考虑压降的换热网络同步综合及优化改造

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1、大连理工大学硕士学位论文引言典型的过程工业系统可划分为三个子系统——工艺过程系统、换热网络系统和公用工程系统。其中工艺过程系统主要包括反应器、分离器、混合器、分流器等生产装置，通过化学反应将原料转化为产品，与此同时产生了大量的能量；公用工程系统主要包括锅炉、蒸汽轮机、燃气轮机、蒸汽管网等动力相关装置，其作用是将燃料、空气、水等转化为工艺过程所需要的电力、蒸汽、冷却水；换热网络系统是工艺过程系统和公用工程系统之间的媒介，将两者相互连接起来。既可以将工艺过程产生的多余热量通过蒸汽透平等方式加以回收利用，也可以利用公用工程系统所提供的蒸汽和冷却水完成工艺物流自身的加热和冷却，换热后的工艺物流

2、达到工艺生产所需要的温度，顺利的完成生产所需的化学反应过程。想要提高工程工业中的能量利用率，不仅要合理有效的产生、输送和利用能量，还应该有效的回收能量【11。换热网络的主要任务就是完成能量回收的工作，所以换热网络的最优综合和优化改造对过程工业系统的能耗降低有十分重要的意义。化工生产企业一直是能源消耗大户，能源成本平均约占企业生产成本的10％左右。当然，不同的化工生产企业的能源消耗也不完全相同，例如医药化工企业中的能源费用最高仅占生产费用的2％。但是，在基础化工原料的生产企业中，如乙烯工业其能源成本则高达整个生产成本的40％。要想缩减如此高额的能源费用，就必须找出能源利用较薄弱的环节，利

3、用先进的节能技术充分挖掘节能潜力。减少生产过程中的能耗、降低生产升本，这对企业的经济效益以及提升企业的竞争力都有很大提升。换热网络虽然对于过程工业的节能降耗意义重大，但是往往专注于换热单元数、换热面积、公用工程这三个方面，即以前的学者只是重点研究了对换热网络总费用影响最大的三个要素。但是越来越多的研究结果证明，将过程系统中与换热网络相关的一些因素同换热网络进行同步优化会创造出更大的经济效益。例如考虑污垢、压降、不同换热器材质的换热网络综合，以及将蒸汽动力系统与换热网络同步优化设计等等。考虑压降的换热网络同步优化综合就是用来解决这一类问题，将流股的压降与换热网络的总费用进行同步优化，使得

4、过程系统的动力费用和换热网络的年总费用达到了同时最优。同时由于换热网络的结构是否最优往往与能源价格、换热器投资等经济条件直接相关，且国内外的现有的换热网络都是很多年前设计的，当时的经济条件与现在差异较大且操作条件也发生了很大的变化，因此换热网络改造的研究任务更加紧迫。例如，操作条件发生了改变，需要对当前的换热网络结构进行一些调整。生产企业需要增加产量，整个过程系统中的其他部分，如公用工程系统和换热网络系统都需要做出相应的改进来满足产量考虑压降的换热网络同步综合及优化改造增加的要求。以及随着技术进步，发现换热网络系统中存在较大的节能改造潜力。对于这些问题，都需要对换热网络优化改造的问题进

5、行认真的研究探讨。不论是新项目的换热网络优化综合【2】[3】还是对于现存项目的优化改造【4】【5】，都是试图以较经济的代价尽可能回收对的热量，降低过程系统的能耗，其最终目的都是为了提高能量利用率。二者都符合我国当前的国情，具有重要的现实意义。大连理工大学硕士学位论文1一文献综述换热网络(HEN，HeatExcllangerNe觚ork)综合问题是过程系统工程重要的研究领域，在过去的几十年里已经取得了相当显著的研究成果，其主要的研究意义在于实现了工艺系统的能量回收，节省了公用工程消耗。最早的换热网络设计的问题是在1944年由TenBroeck【6]所提出，随后1965年Hwa[7】首次进

6、行了换热网络的基础设计，1969年Masso和Rudd【8】对换热网络综合问题进行了精确的定义。基本的换热网络综合问题包含以下几个部分【9】：a．一系列工艺热物流从进口温度被冷却至出口温度；b．一系列工艺冷物流从进口温度被加热至出口温度；c．冷热物流的比热容和质量流速；d．可利用的公用工程的温度以及单位费用；e．换热设备的费用参数。1．1课题研究背景及研究意义1．1．1研究背景(1)中国的能源发展形势中国30年的经济增长和城市化进程中，使中国一举迈入全球经济大国行业。与此同时，中国也面临着巨大挑战：能源需求持续增长、温室气体排放增多、水和耕地等耐以生存的自然资源的问题不断恶化。如何不影

7、响经济增长和人民生活水平提高的情况下处理好这些问题，是我国当前工作的重点，其中能源问题又是重中之中。图1．1主要国家单位GDP能耗【10】Fig．1．1EnergyconsumptionperunitGDPf．orseveralcountries【10】一3一考虑压降的换热网络同步综合及优化改造由图1．1的数据可看出，直到20lO年中国的单位GDP能耗仍是美国的2．7倍，是日本的4．5倍，且比印度和巴西等发展中国家的能耗还要高，说明我国在节能方