多股流换热器网络及其衍生网络法综合优化

　　化工进展2Q06年第C18多股流换热器网络及其衍生网络法综合优化崔国民，陆贞，张勤（上海理工大学，上海200093）器网络综合优化方法，重点在衍生网络的生成、多股流换热器网络的合成以及全局优化格式的生成等方面进行了探讨，结果表明，采用衍生网络的方法能够实现多股流换热器网络的优化。

　　换热器网络是石油化工、能源动力、低温工程等领域广泛应用的工艺环节，其设计的合理性和高效性直接关系到工业系统整体性能。而换热器网络的综合和优化即是要充分利用工艺物流的能量，尽量减少公用设施费用，使系统总费用小。实践表明，通过对已有的换热器网络的优化和改造以及对新型换热器网络的综合优化，可以显著地提高能量利用效率，达到节能增效的目的。在现代工业系统中，通过这种途径产生的经济效益是十分可观的，例如，ICI公司应用窄点法对已有的换热器网络进行优化和调整以后，不但节省了设备投资，而且仅燃料费用一项每年就节约120万美元，获得了相当可观的效果。在我国这方面的成功经验也很多，例如，清华大学化工系统工程教研室在20世纪80年代，通过对炼厂原油预热网络的优化改造，使得加热炉负荷降低40，年经济效益达140万元。

　　因此，近几十年来，换热器网络的综合和优化技术得到了迅速的发展，并且已经成为过程系统综合的一个重要分支。

　　多股流换热器网络是一种新型的换热器网络。

　　与传统的两股流换热器相比，具有效率高、结构紧凑、散热（跑冷）损失小等优点及投资低等突出的特点。而在换热器网络中，如果能够以多股流换热器代替常规的两股流换热器，那么也必将大大简化现有的换热器网络系统、提高整个换热网络的效能，达到节能和节省投资费用的目的。尽管如此，在过去30多年里，人们主要是以两股流换热器所组成的换热器网络作为研究对象，而忽略了多股流换热器网络的综合和优化研究。鉴于此，本文将重点讨论多股流换热器网络及其综合优化，提出了一种衍生网络的方法用来兼顾局部网络和全局网络的优化。

　　1多股流换热器网络及其优化综合的特点所说的多股流换热器网络是指整个网络由多股流换热器组成或者部分是由多股流换热器组成的换热网络，也就是说，多股流换热器网络中必须要包含多股流换热器。这种网络不同于以往的换热器网络，因为传统网络尽管其内部包含有众多种类的换热流体，但是其基本换热单元是由两股流换热器构成的，因此其基本优化方法仍是两股流换热器网络的优化方法；而多股流换热器网络中必须存在一个或者更多的多股流换热器，因此，这种换热器网络不能直接采用两股流换热器网络的优化方法。

　　那么，多股流换热器及其网络有什么优点呢，一方面，就单体的多股流换热器而言，其自身就相当于一个两股流换热器网络，由于众多股流体都集中于一个换热器本体内，因此多股流换热器具有效率高、结构紧凑、散热（跑冷）损失小等优点；另一方面，多股流换热器回避了两股流换热器换热网络性能与设备投资之间的矛盾。因为两股流换热器网络如果在提高性能的单一目标下，总是以换热器台数和单台换热器的换热面积为代价的，而换热器台数的增加对于综合费用提高具有更大的权重，因此说两股流换热器网络性能和综合费用（设备费用）之间的矛盾是制约其性能进一步提高的主要瓶颈，基金项目国家自然科学基金资助项目（NO20406011）；上海市重大科技攻关项目（5dzl2028）；上海市重点学科（T0503）：上海市青年科技启明兴项目（04gmzl454）。

　　崔国民（1969-），教授，博士生导师尽管采用了众多的优化方法也无法突破这一制约。

　　而多股流换热器集多流体丁一身，在提高流体间换热性能的基础并不以换热器的台数为代价，因此能够很好地解决两股流换热器网络的这一矛盾。

　　所谓的多股流换热器网络的综合包含两层意义：其一就是如何将现有的两股流换热器网络部分或者全部以多股流换热器的形式代替，从而发挥多股流换热器的自身优势；其二则是通过何种手段实现多股流换热器间以及多股流换热器与两股流换热器间的网络综合和优化，从而实现整个系统的优化。这两方面的内容都涉及到多股流换热器构成的局部网络与所有换热器组成的全局网络的协调问题，否则将造成顾此失彼能发挥多股流换热器网络的应用优势。

　　2多股流换热器网络综合的衍生网络法从前面的分析可以看出，在换热器网络中部分采用多股流换热器的基本换热单元构成的换热网络能够从本质上提高换热器网络的综合性能。但是，这样构成的网络与传统的两股流换热器网络存在很大的不同，+能简单地套用以往的换热网络综合技术。因为多股流换热器网络的综合不怛涉及到整个换热器系统的综合和优化技术，更为突出的体现为由于多股流换热器的存在而产生的许多网络综合新问题，一种可行的方法是将多股流换热器等效为两股流换热器网络来处理，然而，这种等效不能变成简单的“加和”和“分解”处理，而更应考虑等效过程中由于多股流换热器自身通道排列效应和翅片旁通效应产生的衍生换热器和衍生网络以及衍生结构的问题，另外，由于多股流换热器特有的温度交叉现象，也会在网络综合过程中产生衍生约束问题，这些都是多股流换热器网络综合过程中的关键问题。采用衍生约束方法进行了多股流换热器网络的优化，但是，这种优化方法从本质上讲是一种分步优化方法，即首先完成多股流换热器单体的优化综合，然后形成衍生约束，在此基础上进行整个网络的优化，因此获得的是网络的相对有解。

　　鉴于此，本文建立了一种能够实现多股流换热器的局部网络和全局网络性能的同步优化方法――衍生网络优化方法。该方法能够应用以往的比较成熟的多股流换热器优化设计方法和两股流换热器网络的综合优化技术成果，并a将多股流换热器的优化和换热器网络的整体综合优化同步进行，能够获得网络的全局有解。

　　2.1多股流换热器的分解及合成衍笙网络优化方法的关键是多股流换热器的分解及合成技术，所谓的分解就是如何将特定结构的单体换热器等效为换热器网络；而合成则是将通过全局优化的来的局部网络及成为单体的多股流换热器。

　　2.1.1多股流换热器等效为两股流换热器网络任何一个多股流换热器都可以等效化为一个两股流换热器网络，而等效过程中不但要考虑到不同流体间的直接传热，而要考虑通过中间流体的间接传热，因此等效的网络可以有不同的结构，而不同的结构也对应特定的参数。本文通过考虑所有流体间传热的并行单级超结构进行多股流换热器的等效化。以一个四股流换热器为例，其等效化的结构如所示。

　　从图可以看出，这种等效化考虑到了任体间的换热，对于同为冷或热的流体，在不考虑旁通效应以及温度交义现象时，换热器面积为0；对于不直接换热的流体间的换热面积不能认为是0，因为这种等效化是一种综合换热效果的等效化，考虑了通过中间流体换热的终效果，因此流体在进入等效化网络时可以不考虑分流，认为进入每一个单体换热器的流量都相同，并且等于原始流量。因此，获得局部网络参数，即各个单体换热器的结构参数问题就转化为一个连续性变量的优化问题，可以采用单纯形法进行求解。

　　2.1.2多股流换热器的合成当应用传统网络完成全局网络的优化以后，将得到一个全新的代表多股流换热器的局部网络，因此，必须将该网络综合成新的多股流换热器，这里就涉及和应用到多股流换热器优化问题。本文采用温差均匀性丙子2，因子；Q. Z>1流体通道温差的大值，min（/，/+1）是i和1：泣，则换热网络的优化目标即可表述为min￡。2.2.2约束条件每个流股的热平衡流体通道的低温度值。K是每一个流体通道的子单元，《为流体通道数目。此式表明温差越均匀，那么步multi值就越接近于1，当温差处处相等时，0multl=1.而对于多股流换热器来说，温差场越均匀，其换热效能就越高，因此优化的0标函数小值即对应多股流换热器的佳设计结果。

　　约束条件冷流体：（3）热量；W，％分别表示/、/流体的热容流率；：T代表温度；下角标H、C分别代表热和冷流体，in、out分别代表入口和出口处的参数值；凡，7VH分别为冷流体和热流体数目，n =iVe+iVH.2.2全局网络的优化当完成多股流换热器的分解以后，全局网络的数学描述如下。

　　2.2.1目标函数取年度综合费用￡为换热网络的优化目标，其包括设备投资年折合费用￡c与公用工程年成本￡u.fiu又可分为年冷公用工程成本￡uc和年热公用工程成本￡UH.换热常用费用计算公式取《Ab，a，A，上角标6分别为换热面积费用系数，换热面积及指数……化工崔国民，陆贞，张勤高孝忠。多股流换热器网络及其衍生约束法综合优化研究。中国工程热物理学会传热传质学术会议，崔民，卢洪波，等。场协N下的多股流换热器换热性能研究。

　　多股流换热器网络优化结果及参数分布