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第一章文献综述
化工过程可以分为工艺过程、换热网络、公用工程三个子系统。公用工程一方面为工艺过程提供所需要的各种能源,另一方面,它本身需要消耗大量的能量。它的综合优化和节能改造对全局能量利用率和经济性的提高具有很大的影响。特别是随着能源和原材料价格的不断上涨,公用工程的成本已经占到生产总成本的90%左右[1],如何经济合理的利用能源,降低其生产成本,已经成为整个化学工业的紧迫任务。
随着科技的进步,现代的化工生产装置趋于大型化和联合生产化。特别是在能源紧张,原料短缺和环境污染日益严重的情况下,复杂系统的用能优化不能再只简单的着眼于局部环节与单台设备的用能效率,因为局部优化决不等于全局优化。要实现最大限度的节能,必须进行包括公用工程和工艺过程的全过程用能优化,才能使整个系统得到最佳的经济效益。
1.1过程系统工程
过程系统工程是一门综合性的边缘学科,它以处理物流、能流、资金流和信息流的过程系统为研究对象,对过程系统进行组织、计划、协调、设计、控制和管理。广泛应用于化学、冶金等过程工业中,目的是在总体上实现技术及经济的最优化,以符合可持续发展的要求[2, 3]
过程系统工程主要包括三方面的内容:过程模拟、过程优化和过程综合。
在过程系统中,根据某种目标要求,作出最优决策和最优控制,产生最佳的管理和控制效果,就必须对涉及系统本身及其周围环境的各种因素进行定量的数学描述,以获取最优的决策[4]。特别是对于大型复杂的系统,难于进行详尽的实验研究,就必须用模型化的方法来进行模拟研究。因此,过程模拟是过程系统中最基本的技术,不论是过程系统的分析与优化,还是过程系统综合,都必须以过程模拟为基础。
过程模拟可以分为稳态模拟和动态模拟。稳态模拟技术比较成熟,在80年代已经成为化工过程设计及分析的常规手段。稳态模拟用序贯模块法、联立方程法以及联立模块法来求解其数学模型。
1-1 序贯模块法的迭代层次
Fig.1-1 Iteration hierarchy of sequential module
从实用角度出发,工业部门一直主张发展序贯模块法。这种方法的优点是使用方便和通用化,技术难度小,而且对计算机的要求不高,在普通PC机上就可以进行求解计算。但在处理循环物流时,设计规定和最优化技术都要在不同的迭代层次上循环计算,收敛比较慢,从数值计算方法上看不是先进的计算方法。序贯模块法的迭代次序如图1-1所示。
联立方程法是将描述过程系统的所有方程全部联立起来,表示为一个大的非线性方程组,包括了所有描述物性变量、单元模型变量,以及描述系统结构的流股变量和过程参数的方程。在原则上,只要求解这个与过程结构无关,甚至与化工背景无关的纯数学问题,就能进行过程系统的稳态模拟[5]。它的优点是避免了层层迭代收敛;可以使用高级优化算法策略,收敛速度比较快。但也有明显的缺点:需要可靠的求解大型非线性方程组的算法,方程太多不能保证收敛;对初值要求比较高;出现求解错误,难以判断问题出在哪个模型上。
兼顾两种方法的优点,发展了联立模块法的求解方法,也称为双层法[6]。该方法保留了序贯模块法的单元操作模型,由这些单元操作模型产生简化模型的系数值,然后应用这些简化的模型组成方程组,在内圈用联立方程法来进行求解。如果结果原设定偏离较大,则进入外圈迭代,修正工艺变量进行重新计算。
基于稳态模拟的理论,推出了很多过程流程模拟软件,得到了广泛的工程应用。比如,基于序贯模块法的美国Aspen Tech公司的Aspen PlusSIMSCI公司的PROⅡ. 基于联立方程法的软件有英国剑桥大学的QUASILIN,美国卡耐基—梅隆大学的ASCEND,英国帝国理工学院的SPEEDUP等。但这些软件的商品化程度远不如序贯模块法软件。
国内在引进了这些流程模拟软件的同时,也自行开发了一些软件。青岛科技大学开发的ECSS[7],在90年代得到了广泛推广。由清华大学、中石油石油化工研究院和兰州石化公司联合开发的乙烯裂解炉模拟优化软件,为工业炉的优化操作提供了指导[8]2007年,在兰州石化投入工业应用,使乙烯收率提高了0.72%。冶金自动化研究设计院开发了炼钢-连铸-热轧流程模拟系统[9],能够实时展示各个主要设备的工作情况,并提供生产过程和生产结果的相关分析。
动态模拟研究的是系统的动态特性,可以为过程控制、生产的开车、停车,以及事故处理提供指导。因为描述动态过程的方程一般为微分、偏微分与代数方程组组成的分线性混合方程组,求解更为复杂。动态模拟发展较晚,到现在为止还没有一个设计分析用的模拟软件得到真正的普及应用。像GPROMSHYSIS等软件只能做一些简单的动态模拟。
流程模拟为优化生产装置操作,降低系统能耗,诊断装置问题,提高产品收率提供了技术支撑。据中石化初步统计,应用流程模拟技术为企业降本增效约2.5亿元,已经成为炼化装置节能降耗,挖潜增效的有效手段.
1.1.2过程优化
过程优化主要包括对已有系统的最优操作、最优改造和对新系统的最优设计三个方面[10]。它们大体上可归纳为两类问题: 一类是流程结构基本固定的系统参数优化,二是系统流程结构优化。
1.1.2.1系统参数优化
参数优化是在流程结构一定的情况下,对过程系统的参数的参数进行优化。在实际操作中,受多种因素的影响,工艺指标会出现与设计值不相符的情况,需要不断调整操作参数,以满足工艺指标的要求。
这类问题一般可表达为线性数学规划(LP)和非线性数学规划(NLP)两种模型[11]。例如在对蒸汽动力系统进行优化的过程中,如果固定各级蒸汽管网的蒸汽数,模型一般可表达为线性规划问题,可对系统中各物流流量的分配以及各单元的负荷进行优化; 若蒸汽参数作为优化变量,由于需要对蒸汽热力参数、蒸汽管网能量平衡、透平做功进行计算,而这些方程为非线性的,因此模型一般归结为一个比较复杂的非线性规划问题。LP模型比较成熟和简单, NLP模型更接近问题的实际情况,可用于对已有系统的操作优化和新系统的优化设计
1.1.2.2系统结构优化
结构优化主要是对流程方案的优化,在多种可行的方案中寻找最经济的流程结构,同时还要满足安全、环保、易操作等方面的要求。例如换热网络结构的设计就是结构优化。
结构优化包括流程方案和操作参数两方面的同时优化,因为结构和参数这两者是密不可分的,既相互联系又相互制约。例如对于由蒸汽透组成的蒸汽动力系统,不同类型透平的有无可以用0-1变量表示;蒸汽透平又通过蒸汽的温度、压力参数、流量和作功多少等连续变量与系统中其他单元相联系。因此,对于这样的系统综合优化问题一般可归结为一个混合整数非线性规划(MINLP)模型[12]
参数优化和结构优化的目的都是以最小的投入获取最大的收益。在化工生产过程中,生产经济效益直接决定企业的存亡,因此对化工过程的优化也越来越重要。
1.1.2.3 优化问题的数学描述[13]
优化即为在一定的约束条件下,求解描述过程系统模型的最值问题,可以表示为:
   (1-1)
    (1-2)
   (1-3)
   (1-4)
   (1-5)
    式中,——决策变量向量()
           ——状态变量向量()
——过程单元内部变量向量()
——目标函数;
——m维流程描述状态方程组;
——s维尺寸成本方程组;
——n维等式设计约束方程;
——不等式设计约束方程。
在上述表述中,变量数为,等式约束方程数为,因此问题的自由度为,即自由度为决策变量数与设计约束方程数之差。当l=0时,自由度为决策变量数;,自由度为零,解是惟一的,没有进行优化的余地;当时,优化问题无解。因此,等式设计约束方程小于设计变量数是最优化问题有解的必要条件。
以上为稳态过程的优化模型,当过程变量、目标函数和约束条件随时间发生变化的时候,如间歇过程、开停车过程,就需要运用动态优化模型。
1.1.2.4 优化求解方法
优化问题的求解方法有如下几种:
(1)   直接和间接最优化法
直接最优化方法不需要求导,而是利用目标函数在某些点上的性质和目标函数值,通过搜索、改进,来逐步逼近得到最优解。如二分法、黄金分割法、单纯形法均属于直接最优法。
间接最优法要借助函数的导数,梯度,或者偏导数的性质,寻求最优化的必要条件,对决策变量作出修正,搜索最值,从而得到最优值[10]。属于此方法有Newton法、拟Newton法,Lagrange乘子法、最小二乘法,以及广义既约梯度法(GRG), 逐次二次规划法(SQP.
(2)   可行路径法与不可行路径法
对于有约束的最优化问题,按照搜索区域是否需满足约束条件,可以分为可行路径法和不可行路径法。
可行路径法每次迭代产生的决策变量修正值必须满足约束条件,即每次迭代必须求解一次过程方程组,且要有解。这类算法简捷可靠,但计算量比较大,而且并不是每次迭代都能得到有物理意义的解,因此可能会发生迭代失败。广义既约梯度法(GRG)就属于此类方法。
不可行路径法迭代区域不需要满足约束区域的限制,在迭代过程中,变量逐步向目标函数最优的方向移动,同时考虑变量偏离约束条件的程度,对变量进行修正,只有在目标达到最优时才同时满足约束条件的限制。不可行路径法不需要每次都求解流程模拟方程组,计算效率较高。其主要缺点是求解过程可能不稳定。逐次二次规划法(SQP)属于该类方法。
各种优化方法都有一定的适用性,但总的发展向着缩小优化空间,不可行路径的方向发展[12]
1.1.3过程综合
     在确定的生产目的下,找出最佳的工艺路线,即确定最优的过程系统结构,这样的问题称之为过程合成或者过程综合(Process Synthesis)。过程综合和过程分析是化工设计的两种主要手段。在设计过程中,这两种手段交替使用。过程分析本质上是已知过程的输入,求出过程的输出。而过程综合是已知输入和输出,要求构造从输入到输出的过程。这种过程并不是唯一的,因此存在一个优化的问题[14]
    过程综合问题根据是否有可行的初始流程分为两类:其一是从某一可行初始流程出发寻找其他改进流程,从而得到局部的最优解;另一种是在没有初始流程的情况下,寻找最优的流程结构。解决前一种问题较为成熟的方法是调优合成法。它从最初的流程开始,进过修正、改善,从而逐步得到经济上更为合理的新流程。该策略保留了原流程的优点部分,对其余部分不断修正,使系统逐步优化。对于无初始流程的过程综合问题,一般使用分支定界法进行优化。该方法可以排除大量的不可行流程方案,使需要详细计算的方案数大量减少,可以很快的找到最优解[12]
过程综合主要包括反应路径综合、分离序列综合、反应器网络综合、换热网络综合和控制系统综合等。
1.1.3.1 分离序列综合
分离序列是化工工艺设计的重要组成部分。在分离过程中,主要费用为设备投资和操作费用,因此分离序列综合就是寻找合理的分离方法,组成合适的分离序列,使投资和操作费用最低。从数学角度来看,分离序列综合可以表达为一混合整数非线性数学规划问题:
    (1-6)
式中,i为可能的分离单元,为该分离单元的设计变量,为该分离单元与设计变量相关的总费用,为设计变量的可行域。
求解分离序列综合的方法有:试探法、调优法和数学规划法三大类。这些方法大多数仅适用于简单分离序列的综合问题,对于大规模复杂分离序列综合,还需要引入其他的求解方法。
董宏光[15]等把分离序列抽象为二叉树,并采用图论的方法建立了相邻切分点变换机制,将自适应机制和并行技术引入到禁忌搜索中,形成多任务的并行处理,数值试验表明可以解决大规模分离序列的综合优化问题。后来又用无性繁殖单亲遗传算法求解该类问题,也得到不错的结果。
鄢烈祥[16]提出了一种简洁表达的分离序列超结构,基于这种表达方式确定了产生相邻分离序列的策略,并提出了队列竞争算法,来求解大规模分离序列综合问题。该方法减少了搜索的空间,可以很快得到最优或接近最优的分离序列。
Floquet[17]Marcooulaki[18]提出了模拟退火的求解策略,但没有考虑参数优化和过程热集成的问题。陈中州[19]等用模拟退火法结构优化的同时,用线性规划法优化操作的参数。但因为过于简化,误差比较大。安维中[20]等在此基础上提出了改进模拟退火算法,用于求解多组分热集成精馏系统综合问题,可以实现流程结构和操作参数的同步优化,可以有效求解产品数大于10的分离序列问题。
1.1.3.2 换热网络综合
在生产过程,物流需要加热或冷却到适当的温度。由这些冷热物流以及相应的换热设备,就构成了一个换热网络。
换热网络的费用主要包括设备费用和公用工程费用这两方面,设备费用又以换热单元数和传热面积来考量其大小。换热网络综合的目标就是这三方面的消耗最小。但最小的能量消耗,通常需要较多的换热单元数,而较小的换热单元数又需要较大的换热面积。因此,在进行换热网络设计时,需要某方面作出牺牲,得到一个折衷的优化方案。
Hohmann[21]利用温焓图进行了冷热物流复合,得到了换热网络最优解,即最小公用工程用量。他提出了换热网络最小换热单元数的计算公式,从理论上得到了两个换热网络的理想状态,为换热网络综合指明了方向。
LinnhoffFlower[22]HoHmann的基础上,提出了夹点的概念和温度区间法,可以通过简单的代数运算得到最小公用工程用量。并提出了调优的法则,在不增加或者是少增加公用工程用量的情况下,减少换热单元的数量。
20世纪80年代起,人工智能技术也应用到换热网络综合领域,发展了专家系统模型,遗传算法模型,神经网络模型等。
秦强[23]等提出了双层法来计算复杂换热网络综合问题,内层将模型线性化,并迭代计算模型的参数,外层用内层结果用严格法计算物性和传热系数,修正线性模型的参数,并编制了相应的软件,具有通用性。
方海鹏[24]等用遗传模拟退火算法对带约束的换热网络综合问题进行了研究,提出了新的模型,能够计算出优化变量的可行域,并使优化变量数大大减少,增强了获得全局最优解的能力。
李志红[25]等提出了基于专家系统的有分流换热网络综合设计方法。首先通过专家系统确定物流的分流及禁止匹配情况,在此基础上建立了超结构模型,并以遗传算法进行求解,可以得到优化的流程结构,并满足工艺限制的要求。
聂秀荣[26]等把工艺过程进行简化,提出了超结构回归模型,来进行工艺过程和换热网络的联合优化。并把整形变量进行了连续化处理,为求解MINLP问题提供了新途径。
1.1.4过程集成
过程集成(Process Integration, PI)是过程综合领域的一个分支[27]。过程集成最初是从能量的角度研究过程的优化设计,目前已经扩大到从系统的角度进行的优化设计,将化工系统中的物流、能流、信息流加以综合集成[28]。过程集成技术不仅可以降低投资,减少能耗,而且发展到提高原料利用率、降低污染物排放和过程操作等方面。按集成层次的不同,可以分为单一过程内的集成,包括多种过程的企业级集成,考虑过程工业与社会、环境协调发展的生态工业集成[29]。过程集成技术主要有热集成、质量交换网络、多联产系统、工业生态化和化学供应链集成。
1-2 不同层次的过程集成[30]
Fig.1-2 Process integration at different levels
1.1.4.1 热集成
换热网络主要是冷热物流最佳匹配和换热设备的最优设置。热集成则扩大到了系统中所有可以产生或者消耗能量的单元或者是子系统,包括反应器、塔顶冷凝器、塔底再沸器、热机、热泵[12]。匹配形式包括热泵精馏系统,热机与换热网络的匹配,分离序列中各分离器之间的能量匹配等。
热泵精馏[31]是把制冷循环和塔底再沸器和塔顶冷凝器结合起来,用压缩后的制冷工质冷凝,为塔底再沸器提供热量;再汽化为塔顶再沸器提供冷量。热泵精馏有三种不同的形式:闭式热泵精馏、A型开式热泵精馏和B型开式热泵精馏。闭式热泵精馏制冷工质为非工艺物流,制冷循环自己形成封闭系统。开式制冷工质为塔顶或者塔底的工艺物流,用塔顶蒸汽作为制冷工质的称为A式,塔底物流作为制冷工质的称为B式。
热泵精馏主要用于低温精馏,以节省冷量,同时要求塔顶和塔底的温差较小,以使压缩机的功率较小,其设备折旧率和能耗要小于标准精馏的总能耗。
分离序列中各分离器之间的能量匹配,主要技术为多效精馏[32]。多效精馏过程是以多塔来代替单塔,各塔操作压力由高到低,用较高压力塔塔顶蒸汽加热较低压力塔的再沸器。如果相邻两塔的热负荷相匹配,则只需对第一塔加热,对最后一个塔冷凝。采用N效精馏,再沸器所需加热蒸汽会减少到原单效精馏的1/N左右。
1.1.4.2 质量交换网络
从生产过程中的物流出发,确定整个生产过程的性能目标,优化生产和产品路线,形成了用于防止污染,资源回收和废弃物消减的质量交换网络。比较成熟的技术为用水系统集成和氢集成。
EI-Halwagi[33]等将夹点技术移植到质量交换网络中,得到了水夹点技术。把企业的整个用水系统作为一个整体,考虑如何分配各用水单元的水量和水质,使水的重复利用率最大,污水排放量最小。水夹点以流量和浓度作组合曲线,夹点之上不能引入新鲜水,夹点之下只能使用新鲜水。应用水夹点技术可以节水20%~50%[34]
氢集成相应的技术为氢夹点技术[35],它通过构建氢组合曲线,来反映生产过程的氢供应和需求情况,通过氢夹点计算最大的氢回收目标,从而确定氢气的生产能力以及外购氢气量。
1.1.4.3多联产系统
     多联产系统从系统的角度出发,把发电、冶金、供热、化工等多种生产过程集合在一起,以实现物料和能量的梯级利用,并获得多种产品和多种洁净的二次能源。与单一生产过程相比,多联产系统可以实现能源、原料的高效利用和清洁生产,并降低投资费用。
     现在多联产系统一般以煤气化工艺为源头,实现冷、热、电、煤气、液体燃料、合成氨及碳一产品等多种产品的联合生产。多联产系统不仅涉及新技术、新工艺的开发,以及对能量转化利用机理的探索,而且涉及各过程单元的优化集成。需要发展新的集成、优化和控制策略以及相应的软硬件支持[36]
1.1.4.4工业生态化的过程集成
    生态化工业是仿照自然界生态循环的模式来规划工业生产系统。各个生产过程通过物流、能流和信息流互相关联,一个过程的“废物”可以作为另一过程的原料加以利用,从而从根本上实现废物的零排放,达到资源、能源、投资的最佳利用,以及环境的最友好[37]
工业生态化过程集成关键在于实现各个过程的物质和能量集成。能量集成包括过程内的能量集成和过程间的能量集成。  
1.2过程能量综合研究进展
过程能量综合发展于80年代早期,是过程综合的一部分。过程能量综合是在一定的流程方案的前提下,对能量的综合利用与相应的设备优化选择及流程结构之间进行权衡。工艺流程和参数是进行能量综合优化的前提条件,但能量综合优化的结果,也会对工艺流程和参数进行反馈,影响它们的决策。
随着能源短缺和节能意识的提高,人们对过程能量综合做了大量的研究,先后建立和发展了火用分析、夹点技术、三环节能量结构模型和全过程系统能量优化综合等一系列的用能综合分析方法。这些能量综合优化的方法已经应用于过程的能量综合和优化,在过程工业的设计和生产中发挥了巨大的作用。
1.2.1火用分析
火用分析是同时考虑热力学第一、二定律的热力学分析法。它是对装置或过程在物料衡算和能量衡算的基础上,计算各物流和能流的火用值,通过火用平衡,确定火用损失及其分布,找出损失或损耗的原因以及能量利用上的薄弱环节,为节能降耗、提高能量利用率指明方向[38]
 火用分析在单元设备用能分析上得到了广泛的应用[39-41]M. Sorin对反应器提出了系统火用系数的概念,可以用来估算反应器的内部和外部火用损及反应转化率。对甲烷水蒸汽转化反应器用传统的火用效率和火用系数进行了分析。结果表明,火用效率不包含因为过程改进致使转换率改变的影响,而火用系数可以显示这一点。Tatiana Morosuk在对吸收式制冷机进行火用分析的时候,把火用损失分为了内部/外部火用损失和不可避免/可避免火用损失。这种区分提高了火用分析的精度,加深了对无用能的理解,有利于系统用能效率的提高。Yongzhong Liu对冷冻干燥过程的各个阶段建立了模型,进行了火用分析,指出提高蒸汽的冷凝温度,可以显著降低过程的火用损失,减少能量的消耗。但由于火用分析和火用计算过程比较繁琐,在复杂系统中的应用受到限制[42]
1.2.2夹点技术
夹点技术是由Linnhoff及其同事逐渐发展起来的一种用于过程系统能量优化的技术[22]。它由已知数据画出冷热物流组合曲线,确定最优的夹点温差,然后按照经验规则合成初始最优换热网络。
1-3 冷热物流组合曲线及总复合曲线
Fig.1-3 The composite curve and the grand composite curve
a. composite curve, b. grand composite curve
夹点将换热网络分为上下两个部分,其中夹点之上不能引入冷公用工程,夹点之下不能引入热公用工程,否则均会引起公用工程用量的增加。夹点技术比一般热力学的能分析、火用分析相比,进一步指出了哪些能量损失、火用损失是可以避免的,哪些损失从热力学上讲是不可避免的,即最小的能耗。并进一步指出如何匹配能达到最小的能量的损失[43]
夹点技术在80年代后期又提出了超目标及双温差、拟夹点技术法等[44]。超目标法考虑能耗和换热面积双目标的优化,通过对能耗费用和设备费用进行折衷,确定最优的夹点传热温差,然后再用夹点技术合成换热网络,得到综合费用最小的换热网络。双温差法和拟夹点技术法将夹点传热温差与换热器的最小传热温差作为两个变量处理,可以减少换热器台数,获得结构简单、设备投资费用更小的换热网络。这些发展使得夹点分析在实际工程中得到了更大的应用。
夹点技术还引入了总组合曲线(Grand composite curve)的概念(1-3, b),可用于需要多个级别公用工程的换热网络综合问题。总组合曲线是通过将冷、热物流组合曲线分别上移和下移,然后再把同温度下,冷热物流组合曲线上的横坐标相减得到的[45]。过程内部物流换热为阴影部分。根据公用工程夹点可以确定合适温位的热公用工程和冷公用工程的用量,减少了高品位公用工程的用量,以降低公用工程的费用。
夹点技术也可以用于热能动力工程系统的优化综合。在有热机和热泵存在的情况下,将动力的产生和消耗与系统的热公用工程的需求结合起来,以使系统对外所需的动力和燃料的消耗最少。夹点技术为系统引入热机、热泵提供了理论依据:热机排出的热只能对夹点之上的物流的加热,才能减少热公用工程用量,提高热机的能量利用率;若加热夹点以下的冷物流,则只会增加冷公用工程的用量。同样,只有夹点下的热物流发生蒸汽,后经透平做功,才能提高系统的热能利用率。
目前,夹点技术已由换热网络的合成设计发展到了全厂区的能量综合[46]。全厂区的能量系统包括各个生产过程的换热网络、蒸汽动力系统和冷却、制冷系统。总的能量集成是在各生产过程换热网络的基础上,安排过程之间的热量交换,对热机作功和背压蒸汽加热进行合理配置,使厂区总能耗最小。由夹点技术建立单过程的复合曲线和总复合曲线。总负荷曲线可以指出经过内部物流换热后所需的最小冷热公用工程用量,即剩余的热源和热阱。对于多个过程,把各过程的剩余热源和热阱分别组合,构成了全厂的温焓分布图。从而可以对全厂的能量利用系统进行综合。
夹点技术利用图论的方法对系统用能作出直观、清晰的描述,并归纳出若干简捷的规则,可被设计者较容易的掌握,在过程工业的诸多领域得到了广泛的应用,并取得了较好的经济效益[47,48]Linnhoff March 公司已对全球500多家企业的1000多套装置的换热网络进行了改造,其中60%的项目已得到应用。平均节能30%以上,只用0.5~1年既可以收回改造的投资费用。国内应用夹点技术对换热网络和动力系统的改造也取得了可观的经济效益。我国许多企业能耗比国外先进水平高约35%~110%。其中通过能量集成可降低的能耗占总可以节能的50%。因此,在我国利用夹点技术对过程工业进行能量集成,具有非常大的潜力。
1.2.3数学规划法
数学规划法将所研究的能量综合问题表述成约束条件和目标函数的数学模型的形式,并选择合适的优化方法,通过求解得到满足约束条件的目标函数的最值,从而从众多可能的结构中选择出最优的结构。从理论上讲,如果问题的相关影响因素在模型中都予以考虑,可以得到严格的系统最优解。从这方面说,数学规划法比夹点技术更为严密。在实际的化工过程包括多种可行的流程方案和单元设备,需要用整形变量0-1来表示;还包括很多的过程连续状态变量及决策变量,描述这些变量的等式或不等式函数又常是非线性的。因此,系统能量的综合优化通常表现为混合整型非线性规划(MINLP)问题。
1983年,Grossmann建立了一个MILP数学模型来同时优化热回收网络和公用工程等过程系统参数[49]RoderaBagajewicz建立了两装置之间的热集成模型[50],用问题表格法建立超结构,分析得到了两装置夹点间的有效传递热量,能减少全厂的冷热公用工程用量。后来扩张到了多套装置间的热集成[51]Anita等提出三步法来集成多套装置中过剩的能量[52,53]。首先对单套装置进行改造,然后分析装置间能有效传递的多余热量,第三步用MINLP模型来集成没有改造和已经改造的装置的多余热量,获得最大的节能目标。这种方法没有考虑各装置物流跨装置匹配可能带来的节能效果。
MINLP模型经常为非凸的非线性模型,特别是对大规模的复杂过程,求解比较困难。随着数学规划法的发展,出现了遗传算法、模拟退火法,可解决复杂的能量系统优化综合问题。G. Athier提出了两段设计法[54],先用模拟退火法产生不同的换热网络结构,再用非线性规划法对这些网络结构选择和优化,有效的解决了一些大型复杂系统的能量综合优化。Hongmei Yu[55]结合遗传算法和模拟退火法对大型能量系统进行优化,也取得了不错的效果。
但数学规划法的求解仍存在限制,需要将复杂的工艺过程进行一些简化。这往往会造成计算结果的失真;另一方面,数学规划法的物理概念不清晰,难以被设计人员掌握和使用。
1.2.4三环节能量利用模型
为了准确、严格的描述能量系统本身,正确的指出和评价真正的能量损失和无效性以及改进的潜力之所在,并使整个系统,而不是某一个子系统,朝着优化的方向改进,华贲等人从能量在过程系统中的作用和变化入手,揭示出能量在过程系统中利用、转换和回收过程中的普遍规律,提出了三环节能量利用结构模型[56-59]
该模型按能量的演变过程将整个系统分为能量转换环节、能量利用环节和能量回收环节三个环节。在利用环节,能量推动反应和分离过程的进行,使原料转化为最终的产品。回收环节主要为换热网络,并包括功回收、能量升级等。转换环节是将外界的化学能、电能转换成利用环节所需要热能、机械能等形式。
所有的设备和局部单元都按其在能量演化中的功能分别归入这三个环节。在这三个环节中,能量转换和回收环节是起辅助作用的,包含工艺过程在内的能量利用环节起先决作用。通过提高能量转换火用效率、降低工艺总用能、减少利用环节内过程火用损耗、提高能量回收率四个方面对整个系统的用能状况作出改善[60]
三环节方法进行过程系统能量综合优化的基本策略步骤如下[61]
在火用分析的基础上,对子系统进行分解优化。首先在初始有效转换火用价和待回收火用价的条件下,优化能量利用环节(工艺过程)
以利用环节优化结果为基础,对能量回收和转换环节进行优化。这两个环节优化后,会产生新的有效转换火用价和待回收火用价。以新的火用价为基础,调整利用环节的优化结果。经过几次迭代计算,能够得到全局的初步优化方案。优化的措施有能量升级,热功联产和换热网络综合。
对换热网络进行结构调优。处在换热网络中某一的位置的换热单元的换热温差与该单元的火用经济最优温差之间有一定的差异,通过换热网络结构调优可以进一步进行全局优化。它是通过工艺改进、能量升级、热功联产等多方面的措施来实现的,被称为“复合措施”。
对改进措施进行经济评价。效益好的措施得到强化,效益差的措施取消或消减。改进措施的效益需用火用经济评价方法来计算。
经过以上步骤的调整,整个系统将趋于优化。
三环节方法对20多个化工和石油化工装置进行了节能改造和设计,大部分取得了大幅度节能和提高经济效益的结果。
1-4 “三环节”能量结构和火用流结构模型
Fig.1-4 Process energy and exergy structure of three-link model
1.2.5过程系统用能一致性原则
姚平经等提出了全过程系统能量优化综合策略,根据“过程系统用能一致性”原则[62,63],把反应分离,换热,热机、热泵等过程的用能特性抽提出来,转化为相当的冷热流股,从而把反应分离、换热、公用工程三个子系统作为一个整体来进行能量集成。这样就将全过程系统的能量综合问题转化为有约束或者是无约束的虚拟换热网络的综合问题,再采用常规的夹点设计法或者数学规划法来进行虚拟换热网络的优化设计。但需指出的是该策略只能对已有流程进行分析。
夹点技术和全过程系统能量优化综合策略都没有系统的考虑能量的工艺利用环节和能量转换环节的改进,而是以这两个环节特征参量保持不变来合成换热网络,难以实现全局的用能的优化。
1.3 海水淡化技术
供水是公用工程的主要内容之一。传统的水源主要为江、河、湖、水库和地下水。由于淡水在时空分布的季节性和地域不均匀性,以及人们对水的需求量的加大,水资源短缺已成为制约世界各国经济发展的瓶颈。而通过人工调配水的分布,不仅在经济上受到制约,而且有可能对环境造成不可恢复的破坏,不能从根本上解决淡水短缺的问题。从上世纪60年代开始的海水淡化技术为解决这一问题提供了一条有效的途径。
海水淡化经过半个多世纪的发展,技术已经相对比较成熟。尤其是热法和膜法得到了广泛的应用。多级闪蒸单机容量已有原来的500 m3/d发展到最大75 000 m3/d,全厂的产水量达到300 000 m3/d。从70年代发展起来的反渗透海水淡化技术,在苦咸水和海水脱盐上具有很大的优势。特别是随着膜技术的发展,膜的选择性,淡水回收率,以及膜的使用寿命都有大幅度的提高。在世界范围内,海水淡化的装机容量已超过了6.0×107m3/d。其中反渗透占到了60%以上,其次为多级闪蒸海水淡化,压气蒸馏海水淡化和多效蒸发海水淡化。热法在海湾地区仍占有统治地位;在美国、西班牙、日本等国主要采用膜法。
2012年,中国的海水淡化装机容量约为70×104 m3/d,约为世界总装机容量的1%。国家海水淡化发展目标为:到2015年,海水淡化产能将达到220×104 - 260×104 m3/d, 对海岛和对沿海缺水城市新增供水量贡献率分别达到50% 15%以上[64,65]
在我国,发展和扩大海水淡化产业,对缓解沿海和海岛缺水的状况,促进中、西部地区的苦咸水和微咸水淡化利用,优化用水结构,保障水资源可持续利用具有重要的意义。
1.3.1多级闪蒸海水淡化
多级闪蒸是一种成熟的海水淡化技术,具有维护费用小,对原水水质要求低,可以处理不同含盐量的海水,设备简单可靠,操作弹性大,易于大型化,产水品质高等特点。但能耗和电耗都较大,产水的成本比较高,市场占有率呈减少趋势。
图1-5 多级闪蒸海水淡化原理示意图
Fig.1-5 Schematic diagram of multi-stage flash desalination
多级闪蒸海水淡化原理如图1-5所示。为了对多级闪蒸过程进行分析和优化,建立了一些简单的和详细的数学模型[66-68]。详细的数学模型,通过求解大量的方程组,能够得到更多的变量信息。但事实证明,简单模型对设计参数的确定效率更高,也更准确[69-71]
在现在的多级闪蒸海水淡化厂中,闪蒸级数一般在19~28之间[72-74]。操作温度根据防垢方法的不同,控制在90~120℃之间。温度降低,MSF单机容量也随着减小。温度升高,可以提高多级闪蒸的效率和单机容量,但腐蚀和结垢速度也随着上升[75,76]。通过寻找更高效的阻垢剂,或者结合钠滤前处理,降低海水的离子浓度,提高MSF的操作温度,对提高MSF性能,降低产水成本具有重要的意义。
1.3.2反渗透海水淡化
反渗透海水淡化通过对海水施加一个高于渗透压的压力,使淡水透过选择性渗透膜,可溶性盐分被截留下来,在无相变的情况下得到淡水。反渗透主要的能量消耗为对原料海水加压。典型的RO海水淡化厂由四部分组成:前处理系统、高压泵和能量回收系统、膜组件、后处理系统。
在海水中,特别是水温较高的表层海水,存在着多种微生物。这些微生物不仅对引水系统造成破坏,也会污染海水淡化系统。膜表面的污染会造成脱盐率、产水量的下降和膜组件压差的增大。海水预处理方法主要为加氯预处理、超滤、钠滤预处理。加氯预处理可以控制细菌和海藻的繁殖。但反渗透膜对氯比较敏感,通常需要用亚硫酸氢钠去除给水中的余氯。这种方法会出现“后繁殖”现象。这是由于有些细菌耐氯性比较强,并不能被杀死;微生物和细菌被氯分解以后也为这些微生物提供了可消化的有机物,造成微生物更快的繁殖。通过实验,日本东洋纺公司采用间断加氯法,并减少加氯量,使加入的氯气量既可以抑制海藻的生长,而又不会促进可消化有机物的生成。采用大孔径的中空纤维超滤膜或者是微滤膜作为海水淡化的预处理,不需要加入预处理药剂,同时可以去除保安过滤器,改善了进水的水质,可以延长反渗透膜的使用寿命。沙特阿拉伯开发了钠滤预处理技术,降低海水硬度和总容性固体,保证膜组件的安全运行[77-79]
反渗透膜是由半渗透材料聚合而成,分为卷式膜、中空纤维膜和平板膜等形式。随着,反渗透膜的生产技术的逐渐成熟,脱盐率、反渗透膜的稳定性和纯水的通量都大大的增加。经过多年摸索实践,预处理工艺基本可以保证膜的安全运行。高压泵和能量回收装置效率也不断提高。反渗透海水淡化的产水成本大幅度降低。
能量回收装置的研发和应用,为降低反渗透的能耗起到了很大的作用。能量回收装置有两类:流体非直接接触式和流体直接接触式。非接触式如水力回收透平,它与高压泵电机主轴相连,通过高压浓盐水冲击回收能量。非接触式能量回收装置需将压力转换为机械能再转换为压力能,再转换过程中存在不可避免的能量损失,总的效率约为50%。直接接触式能量回收系统能量损耗比较小,实际效率能够达到80%~90%.       虽然直接接触会产生一定的掺混,但掺混率只有1%~2%,对原料的影响不大[80]
1-6 反渗透原理示意图
Fig.1-6 Schematic diagram of reverse osmosis desalination
为了更好地对反渗透海水淡化进行工程设计,确定合理的工艺流程和运行参数,以较低的成本得到合乎要求的淡化水,人们对反渗透的机理进行了研究[81-94],并提出了反渗透系统的过程模型。
溶解扩散模型能够很好的解释水和盐在膜中的透过现象,其计算精度能够满足反渗透系统的设计和优化,得到了广泛的应用。这个模型可以简化为如下两个方程:
     (1-7)
        (1-8)
这个模型两个主要的参数:纯水渗透性常数Aw ,盐的传质参数As。根据溶解扩散模型,可以计算在一定的操作压力下,纯水的通量Nw和盐的通量Ns。确定膜的面积,就可以得到渗透水的量和纯度。其中,Δp为操作压力和环境压力之差,Δ∏为膜两侧的渗透压之差,cw为浓水侧膜表面的盐浓度,cp为渗透水的浓度。
反渗透海水淡化变量比较多,人们对其进行了优化设计。MccutchanGoel[95]对单级和多级反渗透流程进行了最优化的设计。优化了系统的操作压力和膜面积两个变量。研究结果表明在一定的盐度条件下,一级反渗透流程可以获得最低的产水费用;提高反渗透操作压力比增加海水进料量效果更好。
Evangelista[96]等参照精馏的设计方法,利用图论的方法对RO进行了设计。
El-Halwagi[97,98]等提出用状态空间法来描述反渗透的网络超结构,将所有可能的反渗透工艺流程用数学方法表达出来,最终将设计问题表达成MINLP问题。求解得到了最佳的流程和设计参数。Voros[99,100]对上述超结构进行了简化,不考虑设备的选型,将设计问题转化为一个NLP问题,降低了求解的难度。结果表明,反渗透膜在可允许的最大操作压力下运行,可以得到比较好的盐水分离效果。
Nemeth[101]Nederlof[102]对采用低压膜的苦咸水反渗透系统进行了优化设计。他得到的结论为高操作压力反渗透系统的设计方法不适用于低压系统,需要对其进行修正。提出一级采用高压膜,二级中采用低压反渗透膜;或者在压力容器排放不同型号膜的改进措施。
Mark Wilf[103]讨论了反渗透操作压力、原料海水的温度和海水盐度等参数对单位水费用的影响。Peter Geisler[104]对能量回收系统进行了讨论,优化了系统能量的利用。
1.4 水热电联产研究进展
为了降低水、热、电的生产成本,人们对热电联产,水电联产以及RO/MSF混产系统进行了大量的研究。
1.4.1热电联产
热电联产相对于热电分产节能体现在两个方面:一方面是避免或减少了电厂冷源损失,提高了能源利用率。另一方面热电厂的大型锅炉热效率高,从而可以减少燃料的消耗[105]
热电联产机组有两种型式:背压供热机组和调节抽气供热机组。背压供热机组全部的冷源损失都用作了供热,所以热效率很高,几乎为锅炉效率和管道效率的乘积。调节抽气供热机组一部分冷源损失用作了供热,它的综合热效率比同参数、同容量全凝汽机组高,但如果供热量比较少,不一定比大容量、高参数的发电机组效率高。国家计委等部门在《关于发展热电联产的若干规定》和《关于发展热电联产的规定》对热电联产系统是否节能做出了界定:供热式汽轮发电机组应符合总热效率年平均大于45 [106,107]
热电厂经济合理的供热范围,蒸汽管网的输送距离不宜超过8 km,热水管网的输送距离不宜超过20 km[108]。因此热电厂在规划建设的时候,应因地制宜,根据近期和远期电、热负荷的大小,合理确定热电厂的规模,而不能盲目建设大热电。
根据中国电机工程学会的统计,2009年热电机组装机容量已达到了10MW,约为火电装机容量的1/5。在集中供热的负荷中,供蒸汽的占80%,供热水的占20%[109,110]
1.4.2 MSF和电厂水电联产
水电联产一般指的是MSF和电厂的联合产水产电的系统。MSF因其能耗和电耗都比较大,产水成本比较高。为了降低产水的成本,利用低品位、低价热源作为顶温加热器的热源,可以降低能耗的成本,从而降低产水成本。这些热源包括工厂废热、核电站余热、太阳能、生物能和热电厂余热[111-113]。其中,MSF和电厂的联合系统,应用的最为广泛。水电联产可以利用电厂的低品位废热,作为MSF的热源,提高了能量利用效率,实现了能量梯级利用。在联产系统中,MSF的能耗能够降低到原来的1/2~1/3[114,115]。同时,电厂能为MSF提供低价的电力供应,进一步降低了产水的成本。MSF也可以为电厂提供锅炉用水,解决了部分电厂用水短缺的问题。
如何充分利用低温热源进行水电联产,国内外学者提出了多种方案。Kronenberg提出了利用柴油发电机余热的四种设计方案,解决了凝气机组抽气压力高的问题,实现了能量的匹配 [116]。在不需要对厂里的装置进行改变的前提下,实现了水电联产。
LAwerbuch[117]提出了四种MSF-电厂联产方式,最后确定在一定的电水比下,可以实现能量的最佳匹配;Ali M.El-Nashar[118]在前者的基础上增加了一种新的水电联产方式,并对这五种水电联产方案中的对能量耗费、造水比等参数进行了优化,以投资费用、能量消耗和电价格为决定因素,进行联产系统的经济优化,得到了费用最小的联产系统。
Hamed[119]将多级闪蒸海水淡化系统与汽轮机组联合进行水电联产,并对该系统做了灵敏度分析,得出燃料的消耗量以及燃料价格是影响水电联产系统经济性的主要因素。
N.Wade[120]等针对联产过程,提出了不同的能量分配方法,并以系统的燃料费用作为优化变量,对经济模型进行了修正。分别将MSFRO两种海水淡化结构与四种不同的发电装置相结合,发现MSF和循环发电结合的能耗最小。杜宇[121]针对基于凝汽式机组低真空度运行下的三种联产系统建立了数学模型。其中当低真空度运行,乏汽排放温度70时,汽轮机的排气量比原工况增加了8.09%;当低温多效效数为11,制水成本最低。
MSF和电厂的水电联产在海湾国家应用广泛。阿曼在1991年到1997年共建造了112.7×104m3/d MSF30MW背压机组的联产系统。阿联酋也建造了单机容量达4.54×104~5.77×104m3/d的水电联产系统。
1.4.3 RO/MSF混合系统
为了降低制水成本,人们除了对MSFRO进行了工艺、设备改进外,对RO/MSF混产也进行了大量的研究。RO/MSF混合系统结合了RO能耗低和MSF产水盐度低的优点,可以获得成本低、纯度高的淡化水[122]TurekDydo的研究表明,热膜混合的表现和淡化水品质都要优于纯RO海水淡化[123]
Al-BahriRO/MSF混合系统的反渗透的最佳海水温度进行了研究。结果表明,混合系统的产水量随着海水温度的升高先增加后减少。膜的寿命随着进料海水温度的升高而降低。对二者进行综合考虑,进料海水温度取值为25-28[124]
Helal研究了不同的RO/MSF混合结构,对7种集成系统分别建立数学模型,并对吨水费用的影响因素进行了灵敏度分析。以吨水产水成本最低为目标函数,用Excel进行求解。结果表明,多级闪蒸的蒸汽费用对系统的费用影响最大。提出利用背压发电汽轮机的蒸汽作为MSF热源能够降低产水费用。混合结构和单纯RO相比,大约可以降低13%的费用[125,126]
Marcovecchio[127]设计了一级、二级反渗透与多级闪蒸的混合工艺,以不同的进料方式和进料量为决策变量,多级闪蒸的换热面积和反渗透的级数为优化变量进行了优化。
伍联营[128]等采用混合节点和分配节点的概念,获得了集成系统的最优结构及其操作条件。其结果表明:集成海水淡化系统比独立运行的反渗透和多级闪蒸系统的产水成本都低;当MSFRO的产水比为0.45时集成系统的年费用最小。
热法在处理高浓度海水时具有更高的效率。Hamed介绍了钠滤(NF)作为前处理的NF/MSFNF/RO/MSF的混合结构。NF可以显著的降低海水中的离子浓度,从而可以提高MSF的操作温度,提高MSF的性能和生产能力[129]
1.5本文的研究内容
公用工程是化工过程中耗能最多的子系统,对其进行综合优化,对节能降耗,实现可持续发展具有重大意义。而公用工程的主要内容就是水、热、电的供应。在以往,水热电供应基本上是分开进行的,或者只是进行热电联产,或水电联产,并没有把三者统一起来进行考虑。随着水资源的短缺,在沿海缺水地区或者内陆盐水、苦咸水地区进行化工园区建设时,用海水淡化技术来生产淡水,来解决水短缺是一条可行的路径。有必要对水、热、电三联产系统的设计进行研究。
能量综合是过程系统工程研究的另一重要内容。随着研究的深入,提出了包括火用分析,夹点分析,数学规划法,三环节能量利用模型,以及用能一致性原则等方法。这些方法有些只能对局部用能进行综合优化,有的过程过于复杂,难以进行实际工程应用。综合上述问题,给出了本文的主要研究内容。
(1) 建立完整水、热、电生产的热电厂、多级闪蒸、反渗透的过程单元模型和经济模型,为进行水热电联产系统的设计打下基础。
(2) 给出水热电联产系统的优化设计方法。对考虑原水浓度变化、煤价格变化以及满足不同需求的水热电联产系统进行优化设计。
(3) 提出新的能量利用综合策略,对考虑工艺改进的,包括公用工程在内的全过程的能量利用系统进行综合优化。针对在节能过程中,有时节能却不经济的现象,对改进过程进行节能和经济双目标的优化。编制相应的能量分析软件,使该策略能够方便的应用。
(4) 以甲醇制系统系统为例,应用提出的能量综合策略,进行优化。并对改进同时进行经济评价,以实现节能和经济的共同优化。


 
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