公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件

第五部分

公用工程系統(tǒng)頂層分析法與

能量集成綜合優(yōu)化法

主講人：尹洪超大連理工大學能源動力學院教授化工系統(tǒng)工程研究所博士能源管理與節(jié)能研究中心主任電話真-mail：hcyin@第五部分

公用工程系統(tǒng)頂層分析法與

能量集成綜合優(yōu)化法主講課內(nèi)容

一、公用工程系統(tǒng)頂層分析法二、公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法三、石化企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化四、實例研究

講課內(nèi)容一、公用工程系統(tǒng)頂層分析法公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法

大型化工或石油化工企業(yè)的全局過程系統(tǒng)一般可分為3個子系統(tǒng)：工藝過程、換熱網(wǎng)絡(luò)和公用工程其中公用工程系統(tǒng)向各過程提供所需的動力、電力、熱能和蒸汽等公用工程，其中尤以蒸汽動力系統(tǒng)最為重要。公用工程系統(tǒng)一般具有幾個不同壓力等級的蒸汽管網(wǎng)向過程輸送蒸汽或熱量，同時回收過程余熱，各級管網(wǎng)之間通過蒸汽透平產(chǎn)生過程所需的動力或電力，虧盈量可由電網(wǎng)購入或輸出電力。因此公用工程系統(tǒng)本身也是過程工業(yè)中的耗能大戶，它的優(yōu)化設(shè)計和節(jié)能改造具有很大的節(jié)能潛力，對全局系統(tǒng)的能量利用率和經(jīng)濟性具有重要影響。

公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法大型化工或石油化工（一）公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法

（1）公用工程系統(tǒng)頂層分析優(yōu)化

（2）過程全局夾點分析（3）超結(jié)構(gòu)MINLP的能量集成最優(yōu)綜合法

（一）公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法（1）公用工程系統(tǒng)頂一、公用工程系統(tǒng)頂層分析優(yōu)化

①主要思想②剩余熱負荷的產(chǎn)生

③剩余熱負荷的轉(zhuǎn)化途徑分析

④剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析

⑤應(yīng)用頂層分析法能量集成的步驟

⑥應(yīng)用實例

一、公用工程系統(tǒng)頂層分析優(yōu)化①主要思想①主要思想

這種方法與傳統(tǒng)的洋蔥模型相反，是從公用工程子系統(tǒng)出發(fā)，由上及下(top-down-philosophy)逐層深入進行能量集成改造。其主要思路就是首先對公用工程系統(tǒng)進行分析和用能診斷，找出全局節(jié)能潛力所在，確定剩余熱的最佳轉(zhuǎn)化途徑和最經(jīng)濟的改造方向。與傳統(tǒng)的方法相比，它僅需要公用工程系統(tǒng)的有關(guān)信息，所需工作量大大減少，是用于全局過程節(jié)能改造的實用新方法。圖1洋蔥模型與頂層分析法比較

①主要思想這種方法與傳統(tǒng)的洋蔥模型相反，是從①主要思想

頂層分析法需要分析剩余蒸汽作功的各轉(zhuǎn)化途徑的熱效率η。對于凝汽式發(fā)電（作功）裝置，其熱效率一般在0.35～0.45；而對于大型復(fù)雜的過程系統(tǒng)，為滿足各裝置的熱功需求，采用合理的熱電聯(lián)產(chǎn)公用工程系統(tǒng)，其熱效率可達0.9以上。因此，對現(xiàn)有的全局過程系統(tǒng)，以公用工程系統(tǒng)為出發(fā)點進行節(jié)能改造具有巨大的節(jié)能潛力。

①主要思想頂層分析法需要分析剩余蒸汽作功的各轉(zhuǎn)化②剩余熱負荷的產(chǎn)生

具有熱電聯(lián)產(chǎn)的公用工程系統(tǒng)，若對與其相關(guān)的過程系統(tǒng)或換熱網(wǎng)絡(luò)進行節(jié)能改造，則可減少過程的蒸汽用量或增加余熱回收產(chǎn)汽量。例如對于VHP與HP級蒸汽間有減溫減壓器的公用工程系統(tǒng)，過剩熱負荷可直接以減少VHP產(chǎn)量的形式歸結(jié)為節(jié)省燃料。對于VHP與HP蒸汽間不設(shè)減溫減壓器時，若減少VHP蒸汽產(chǎn)量以平衡HP蒸汽，將導致VHP-HP間透平做功能力下降。

圖2剩余熱負荷的產(chǎn)生

②剩余熱負荷的產(chǎn)生具有熱電聯(lián)產(chǎn)的公用工程系統(tǒng)，若②剩余熱負荷的產(chǎn)生

這兩種結(jié)果都將打破公用工程系統(tǒng)原有的平衡關(guān)系，產(chǎn)生剩余蒸汽。從而可使公用工程系統(tǒng)獲得蒸汽和燃料的節(jié)省，但這并不一定獲得公用工程成本的節(jié)省。若蒸汽量的節(jié)省不影響透平的作功能力，其結(jié)果為公用工程成本的節(jié)??；若蒸汽量的節(jié)省影響了透平的作功能力，還必須進行熱功權(quán)衡才能確定公用工程成本是否節(jié)省。

②剩余熱負荷的產(chǎn)生這兩種結(jié)果都將打破公用工程系③剩余熱負荷的轉(zhuǎn)化途徑分析

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功

b.剩余熱負荷通過工藝透平作功c.通過外購電節(jié)省剩余熱負荷及鍋爐燃料③剩余熱負荷的轉(zhuǎn)化途徑分析a.用剩余熱負荷通過

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功公用工程系統(tǒng)有剩余熱負荷存在，即相當于VHP蒸汽過剩。在復(fù)雜的公用工程系統(tǒng)中，由于存在多級透平，可以利用過剩的VHP做功的途徑很多，必須進行熱功轉(zhuǎn)化途徑分析，才能確定最佳的剩余蒸汽轉(zhuǎn)化途徑。a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功公用工程系統(tǒng)有剩余

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功圖2所示的過剩熱負荷,可以通過T1,T3兩個透平做功發(fā)電后以全凝方式排出系統(tǒng)；也可以通過T2透平背壓后以LP蒸汽放空形式排出系統(tǒng)。圖3剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑示意圖

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功圖2所示的過剩熱負

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功圖4△Qf、△Qp、△Qloss和△W的關(guān)系

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功圖4△Qf、△Qp、△Q

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功不同的做功途徑會產(chǎn)生不同的效益。過剩熱負荷QP通過某一途徑轉(zhuǎn)化可增加系統(tǒng)做功量W，而節(jié)省QP對應(yīng)的燃料消耗量的變化為

QF。

QF與QP之間的關(guān)系如圖4所示，即QF=(QP+W+Qloss)/boiler式中，Qloss——由QP引起的乏汽熱損失的變化，

boiler

——鍋爐效率。過剩熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的做功效率為==boiler（1）Qloss與對應(yīng)的乏汽焓和回收凝液焓有關(guān)Qloss=H乏汽—H凝液（2）由式(1)、(2)計算各路徑的效率后，即可找出效率最大的做功途徑。a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功不同的做功途徑會產(chǎn)

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功設(shè)計發(fā)電透平時，一般要限定蒸汽的最大用量Vsmax和最小用量Vsmin，正常操作時透平的用汽量介于二者之間。頂層分析法著眼于尋找剩余熱負荷的轉(zhuǎn)化途徑，當通過某透平轉(zhuǎn)化有較高的效率時，可根據(jù)剩余熱負荷的量增加該透平用汽量至最大，以最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)備產(chǎn)生經(jīng)濟效益；當通過某透平轉(zhuǎn)化效率較低時，可調(diào)節(jié)該透平用汽量至最小，以節(jié)省蒸汽，將形成的剩余熱負荷轉(zhuǎn)移至效率最佳轉(zhuǎn)化途徑。a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功設(shè)計發(fā)電透平時，一

b.剩余熱負荷通過工藝透平作功

在復(fù)雜的石化過程公用工程系統(tǒng)中，許多工藝壓縮機或機泵都是采用工藝透平直接做功驅(qū)動。這種工藝透平的做功對象為工藝物流，工藝物流的狀態(tài)參數(shù)又為過程所規(guī)定。因此，剩余熱負荷用于工藝透平的作功量是有限制的，這與發(fā)電透平存在本質(zhì)區(qū)別。工藝透平直接驅(qū)動機泵耗用的軸功與工藝物流的體積流量成正比，亦即與裝置的生產(chǎn)負荷成正比。因此，蒸汽用量的變化與工藝物流負荷的變化成正比。定義δ=qv/qvd為工藝物流的負荷率，其中qvd為工藝物流的設(shè)計負荷，qv為工藝物流的操作負荷，則蒸汽用量

qs=δqsd式中，qs——操作狀態(tài)下的蒸汽用量；

qsd——設(shè)計狀態(tài)下的蒸汽用量。b.剩余熱負荷通過工藝透平作功在復(fù)雜的石化過程公

b.剩余熱負荷通過工藝透平作功

當公用工程系統(tǒng)存在剩余熱負荷，且通過某一途徑效率最大的透平途徑作功時，對發(fā)電透平可增加蒸汽用量使剩余熱負荷通過該途徑效率最大的透平產(chǎn)生動力，其用汽最大可增加量為δqsmax-qs；對工藝透平亦可增加蒸汽用量使剩余熱負荷通過途徑效率最大的工藝透平作功，其最大可調(diào)節(jié)量為

qsmax-qs。當δ≥1時,

δqsmax-qs=qsmax-qs當δ<1時,

δqsmax-qs<qsmax-qsb.剩余熱負荷通過工藝透平作功當公用工程

b.剩余熱負荷通過工藝透平作功

若不考慮工藝透平與發(fā)電透平作功的區(qū)別，當δ<1時，仍將工藝透平的蒸汽用量調(diào)至qsmax，一則可能造成工藝物流出口參數(shù)偏離操作要求，使生產(chǎn)過程產(chǎn)生波動而達不到工藝目的；二則壓縮機部分可能因采用工藝物流走旁路循環(huán)的方式，抵消了增加蒸汽量所多作的功，從而失去了剩余熱負荷轉(zhuǎn)化的意義。因此，運用頂層分析必須區(qū)分發(fā)電透平和工藝透平，才能確保剩余熱負荷的高效轉(zhuǎn)化。b.剩余熱負荷通過工藝透平作功若不考慮工藝透平與

c.通過外購電節(jié)省剩余熱負荷及鍋爐燃料對于必須進行熱功權(quán)衡的公用工程系統(tǒng)，節(jié)省剩余熱負荷QP就等于節(jié)省了VHP蒸汽，其結(jié)果是燃料消耗減少Q(mào)F，同時造成了系統(tǒng)做功量的下降。為彌補這部分做功能力的減少，公用工程系統(tǒng)需從外界購入動力或電力。若購買單位燃料所需費用為CF，外購單位動力所需費用為Cp，定義外購動力的效率為in=CF/Cp（3）

通過計算各途徑效率和透平能力限度，即可依次排列出剩余熱負荷轉(zhuǎn)化的最佳途徑及轉(zhuǎn)化量、較佳途徑及轉(zhuǎn)化量等，為進一步優(yōu)化改造過程或換熱網(wǎng)絡(luò)提出了節(jié)省/多產(chǎn)蒸汽的等級及數(shù)量上的要求，確定過程節(jié)能的改造方案。c.通過外購電節(jié)省剩余熱負荷及鍋爐燃料對于必須進行④剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析

若將1MJ燃料的熱負荷從現(xiàn)有途徑移至最佳效率途徑可多產(chǎn)功Wadd為

Wadd=Wm-Wc=m-c（4）式中，C為現(xiàn)有途徑效率，m為最佳途徑效率。

為保持公用工程系統(tǒng)產(chǎn)/用功的平衡，多產(chǎn)的功量Wadd

可從效率最差的途徑減少相應(yīng)的功量，相應(yīng)的燃料節(jié)省QF=Wadd/least=（m-c）/least（5）式中，least為最差途徑效率。

④剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析若將1MJ④剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析

即在公用工程系統(tǒng)中，1MJ燃料的熱負荷從現(xiàn)有途徑移至最佳效率途徑可多做功Wadd；通過做功效率最差的途徑減少做功Wadd，即可實現(xiàn)最大的燃料節(jié)省，其對應(yīng)的燃料費用節(jié)省

CFQF=CF（m-c）/least（6）若1噸蒸汽相當于QsMJ燃料，經(jīng)濟效益BB=CFQs（m-c）/least(元/t)（7）式中，Qs=(Qp+Qloss)/boiler④剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析即在公用工⑤應(yīng)用頂層分析法能量集成的步驟

a)收集公用工程數(shù)據(jù)；b)計算現(xiàn)有蒸汽消耗途徑效率及負荷限制；c)計算可選蒸汽消耗途徑效率及負荷限制；d)計算節(jié)省剩余熱負荷外購動力途徑效率；e)比較現(xiàn)有途徑、可選途徑和外購動力效率；f)選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)化途徑；g)計算優(yōu)化后的效益。⑤應(yīng)用頂層分析法能量集成的步驟a)收集公用工程數(shù)據(jù)；⑥應(yīng)用實例

某石化公司3×105t/a乙烯裝置公用工程系統(tǒng)如圖5所示，該系統(tǒng)有工藝透平4臺，每臺透平的現(xiàn)有運行負荷均高于最低設(shè)計負荷。原系統(tǒng)中沒有低壓蒸汽回收設(shè)施，蒸汽冷凝熱全部損失。要求在不改造透平的前提下對整個公用工程系統(tǒng)調(diào)優(yōu)。透平T1、T2、T3、T4的工藝物流負荷率分別為0.9，1.0，1.04，0.95；各透平的功與各級用汽的關(guān)系已知[1]，開工鍋爐效率ηb=0.92。⑥應(yīng)用實例某石化公司3×105t/a乙烯裝置⑥應(yīng)用實例

圖5公用工程示意圖

⑥應(yīng)用實例圖5公用工程示意圖

a.現(xiàn)有途徑分析當冷凝熱全部損失時，采用頂層分析法求得的剩余熱負荷用現(xiàn)有作功途徑的效率如表1和圖6的陰影面積的下邊折線所示,其中Qsmax為蒸汽最大節(jié)省量。圖6剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑對比

a.現(xiàn)有途徑分析當冷凝熱全部損失時，采用頂層分析法

a.現(xiàn)有途徑分析表1現(xiàn)有作功途徑的效率Tab.1Theefficienciesofcurrentpaths—————————————————————

蒸汽等級途徑ηQsmax/t·h-1—————————————————————HPT10.05720HPT20.06135MPT10.13430MPT30.16055LPT30.21812LPT20.23232—————————————————————a.現(xiàn)有途徑分析表1現(xiàn)有作功途徑的效率

b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化

采用頂層分析法得到的剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑效率如表2所示,其中Qmax為剩余熱負荷上限?？梢?，最佳剩余熱可轉(zhuǎn)化途徑為T4透平滿負荷運行(多用3.5t/h)，其余熱負荷以少產(chǎn)VHP形式節(jié)省，由于VHP負荷降低而減少的作功能力可用外購電力形式彌補，如圖6的陰影面積的上邊線所示。由圖中的兩條曲線可對優(yōu)化的途徑和現(xiàn)有途徑進行比較，它不但給出了剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑優(yōu)化前后的效率變化（陰影部分），而且給出了各等級蒸汽的最大節(jié)省量，陰影面積正比于改變前后的經(jīng)濟收益。b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化采用頂層分析法得到的剩余熱

b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化

根據(jù)圖6分段對改變剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑前后的公用工程系統(tǒng)的經(jīng)濟收益按式（7）進行計算，得到改變剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑后的經(jīng)濟效益如圖7所示。圖中折線下的面積為每小時節(jié)約各等級蒸汽剩余熱負荷所產(chǎn)生的收益（6843.73元/h），全年按運行8000h計，年收益為5.47×107元/a。以上分析是以減少鍋爐新汽（VHP）為基礎(chǔ)，但實際中由于開工鍋爐的最小運行負荷為不低于設(shè)計負荷的87%，所以VHP只有30t/h左右的調(diào)節(jié)余地。若按節(jié)省30t/h蒸汽計算，年實現(xiàn)經(jīng)濟效益為1541.11萬元。可見選擇優(yōu)化的轉(zhuǎn)化途徑可明顯增加全局公用工程的經(jīng)濟效益。b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化根據(jù)圖6分段對改變剩余熱負荷轉(zhuǎn)

b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化

表2剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑及能源價格Tab.2Theconversionpathsofresidualheat——————————————————————

序號途徑ηQmax/t·h-1

——————————————————————1T4冷凝0.3643.52外購電0.277∞3T2—放空

0.232154T1-MP-減溫減壓放空0.21840——————————————————————注:外購電價0.3元/kWh;燃料價格0.083元/kWh——————————————————————b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化表2剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑及能源價b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化圖7不同途徑的經(jīng)濟效益比較b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化圖7不同途徑的經(jīng)濟效益比較二、過程全局夾點分析與超結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的能量集成最優(yōu)綜合法

①全局夾點分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法

②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)

③公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)最優(yōu)綜合MINLP模型

④應(yīng)用實例

二、過程全局夾點分析與超結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的能量集成最優(yōu)綜二、過程全局夾點分析與超結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的能量集成最優(yōu)綜合法

對公用工程對子系統(tǒng)之間的能量集成聯(lián)合優(yōu)化，目前多采用傳統(tǒng)的分步優(yōu)化法，即將整體問題分解,依次進行各子系統(tǒng)的設(shè)計，因而很難實現(xiàn)總體系統(tǒng)的優(yōu)化匹配。Linnhoff和Zhu等人將單過程夾點分析進一步擴展到全過程的夾點分析和能量集成，可以得到全局熱回收的潛力和目標，但不能給出具體的匹配方案；Grossmann等人基于線性化分解算法提出了超結(jié)構(gòu)混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP)綜合策略，可以進行各子系統(tǒng)的同步熱集成聯(lián)合優(yōu)化，但超結(jié)構(gòu)中可能的組合方案太多而難于求解。而對于現(xiàn)有過程的擴產(chǎn)節(jié)能改造，成熟的優(yōu)化設(shè)計方法亦不多見。將過程全局夾點分析與過程熱集成超結(jié)構(gòu)MINLP法相結(jié)合，使用基于全局夾點分析的公用工程與過程熱冷物流產(chǎn)用汽換熱網(wǎng)絡(luò)熱集成聯(lián)合優(yōu)化的超結(jié)構(gòu)MINLP方法進行過程改造可得到明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。

二、過程全局夾點分析與超結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的能量集成最優(yōu)綜①全局夾點分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法

a.全局過程夾點分析單過程夾點一個過程中可能有許多需要冷卻的熱物流和需要加熱的冷物流，由夾點技術(shù)可建立單過程的復(fù)合曲線和總復(fù)合曲線。總復(fù)合曲線可以指出過程內(nèi)部物流換熱后所需的最小冷、熱公用工程負荷，即剩余的熱源和熱阱。①全局夾點分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法a.全局公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件多過程全局夾點對于多個過程，由于各過程的夾點位置一般不同，可將各過程的剩余熱源和熱阱分別組合到一起,得到全局溫焓分布圖，它表明熱源部分的剩余熱量和熱阱部分的需求熱量。可考慮用某些過程的熱源部分產(chǎn)生高、中、低壓(HP,MP,LP)蒸汽,加熱另一些過程的熱阱部分，從而構(gòu)成過程物流產(chǎn)用、汽的換熱網(wǎng)絡(luò)（公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)）和全局公用工程分布曲線。由全局公用工程分布曲線，可以看出冷熱物流少用和多產(chǎn)各級蒸汽的潛力，為公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化匹配提供了目標。多過程全局夾點對于多個過程，由于各過程的夾點位置一般不同，可公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件同過程夾點一樣，全局夾點表示了全局熱回收的瓶頸。全局夾點可以直觀的判斷全局用能水平，它位于公用工程之間不再可能產(chǎn)生重疊的部位，而不是冷、熱溫焓曲線相交的位置，全局夾點隨公用工程等級選擇的變化而變化。全局夾點分析用于過程節(jié)能改造可以直觀地分析熱回收(產(chǎn)汽)量、過程加熱用公用工程耗量、熱功聯(lián)產(chǎn)的可能功量等能量集成目標，但不能給出過程物流與公用工程之間產(chǎn)用汽匹配換熱網(wǎng)絡(luò)具體方案，而且這些方案不是唯一的，各方案之間有很大差別甚至可能相互矛盾和制約，需要進一步尋求最優(yōu)方案。同過程夾點一樣，全局夾點表示了全局熱回收的瓶頸。全局①全局夾點分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法

b.全局夾點分析與MINLP相結(jié)合的最優(yōu)綜合策略可以將全局夾點分析與混合整數(shù)非線性規(guī)劃法相結(jié)合，即根據(jù)全局夾點分析得到的目標和結(jié)果提出過程全局能量集成改造的各種可行的和較優(yōu)的方案，建立包含這些可能方案的能量集成超結(jié)構(gòu),并建立描述超結(jié)構(gòu)的MINLP模型。將過程綜合的聯(lián)合優(yōu)化和能量集成問題歸結(jié)成一個純數(shù)學的規(guī)劃問題，采用優(yōu)化方法尋找最優(yōu)解。這樣不僅滿足過程全局夾點分析所規(guī)定的能量回收及熱功集成等原則和目標，而且超結(jié)構(gòu)中所包含的都是較好的可行方案，控制了問題的規(guī)模，避免了組合方案爆炸的困難，可以充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點，克服各自的缺點，獲得能耗或年度費用最小的改造方案。

①全局夾點分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法b.全局②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)

在過程內(nèi)部熱、冷物流匹配換熱后，還有些熱物流可副產(chǎn)蒸汽或由原來產(chǎn)低等級蒸汽改產(chǎn)高等級蒸汽；有些冷物流需要用蒸汽加熱或原來由高等級蒸汽加熱改為低等級蒸汽加熱。因此，熱冷物流與各等級公用工程之間的換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)應(yīng)包含各種可能的匹配方案，如圖1所示。②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)在過程內(nèi)部熱、冷物流匹②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)圖8公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)

②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)圖8公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)

若公用工程共有新汽、高壓、中壓和低壓（VHP，HP，MP和LP）4個蒸汽等級和一個冷公用工程等級（CW），且溫位已知，則熱物流Hi在冷卻降溫過程中可產(chǎn)生VHP，HP，MP和LP蒸汽，最后被冷卻水CW冷卻；冷物流Cj的升溫過程可用LP、MP、HP和VHP依次加熱。這樣的超結(jié)構(gòu)就包含了各種可能的產(chǎn)汽、用汽換熱網(wǎng)絡(luò)匹配方案。對每個換熱單元設(shè)置一個表示其取舍的0-1變量z，若該換熱器存在z取1，否則取0。若公用工程共有新汽、高壓、中壓和低壓（VHP，HP，②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)

對實際的網(wǎng)絡(luò)改造問題，可從全局夾點分析和熱力學可行性出發(fā)，對公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)進行簡化。如圖8所示，若熱物流Hi入口溫度為160℃,出口溫度為40℃，則該物流只能產(chǎn)生LP蒸汽并用冷公用工程冷卻。若冷物流Cj入口溫度為180℃，出口溫度為310℃，則需用MP、HP和VHP分段加熱，或用HP和VHP分兩段加熱，也可用VHP單獨加熱。簡化后的超結(jié)構(gòu)中某些0-1變量取值已定，可進一步簡化問題規(guī)模，易于確定最優(yōu)方案。②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)對實際的網(wǎng)絡(luò)改造問題，

③公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)最優(yōu)綜合MINLP模型

在如圖8所示的公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，適當設(shè)置表示溫度、熱容流率、匹配熱負荷等連續(xù)變量和表示匹配單元選擇與費用取舍的0-1變量，可建立起公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)MINLP模型。③公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)最優(yōu)綜合MINLP模型

a.約束方程(1)每個流股的總熱平衡

K(Tiin-Tiout）CPi=∑Qi,k;i=1,2,...,I（1）k=1

(2)

每個換熱器的熱平衡約束Ti,k=Ti,k+1+Qi,k/CPi;i=1,2,...,I;k=1,2,...,K（2）Tj,k=Tj,k+1+Qj,k/CPj;j=1,2,...,J;k=1,2,...,K（3）(3)換熱量邏輯約束(4)溫差約束(5)可行溫度約束(6)蒸汽需求熱負荷凈變化量Qk的約束

(7)由全局夾點分析得到的冷熱物流少用或多產(chǎn)蒸汽潛力的上、下限約束

(8)各熱、冷物流上的公用工程換熱器數(shù)量約束(9)蒸汽需求變化的成本約束a.約束方程(1)每個流股的總熱平衡

b.目標函數(shù)為了進行投資與節(jié)能的綜合權(quán)衡，即同時考慮換熱單元的改造投資和過程產(chǎn)汽、用汽等級變化及蒸汽節(jié)省或多產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟效益，取網(wǎng)絡(luò)改造的年度費用最小為目標函數(shù)。IKJKOBJ=

(Qi,k/hiLMTDi,k—Ai)+

(Qj,k/hjLMTDj,k—Aj)]bi=1k=1j=1k=1IKJKK

+[

(zi,k-ziexist)-

(zj,k-zjexist)]a+ck（4）

i=1k=1j=1k=1k=1

b.目標函數(shù)為了進行投資與節(jié)能的綜合權(quán)衡，

c.求解算法

上述模型是包含連續(xù)變量和整型變量的非凸、多峰、嚴重非線性的混合整數(shù)規(guī)劃(MINLP)問題，傳統(tǒng)算法難以求解。采用遺傳算法將連續(xù)變量和整型變量都進行編碼處理可以求解，但對多變量問題，大量的連續(xù)變量編碼和解碼運算使搜索效率受到限制。為此根據(jù)模型的特點，吸收遺傳算法、進化優(yōu)劃和常規(guī)數(shù)值優(yōu)化的優(yōu)點，采用了混合連續(xù)進化算法，即對整型變量采用編碼遺傳算子，而對連續(xù)變量直接采用連續(xù)化交叉、變異算子進行浮點運算，可保證很高的精度,充分發(fā)揮兩類算子的優(yōu)點，提高了搜索速度和獲得全局最優(yōu)解的性能。c.求解算法上述模型是包含連續(xù)變量和整型變量的非④應(yīng)用實例

某石化公司30萬噸/年乙烯裝置公用工程系統(tǒng)有工藝透平4臺，運行負荷均有較大余量。在不改造透平的前提下優(yōu)化整個公用工程系統(tǒng)及其換熱網(wǎng)絡(luò)。該乙烯裝置公用工程系統(tǒng)共與十一個過程相聯(lián)，其中有四個過程的40個物流為公用工程主要產(chǎn)用汽流股。④應(yīng)用實例某石化公司30萬噸/年乙烯裝置公用④應(yīng)用實例

對過程進行全局夾點分析，可得全局公用工程分布曲線如圖9所示?？梢娙稚杏羞M一步產(chǎn)生HP和MP蒸汽的潛力，各級用汽亦有改用低等級蒸汽的余地，僅通過公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化配置就可使現(xiàn)有公用工程系統(tǒng)的運行條件得到明顯的改善。

④應(yīng)用實例對過程進行全局夾點分析，可得全局公④應(yīng)用實例圖9公用工程分布曲線圖④應(yīng)用實例圖9公用工程分布曲線圖④應(yīng)用實例在公用工程五個溫位等級（VHP,HP,MP,LP和CW）一定的條件下，建立圖8所示的超結(jié)構(gòu)。超結(jié)構(gòu)中共有8個熱物流和8個冷物流，對應(yīng)著可能的產(chǎn)、用汽換熱器各有40臺。由此建立公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)MINLP模型，模型共有211個變量（其中有80個0—1變量，131個連續(xù)變量），424個約束條件?？梢姡捎萌謯A點分析法使原有40個物流、200個可能換熱匹配的大規(guī)模問題大大簡化，不僅避免了組合方案爆炸問題，而且使超結(jié)構(gòu)所包含的都是可行的和較好的方案。④應(yīng)用實例在公用工程五個溫位等級（VHP,HP優(yōu)化結(jié)果熱物流H1,H5,H7設(shè)置新?lián)Q熱器，熱物流H3,H4,H6利用現(xiàn)有面積調(diào)換位置，均由產(chǎn)MP改為產(chǎn)HP蒸汽；冷物流C6，C7，C8設(shè)置新?lián)Q熱器，冷物流C2利用現(xiàn)有面積調(diào)換位置，均由用MP改為用LP蒸汽；其它換熱器不變。優(yōu)化改造總投資為451.54萬元，年經(jīng)濟效益為2828.19萬元，靜態(tài)投資回收期為0.16年。優(yōu)化結(jié)果熱物流H1,H5,H7設(shè)置新?lián)Q熱器，熱物流優(yōu)化結(jié)果表3冷熱物流原始數(shù)據(jù)及優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果表3冷熱物流原始數(shù)據(jù)及優(yōu)化結(jié)果三、石化企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化

①蒸汽動力系統(tǒng)特點

②蒸汽動力系統(tǒng)存在的問題

③產(chǎn)生上述問題的原因

④蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化的三個層次

⑤蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化措施

三、石化企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化①蒸汽動力系統(tǒng)特點①蒸汽動力系統(tǒng)特點

a.分散的多用戶、多產(chǎn)汽點，多燃料來源，多壓力等級；b.多工況變化（季節(jié)、加工量、生產(chǎn)方案、市場價格）；c.保證工藝系統(tǒng)需求，對能耗、加工費有較大影響。

①蒸汽動力系統(tǒng)特點a.分散的多用戶、多產(chǎn)汽點，多燃料②蒸汽動力系統(tǒng)存在的問題

設(shè)計上的問題：

a.鍋爐、汽輪機容量小、參數(shù)低且陳舊；

b.是為配合擴產(chǎn)和增建新裝置而陸續(xù)地增建小型鍋爐、透平機組并擴充管網(wǎng)，缺乏聯(lián)產(chǎn)和優(yōu)化的統(tǒng)籌規(guī)劃；

c.新建企業(yè)功熱聯(lián)產(chǎn)潛力也未充分利用；

d.驅(qū)動工藝設(shè)備的背壓汽輪機的選擇沒有考慮低壓蒸汽的用量，且不可調(diào)節(jié)。當?shù)蛪赫羝昧可贂r不得不放空。

e.驅(qū)動工藝設(shè)備的背壓汽輪機的背壓選擇過低，盡管中壓蒸汽用量減少，但背壓蒸汽沒有充分利用，造成浪費。

f.余熱鍋爐和驅(qū)動工藝設(shè)備的背壓汽輪機的選擇沒有考慮蒸汽輸送管線的特性，為保證管線隨時能輸送蒸汽，不得不使部分蒸汽減溫減壓。

②蒸汽動力系統(tǒng)存在的問題設(shè)計上的問題：②蒸汽動力系統(tǒng)存在的問題

運行上的問題：

a.中壓蒸汽減溫減壓；

b.低壓蒸汽放空。

②蒸汽動力系統(tǒng)存在的問題運行上的問題：③產(chǎn)生上述問題的原因

a.沒有認識其基本規(guī)律：設(shè)計、調(diào)度和控制三個層次之間的相互聯(lián)系；b.過多的選用背壓汽輪機驅(qū)動工藝設(shè)備，將提供驅(qū)動功作為主要任務(wù)，顛倒主次；c.沒有從全廠蒸汽動力系統(tǒng)、及其與全廠工藝生產(chǎn)的規(guī)劃進行考慮。③產(chǎn)生上述問題的原因a.沒有認識其基本規(guī)律：設(shè)計、調(diào)④蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化的三個層次

a.管理—控制層次優(yōu)化內(nèi)容：蒸汽壓力、溫度的穩(wěn)定。優(yōu)化目標：鍋爐、蒸汽管線能滿足用戶蒸汽變化率的要求。

④蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化的三個層次a.管理—控制層次④蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化的三個層次

b.實際生產(chǎn)運行層次

優(yōu)化內(nèi)容：鍋爐、汽輪機、蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化運行；燃料（煤、油、氣、焦）的最優(yōu)利用；外部資源（電、汽）的利用、分時電價的利用。優(yōu)化目標：運行費用最小。優(yōu)化變量：鍋爐、汽輪機、蒸汽管網(wǎng)的開、停及負荷率。

④蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化的三個層次b.實際生產(chǎn)運行層次④蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化的三個層次

c.設(shè)計投資決策層次優(yōu)化內(nèi)容：蒸汽需求不變時對蒸汽動力系統(tǒng)的改進；蒸汽需求改變（四個方面原因－工藝設(shè)備及總流程重組改造、能量系統(tǒng)優(yōu)化改造、擴產(chǎn)、新產(chǎn)品開發(fā)）時對舊系統(tǒng)的改造、新系統(tǒng)的設(shè)計。優(yōu)化目標：設(shè)計工況運行費用＋設(shè)備折舊費最小優(yōu)化變量：選擇鍋爐、汽輪機、蒸汽管道的型號及安放位置。

④蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化的三個層次c.設(shè)計投資決策層次⑤蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化措施

a.必須同企業(yè)總體規(guī)劃、全局能量系統(tǒng)優(yōu)化密切結(jié)合，確定合理的汽、電負荷；

b.同全局熱量匹配、低溫熱利用綜合考慮充分用工藝余熱產(chǎn)汽和預(yù)熱給水以減少鍋爐負荷；

c.在全局擴產(chǎn)和設(shè)備更新中采用最新聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，高效、經(jīng)濟規(guī)模的設(shè)備以及合理選擇燃料結(jié)構(gòu)；

d.同蒸汽和動力用戶密切配合的背壓逐級利用、季節(jié)平衡和系統(tǒng)及管網(wǎng)的優(yōu)化監(jiān)控。⑤蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化措施a.必須同企業(yè)總體規(guī)劃⑤蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化措施

優(yōu)化措施的關(guān)鍵在于：

a.能量系統(tǒng)優(yōu)化的觀點和方法；

b.從系統(tǒng)全局高度統(tǒng)籌制訂全局規(guī)劃；

c.全面安排、分期分批、逐步實施。

⑤蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化措施優(yōu)化措施的關(guān)鍵在于：謝謝！

2010.6.29謝謝！

2010.6.29第五部分

公用工程系統(tǒng)頂層分析法與

能量集成綜合優(yōu)化法

主講人：尹洪超大連理工大學能源動力學院教授化工系統(tǒng)工程研究所博士能源管理與節(jié)能研究中心主任電話真-mail：hcyin@第五部分

公用工程系統(tǒng)頂層分析法與

能量集成綜合優(yōu)化法主講課內(nèi)容

一、公用工程系統(tǒng)頂層分析法二、公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法三、石化企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化四、實例研究

講課內(nèi)容一、公用工程系統(tǒng)頂層分析法公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法

大型化工或石油化工企業(yè)的全局過程系統(tǒng)一般可分為3個子系統(tǒng)：工藝過程、換熱網(wǎng)絡(luò)和公用工程其中公用工程系統(tǒng)向各過程提供所需的動力、電力、熱能和蒸汽等公用工程，其中尤以蒸汽動力系統(tǒng)最為重要。公用工程系統(tǒng)一般具有幾個不同壓力等級的蒸汽管網(wǎng)向過程輸送蒸汽或熱量，同時回收過程余熱，各級管網(wǎng)之間通過蒸汽透平產(chǎn)生過程所需的動力或電力，虧盈量可由電網(wǎng)購入或輸出電力。因此公用工程系統(tǒng)本身也是過程工業(yè)中的耗能大戶，它的優(yōu)化設(shè)計和節(jié)能改造具有很大的節(jié)能潛力，對全局系統(tǒng)的能量利用率和經(jīng)濟性具有重要影響。

公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法大型化工或石油化工（一）公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法

（1）公用工程系統(tǒng)頂層分析優(yōu)化

（2）過程全局夾點分析（3）超結(jié)構(gòu)MINLP的能量集成最優(yōu)綜合法

（一）公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法（1）公用工程系統(tǒng)頂一、公用工程系統(tǒng)頂層分析優(yōu)化

①主要思想②剩余熱負荷的產(chǎn)生

③剩余熱負荷的轉(zhuǎn)化途徑分析

④剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析

⑤應(yīng)用頂層分析法能量集成的步驟

⑥應(yīng)用實例

一、公用工程系統(tǒng)頂層分析優(yōu)化①主要思想①主要思想

這種方法與傳統(tǒng)的洋蔥模型相反，是從公用工程子系統(tǒng)出發(fā)，由上及下(top-down-philosophy)逐層深入進行能量集成改造。其主要思路就是首先對公用工程系統(tǒng)進行分析和用能診斷，找出全局節(jié)能潛力所在，確定剩余熱的最佳轉(zhuǎn)化途徑和最經(jīng)濟的改造方向。與傳統(tǒng)的方法相比，它僅需要公用工程系統(tǒng)的有關(guān)信息，所需工作量大大減少，是用于全局過程節(jié)能改造的實用新方法。圖1洋蔥模型與頂層分析法比較

①主要思想這種方法與傳統(tǒng)的洋蔥模型相反，是從①主要思想

頂層分析法需要分析剩余蒸汽作功的各轉(zhuǎn)化途徑的熱效率η。對于凝汽式發(fā)電（作功）裝置，其熱效率一般在0.35～0.45；而對于大型復(fù)雜的過程系統(tǒng)，為滿足各裝置的熱功需求，采用合理的熱電聯(lián)產(chǎn)公用工程系統(tǒng)，其熱效率可達0.9以上。因此，對現(xiàn)有的全局過程系統(tǒng)，以公用工程系統(tǒng)為出發(fā)點進行節(jié)能改造具有巨大的節(jié)能潛力。

①主要思想頂層分析法需要分析剩余蒸汽作功的各轉(zhuǎn)化②剩余熱負荷的產(chǎn)生

具有熱電聯(lián)產(chǎn)的公用工程系統(tǒng)，若對與其相關(guān)的過程系統(tǒng)或換熱網(wǎng)絡(luò)進行節(jié)能改造，則可減少過程的蒸汽用量或增加余熱回收產(chǎn)汽量。例如對于VHP與HP級蒸汽間有減溫減壓器的公用工程系統(tǒng)，過剩熱負荷可直接以減少VHP產(chǎn)量的形式歸結(jié)為節(jié)省燃料。對于VHP與HP蒸汽間不設(shè)減溫減壓器時，若減少VHP蒸汽產(chǎn)量以平衡HP蒸汽，將導致VHP-HP間透平做功能力下降。

圖2剩余熱負荷的產(chǎn)生

②剩余熱負荷的產(chǎn)生具有熱電聯(lián)產(chǎn)的公用工程系統(tǒng)，若②剩余熱負荷的產(chǎn)生

這兩種結(jié)果都將打破公用工程系統(tǒng)原有的平衡關(guān)系，產(chǎn)生剩余蒸汽。從而可使公用工程系統(tǒng)獲得蒸汽和燃料的節(jié)省，但這并不一定獲得公用工程成本的節(jié)省。若蒸汽量的節(jié)省不影響透平的作功能力，其結(jié)果為公用工程成本的節(jié)??；若蒸汽量的節(jié)省影響了透平的作功能力，還必須進行熱功權(quán)衡才能確定公用工程成本是否節(jié)省。

②剩余熱負荷的產(chǎn)生這兩種結(jié)果都將打破公用工程系③剩余熱負荷的轉(zhuǎn)化途徑分析

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功

b.剩余熱負荷通過工藝透平作功c.通過外購電節(jié)省剩余熱負荷及鍋爐燃料③剩余熱負荷的轉(zhuǎn)化途徑分析a.用剩余熱負荷通過

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功公用工程系統(tǒng)有剩余熱負荷存在，即相當于VHP蒸汽過剩。在復(fù)雜的公用工程系統(tǒng)中，由于存在多級透平，可以利用過剩的VHP做功的途徑很多，必須進行熱功轉(zhuǎn)化途徑分析，才能確定最佳的剩余蒸汽轉(zhuǎn)化途徑。a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功公用工程系統(tǒng)有剩余

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功圖2所示的過剩熱負荷,可以通過T1,T3兩個透平做功發(fā)電后以全凝方式排出系統(tǒng)；也可以通過T2透平背壓后以LP蒸汽放空形式排出系統(tǒng)。圖3剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑示意圖

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功圖2所示的過剩熱負

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功圖4△Qf、△Qp、△Qloss和△W的關(guān)系

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功圖4△Qf、△Qp、△Q

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功不同的做功途徑會產(chǎn)生不同的效益。過剩熱負荷QP通過某一途徑轉(zhuǎn)化可增加系統(tǒng)做功量W，而節(jié)省QP對應(yīng)的燃料消耗量的變化為

QF。

QF與QP之間的關(guān)系如圖4所示，即QF=(QP+W+Qloss)/boiler式中，Qloss——由QP引起的乏汽熱損失的變化，

boiler

——鍋爐效率。過剩熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的做功效率為==boiler（1）Qloss與對應(yīng)的乏汽焓和回收凝液焓有關(guān)Qloss=H乏汽—H凝液（2）由式(1)、(2)計算各路徑的效率后，即可找出效率最大的做功途徑。a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功不同的做功途徑會產(chǎn)

a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功設(shè)計發(fā)電透平時，一般要限定蒸汽的最大用量Vsmax和最小用量Vsmin，正常操作時透平的用汽量介于二者之間。頂層分析法著眼于尋找剩余熱負荷的轉(zhuǎn)化途徑，當通過某透平轉(zhuǎn)化有較高的效率時，可根據(jù)剩余熱負荷的量增加該透平用汽量至最大，以最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)備產(chǎn)生經(jīng)濟效益；當通過某透平轉(zhuǎn)化效率較低時，可調(diào)節(jié)該透平用汽量至最小，以節(jié)省蒸汽，將形成的剩余熱負荷轉(zhuǎn)移至效率最佳轉(zhuǎn)化途徑。a.用剩余熱負荷通過發(fā)電透平做功設(shè)計發(fā)電透平時，一

b.剩余熱負荷通過工藝透平作功

在復(fù)雜的石化過程公用工程系統(tǒng)中，許多工藝壓縮機或機泵都是采用工藝透平直接做功驅(qū)動。這種工藝透平的做功對象為工藝物流，工藝物流的狀態(tài)參數(shù)又為過程所規(guī)定。因此，剩余熱負荷用于工藝透平的作功量是有限制的，這與發(fā)電透平存在本質(zhì)區(qū)別。工藝透平直接驅(qū)動機泵耗用的軸功與工藝物流的體積流量成正比，亦即與裝置的生產(chǎn)負荷成正比。因此，蒸汽用量的變化與工藝物流負荷的變化成正比。定義δ=qv/qvd為工藝物流的負荷率，其中qvd為工藝物流的設(shè)計負荷，qv為工藝物流的操作負荷，則蒸汽用量

qs=δqsd式中，qs——操作狀態(tài)下的蒸汽用量；

qsd——設(shè)計狀態(tài)下的蒸汽用量。b.剩余熱負荷通過工藝透平作功在復(fù)雜的石化過程公

b.剩余熱負荷通過工藝透平作功

當公用工程系統(tǒng)存在剩余熱負荷，且通過某一途徑效率最大的透平途徑作功時，對發(fā)電透平可增加蒸汽用量使剩余熱負荷通過該途徑效率最大的透平產(chǎn)生動力，其用汽最大可增加量為δqsmax-qs；對工藝透平亦可增加蒸汽用量使剩余熱負荷通過途徑效率最大的工藝透平作功，其最大可調(diào)節(jié)量為

qsmax-qs。當δ≥1時,

δqsmax-qs=qsmax-qs當δ<1時,

δqsmax-qs<qsmax-qsb.剩余熱負荷通過工藝透平作功當公用工程

b.剩余熱負荷通過工藝透平作功

若不考慮工藝透平與發(fā)電透平作功的區(qū)別，當δ<1時，仍將工藝透平的蒸汽用量調(diào)至qsmax，一則可能造成工藝物流出口參數(shù)偏離操作要求，使生產(chǎn)過程產(chǎn)生波動而達不到工藝目的；二則壓縮機部分可能因采用工藝物流走旁路循環(huán)的方式，抵消了增加蒸汽量所多作的功，從而失去了剩余熱負荷轉(zhuǎn)化的意義。因此，運用頂層分析必須區(qū)分發(fā)電透平和工藝透平，才能確保剩余熱負荷的高效轉(zhuǎn)化。b.剩余熱負荷通過工藝透平作功若不考慮工藝透平與

c.通過外購電節(jié)省剩余熱負荷及鍋爐燃料對于必須進行熱功權(quán)衡的公用工程系統(tǒng)，節(jié)省剩余熱負荷QP就等于節(jié)省了VHP蒸汽，其結(jié)果是燃料消耗減少Q(mào)F，同時造成了系統(tǒng)做功量的下降。為彌補這部分做功能力的減少，公用工程系統(tǒng)需從外界購入動力或電力。若購買單位燃料所需費用為CF，外購單位動力所需費用為Cp，定義外購動力的效率為in=CF/Cp（3）

通過計算各途徑效率和透平能力限度，即可依次排列出剩余熱負荷轉(zhuǎn)化的最佳途徑及轉(zhuǎn)化量、較佳途徑及轉(zhuǎn)化量等，為進一步優(yōu)化改造過程或換熱網(wǎng)絡(luò)提出了節(jié)省/多產(chǎn)蒸汽的等級及數(shù)量上的要求，確定過程節(jié)能的改造方案。c.通過外購電節(jié)省剩余熱負荷及鍋爐燃料對于必須進行④剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析

若將1MJ燃料的熱負荷從現(xiàn)有途徑移至最佳效率途徑可多產(chǎn)功Wadd為

Wadd=Wm-Wc=m-c（4）式中，C為現(xiàn)有途徑效率，m為最佳途徑效率。

為保持公用工程系統(tǒng)產(chǎn)/用功的平衡，多產(chǎn)的功量Wadd

可從效率最差的途徑減少相應(yīng)的功量，相應(yīng)的燃料節(jié)省QF=Wadd/least=（m-c）/least（5）式中，least為最差途徑效率。

④剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析若將1MJ④剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析

即在公用工程系統(tǒng)中，1MJ燃料的熱負荷從現(xiàn)有途徑移至最佳效率途徑可多做功Wadd；通過做功效率最差的途徑減少做功Wadd，即可實現(xiàn)最大的燃料節(jié)省，其對應(yīng)的燃料費用節(jié)省

CFQF=CF（m-c）/least（6）若1噸蒸汽相當于QsMJ燃料，經(jīng)濟效益BB=CFQs（m-c）/least(元/t)（7）式中，Qs=(Qp+Qloss)/boiler④剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析即在公用工⑤應(yīng)用頂層分析法能量集成的步驟

a)收集公用工程數(shù)據(jù)；b)計算現(xiàn)有蒸汽消耗途徑效率及負荷限制；c)計算可選蒸汽消耗途徑效率及負荷限制；d)計算節(jié)省剩余熱負荷外購動力途徑效率；e)比較現(xiàn)有途徑、可選途徑和外購動力效率；f)選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)化途徑；g)計算優(yōu)化后的效益。⑤應(yīng)用頂層分析法能量集成的步驟a)收集公用工程數(shù)據(jù)；⑥應(yīng)用實例

某石化公司3×105t/a乙烯裝置公用工程系統(tǒng)如圖5所示，該系統(tǒng)有工藝透平4臺，每臺透平的現(xiàn)有運行負荷均高于最低設(shè)計負荷。原系統(tǒng)中沒有低壓蒸汽回收設(shè)施，蒸汽冷凝熱全部損失。要求在不改造透平的前提下對整個公用工程系統(tǒng)調(diào)優(yōu)。透平T1、T2、T3、T4的工藝物流負荷率分別為0.9，1.0，1.04，0.95；各透平的功與各級用汽的關(guān)系已知[1]，開工鍋爐效率ηb=0.92。⑥應(yīng)用實例某石化公司3×105t/a乙烯裝置⑥應(yīng)用實例

圖5公用工程示意圖

⑥應(yīng)用實例圖5公用工程示意圖

a.現(xiàn)有途徑分析當冷凝熱全部損失時，采用頂層分析法求得的剩余熱負荷用現(xiàn)有作功途徑的效率如表1和圖6的陰影面積的下邊折線所示,其中Qsmax為蒸汽最大節(jié)省量。圖6剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑對比

a.現(xiàn)有途徑分析當冷凝熱全部損失時，采用頂層分析法

a.現(xiàn)有途徑分析表1現(xiàn)有作功途徑的效率Tab.1Theefficienciesofcurrentpaths—————————————————————

蒸汽等級途徑ηQsmax/t·h-1—————————————————————HPT10.05720HPT20.06135MPT10.13430MPT30.16055LPT30.21812LPT20.23232—————————————————————a.現(xiàn)有途徑分析表1現(xiàn)有作功途徑的效率

b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化

采用頂層分析法得到的剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑效率如表2所示,其中Qmax為剩余熱負荷上限。可見，最佳剩余熱可轉(zhuǎn)化途徑為T4透平滿負荷運行(多用3.5t/h)，其余熱負荷以少產(chǎn)VHP形式節(jié)省，由于VHP負荷降低而減少的作功能力可用外購電力形式彌補，如圖6的陰影面積的上邊線所示。由圖中的兩條曲線可對優(yōu)化的途徑和現(xiàn)有途徑進行比較，它不但給出了剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑優(yōu)化前后的效率變化（陰影部分），而且給出了各等級蒸汽的最大節(jié)省量，陰影面積正比于改變前后的經(jīng)濟收益。b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化采用頂層分析法得到的剩余熱

b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化

根據(jù)圖6分段對改變剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑前后的公用工程系統(tǒng)的經(jīng)濟收益按式（7）進行計算，得到改變剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑后的經(jīng)濟效益如圖7所示。圖中折線下的面積為每小時節(jié)約各等級蒸汽剩余熱負荷所產(chǎn)生的收益（6843.73元/h），全年按運行8000h計，年收益為5.47×107元/a。以上分析是以減少鍋爐新汽（VHP）為基礎(chǔ)，但實際中由于開工鍋爐的最小運行負荷為不低于設(shè)計負荷的87%，所以VHP只有30t/h左右的調(diào)節(jié)余地。若按節(jié)省30t/h蒸汽計算，年實現(xiàn)經(jīng)濟效益為1541.11萬元。可見選擇優(yōu)化的轉(zhuǎn)化途徑可明顯增加全局公用工程的經(jīng)濟效益。b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化根據(jù)圖6分段對改變剩余熱負荷轉(zhuǎn)

b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化

表2剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑及能源價格Tab.2Theconversionpathsofresidualheat——————————————————————

序號途徑ηQmax/t·h-1

——————————————————————1T4冷凝0.3643.52外購電0.277∞3T2—放空

0.232154T1-MP-減溫減壓放空0.21840——————————————————————注:外購電價0.3元/kWh;燃料價格0.083元/kWh——————————————————————b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化表2剩余熱負荷轉(zhuǎn)化途徑及能源價b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化圖7不同途徑的經(jīng)濟效益比較b.剩余熱負荷途徑優(yōu)化圖7不同途徑的經(jīng)濟效益比較二、過程全局夾點分析與超結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的能量集成最優(yōu)綜合法

①全局夾點分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法

②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)

③公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)最優(yōu)綜合MINLP模型

④應(yīng)用實例

二、過程全局夾點分析與超結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的能量集成最優(yōu)綜二、過程全局夾點分析與超結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的能量集成最優(yōu)綜合法

對公用工程對子系統(tǒng)之間的能量集成聯(lián)合優(yōu)化，目前多采用傳統(tǒng)的分步優(yōu)化法，即將整體問題分解,依次進行各子系統(tǒng)的設(shè)計，因而很難實現(xiàn)總體系統(tǒng)的優(yōu)化匹配。Linnhoff和Zhu等人將單過程夾點分析進一步擴展到全過程的夾點分析和能量集成，可以得到全局熱回收的潛力和目標，但不能給出具體的匹配方案；Grossmann等人基于線性化分解算法提出了超結(jié)構(gòu)混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP)綜合策略，可以進行各子系統(tǒng)的同步熱集成聯(lián)合優(yōu)化，但超結(jié)構(gòu)中可能的組合方案太多而難于求解。而對于現(xiàn)有過程的擴產(chǎn)節(jié)能改造，成熟的優(yōu)化設(shè)計方法亦不多見。將過程全局夾點分析與過程熱集成超結(jié)構(gòu)MINLP法相結(jié)合，使用基于全局夾點分析的公用工程與過程熱冷物流產(chǎn)用汽換熱網(wǎng)絡(luò)熱集成聯(lián)合優(yōu)化的超結(jié)構(gòu)MINLP方法進行過程改造可得到明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。

二、過程全局夾點分析與超結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的能量集成最優(yōu)綜①全局夾點分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法

a.全局過程夾點分析單過程夾點一個過程中可能有許多需要冷卻的熱物流和需要加熱的冷物流，由夾點技術(shù)可建立單過程的復(fù)合曲線和總復(fù)合曲線。總復(fù)合曲線可以指出過程內(nèi)部物流換熱后所需的最小冷、熱公用工程負荷，即剩余的熱源和熱阱。①全局夾點分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法a.全局公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件多過程全局夾點對于多個過程，由于各過程的夾點位置一般不同，可將各過程的剩余熱源和熱阱分別組合到一起,得到全局溫焓分布圖，它表明熱源部分的剩余熱量和熱阱部分的需求熱量。可考慮用某些過程的熱源部分產(chǎn)生高、中、低壓(HP,MP,LP)蒸汽,加熱另一些過程的熱阱部分，從而構(gòu)成過程物流產(chǎn)用、汽的換熱網(wǎng)絡(luò)（公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)）和全局公用工程分布曲線。由全局公用工程分布曲線，可以看出冷熱物流少用和多產(chǎn)各級蒸汽的潛力，為公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化匹配提供了目標。多過程全局夾點對于多個過程，由于各過程的夾點位置一般不同，可公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件同過程夾點一樣，全局夾點表示了全局熱回收的瓶頸。全局夾點可以直觀的判斷全局用能水平，它位于公用工程之間不再可能產(chǎn)生重疊的部位，而不是冷、熱溫焓曲線相交的位置，全局夾點隨公用工程等級選擇的變化而變化。全局夾點分析用于過程節(jié)能改造可以直觀地分析熱回收(產(chǎn)汽)量、過程加熱用公用工程耗量、熱功聯(lián)產(chǎn)的可能功量等能量集成目標，但不能給出過程物流與公用工程之間產(chǎn)用汽匹配換熱網(wǎng)絡(luò)具體方案，而且這些方案不是唯一的，各方案之間有很大差別甚至可能相互矛盾和制約，需要進一步尋求最優(yōu)方案。同過程夾點一樣，全局夾點表示了全局熱回收的瓶頸。全局①全局夾點分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法

b.全局夾點分析與MINLP相結(jié)合的最優(yōu)綜合策略可以將全局夾點分析與混合整數(shù)非線性規(guī)劃法相結(jié)合，即根據(jù)全局夾點分析得到的目標和結(jié)果提出過程全局能量集成改造的各種可行的和較優(yōu)的方案，建立包含這些可能方案的能量集成超結(jié)構(gòu),并建立描述超結(jié)構(gòu)的MINLP模型。將過程綜合的聯(lián)合優(yōu)化和能量集成問題歸結(jié)成一個純數(shù)學的規(guī)劃問題，采用優(yōu)化方法尋找最優(yōu)解。這樣不僅滿足過程全局夾點分析所規(guī)定的能量回收及熱功集成等原則和目標，而且超結(jié)構(gòu)中所包含的都是較好的可行方案，控制了問題的規(guī)模，避免了組合方案爆炸的困難，可以充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點，克服各自的缺點，獲得能耗或年度費用最小的改造方案。

①全局夾點分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法b.全局②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)

在過程內(nèi)部熱、冷物流匹配換熱后，還有些熱物流可副產(chǎn)蒸汽或由原來產(chǎn)低等級蒸汽改產(chǎn)高等級蒸汽；有些冷物流需要用蒸汽加熱或原來由高等級蒸汽加熱改為低等級蒸汽加熱。因此，熱冷物流與各等級公用工程之間的換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)應(yīng)包含各種可能的匹配方案，如圖1所示。②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)在過程內(nèi)部熱、冷物流匹②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)圖8公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)

②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)圖8公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)

若公用工程共有新汽、高壓、中壓和低壓（VHP，HP，MP和LP）4個蒸汽等級和一個冷公用工程等級（CW），且溫位已知，則熱物流Hi在冷卻降溫過程中可產(chǎn)生VHP，HP，MP和LP蒸汽，最后被冷卻水CW冷卻；冷物流Cj的升溫過程可用LP、MP、HP和VHP依次加熱。這樣的超結(jié)構(gòu)就包含了各種可能的產(chǎn)汽、用汽換熱網(wǎng)絡(luò)匹配方案。對每個換熱單元設(shè)置一個表示其取舍的0-1變量z，若該換熱器存在z取1，否則取0。若公用工程共有新汽、高壓、中壓和低壓（VHP，HP，②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)

對實際的網(wǎng)絡(luò)改造問題，可從全局夾點分析和熱力學可行性出發(fā)，對公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)進行簡化。如圖8所示，若熱物流Hi入口溫度為160℃,出口溫度為40℃，則該物流只能產(chǎn)生LP蒸汽并用冷公用工程冷卻。若冷物流Cj入口溫度為180℃，出口溫度為310℃，則需用MP、HP和VHP分段加熱，或用HP和VHP分兩段加熱，也可用VHP單獨加熱。簡化后的超結(jié)構(gòu)中某些0-1變量取值已定，可進一步簡化問題規(guī)模，易于確定最優(yōu)方案。②公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)對實際的網(wǎng)絡(luò)改造問題，

③公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)最優(yōu)綜合MINLP模型

在如圖8所示的公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，適當設(shè)置表示溫度、熱容流率、匹配熱負荷等連續(xù)變量和表示匹配單元選擇與費用取舍的0-1變量，可建立起公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)MINLP模型。③公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)最優(yōu)綜合MINLP模型

a.約束方程(1)每個流股的總熱平衡

K(Tiin-Tiout）CPi=∑Qi,k;i=1,2,...,I（1）k=1

(2)

每個換熱器的熱平衡約束Ti,k=Ti,k+1+Qi,k/CPi;i=1,2,...,I;k=1,2,...,K（2）Tj,k=Tj,k+1+Qj,k/CPj;j=1,2,...,J;k=1,2,...,K（3）(3)換熱量邏輯約束(4)溫差約束(5)可行溫度約束(6)蒸汽需求熱負荷凈變化量Qk的約束

(7)由全局夾點分析得到的冷熱物流少用或多產(chǎn)蒸汽潛力的上、下限約束

(8)各熱、冷物流上的公用工程換熱器數(shù)量約束(9)蒸汽需求變化的成本約束a.約束方程(1)每個流股的總熱平衡

b.目標函數(shù)為了進行投資與節(jié)能的綜合權(quán)衡，即同時考慮換熱單元的改造投資和過程產(chǎn)汽、用汽等級變化及蒸汽節(jié)省或多產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟效益，取網(wǎng)絡(luò)改造的年度費用最小為目標函數(shù)。IKJKOBJ=

(Qi,k/hiLMTDi,k—Ai)+

(Qj,k/hjLMTDj,k—Aj)]bi=1k=1j=1k=1IKJKK

+[

(zi,k-ziexist)-

(zj,k-zjexist)]a+ck（4）

i=1k=1j=1k=1k=1

b.目標函數(shù)為了進行投資與節(jié)能的綜合權(quán)衡，

c.求解算法

上述模型是包含連續(xù)變量和整型變量的非凸、多峰、嚴重非線性的混合整數(shù)規(guī)劃(MINLP)問題，傳統(tǒng)算法難以求解。采用遺傳算法將連續(xù)變量和整型變量都進行編碼處理可以求解，但對多變量問題，大量的連續(xù)變量編碼和解碼運算使搜索效率受到限制。為此根據(jù)模型的特點，吸收遺傳