑塔预冷系统综合为实例进行了分析。

　　近年来，随着能源的日益短缺，多流股换热器以其高效、结构紧凑以及投资低的优势，受到了众多学者的关注。Yee，Grossmann等4早进行了多流股换热器网络综合问题的研究；俞红梅、魏关锋131等基于Yee提出的超结构模型，用遗传模拟退火算法进行多流股换热器网络的综合；XingLuo等通过引用匹配矩阵提出了一维多流股换热器网络的综合方法。

　　多流股换热器主要应用在空气分离、天然气液化、合成氨、乙烯装置等低温过程工业中（多以冷箱的形式存在）。低温过程换热器网络与常温过程换热器网络的综合方法是不同的，主要表现在两个方面；首先是冷热流股的传热温差贡献值很小I有的甚至1K左右），其值的选取存在一定困难，较小的变化就会对整个换热网络产生很大的影响，因此在冷热流股的温差贡献值取值上必须充分考虑低温过程冷热流股温度的影响；其次是冷公用工程采用中间公用工程（冷剂），不同温位的冷剂费用是不同的，温位愈高其相应的费用愈低，因此利用温位较高的冷公用工程将是低温过程换热器网络综合的重点。本文针对低温过程换热网络的特点，提出了在虚拟温焓图上利用遗传/模拟退火算法进行多流股换热器网络综合的方法，该方法在流股温差贡献值的选取上充分考虑了流股热力学平均温度的影响，并且能尽可能利用高温位冷公用工程，降低换热网络的操作费用，以冷热流股的温差贡献值为优化变量，以达到有效利用传热温差的目的。

　　1题的描述低温换热器网络综合问题可描述为：有个热流股（记为集合//=山+= 0，1\-1丨）需要冷却，/vc个冷流股（记为集合MT=yIy=0，1，a/Vc-1）需要加热。它们的初始温度7，目标温度7；ul、热容流率及传热膜系数A给定。另有一组热公用工程可以利用，冷公用工程未知。换热器采用逆流换热的方式，其设备费用函数己给定。目标之一确定冷公用工程的温位及其匹配，目标之二是确定具有小年度化总费用的换热器网络结构，包括所需要的公用工程负荷、换热面积、单元设备数、每个换热器的热负荷及操作温度、流股的匹配及每个分支流股的流量。

　　2温差贡献值的影响因素――流股热力学平均温度低温过程系统中，主要是利用冷工艺物流冷却热工艺物流，希望合理地把冷热物流匹配在一起，提高过程的冷回收效率，以便尽可能地减少公用工程冷却负荷，以降低换热网络的操作费用。夹点位置限制了换热网络冷回收量的大小，而流股温差贡献值是决定夹点位置的关键因素――其值的大小直接影响过程系统能量回收的大小以及换热网络的匹配结构，即流股传热温差贡献值越小，热回收量越多，所需的加热公用工程和冷却公用工程的量越少，但因流股传热温差贡献值小，使整个换热网络的传-马相坤U979-），男，博士研究生。联系人姚平经，教授，博士生导师，从事化X过程系统工程领域研E-mailya<4）jdhjLedu.cn.热温差均相应减小，系统所需的换热面积增大，造成网络投资费用增加。相反，流股传热温差贡献值越大，热回收量越小，系统的操作费用增大，系统传热温差大，换热网络的换热面积小，投资费用小。

　　流股传热温差贡献值实质上是该流股侧传热的温差推动力，它与流股的物理性质、流动状态以及换热器所用的材料有关。近年来流股传热温差贡献值受到广泛的关注，通常是根据流股和系统中各流股的不同传热膜系数等参数以及因换热器材质结构等不同而引起的价格差异，来确定各流股在换热N传热温差的贡献值。在过程系统中，传热过程的有效能损失是不一样的。对相同的传热温差而言，高温段的有效能损失要比低温段的有效能损失小很多；换言之，对相同的有效能损失而言，高温段的传热温差比低温段的传热温差大得多。因此我们在流股匹配换热中采用换热系统中等有效能损失分布原则，使得能量流动更加合理。

　　假定一条热流股与一条冷流股逆流传热，传递的热量为IkW.规定热流股的温度变化区间为，冷流股的温度变化区间为从、可以看出：对于相同的有效能损失，高温段的传热温差比低温段的传热温差要大很多。所以为了使传热过程能量流动更加合理，有效能损失分布均匀，传热温差在高、低温段的选取就至关重要。在高温部分采用大的传热温差，在低温部分采用小的传热温差，这样整个传热过程的有效能损失分布均匀合理，并a同时考虑到经济性和热力学影响因素。

　　在给定的传热量和有效能损失量的情况下，流股间传热温差近似与其热力学平均温度的平方成正比。换句话说，当温度降低时，为了保持相同的有效能损失量，传热温差A7"必须近似以温度的平方降低。例如，对于同样多的传热量和有效能损失量，50K级冷交换器的传热温差近似为500K级热交换器的传热温差的一，因此在低温过程换热网络综合中，流股传热温差贡献值的选取应充分考虑流股温位的影响，用热力学分析法确定出一种计算流股适宜传热温差贡献值的方法，得到，kWnK' hr――流股r侧的传热膜系数〔包括该侧污垢热阻的影响），knf2*K1；（热流股或冷流股）的传热温差贡献值，K；Arcr――流股r的传热温差贡献值，K.计或经验选取；A、可以较准确地计算出来或根据经验估算出来。

　　3冷公用工程的分批-逐次利用低温过程换热器网络综合采用低温冷剂作为冷公用工程，在中冷公用工程作为冷源与冷、热流股一起进行综合。由于冷剂温位愈低其操作费用愈高，因此低温过程换热器网络综合应尽可能的利用高温位的冷公工程，以减少操作费用，本文在冷化工进展公用工程未知的情况下，根据流股虚拟温度的T-H图确定过程的小冷公用工程用量，采用分批逐次加入冷公用工程的方式，确定冷公用工程的温位及匹配位置，使冷公用工程的温位更为合理。

　　（a）所示为一次性加入冷公用工程方式，在确定小的冷公用工程负荷以后，把冷组合曲线向左移动使其左端点与热组合曲线左端点对齐，如U）中虚线所示，找到冷组合曲线与热组合曲线的交点：，交点右边的部分冷组合曲线温度高于热组合曲线温度，需加入冷公用工程使交点右边的冷组合曲线向右移动直到出现接触点，加入冷公用工程负荷其操作费用为心一冷公用工程费用；一冷公用工程负荷，kW一单位冷剂费用。

　　（b）所示，找到冷组合曲线与热组合曲线的交点乃后，加入冷公用工程的数量是一个小于小的冷公用工程负荷的随机值（2d，然后寻找下一个交点r2加入剩余冷公用工程负荷2c2，其操作费用为低温过程换热网络中冷公用工程的温度愈高其操作费用愈低，从U）以及（b）中可以看出，因此f/n　　（1）采用流过的换热器合并为一台多流股换热器，即得到多流股换热器网络。

　　为了进行换热网络的同步优化和费用权衡，取网络的年度化费用为H标函数，包括公用T程费用、换热设备的固定费用及面积费用。换热设备（包括换热器、冷却器、加热器）的费用计算公式为C（+C*AS.其中项Cf为换热设备的固定费用，第二项为换热设备的面积费用，C、/1、S分别为换热面积费用系数、换热面积及指数。同步综合的R标函数为分别为冷却器和加热器的面积；任一个匹配（（/）（包括加热器和冷却器）的换热面积按公式A，y=/（LMr）计算，A为热流股与冷流股/匹配的总传热系数，按如下公式计算\ +\），LMrD为匹配换热的对数平均温差。为第t个焓间隔内多流股换热器/的换热面积，以每个流股的传热温差贡献值为决策优化变量，换热网络的年度化总费用为目标函数，利用遗传/模拟退火算法寻找优解，实现冷热流股传热温差贡献值与换热网络匹配结构的同步优化，得到终的换热网络。遗传模拟退火算法求解的详细步骡见。

　　5计算实例以国内某乙烯装置冷箱系统为例，提取数据见表1，其中冷公用工程用量为355kW，其相应的温位为175K.优化网络结构见，该网络结构包括6个冷箱换热器以及一个冷却器，优化网络对应的流股传热温差贡献值见表1中么7列。低温过程换热网络冷热流股的温差贡献值较小，从中可以看出，流股热力学温度高的其温差贡献值较大，流股热力学温度低的其温差贡献值较小，基本符合本文提出的温差贡献值取值规律。由于传热膜系数对温差贡献值也有一定影响，传热膜系数愈大旗温差贡献值愈小，并且各流股温差贡献值是在一定范围内随机取值优化，因此某些优化后得到的温差贡献值与流股温度的热力学平均温度的平方值比较有一定偏差。

　　表1国内某乙烯装董冷箱系统数据物流号初温/K终温/K初温/K终温/K卜优化网络米用一次性加入冷公用工程，冷公用工程负荷为197kW，其温位为190K，与现场乙烯装置冷箱系统相比，冷公用工程负荷能够降低44.5，冷公用工程温位提高了15K，操作费用大幅度的降低，可见本文提出了综合方法在工业应用上是可的。

　　（a）热流股温差贞献值与流股热力学温度平方的关系1.61.40.4（b）冷流股温差贡献值与流股热力学温度平方的关系本文针对低温过程换热网络传热温差较小的特点，在流股温差贡献值的选取上充分考虑了流股热力学平均温度的影响；在冷公用工程的利用上采用分批逐次加入冷公用工程，能够自动得到冷公用工程的合理温位和热负荷，降低换热网络的操作费用；基于流股虚拟温度的r-丑图构造多流股换热器网络作为遗传/模拟退火算法的初始解，以冷热流股的传热温差贡献值为决策优化变量，以换热网络的年度化总费用为目标函数，利用遗传/模拟退火算法求解，得到终的换热网络，实例表明本文所提出的方法能够有效地进行大规模低温过程换热网络的综合，对工程实践有一定的理论指导意义。

　　致谢感谢德国DFG项目（No.R0研究的支持。