模式搜索法实现换热网络同步最优综合

在Grossmann换热网络分级超结构的基础上,建立了用于描述换热网络的无分流两级分级超结构模型,通过对换热网络设计的3个目标(换热设备单元数、换热面积、公用工程)进行同步考虑,将模式搜索法应用到换热网络的最优综合中,建立了求解换热网络最优综合问题的数学模型.计算结果表明,模式搜索算法不可行解的剔除策略能明显提高换热网络优化的质量和效率.     

低灵敏度换热网络的旁路优化设计

针对过程系统中低灵敏度换热网络设计与旁路优化控制的协调问题,提出了一种兼顾控制性能要求的低灵敏度换热网络旁路优化设计的低灵敏度与控制性能集成优化方法。首先通过计算机模拟,对换热网络旁路控制性能和换热网络柔性进行分析,发现系统柔性越好则控制性能越差,两者是竞争关系;然后,通过关系图分析给定换热网络柔性、控制性能与经济特性三者之间的关系,采用混合整数非线性优化方法进行旁路优化设计;进而利用工艺设计与控制的集成优化思想,根据动态仿真的约束破坏量来反馈修正稳态优化的约束,进行稳态优化设计;最后得到同时满足工艺设计要求和控制性能约束的换热网络经济最优方案。仿真实验结果表明:相比于换热网络旁路开度多次优化设计方法,采用低灵敏度与控制性能集成的优化方法,换热网络的柔性虽有降低但控制性能提升了约35%,总费用也显著下降,能够实现在满足系统柔性与控制性能要求的前提下,有效提升换热网络经济性能的目标。     

余热动力利用中多点排放余热源换热网络的优化

根据所设计的余热源换热器网络的物理模型,以(火用)损失最小为目标函数,导出了换热网络的优化数学模型。采用序贯无约束极小化(SUMT)方法,获得了优化数值解和工程解。实例表明,与未优化的实际方案相比,优化换热网络的热效率、(火用)效率分别提高33.3%和21.7%。当采用双级热水扩容法回收动力时,优化换热网络的动力回收系统的(火用)效率提高10.9%。     

换热网络改造图形化方法应用于巴氏牛奶厂热集成

基于能量传递图(ETD)和桥分析法(BA)确定热集成改造目标及改造路径,提出利用换热器负荷图(HELD)系统化产生多个同样质量但不同网络配置的改造方案,同样质量指所获得的改造方案均实现了能量改造的目标,同时所需的换热器数目最少.首次提出了移动位点的概念,通过在竖直方向上平移热流股曲线实现换热网络(HEN)中热负荷的重新匹配,并结合经验规则,使改造后换热网络的换热器数目最少.通过构建换热网络的HELD,确定出需要移动的流股段,筛选出所有可行的移动位点,再根据各位点产生的HELD获得对应的改造方案,并对这些方案进行初步经济评估.以巴氏牛奶厂为例,对其进行改造方案设计,共获得四个具有最小换热设备数目,同时实现最大能量回收(MER)目标(节省冷、热公用工程消耗各395 kW,即26％的冷公用工程用量)的方案,相较于文献报道,新增了两种改造方案,验证了该方法的有效性.     

二级网燃气调峰集中供热系统优化设计

由于室外气温变化引起热负荷波动和集中供热热源的供热量频繁变化,导致热源热效率下降、能源浪费.在二级网设置燃气调峰锅炉的集中供热系统,通过延长主热源燃煤锅炉在额定工况下的运行时间,以提高锅炉的平均运行效率.为优化此类系统,以运行能耗费用经济为目标,建立了单变量有约束非线性规划数学模型.以实际供热系统为例,确定了计算最佳一级网设计负荷占系统设计热负荷的比例、燃气调峰锅炉的最佳启动温度及调峰运行时间的方法,为该类型供热系统的设计与运行提供了理论依据.     

有分流换热网络同步综合

提出了一种以年综合费用最小为优化目标的有分流换热网络同步综合方法.该方法以分级超结构模型为基础建立一个不考虑等温混合假设的复杂混合整数非线性同步综合数学模型.为了合理降低控制学模型的求解难度,分级超结构中同时引入有分流并联结构和无分流串级结构.该模型的求解采用双层优化策略,外层利用遗传算法生成换热网络结构;内层利用粒子群算法优化物流分流比和换热器热负荷.采用两个典型算例和一个大规模换热网络综合问题对该方法的有效性进行了验证.     

流程模拟技术在天津石化3#常减压装置上的应用

以中国石化天津分公司1000wt/年常减压装置为研究对象,采用Aspen Plus流程模拟软件,建立了与实际工况相吻合的常减压装置稳态流程模拟模型,通过对闪蒸塔、常压塔和减压塔的模拟,了解各操作参数对装置性能的影响;通过蒸馏塔模型中的气液相负荷分布和温度梯度的分布情况,加深对蒸馏操作的理解。随着重油加工工艺技术的发展,炼厂能够加工更加劣质的渣油,因此常减压装置轻油收率和总拔出率的提高,对提高原油的利用率及炼厂的经济效益极为重要。为此,重点对影响常减压装置轻油收率的关键操作参数进行灵敏度分析,优化操作,实现提高常减压装置轻油收率的目的。     

改进的全局能量集成法及其在炼油联合装置中应用

在多过程的全局夹点分析基础上,引入了全局组合曲线上的蒸汽负荷加减原则和负荷移动原则,对多个过程及其换热网络与公用工程系统进行全局能量集成,以具有三个炼油过程的联合装置为例,在实现各单过程内部换热的夹点分析基础上,进行全局过程的剩余热阱和热源与公用工程系统的能量集成,并采用全局热负荷加减原则进行了能量集成改造研究,由于考虑了各个过程之间及其与换热网络和公用工程系统之间的相互影响与全局系统协调优化,可以显著地减少燃料消耗,具有提高能量利用率和经济效益,减少热污染排放的多重效果。     

两种换热网络综合优化方法对比研究

换热网络的全新优化设计(grassroots design)和换热网络的改造优化设计(retrofit design)均可提高过程工业能量综合利用效率.为了对两种优化设计方法进行比较,分别在分级超结构的基础上,以费用函数为目标函数,建立了两种换热网络综合优化方法的数学模型.通过对混合遗传算法进行改进,实现了对数学模型的优化求解,并从节能水平、投资费用及投资回收期等方面对两种优化方法进行了对比.结果表明,通过对原有换热器单元的重新利用,使得换热网络的改造优化设计虽然在节能水平方面稍低于换热网络的全新优化设计,但在投资费用和投资回收期方面优势明显.     

基于矩阵风扇的车辆前端换热优化

为提升实车散热器的换热性能,在传统乘用车单风扇系统的基础上设计出5种风扇矩阵型式,利用数值仿真分析不同矩阵型式对散热器换热性能的影响,并提出差速控制策略,进一步优化车辆冷却前端换热。结果表明:不同矩阵风扇型式对散热器换热性能的影响不同,其中矩阵风扇(风扇数N=6)所实现的换热量最大,为最优的布置型式;对于矩阵风扇(N=6),当低温区风扇以较高转速运行时,能够减少怠速工况下车辆前端的热回流,降低发动机舱内部的平均温度,有效改善发动机舱的热环境;同时在怠速工况下当转速比为3时,散热器换热量达到6.61kW,相比匀速工况提高1.71%,而当车辆低速行驶且转速比为1.8时,散热器换热量为10.73kW,相比匀速工况增加1.2%;此外,低温区风扇以较高转速运行还能够抑制发动机舱内部及护板下方的流动分离,并降低车辆低速行驶时发动机舱内部流道的沿程阻力。     

基于遗传算法的柴油机空气系统优化研究

为了提高柴油机的燃油经济性,文章利用遗传算法对带有废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)系统的涡轮增压柴油机空气系统进行参数优化.以发动机有效燃油消耗率为优化目标,NOx与Soot排放为约束,EGR阀开度与可变截面涡轮增压器的叶片开度为优化参数,利用开发的GT-Power与Matlab/Simulink联合仿真程序进行遗传算法寻优.全负荷工况下的寻优结果表明,寻优后燃油消耗率相较于原机下降了1.21～2.42 g/(kW·h),通过遗传算法优化的空气系统参数能明显改善柴油机的燃油经济性.最后根据发动机各个工况的优化结果,绘制了EGR阀开度map与涡轮增压系统(variable geometry turbocharger,VGT)叶片开度map.     

电站锅炉变氧量运行经济性分析

电站锅炉燃烧系统设备众多,结构复杂,其燃烧过程控制对象是一个各参数相互影响的多输入多输出的多变量相关被控对象。在运行中,由于要适应电网负荷变化承担调峰任务,锅炉经常在非额定负荷下变工况运行,使各项控制参数偏离设计工况下的最优值,造成其运行效率下降,其中主要是由于燃烧控制不完善造成的煤粉机械不完全燃烧热损失和排烟热损失。因此对电站锅炉的经济性和各项热损失进行分析计算,并在此基础上及时合理地调整其运行过程中各项控制参数的设定值,对锅炉燃烧系统进行优化控制,使锅炉燃烧过程在不同负荷工况和内外扰动下处于最优状态,是提高其燃烧效率,降低煤耗的关键。     

住宅辐射制冷-独立新风空调系统 负荷比的多目标优化

为实现辐射制冷-独立新风空调系统负荷比的多目标优化,引入了BES-CFD耦合仿真方法,以长沙市某应用辐射制冷-独立新风空调系统的住宅房间为研究案例,同时研究了不同的送风温差和不同负荷比下的系统能耗及室内热环境,从节能、热舒适和运行安全性的角度,分析了最佳负荷比范围. 结果表明：考虑系统节能性时,不同送风温差的最佳负荷比范围分别为：46%~85%（4 ℃）、16%~85%（6 ℃）、3%~85%（8 ℃）,且送风温差较大时更节能. 从热舒适角度分析,最佳负荷比范围分别为：20%~72%（4 ℃）、16%~59%（6 ℃）、3%~50%（8 ℃）,较小的送风温差具有更大的负荷比调节区间. 各工况下顶板与地板壁面温度均高于近壁面空气露点温度,无结露风险. 综合考虑节能性、舒适性及安全性的最优负荷比宜取：46%~72%（4 ℃）、16%~59%（6 ℃）、3%~50%（8 ℃）.     

基于CO2排放控制的炼厂能量系统改造及其多目标优化

针对炼厂能量利用系统,提出了将换热网络改造与燃料转换相结合的炼厂CO2减排控制方法,建立了年度化改造总费用与CO2年排放总量权衡的多目标优化数学模型,考虑了系统改造的经济性和系统改造所额外增加的CO2排放对系统优化的影响,采用ε约束法获得了Pareto最优前沿。以某炼厂蜡油加氢装置换热网络为例,阐述了所提出方法的实现过程及其效果,获得了CO2年排放量与年度化改造总费用之间的Pareto最优前沿以及CO2年排放总量限制条件下的最优改造策略,为炼厂的CO2减排与控制提供了多目标优化的理论基础。     

空气源热泵-地埋管换热系统蓄热性能研究

对于热负荷占优的寒冷地区,土壤源热泵系统长期运行使得土壤温度逐年降低,非采暖季利用空气源热泵为地埋管换热系统进行蓄热可有效地解决土壤热平衡问题。以实际工程为支撑,对空气源热泵-地埋管换热系统进行蓄热性能测试,结果表明：系统平均制热量可达到空气源热泵额定制热量的2.17倍,系统平均能效比为7.2,地埋管循环介质平均温差为4.5 ℃,系统运行稳定。基于TRNSYS软件对蓄热过程进行模拟,结合实验数据验证模型正确性,结果表明：经蓄热后土壤温度从初始的15.8 ℃上升至16.4 ℃。蓄热期间,采用多目标优化法得到空气源热泵蓄热系统全天运行时最优工况：循环水泵总流量为100 m3/h、空气源热泵总额定制热量为723.7 kW,在此工况下土壤目标温升为3.0 ℃时,系统能耗为474 820.0 kWh,增加的蓄热运行费用为3.96元/m2。与传统热源燃煤、燃气、热电联产蓄热方式相比,空气源热泵蓄热系统的能源与环境效益显著。     

航天器热控和环境控制生命保障系统热网的优化

为了对航天器热控、环境控制生命保障系统进行减轻质量化研究 ,建立其热网络优化模拟的实验系统 ,研究不同布局下热网络工作特性 ,以寻求热网络中热组件布局对系统质量的影响规律。实验结果表明 :热组件布局方式对系统换热有明显影响 ;热组件的优化布局能使系统质量下降 ,其幅度与平均换热温差有关。实验结果同理论分析及数值模拟结果相吻合。     

高低压脱乙烷塔系经济环境多目标优化

在双碳目标的背景下，传统化学工业需在经济效益与环境影响之间寻求平衡。高低压脱乙烷塔系作为典型的乙烯生产单元，进料组成多变，存在工艺参数及时调节、物料精准分离与高能耗冲突的问题。为解决此问题，提出了一种多目标优化框架，基于Aspen Plus平台构建双塔脱乙烷工艺模型，在限定包括产品品质约束、工艺最大允许操作范围的基础上，通过非支配排序遗传算法-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)来获得环境与经济效益双目标的帕累托前沿，并进一步采用多目标决策分析准则优劣解距离法（TOPSIS）来获得帕累托前沿最优操作点。最后，使用单变量分析法研究了裂解反应温度、高低压脱乙烷系统进料预冷换热温度、低压塔塔釜热负荷、高压塔回流量对目标函数的影响。结果表明，与工厂实际操作条件相比，优化方案在牺牲税前利润0.91%的基础上，二氧化碳排放量减少了8.45%，有望同时实现经济效益和环境影响最佳的双目标。     

应用改进粒子群算法优化管壳式换热网络总成本

壳式换热网络的优化设计一直是众多学者关注的难题.从热交换总面积出发,对管壳式换热网络各项参数进行建模,得出设计的总成本优化函数.采用基于自适应排斥因子的改进粒子群算法(BARFPSO)进行优化举例.结果表明:BARFPSO能有效地跳出局部最优解,具有计算精度高、有效减小计算复杂度的特点,并能得出最佳的管壳式换热网络各项参数值.优化结果中,换热网络总成本减少了4.3％和1.0％,优化效果明显.     

发动机水套缸垫水孔局部参数化优化设计

针对发动机水套缸垫水孔布置对冷却液流动影响较大,传统经验优化需要反复实验且主观性强、效率较低的问题,提出了一种缸垫水孔局部参数化的优化方法:建立缸垫水孔局部参数化的水套冷却模型并对该建模方法进行了实验验证;对水套流动及换热进行求解,基于最优拉丁超立方设计和响应面模型(RSM),建立了各关注量与缸垫水孔半径的近似模型并进行了验证;利用该近似模型约束各部分水路流量,以提高鼻梁区对流换热系数(HTC)、降低HTC不均匀度及压损为目标,应用相邻繁殖遗传算法(NCGA)对缸垫水孔的半径进行了优化。研究结果表明:缸垫水孔局部参数化建模方法简单且据实验表明可信度较高;通过实验设计及RSM建立的近似模型能够很好地对各目标值进行预测;利用该近似模型进行优化后,各支路流量分配合理,总压损下降了18.8%,鼻梁区HTC整体提高且不均匀度下降了57.7%。该方法能够一次性得到缸垫水孔的最优解且优化效果显著,避免了传统经验优化的重复性及主观性,效率较高。     

气体燃烧辐射加热炉的换热效率与CFD数值模拟

采用自行设计的燃烧加热炉模型装置,研究液化石油气直喷燃烧中换热管空间位置、热负荷(燃气流量)及换热介质流量等因素对换热效率的影响规律,并对炉内温度场进行了CFD数值模拟计算.结果表明:在理想的热负荷条件下(0.88 kg/h),距离燃烧中心愈近,辐射换热效率愈大;随着换热介质流量的增加(40 L/h),换热效率有下降的趋势;CFD数值预测的温度分布规律与实测吻合较好,火焰形状是影响辐射换热的重要因素.