專利名稱：一種基于△t-貢獻(xiàn)值修正的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種換熱網(wǎng)絡(luò)合成方法，尤其是一種基于改進(jìn)型AT-貢獻(xiàn)值的換熱 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化合成方法。
背景技術(shù)：
換熱網(wǎng)絡(luò)作為過程系統(tǒng)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，用于回收系統(tǒng)中可利用的能量，減少 對(duì)外部公用工程的需求，是化工、煉油等過程工業(yè)的主要組成部分之一，對(duì)于生產(chǎn)過程的能 量利用和節(jié)能降耗具有十分重要的意義。 換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合就是求解在滿足把每一股過程物流由初始溫度加熱或冷卻 到指定目標(biāo)溫度的前提下、具有最小的設(shè)備投資費(fèi)用和操作費(fèi)用的換熱器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
目前換熱網(wǎng)絡(luò)的合成方法主要分為夾點(diǎn)分析法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法以及人工智能方法。 在工程實(shí)踐中使用最廣泛的是夾點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，可作為發(fā)展其 它優(yōu)化方法的重要基礎(chǔ)。為解決具有不同膜傳熱系數(shù)的換熱流體的換熱網(wǎng)絡(luò)合成問題，有 學(xué)者提出了 AT-貢獻(xiàn)值方法，AT-貢獻(xiàn)值可用式(3)來計(jì)算
=《 (3) 在式(3)中，A Tj是流股j的溫差貢獻(xiàn)值，hj是流股j的傳熱系數(shù)，k和z是經(jīng)驗(yàn) 參數(shù)。對(duì)于給定的參數(shù)k、z，每條流股溫度的改變等于其對(duì)應(yīng)的AT-貢獻(xiàn)值大小。確定出 各流股的AT-貢獻(xiàn)值后，各流股修正后的溫度為 Cr仏,-a:t仏， (4) [ooos] d+Arcv (5) 其中，A TH,i和A Tc,j分別為熱流股i和冷流股j的A T_貢獻(xiàn)值；TH,i和Tc,j分別 為熱流股i和冷流股j的初始進(jìn)(出)口溫度；T*H,i和T*e,j分別為熱流股i和冷流股j修 正后的進(jìn)(出)口溫度。 A T-貢獻(xiàn)值方法的求解過程類似于傳統(tǒng)夾點(diǎn)分析方法，區(qū)別在于它是基于改變的 或變化的溫度T*H, i和T*e, j，而不是實(shí)際溫度TH, i和Te, j ;此外，運(yùn)用A T-貢獻(xiàn)值方法時(shí)，一 個(gè)十分重要的步驟是對(duì)參數(shù)k， z的優(yōu)化，而參數(shù)k和z的取值并不受限制。這就導(dǎo)致現(xiàn)有 基于AT-貢獻(xiàn)值的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法存在溫差修正隨意性、換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)性等 不足，因此發(fā)展更為有效的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與合成方法對(duì)過程工業(yè)的節(jié)能具有重要意義。目 前尚沒有基于改進(jìn)型AT-貢獻(xiàn)值的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化合成方法方面的相關(guān)成果。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有換熱網(wǎng)絡(luò)合成方法的溫差修正隨意性、缺乏系統(tǒng)性的不足，本發(fā)明 提供一種有效避免溫差修正隨意性、具有良好的實(shí)用性和系統(tǒng)性的基于AT-貢獻(xiàn)值修正 的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化合成方法。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 —種基于AT-貢獻(xiàn)值修正的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化合成方法，包括以下步驟
1)、計(jì)算換熱流體傳熱溫差貢獻(xiàn)值A(chǔ) T，并對(duì)貢獻(xiàn)值A(chǔ) T進(jìn)行修正，修正表達(dá)式為
ATH,i+ATc,j《H (1) 上式(1)中AT吣為熱流體i的傳熱溫差貢獻(xiàn)值，單位為t:; ATc,j為冷流體j的 傳熱溫差貢獻(xiàn)值，單位為"C ;TH,i為熱流體i的進(jìn)口溫度，單位為t: ;Te, j為冷流體j的進(jìn)口 溫度，單位為"C ; 2)、以熱力學(xué)分析為基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，采用數(shù)學(xué)建模的方法實(shí)行換熱網(wǎng)絡(luò)的能量目 標(biāo)、面積目標(biāo)、成本目標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同步綜合，具體過程如下 (2. 1)采用修正后的A T-貢獻(xiàn)值對(duì)各換熱流股的溫度進(jìn)行修正，繪制變夾點(diǎn)的溫 焓圖，獲得修正后的夾點(diǎn)溫度以及能量目標(biāo)； (2. 2)在溫焓圖上構(gòu)造變平衡復(fù)合曲線圖，分割焓區(qū)間，構(gòu)造換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)模 型； (2. 3)以總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，求解超結(jié)構(gòu)，獲得最佳換熱網(wǎng)絡(luò)；目標(biāo)函數(shù)的表 達(dá)式為 TAC = (QMn CH) + (Qcmin Cc) +CCAP (2) 上式(2)中TAC為換熱網(wǎng)路總的年度費(fèi)用，單位為元/年；Q^和Q^分別為所 述步驟(2. 1)中求得的最小熱、冷公用工程用量，單位為J/年；CH和Ce分別為換熱網(wǎng)絡(luò)中 使用的熱、冷公用工程的單位費(fèi)用，單位為元/J;C^p為網(wǎng)絡(luò)總的年度投資費(fèi)用，單位為元/年。 進(jìn)一步，在所述步驟(2. 3)中，求解超結(jié)構(gòu)模型時(shí)，規(guī)定最小傳熱面積約束條件， 使得換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)的求解過程中自動(dòng)剔除小負(fù)荷、小面積換熱器，實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的松弛。
再進(jìn)一步，在所述步驟(2.3)中，在某一給定的子焓區(qū)間k，如果有I條熱流股和J 條冷流股，那么在此子焓區(qū)間內(nèi)，共有(IXJ)個(gè)匹配數(shù)，而有效約束方程數(shù)為(i+J-i)，當(dāng) IXJ> I+J-l時(shí)，在確定此子焓區(qū)間內(nèi)熱負(fù)荷分配時(shí)需要進(jìn)行內(nèi)部子優(yōu)化，其優(yōu)化目標(biāo)為 此子焓區(qū)間內(nèi)的投資費(fèi)用最小化。 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為采用熱力學(xué)分析和數(shù)學(xué)計(jì)算相結(jié)合的系統(tǒng)方法，首先，基于
熱力學(xué)分析，對(duì)傳統(tǒng)的換熱流體傳熱溫差貢獻(xiàn)值A(chǔ)T進(jìn)行了修正；然后，采用夾點(diǎn)分析和
數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，將換熱網(wǎng)絡(luò)的能量目標(biāo)、面積目標(biāo)、成本目標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步綜
合；最后，通過增設(shè)最小面積約束條件實(shí)現(xiàn)了換熱網(wǎng)絡(luò)松弛與優(yōu)化的同步進(jìn)行。
本發(fā)明的有益效果為1、該方法通過增設(shè)溫差修正限制條件，避免了原有方法由
于溫差修正隨意性所導(dǎo)致的溫差修正值大于實(shí)際傳熱溫差這種不合理情況的出現(xiàn)；2、該方
法基于熱力學(xué)與數(shù)學(xué)相結(jié)合的思想，采用多層優(yōu)化策略，具有較好的實(shí)用性和系統(tǒng)性；3、與
傳統(tǒng)方法相比，通過增設(shè)最小面積約束實(shí)現(xiàn)了松弛與優(yōu)化同步綜合，求解效率高。


圖1是本方法的邏輯結(jié)構(gòu)圖。
圖2是優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
參照?qǐng)Dl，一種基于AT-貢獻(xiàn)值修正的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化合成方法，包括以下步驟
1)、計(jì)算換熱流體傳熱溫差貢獻(xiàn)值A(chǔ) T，并對(duì)貢獻(xiàn)值A(chǔ) T進(jìn)行修正，修正表達(dá)式為
A TH, i+ A Tc,」《TH, 「Tc,」 (1) 上式(1)中AT吣為熱流體i的傳熱溫差貢獻(xiàn)值，單位為t:; ATc,j為冷流體j的 傳熱溫差貢獻(xiàn)值，單位為"C ;TH,i為熱流體i的進(jìn)口溫度，單位為t: ;Te, j為冷流體j的進(jìn)口 溫度，單位為"C ; 2)、以熱力學(xué)分析為基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，采用數(shù)學(xué)建模的方法實(shí)行換熱網(wǎng)絡(luò)的能量目 標(biāo)、面積目標(biāo)、成本目標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同步綜合，具體過程如下 (2. 1)采用修正后的A T-貢獻(xiàn)值對(duì)各換熱流股的溫度進(jìn)行修正，繪制變夾點(diǎn)的溫 焓圖，獲得修正后的夾點(diǎn)溫度以及能量目標(biāo)； (2. 2)在溫焓圖上構(gòu)造變平衡復(fù)合曲線圖，分割焓區(qū)間，構(gòu)造換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)模 型； (2. 3)以總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，求解超結(jié)構(gòu)，獲得最佳換熱網(wǎng)絡(luò)；目標(biāo)函數(shù)表達(dá) 式為 TAC = (QMn CH) + (QCniin Cc) +CCAP (2) 上式(2)中TAC為換熱網(wǎng)路總的年度費(fèi)用，單位為元/年；Q^和Q^分別為所 述步驟(2. 1)中求得的最小熱、冷公用工程用量，單位為J/年；CH和Ce分別為換熱網(wǎng)絡(luò)中 使用的熱、冷公用工程的單位費(fèi)用，單位為元/J;C^p為網(wǎng)絡(luò)總的年度投資費(fèi)用，單位為元/年。 本實(shí)施例中，首先，基于熱力學(xué)分析，求解傳熱溫差貢獻(xiàn)值A(chǔ) T，并對(duì)換熱流體傳熱 溫差貢獻(xiàn)值A(chǔ)T附加修正條件；然后，采用夾點(diǎn)分析和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，將換熱網(wǎng)絡(luò)的能 量目標(biāo)、面積目標(biāo)、成本目標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步綜合；最后，通過增設(shè)最小面積約束條 件實(shí)現(xiàn)了換熱網(wǎng)絡(luò)松弛與優(yōu)化的同步進(jìn)行。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下 (1)采用AT-貢獻(xiàn)值對(duì)各換熱流股的溫度進(jìn)行修正，繪制變夾點(diǎn)的溫焓圖，獲得 修正后的夾點(diǎn)溫度以及能量目標(biāo)。 (2)在溫焓圖上構(gòu)造變平衡復(fù)合曲線圖，分割焓區(qū)間，構(gòu)造換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)模 型。 (3)以總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，在滿足熱量衡算約束條件、以及溫差修正約束和換 熱器最小面積約束的前提下，求解超結(jié)構(gòu)。特別地，在某一給定的子焓區(qū)間k，如果有I條 熱流股和J條冷流股，那么在此子焓區(qū)間內(nèi)，共有(IXJ)個(gè)匹配數(shù)，而有效約束方程數(shù)為 (i+J-i)，當(dāng)IXJ> I+J-l時(shí)，在確定此子焓區(qū)間內(nèi)熱負(fù)荷分配時(shí)需要進(jìn)行內(nèi)部子優(yōu)化，其 優(yōu)化目標(biāo)為此子焓區(qū)間內(nèi)的投資費(fèi)用最小化。
(4)滿足收斂條件時(shí)，結(jié)束計(jì)算，輸出最佳換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
5初始溫度 目標(biāo)溫度 熱容流率 傳熱系數(shù)
159 77 22.85 0.10
267 80 2.04 0.04
343 90 5.38 0.50
26 127 9.33 0.01
118 265 19.61 0.50
H4(ST) 300 299 - 0.05
C3(CW) 20 60 _^_0.20 換熱器費(fèi)用公式為1300XA°6$/yr ;熱公用工程費(fèi)用80$/kW yr，冷公用工程費(fèi) 用20$/kW yr。
表1實(shí)例數(shù)據(jù) 為了驗(yàn)證本發(fā)明的效果，并與現(xiàn)有國內(nèi)外現(xiàn)有方法進(jìn)行比較，本實(shí)施例采用的物 流數(shù)據(jù)如表1，該問題中存在3股熱流(Hl， H2， H3)，2股冷流(Cl， C2)，熱公用H4，冷公用 C3。 本方法的計(jì)算結(jié)果如表2所示，獲得的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2。案例研究表明，在同 等條件下，采用本發(fā)明方法所獲得的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有更小的換熱面積和年度總費(fèi)用。而 且由于該方法基于熱力學(xué)與數(shù)學(xué)相結(jié)合的思想，采用多層優(yōu)化策略，具有較好的實(shí)用性和 系統(tǒng)性。
熱公用工程冷公用工程面積換熱單年度總費(fèi)用
/kW/kW/m2元數(shù)/$.y"
1456.721248.042413.1224553822.1 表2計(jì)算結(jié)果 上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和 權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
流
1 CN- 3 1 2
H a H c c
權(quán)利要求
一種基于ΔT-貢獻(xiàn)值修正的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化合成方法，其特征在于所述換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化合成方法包括以下步驟1)、計(jì)算換熱流體傳熱溫差貢獻(xiàn)值ΔT，并對(duì)貢獻(xiàn)值ΔT進(jìn)行修正，修正表達(dá)式為ΔTH，i+ΔTC，j≤TH，i-TC，j(1)上式(1)中ΔTH，i為熱流體i的傳熱溫差貢獻(xiàn)值，單位為℃；ΔTC，j為冷流體j的傳熱溫差貢獻(xiàn)值，單位為℃；TH，i為熱流體i的進(jìn)口溫度，單位為℃；TC，j為冷流體j的進(jìn)口溫度，單位為℃；2)、以熱力學(xué)分析為基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，采用數(shù)學(xué)建模的方法實(shí)行換熱網(wǎng)絡(luò)的能量目標(biāo)、面積目標(biāo)、成本目標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同步綜合，具體過程如下(2.1)采用修正后的ΔT-貢獻(xiàn)值對(duì)各換熱流股的溫度進(jìn)行修正，繪制變夾點(diǎn)的溫焓圖，獲得修正后的夾點(diǎn)溫度以及能量目標(biāo)；(2.2)在溫焓圖上構(gòu)造變平衡復(fù)合曲線圖，分割焓區(qū)間，構(gòu)造換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)模型；(2.3)以總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，求解超結(jié)構(gòu)最優(yōu)化問題，獲得最佳換熱網(wǎng)絡(luò)；目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為TAC＝(QHmin·CH)+(QCmin·CC)+CCAP (2)上式(2)中TAC為換熱網(wǎng)路總的年度費(fèi)用，單位為元/年；QHmin和QCmin分別為所述步驟(2.1)中求得的最小熱、冷公用工程用量，單位為J/年；CH和CC分別為換熱網(wǎng)絡(luò)中使用的熱、冷公用工程的單位費(fèi)用，單位為元/J；CCAP為網(wǎng)絡(luò)總的年度投資費(fèi)用，單位為元/年。
2. 如權(quán)利要求l所述的一種基于AT-貢獻(xiàn)值修正的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化合成方法，其特征在 于在所述步驟(2.3)中，求解超結(jié)構(gòu)模型時(shí)，規(guī)定最小傳熱面積約束條件，使得換熱網(wǎng)絡(luò) 超結(jié)構(gòu)的求解過程中自動(dòng)剔除小負(fù)荷、小面積換熱器，實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的松弛。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的改進(jìn)的換熱網(wǎng)絡(luò)AT-貢獻(xiàn)值優(yōu)化合成方法，其特征在于 在所述步驟(2. 3)中，在某一給定的子焓區(qū)間k，如果有I條熱流股和J條冷流股，那么在此 子焓區(qū)間內(nèi)，共有(IXJ)個(gè)匹配數(shù)，而有效約束方程數(shù)為(I+J-l)，當(dāng)IXJ> I+J-l時(shí)，在 確定此子焓區(qū)間內(nèi)熱負(fù)荷分配時(shí)需要進(jìn)行內(nèi)部子優(yōu)化，其優(yōu)化目標(biāo)為此子焓區(qū)間內(nèi)的投資 費(fèi)用最小化。
全文摘要
一種基于ΔT-貢獻(xiàn)值修正的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化合成方法，包括以下步驟1)計(jì)算換熱流體傳熱溫差貢獻(xiàn)值ΔT，并對(duì)貢獻(xiàn)值ΔT進(jìn)行修正；2)以熱力學(xué)分析為基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，采用數(shù)學(xué)建模的方法實(shí)行換熱網(wǎng)絡(luò)的能量目標(biāo)、面積目標(biāo)、成本目標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同步綜合，具體過程如下(2.1)采用修正后的ΔT-貢獻(xiàn)值對(duì)各換熱流股的溫度進(jìn)行修正，繪制變夾點(diǎn)的溫焓圖，獲得修正后的夾點(diǎn)溫度以及能量目標(biāo)；(2.2)在溫焓圖上構(gòu)造變平衡復(fù)合曲線圖，分割焓區(qū)間，構(gòu)造換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)模型；(2.3)以總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，求解超結(jié)構(gòu)，獲得最佳換熱網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明能有效避免溫差修正隨意性、具有良好的實(shí)用性和系統(tǒng)性。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101777083SQ20091015506
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者盛頌恩, 蔣寧, 陳挹 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)