Simultaneous synthesis of sub and above-ambient heat exchanger networks including expansion process based on an enhanced superstructure model

Synthesis of heat exchanger networks including expansion process is a complex task due to the involvement of both heat and work.A stream that expands through expanders can produce work and cold load,while expansion through valves barely affects heat integration.In addition,expansion through expanders at higher temperature produces more work,but consumes more hot utility.Therefore,there is a need to weigh work production and heat consumption.To this end,an enhanced stage-wise superstructure is proposed that involves synchronous optimization of expander/valve placement and heat integration for each pressure-change sub-stream in stages.A mixed-integer nonlinear programming(MINLP)model is established for synthesizing sub and aboveambient heat exchanger networks with multi-stream expansion,which explicitly considers the optimized selection of end-heaters and end-coolers to adjust temperature requirement.Our proposed method can commendably achieve the optimal selection of expanders and valves in a bid for minimizing exergy consumption and total annual cost.Four example studies are conducted with two distinct objective function(minimization of exergy consumption and total annual cost,respectively)to illustrate the feasibility and efficacy of the proposed method.

An Explicit Solution for Thermal Calculation and Synthesis of Super-structure Heat Exchanger Networks

For the optimal design of a heat exchanger network,the inlet and outlet stream temperatures of each heat exchanger in the network should be known.An explicit analytical solution of stream temperatures of an arbi-trary connected heat exchanger network was introduced,which is suitable for the thermal calculation of heat ex-changer networks.For the heat exchanger network synthesis,this solution was further developed and coupled with the stage-wise superstructure heat exchanger networks.The new calculation procedure reduced the computer mem-ory requirement dramatically.On the basis of this solution,a mathematical model for synthesis of heat exchanger networks with genetic algorithm was formulated,which is always feasible and no iteration is needed.Two examples were calculated with the proposed approach and better results were obtained.

A Multi-Objective Optimization Approach for Heat Exchanger Network in Process Industries

To simultaneously improve the quantity and quality of heat recovery in a heat exchanger network(HEN),this study conducts a theory analysis based on the first and second laws of thermodynamics.Under the premise of maximizing the heat recovery quantity of HEN,Ġdiss is used as an evaluation index to optimize the quality of heat recovery.Meanwhile,the total annual cost(TAC)is considered as another optimization objective to ensure the economic feasibility of the HEN.A superstructure-based multi-objective mixed integer non-linear programming approach is put forward to solve the trade-off between minimizingĠdiss and minimizing TAC.This allows for the optimum HEN structure to be obtained.A well-studied example is solved to highlight the benefits of the proposed method.

Synthesis of Flexible Heat Exchanger Networks with Stream Splits Based on Rangers of Stream Supply Temperatures and Heat Capacity Flowrates

A new superstructure model of heat exchanger networks (HEN) with stream splits based on rangers of streams supply temperatures and heat capacity flow rates is presented. The simultaneous optimal mathematical model of flexible HEN synthesis is established too. Firstly, the streams with rangers of supply temperatures and/or the streams with the rangers of heat capacity flow rates are pretreated; Secondly, several rules are proposed to establish the superstructure model of HEN with splits and the simultaneous optimal mathematical model of flexible HEN; Thirdly, the improving genetic algorithm is applied to solve the mathematical model established at the second step effectively, and the original optimal structure of HEN based on the maximum operation limiting condition can be obtained easily; Finally, the rules of heat exchange unit merged and the heat load of heat exchanger relaxed are presented, the flexible configuration of HEN satisfied the operation condition between the upper and down bounds of supply temperature and heat capacity flow rates can be obtained based on the original optimal structure of HEN by means of these rules. A case study demonstrates the method presented in this paper is

基于夹点技术与超结构模型的多程换热网络最优综合

基于热力学原理,以夹点技术为基础结合数学规划法,采用两步法综合多程换热网络。第一步在多程换热网络热力学分析的基础上优化求解最小温差,计算公用工程用量。第二步将求得的最小温差作为夹点温差,将网络分为夹点之上和夹点之下两个子网络,建立多程换热网络的超结构模型,确定流股匹配并优化网络配置。最后,以换热网络总费用最小为目标,连接两个子网络,权衡设备投资费用和操作费用,综合多程换热网络。该方法基于热力学原理,改进了夹点技术在多程换热网络综合中的应用,进而实现了多程换热网络的自动综合。示例分析证明了本文所提方法的有效性。

超结构法分步综合热集成的质量交换网络

质量交换网络(MEN)和热交换网络(HEN)之间有较强的交互作用,传统的夹点技术很难考虑两个网络之间的相互作用。针对这一问题,采用基于分级超结构的数学规划法分步综合热集成的MEN。该方法首先分析了连接两个网络的关键参数,将其离散化处理后组合成多个备选方案,然后对每个备选方案采用分步策略。第一步,用超结构法以总年度费用(TAC)最小为目标综合MEN;第二步,从第一步的结果中抽提出HEN综合所需数据,通过求解基于HEN超结构的非线性规划(NLP)模型,得到优化的HEN总年度费用。加和两步中的TAC结果得到该方案下两个网络的总费用,通过比较所有备选方案下的总网络TAC,以总网络TAC最小的方案为最佳方案。与文献中例子比较,表明本方法具有更好的可行性和有效性。

基于多重群体遗传算法的换热网络同步综合

通过对YEE换热网络分级超结构的分析和改进,建立了包含更多可行结构的换热网络超结构及其数学模型,扩大了网络结构的搜索范围。针对普通遗传算法和其他优化算法无法保证换热网络综合质量和效率的缺点,结合多重群体遗传算法进行网络优化综合,提高优化过程的稳定性,该方法将换热网络结构信息转化为种群和繁殖群体中个体的染色体信息,选择繁殖种群中优秀个体进入种群淘汰较差个体,实现种群的逐步新陈代谢。利用多重群体遗传算法对实际换热网络问题进行了优化。结果表明:多重群体遗传算法能有效提高换热网络优化的稳定性和鲁棒性,在优化变量和非凸性增加时,能获得综合性能良好的换热网络结构。

换热器网络同步最优综合方法──改进的MINLP转运模型法

针对现有的换热器网络最优综合方法的局限性，采用分级超结构转运模型和物流吸、放热潜力的概念，提出了非等温混合线性约束的换热器网络同步最优综合混合整数非线性规划（MINLP）的改进模型．该模型不仅可以对公用工程费用、换热面积、换热设备台数及物流的匹配选择进行多目标同步优化，而且在线性约束的条件下消除了等温混合的不合理假设，只需求解一次MINLP问题就可得到包括分流情况在内的最优网络结构．算例表明，该模型优于以往的几种同步优化模型．

多周期操作工况下换热网络的弹性设计

提出了基于专家系统的多周期换热网络的超结构形式及弹性设计方法。首先通过专家系统确定各周期操作工况下物流的分流及匹配禁止情况，在此基础上建立网络多周期操作工况下的超结构模型；然后用遗传算法对上述模型进行求解；最后用分解协调法对网络结构和匹配单元同时进行优化。该方法不仅能自动地合成多周期操作工况的换热网络最优流程结构，而且能同时满足网络在各操作工况下的各种工艺限制条件。最后，通过某个换热网络的最优合成设计，说明本方法的有效性和应用前景。

具有前置公用工程的换热器网络的通用解法

本文在罗行等人提出的分级超结构换热器网络的通用解的基础上,提出一种将热冷公用工程放置于换热器网络每一级的冷热流体之前的带分流的分级超结构换热器网络数学模型,并根据这种新型的模型推导出换热器网络的出口温度和每一级流股节点的温度的计算公式,从而增强了分级超结构换热器网络模型的适用性。最后用实例证明所提出的数学模型的正确性。

超结构换热器网络综合优化的遗传/模拟退火算法——Ⅱ．遗传/模拟退火算法及应用

本文提出了用于换热器网络综合的改进的遗传/模拟退火算法。最优综合的模型基于本文第一部分所提出的通用解方法.所采用的遗传算法结合了模拟退火算法和爬山优化算法,同时引进精英策略和结构变异策略以增强算法的搜索能力。采用本文提出的算法对文献提出的算例进行了计算并得到了更好的结果。

基于专家系统有分流大规模换热网络超结构模型研究

对现有的换热网络超结构模型进行了回顾 ,分析并指出了它们的不足之处 ,进而提出了一种基于专家系统的换热网络超结构模型的方法。首先利用专家系统确定物流的分流及匹配禁止 ,然后在建立超结构数学模型时把由专家系统确定的匹配禁止作为约束条件 ,且只把由专家系统确定的有分流的物流进行分流 ,其余物流则不分流。

超结构换热器网络综合优化的遗传/模拟退火算法——Ⅰ．改进的换热器网络通用解方法

在换热器网络的最优化设计中,为计算其年度总费用,必须首先得到网络中各换热器流体的进出口温度.本文提出了分级超结构换热器网络中流体温度的显式解析解。这一新算法大大降低了它对计算机内存的要求,使其能适用于大规模换热器网络的温度计算和最优综合。

兼顾求解速度和精度的换热网络动态模拟方法

以换热器集总参数动态模型为基础,首次建立了基于Grossmann分级超结构的换热网络动态模型和求解方法,可自动识别换热网络结构并建立相应的求解策略,实现了换热网络的动态模拟。模型中考虑了流体温度变化对物性和换热性能的影响,有效地提高了换热网络动态解的求解精度;采用内外双层解法,提高了换热网络动态解的求解速度。实例应用表明,基于Grossmann分级超结构的换热网络动态模型及求解策略可靠、准确,能够获得扰动后换热网络中流体参数的真实变化过程,为换热网络的动态优化和控制奠定了基础。

基于超结构法的热集成间接式功交换网络综合

换热网络综合的研究和应用对于提高能源利用率已被证明是有效的,而用于回收更高品质能量的功交换网络综合的研究仍处于起步阶段。针对间接式功交换网络综合中复杂推动力约束对流股匹配的制约问题,构建了一种考虑级间热集成的拓展超结构,基于线性拟合压缩机和涡轮机的操作曲线,提出了功源与功阱间流股匹配的识别方法;针对压力、流量与温度的高度非凸非线性关系,提出了采用热集成优化每一级入口温度的松弛策略,建立了以年度总费用最小为目标的混合整数非线性规划模型,通过GAMS求解得到最优的间接式功交换网络结构。最后通过一个算例分析,验证所提方法的有效性和可行性。

基于遗传/模拟退火算法考虑压降的换热网络优化改造

工艺系统中需要加入新物流、现存的换热网络结构需要改动、换热网络有较大的能量回收潜力,这些都是换热网络需要进行改造的原因。本文基于非等温混合分级超结构,建立了换热网络优化改造的MINLP数学模型,同时考虑了改造后的公用工程费用、新增换热器的费用、原有换热器新增面积的费用、新增动力设备的费用。将用于换热网络综合的分级超结构模型进行了简要的改进,增加了一些和现存设备相关的限制条件和二元变量。通过对现存换热网络进行分析,充分的利用原有的换热设备和换热网络结构,基于GA/SA算法求解可得到优化改造的换热网络结构。实际算例的计算结果和文献结果对比表明,本文得到的改造方案用较少的投资,实现了较多的公用工程节省,新增设备费用的静态投资回收期为0.53年,为换热网络改造提供了好的可行方案。

有分流换热网络同步优化综合

提出了有分流结构特征的换热网络同步综合数学规划方法。该方法以Yee和Grossmann提出的分级超结构模型为基础,在工艺物流匹配过程中考虑分流串级结构,建立混合整数非线性数学模型,采用无进化次数的改进粒子群算法进行求解。两个典型算例用来验证方法的可行性和有效性。

换热网络优化中换热单元生成频次的影响分析及策略改进

换热单元的生成频次对换热网络优化有直接的影响,分析其机理可以指导求解算法的改进。本文采用节点非结构模型及强制进化随机游走算法,通过设置不同的换热单元生成概率与生成个数以改变换热单元的生成频次,观察并记录个体在优化过程中产生的年综合费用变化情况。发现不同生成频次下整型变量和连续变量的相对优化频率发生了变化,从而改变了整体优化过程,并且与个体当前优化状态不适应的生成频次会造成相对优化频率不平衡、优化结果较差。基于此,本文提出了一种具有生成参数动态调节策略的换热单元生成方式,在优化过程中根据个体状态实时调整换热单元的生成概率与生成个数,平衡整型变量与连续变量的相对优化频率。最后,采用15SP、10SP和20SP算例进行验证,换热网络的年综合费用较文献结果分别下降了1.06%、0.16%、0.68%,验证了该策略使得换热单元的生成频次更为合理,有效地提高了算法的优化效率。

换热网络超结构建构方案分析

通过分析换热网络超结构建构过程中的难点,提出了一种可以生成所有可能结构的超结构建构方案。并结合换热网络的综合和优化分析了超结构建构过程中的若干问题,指出此种超结构的建构方案可以很好地与具体的优化过程整合,降低优化的难度。

基于弹性分析的空分变负荷操作优化

针对空分装置变负荷过程的优化控制问题,提出用弹性分析对不同控制精度下的操作变量进行优化的方法。建立等价超结构换热网络模型用以描述多股流换热器,进而建立可用于操作分析的空分装置机理模型以准确描述空分变负荷过程。引入弹性指数表示关键操作变量的控制范围和精度,用柱形代数分解方法求解关键操作变量弹性边界的显式表达式,将复杂多变量非线性过程模型转换为多项式显式模型。提出基于弹性分析的优化命题,在此基础上进行空分装置操作优化。以空分氮气液化流程为例,建立流程模型并求解优化命题,计算结果证明该策略的有效性。