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考虑蒸汽温位因素的全局能量集成方法点击：1864 日期：[ 2014-04-26 21:39:57 ] |
| 考虑蒸汽温位因素的全局能量集成方法 鄢烈祥, 罗 智, 史 彬, 王 辉 (武汉理工大学化工学院,武汉430070) 摘要:建立了考虑蒸汽温位因素的全局能量集成超结构,描述了在全局热源、公用工程、汽轮机、全局热阱之间进行热量传递和交换的所有可能的拓扑结构。基于此超结构,建立了全局能量集成的混合整数非线性规划模型,并用列队竞争算法进行求解。通过优化求解,得到高压、中压和低压蒸汽的优化温位和流量,使全局能量集成更有效。实例表明:本文所提出的方法优于没考虑蒸汽温位因素的全局能量集成。 关键词:全局能量集成;混合整数非线性规划;公用工程;蒸汽温位 中图分类号:TQ021.8;TK227文献标志码:A 文章编号:1006-3080(2009)03-0346-04 公用工程系统和换热网络是大型化工联合装置的重要组成部分,它不仅要向各个过程提供动力,不同等级的蒸汽和冷却水等公用工程还要使过程中的冷、热物流充分换热,尽可能回收过程余热。对公用工程系统及换热网络的研究一直比较活跃,目前已形成许多成熟的理论和方法。Linnhoff等[1]将单过程夹点分析扩展到全过程的夹点分析和能量集成,可以得到全局热回收的目标,但不能给出具体的匹配方案。Grossmann等[2-4]提出了基于超结构的混合整数非线性规划(MINLP)综合策略,可以进行各子系统的同步热集成优化,但超结构中的组合方案太多而难以求解。尹洪超等[5]将过程全局夹点分析与MINLP法相结合,提出了系统全局能量集成的改造方法,但没有给出确定各个蒸汽等级温度的方法。本文从全局公用工程出发,以全局温焓分布图和蒸汽动力系统为依据,分析全局热源、热阱和各等级蒸汽热交换的相互关系,通过全局能量集成的方法来优化各个蒸汽温位。 1 基本原理 1.1 全局温焓分布图 全局温焓分布图由全局热源线和全局热阱线组成[6],如图1所示。热源部分通过热交换产生高压、中压和低压(HP、MP和LP)蒸汽,并采用相应等级的蒸汽来加热热阱部分,从而构成过程物流生产和使用蒸汽的换热网络和各等级蒸汽分配网络。当热源部分的剩余热量不能满足热阱部分的热量需求时,需要锅炉供应或购买超高压的蒸汽来加热冷物流,如图2所示。在大型公用工程的换热网络中,热源部分一般产生高温高压的蒸汽,而热阱部分需要加热的流股温度则各有不同。用高压乃至超高压蒸汽加热低温物流,热量将通过全局夹点,不符合能量集成的原理。所以,将公用工程、换热网络和蒸汽动力系统相结合,在满足热阱加热需要的同时,把热源产生的高压、中压蒸汽和购买的超高压蒸汽通过汽轮机发电,从而达到能量集成的目的。 1.2 全局热交换网络 全局热交换网络描述了热量从全局热源到各级蒸汽,再从各级蒸汽到全局热阱的热量交换情况。本文假设各个等级蒸汽都有3个候选温度,在各级蒸汽的候选温度的间隔下,从高到低形成了一系列的温区,而热源、热阱和汽轮机在每一个温区中都有热量流动,如图3所示。以第i个温区为例,在热源换热网络中,第i个温区的热源生产的蒸汽Hi,汇合上一个温区的剩余蒸汽HR,i,一部分作为提供到汽轮机网络的蒸汽Di,另一部分作为剩余蒸汽HR,i+1进入下一个温区。在汽轮机网络中,热源提供的蒸汽Di汇合上一个温区汽轮机的剩余蒸汽Si,一部分作为热阱的加热蒸汽Ei,剩下的蒸汽Si+1进入汽轮机的下一个温区。在热阱换热网络中,冷物流加热需要的蒸汽Ci主要来自于从上一个温区热阱的剩余加热蒸汽CR,i和汽轮机温区提供的加热蒸汽Ei,在满足该温区的冷物流加热需求后,剩余加热蒸汽CR,i+1进入下一个温区作为加热蒸汽继续使用。 1.3 汽轮机数学模型 本文应用Mavromatis在1996年提出的汽轮机数学模型[7],模型的表达式如下: 2 蒸汽温位优化设计模型 2.1 蒸汽温位优化设计的超结构模型 图2是将高压、中压和低压蒸汽划分为3个候选温度的一个超结构模型。此模型描述了在全局热源、公用工程、汽轮机、全局热阱之间进行热量传递和交换的所有可能的拓扑结构。基于此超结构模型可建立优化蒸汽温位的数学规划模型。 2.2 蒸汽温位优化设计数学模型 其中:式(6)~式(7)表示热源在各个温区的蒸汽热量平衡方程;式(8)表示汽轮机在各个温区的蒸汽热量平衡方程;式(9)~式(10)表示热阱在各个温区的蒸汽热量平衡方程;式(15)~式(17)分别表示高压、中压和低压蒸汽各自有3个候选温位,但只能选1,式中zi(i=1,2,…,9)为0-1变量。 式(2)~式(17)构成了蒸汽温位优化的数学模型,此优化问题为一个混合整数非线性规划问题。 2.3 模型求解 通过优化计算,可得到各等级蒸汽的优化温位、GSteam、Di、Ei。列队竞争算法[8]是一种群体搜索的进化算法。它在求解非凸非线性规划和混合整数非线性规划及组合优化的全局最优解方面具有优良的特性。该方法已成功应用于求解经典的旅行商、布局分布等组合优化问题。在化工过程工程方面,已成功用于求解大规模管路网络综合、分离序列综合、换热网络综合等问题,并取得了较好的效果[9]。本文采用列队竞争算法求解上述混合整数非线性规划模型,其中算法参数设定为:收缩因子为0.99,父代数目为40,子代数目为40。 3 应用实例 在某大型化工厂中,根据各个过程子系统热、冷物流数据,得到全局温焓分布图如图1所示。该厂购买新鲜蒸汽费用为956.55万元/月,冷却水费用为132.82万元/月,总费用为1 089.37万元/月。其中新鲜蒸汽温度和压力分别为500℃和9 MPa,其饱和温度为302℃,比热为0.557 MW·h/t。而高压、中压和低压3个等级蒸汽的温度分别为260、190、110℃。为了进行优化计算,表1给出了每个等级的3个候选温度,将高压、中压和低压蒸汽的候选温度表示在全局温焓分布图上,得到热源和热阱在各个温区提供或需要的热量,见表2。此例优化模型中共有88个变量(其中有9个0-1变量、79个连续变量)和87个约束条件。其他数据如下:电价为1元/度,新蒸汽价格为200元/t,水价为2.5元/t,操作时间按一个月30 d,每天24 h来计算。 优化后的全局热交换网络见图4。高压、中压和低压蒸汽的优化温度分别是270、190和120℃。根据优化结果可知,需购买新蒸汽费用为904.85万元/月,冷却水费用为108.34万元/月,而汽轮机发电效益为399.48万元/月,总费用为488.61万元/月。 若在原系统中仅加入蒸汽动力系统,不进行蒸汽温位优化,结果如图5所示。高压、中压和低压蒸汽的优化温度分别是:260、190和110℃。购买蒸汽费用为956.55万元/月,冷却水费用为123.82万元/月,汽轮机发电效益386.00万元/月,总费用为694.37万元/月。 4 结 论 根据上述优化结果可知:如果该厂只增加汽轮机组,不进行蒸汽温位优化,每个月可以节省395万元;如果该厂增加汽轮机组的同时优化改进各等级蒸汽的温位,每个月可以节省486.02万元。由此可知,优化蒸汽温位能够降低企业生产运营成本,提高企业的能源利用效率。 参考文献：略 |
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