公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法

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(xué)能源動(dòng)力學(xué)院教授化工系統(tǒng)工程研究所博士能源管理與節(jié)能研究中心主任傳真課內(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(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化四、實(shí)例研究

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(gè)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(dòng)力、電力、熱能和蒸汽等公用工程，其中尤以蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)最為重要。公用工程系統(tǒng)一般具有幾個(gè)不同壓力等級(jí)的蒸汽管網(wǎng)向過程輸送蒸汽或熱量，同時(shí)回收過程余熱，各級(jí)管網(wǎng)之間通過蒸汽透平產(chǎn)生過程所需的動(dòng)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(jì)和節(jié)能改造具有很大的節(jié)能潛力，對(duì)全局系統(tǒng)的能量利用率和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。

（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(diǎn)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)頂層分析優(yōu)化

①主要思想②剩余熱負(fù)荷的產(chǎn)生

③剩余熱負(fù)荷的轉(zhuǎn)化途徑分析

④剩余熱負(fù)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(shí)例

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(jìn)行能量集成改造。其主要思路就是首先對(duì)公用工程系統(tǒng)進(jìn)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(jì)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(shí)用新方法。圖1洋蔥模型與頂層分析法比較

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(duì)于凝汽式發(fā)電（作功）裝置，其熱效率一般在0.35～0.45；而對(duì)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(dá)0.9以上。因此，對(duì)現(xiàn)有的全局過程系統(tǒng)，以公用工程系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)能改造具有巨大的節(jié)能潛力。

②剩余熱負(fù)荷的產(chǎn)生

具有熱電聯(lián)產(chǎn)的公用工程系統(tǒng)，若對(duì)與其相關(guān)的過程系統(tǒng)或換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(duì)于VHP與HP級(jí)蒸汽間有減溫減壓器的公用工程系統(tǒng)，過剩熱負(fù)荷可直接以減少VHP產(chǎn)量的形式歸結(jié)為節(jié)省燃料。對(duì)于VHP與HP蒸汽間不設(shè)減溫減壓器時(shí)，若減少VHP蒸汽產(chǎn)量以平衡HP蒸汽，將導(dǎo)致VHP-HP間透平做功能力下降。

圖2剩余熱負(fù)荷的產(chǎn)生

②剩余熱負(fù)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(jìn)行熱功權(quán)衡才能確定公用工程成本是否節(jié)省。

③剩余熱負(fù)荷的轉(zhuǎn)化途徑分析

a.用剩余熱負(fù)荷通過發(fā)電透平做功

b.剩余熱負(fù)荷通過工藝透平作功c.通過外購電節(jié)省剩余熱負(fù)荷及鍋爐燃料a.用剩余熱負(fù)荷荷通過發(fā)電透透平做功公用工程系統(tǒng)統(tǒng)有剩余熱負(fù)負(fù)荷存在，即即相當(dāng)于VHP蒸汽過剩。在在復(fù)雜的公用用工程系統(tǒng)中中，由于存在在多級(jí)透平，，可以利用過過剩的VHP做功的途徑很很多，必須進(jìn)進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)化化途徑分析，，才能確定最最佳的剩余蒸蒸汽轉(zhuǎn)化途徑徑。a.用剩余熱負(fù)荷荷通過發(fā)電透透平做功圖2所示的過過剩熱負(fù)荷,可以通過T1,T3兩個(gè)透平做功功發(fā)電后以全全凝方式排出出系統(tǒng)；也可可以通過T2透平背壓后以以LP蒸汽放空形式式排出系統(tǒng)。。圖3剩余熱負(fù)荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化途徑示意意圖a.用剩余熱負(fù)荷荷通過發(fā)電透透平做功圖4△Qf、△Qp、△Qloss和△W的關(guān)系a.用剩余熱負(fù)荷荷通過發(fā)電透透平做功不同的做功途途徑會(huì)產(chǎn)生不不同的效益。。過剩熱負(fù)荷荷QP通過某一途徑徑轉(zhuǎn)化可增加加系統(tǒng)做功量量W，而節(jié)省QP對(duì)應(yīng)的燃料消消耗量的變化化為QF。QF與QP之間的關(guān)系如如圖4所示，，即QF=(QP+W+Qloss)/boiler式中，Qloss——由QP引起的乏汽熱熱損失的變化化，boiler——鍋爐效率。過剩熱負(fù)荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化途徑的做做功效率為==boiler（1）Qloss與對(duì)應(yīng)的乏汽汽焓和回收凝凝液焓有關(guān)Qloss=H乏汽—H凝液（2）由式(1)、、(2)計(jì)算算各路徑的效效率后，即可找出出效率最大的的做功途徑。。a.用剩余熱負(fù)荷荷通過發(fā)電透透平做功設(shè)計(jì)發(fā)電透平平時(shí)，一般要要限定蒸汽的的最大用量Vsmax和最小用量Vsmin，正常操作時(shí)透透平的用汽量量介于二者之之間。頂層分析法著著眼于尋找剩剩余熱負(fù)荷的的轉(zhuǎn)化途徑，，當(dāng)通過某透透平轉(zhuǎn)化有較較高的效率時(shí)時(shí)，可根據(jù)剩剩余熱負(fù)荷的的量增加該透透平用汽量至至最大，以最最大限度地利利用現(xiàn)有設(shè)備備產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效效益；當(dāng)通過過某透平轉(zhuǎn)化化效率較低時(shí)時(shí)，可調(diào)節(jié)該該透平用汽量量至最小，以以節(jié)省蒸汽，，將形成的剩剩余熱負(fù)荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移至效率最最佳轉(zhuǎn)化途徑徑。b.剩余熱負(fù)荷通通過工藝透平平作功在復(fù)雜的石化化過程公用工工程系統(tǒng)中，，許多工藝壓壓縮機(jī)或機(jī)泵泵都是采用工工藝透平直接接做功驅(qū)動(dòng)。。這種工藝透透平的做功對(duì)對(duì)象為工藝物物流，工藝物物流的狀態(tài)參參數(shù)又為過程程所規(guī)定。因因此，剩余熱熱負(fù)荷用于工工藝透平的作作功量是有限限制的，這與與發(fā)電透平存存在本質(zhì)區(qū)別別。工藝透平直接接驅(qū)動(dòng)機(jī)泵耗耗用的軸功與與工藝物流的的體積流量成成正比，亦即即與裝置的生生產(chǎn)負(fù)荷成正正比。因此，，蒸汽用量的的變化與工藝藝物流負(fù)荷的的變化成正比比。定義δ=qv/qvd為工藝物流的的負(fù)荷率，其其中qvd為工藝物流的的設(shè)計(jì)負(fù)荷，，qv為工藝物流的的操作負(fù)荷，，則蒸汽用量量qs=δqsd式中，qs——操作狀態(tài)下的的蒸汽用量；；qsd——設(shè)計(jì)狀態(tài)下的的蒸汽用量。。b.剩余熱負(fù)荷通通過工藝透平平作功當(dāng)公用工程系系統(tǒng)存在剩余余熱負(fù)荷，且且通過某一途途徑效率最大大的透平途徑徑作功時(shí)，對(duì)對(duì)發(fā)電透平可可增加蒸汽用用量使剩余熱熱負(fù)荷通過該該途徑效率最最大的透平產(chǎn)產(chǎn)生動(dòng)力，其其用汽最大可可增加量為δqsmax-qs；對(duì)工藝透平亦亦可增加蒸汽汽用量使剩余余熱負(fù)荷通過過途徑效率最最大的工藝透透平作功，其其最大可調(diào)節(jié)節(jié)量為qsmax-qs。當(dāng)δ≥1時(shí),δqsmax-qs=qsmax-qs當(dāng)δ<1時(shí),δqsmax-qs<qsmax-qsb.剩余熱負(fù)荷通通過工藝透平平作功若不考慮工藝藝透平與發(fā)電電透平作功的的區(qū)別，當(dāng)δ<1時(shí)，仍將工藝藝透平的蒸汽汽用量調(diào)至qsmax，一則可能造成成工藝物流出出口參數(shù)偏離離操作要求，，使生產(chǎn)過程程產(chǎn)生波動(dòng)而而達(dá)不到工藝藝目的；二則壓縮機(jī)部部分可能因采采用工藝物流流走旁路循環(huán)環(huán)的方式，抵抵消了增加蒸蒸汽量所多作作的功，從而而失去了剩余余熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化化的意義。因此，運(yùn)用頂層分析析必須區(qū)分發(fā)發(fā)電透平和工工藝透平，才才能確保剩余余熱負(fù)荷的高高效轉(zhuǎn)化。c.通過外購電節(jié)節(jié)省剩余熱負(fù)負(fù)荷及鍋爐燃燃料對(duì)于必須進(jìn)行行熱功權(quán)衡的的公用工程系系統(tǒng)，節(jié)省剩剩余熱負(fù)荷QP就等于節(jié)省了了VHP蒸汽，其結(jié)果果是燃料消耗耗減少Q(mào)F，同時(shí)造成了系系統(tǒng)做功量的的下降。為彌彌補(bǔ)這部分做做功能力的減減少，公用工工程系統(tǒng)需從從外界購入動(dòng)動(dòng)力或電力。。若購買單位燃燃料所需費(fèi)用用為CF，外購單位動(dòng)力力所需費(fèi)用為為Cp，定義外購動(dòng)力力的效率為in=CF/Cp（3）通過計(jì)算各途途徑效率和透透平能力限度度，即可依次次排列出剩余余熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化化的最佳途徑徑及轉(zhuǎn)化量、、較佳途徑及及轉(zhuǎn)化量等，，為進(jìn)一步優(yōu)化化改造過程或或換熱網(wǎng)絡(luò)提提出了節(jié)省/多產(chǎn)蒸汽的的等級(jí)及數(shù)量量上的要求，，確定過程節(jié)節(jié)能的改造方方案。④剩余熱熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化途途徑的效益分分析若將1MJ燃料的熱負(fù)荷荷從現(xiàn)有途徑徑移至最佳效效率途徑可多多產(chǎn)功Wadd為Wadd=Wm-Wc=m-c（4）式中，C為現(xiàn)有途徑效效率，m為最佳途徑效效率。為保持公用工工程系統(tǒng)產(chǎn)/用功的平衡衡，多產(chǎn)的功功量Wadd可從效率最差差的途徑減少少相應(yīng)的功量量，相應(yīng)的燃燃料節(jié)省QF=Wadd/least=（m-c）/least（5）式中，least為最差途徑效效率。④剩余熱熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化途途徑的效益分分析即在公用工程程系統(tǒng)中，1MJ燃料的熱負(fù)荷荷從現(xiàn)有途徑徑移至最佳效效率途徑可多多做功Wadd；通過做功效率率最差的途徑徑減少做功Wadd，即可實(shí)現(xiàn)最大大的燃料節(jié)省省，其對(duì)應(yīng)的的燃料費(fèi)用節(jié)節(jié)省CFQF=CF（m-c）/least（6）若1噸蒸汽相相當(dāng)于QsMJ燃料，經(jīng)濟(jì)效效益BB=CFQs（m-c）/least(元/t)（（7））式中中，，Qs=(Qp+Qloss)/boiler⑤應(yīng)應(yīng)用用頂頂層層分分析析法法能能量量集集成成的的步步驟驟a)收集集公公用用工工程程數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)；；b)計(jì)算算現(xiàn)現(xiàn)有有蒸蒸汽汽消消耗耗途途徑徑效效率率及及負(fù)負(fù)荷荷限限制制；；c)計(jì)算算可可選選蒸蒸汽汽消消耗耗途途徑徑效效率率及及負(fù)負(fù)荷荷限限制制；；d)計(jì)算算節(jié)節(jié)省省剩剩余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷外外購購動(dòng)動(dòng)力力途途徑徑效效率率；；e)比較較現(xiàn)現(xiàn)有有途途徑徑、、可可選選途途徑徑和和外外購購動(dòng)動(dòng)力力效效率率；；f)選擇擇最最優(yōu)優(yōu)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化途途徑徑；；g)計(jì)算算優(yōu)優(yōu)化化后后的的效效益益。。⑥應(yīng)應(yīng)用用實(shí)實(shí)例例某石石化化公公司司3××105t/a乙烯烯裝裝置置公公用用工工程程系系統(tǒng)統(tǒng)如如圖圖5所所示示，，該該系系統(tǒng)統(tǒng)有有工工藝藝透透平平4臺(tái)臺(tái)，，每每臺(tái)臺(tái)透透平平的的現(xiàn)現(xiàn)有有運(yùn)運(yùn)行行負(fù)負(fù)荷荷均均高高于于最最低低設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)負(fù)負(fù)荷荷。。原原系系統(tǒng)統(tǒng)中中沒沒有有低低壓壓蒸蒸汽汽回回收收設(shè)設(shè)施施，，蒸蒸汽汽冷冷凝凝熱熱全全部部損損失失。。要要求求在在不不改改造造透透平平的的前前提提下下對(duì)對(duì)整整個(gè)個(gè)公公用用工工程程系系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)調(diào)優(yōu)優(yōu)。。透透平平T1、T2、T3、T4的工工藝藝物物流流負(fù)負(fù)荷荷率率分分別別為為0.9，，1.0，，1.04，，0.95；；各各透透平平的的功功與與各各級(jí)級(jí)用用汽汽的的關(guān)關(guān)系系已已知知[1]，開開工工鍋鍋爐爐效效率率ηb=0.92。。⑥應(yīng)應(yīng)用用實(shí)實(shí)例例圖5公公用用工工程程示示意意圖圖a.現(xiàn)有有途途徑徑分分析析當(dāng)冷冷凝凝熱熱全全部部損損失失時(shí)時(shí)，，采采用用頂頂層層分分析析法法求求得的的剩剩余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷用用現(xiàn)現(xiàn)有有作作功功途途徑徑的的效效率率如如表表1和和圖圖6的的陰陰影影面面積積的的下下邊邊折折線線所所示示,其其中中Qsmax為蒸蒸汽汽最最大大節(jié)節(jié)省省量量。圖6剩剩余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化途途徑徑對(duì)對(duì)比比a.現(xiàn)有有途途徑徑分分析析表1現(xiàn)現(xiàn)有有作作功功途途徑徑的的效效率率Tab.1Theefficienciesofcurrentpaths—————————————————————————————————————————蒸汽汽等等級(jí)級(jí)途途徑徑ηQsmax/t·h-1—————————————————————————————————————————HPT10.05720HPT20.06135MPT10.13430MPT30.16055LPT30.21812LPT20.23232—————————————————————————————————————————b.剩余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷途途徑徑優(yōu)優(yōu)化化采用用頂頂層層分分析析法法得得到到的的剩剩余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化途途徑徑效效率率如如表表2所所示示,其其中中Qmax為剩剩余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷上上限限。?？煽梢娨?，，最最佳佳剩剩余余熱熱可可轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化途途徑徑為為T4透平平滿滿負(fù)負(fù)荷荷運(yùn)運(yùn)行行(多多用用3.5t/h)，，其余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷以以少少產(chǎn)產(chǎn)VHP形式式節(jié)節(jié)省省，，由由于于VHP負(fù)荷荷降降低低而而減減少少的的作作功功能能力力可可用用外外購購電電力力形形式式彌彌補(bǔ)補(bǔ)，，如如圖圖6的的陰陰影影面面積積的的上上邊邊線線所所示示。。由圖圖中中的的兩兩條條曲曲線線可可對(duì)對(duì)優(yōu)優(yōu)化化的的途途徑徑和和現(xiàn)現(xiàn)有有途途徑徑進(jìn)進(jìn)行行比比較較，，它它不不但但給給出出了了剩剩余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化途途徑徑優(yōu)優(yōu)化化前前后后的的效效率率變變化化（（陰陰影影部部分分）），，而而且且給給出出了了各各等等級(jí)級(jí)蒸蒸汽汽的的最最大大節(jié)節(jié)省省量量，，陰陰影影面面積積正正比比于于改改變變前前后后的的經(jīng)經(jīng)濟(jì)濟(jì)收收益益。。b.剩余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷途途徑徑優(yōu)優(yōu)化化根據(jù)據(jù)圖圖6分分段段對(duì)對(duì)改改變變剩剩余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化途途徑徑前前后后的的公公用用工工程程系系統(tǒng)統(tǒng)的的經(jīng)經(jīng)濟(jì)濟(jì)收收益益按按式式（（7））進(jìn)進(jìn)行行計(jì)計(jì)算算，，得得到到改改變變剩剩余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化途途徑徑后后的的經(jīng)經(jīng)濟(jì)濟(jì)效效益益如如圖圖7所所示示。。圖中中折折線線下下的的面面積積為為每每小小時(shí)時(shí)節(jié)節(jié)約約各各等等級(jí)級(jí)蒸蒸汽汽剩剩余余熱熱負(fù)負(fù)荷荷所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的收收益益（（6843.73元元/h）），，全年年按按運(yùn)運(yùn)行行8000h計(jì)，，年年收收益益為為5.47××107元/a。以上分析是以以減少鍋爐新新汽（VHP）為基礎(chǔ)，但實(shí)實(shí)際中由于開開工鍋爐的最最小運(yùn)行負(fù)荷荷為不低于設(shè)設(shè)計(jì)負(fù)荷的87%，所所以VHP只有30t/h左右的調(diào)節(jié)余余地。若按節(jié)節(jié)省30t/h蒸汽計(jì)算，年年實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效效益為1541.11萬萬元?？梢娺x選擇優(yōu)化的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化途徑可明明顯增加全局局公用工程的的經(jīng)濟(jì)效益。。b.剩余熱負(fù)荷途途徑優(yōu)化表2剩余余熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化化途徑及能源源價(jià)格Tab.2Theconversionpathsofresidualheat——————————————————————————序號(hào)途途徑徑ηQmax/t·h-1——————————————————————————1T42外外購購電0.277∞∞3T2—放空0.232154T1-MP-減溫減壓放空空0.21840——————————————————————————注:外購電價(jià)價(jià)0.3元/kWh;燃料價(jià)格0.083元/kWh——————————————————————————b.剩余熱負(fù)荷途途徑優(yōu)化圖7不同途途徑的經(jīng)濟(jì)效效益比較二、過程全局夾點(diǎn)點(diǎn)分析與超結(jié)結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的能量量集成最優(yōu)綜綜合法①全局夾點(diǎn)分析析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的的方法②公用工程換熱熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)構(gòu)③公用工程換熱熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)結(jié)構(gòu)最優(yōu)綜合合MINLP模型④應(yīng)用實(shí)例二、過程全局夾點(diǎn)點(diǎn)分析與超結(jié)結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的能量量集成最優(yōu)綜綜合法對(duì)公用工程對(duì)對(duì)子系統(tǒng)之間間的能量集成成聯(lián)合優(yōu)化，，目前多采用用傳統(tǒng)的分步步優(yōu)化法，即即將整體問題題分解,依次次進(jìn)行各子系系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，，因而很難實(shí)實(shí)現(xiàn)總體系統(tǒng)統(tǒng)的優(yōu)化匹配配。Linnhoff和Zhu等人將單過程程夾點(diǎn)分析進(jìn)進(jìn)一步擴(kuò)展到到全過程的夾夾點(diǎn)分析和能能量集成，可可以得到全局局熱回收的潛潛力和目標(biāo)，，但不能給出出具體的匹配配方案；Grossmann等人基于線性性化分解算法法提出了超結(jié)結(jié)構(gòu)混合整數(shù)數(shù)非線性規(guī)劃劃(MINLP)綜合策略，可可以進(jìn)行各子子系統(tǒng)的同步步熱集成聯(lián)合合優(yōu)化，但超超結(jié)構(gòu)中可能能的組合方案案太多而難于于求解。而對(duì)對(duì)于現(xiàn)有過程程的擴(kuò)產(chǎn)節(jié)能能改造，成熟熟的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)方法亦不多多見。將過程程全局夾點(diǎn)分分析與過程熱熱集成超結(jié)構(gòu)構(gòu)MINLP法相結(jié)合，使使用基于全局局夾點(diǎn)分析的的公用工程與與過程熱冷物物流產(chǎn)用汽換換熱網(wǎng)絡(luò)熱集集成聯(lián)合優(yōu)化化的超結(jié)構(gòu)MINLP方法進(jìn)行過程程改造可得到到明顯的節(jié)能能效果和經(jīng)濟(jì)濟(jì)效益。①全局夾點(diǎn)點(diǎn)分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的的方法a.全局過程夾點(diǎn)點(diǎn)分析單過程夾點(diǎn)一個(gè)過程中可可能有許多需需要冷卻的熱熱物流和需要要加熱的冷物物流，由夾點(diǎn)點(diǎn)技術(shù)可建立立單過程的復(fù)復(fù)合曲線和總總復(fù)合曲線。。總復(fù)合曲線線可以指出過過程內(nèi)部物流流換熱后所需需的最小冷、、熱公用工程程負(fù)荷，即剩剩余的熱源和和熱阱。多過程全局夾夾點(diǎn)對(duì)于多個(gè)過程程，由于各過過程的夾點(diǎn)位位置一般不同同，可將各過過程的剩余熱熱源和熱阱分分別組合到一一起,得到全全局溫焓分布布圖，它表明明熱源部分的的剩余熱量和和熱阱部分的的需求熱量。?？煽紤]用某某些過程的熱熱源部分產(chǎn)生生高、中、低低壓(HP,MP,LP)蒸汽,加熱另另一些過程的的熱阱部分，，從而構(gòu)成過過程物流產(chǎn)用用、汽的換熱熱網(wǎng)絡(luò)（公用用工程換熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)）和全局局公用工程分分布曲線。由由全局公用工工程分布曲線線，可以看出出冷熱物流少少用和多產(chǎn)各各級(jí)蒸汽的潛潛力，為公用用工程換熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化匹匹配提供了目目標(biāo)。同過程夾點(diǎn)一一樣，全局夾夾點(diǎn)表示了全全局熱回收的的瓶頸。全局局夾點(diǎn)可以直直觀的判斷全全局用能水平平，它位于公公用工程之間間不再可能產(chǎn)產(chǎn)生重疊的部部位，而不是是冷、熱溫焓焓曲線相交的的位置，全局局夾點(diǎn)隨公用用工程等級(jí)選選擇的變化而而變化。全局夾點(diǎn)分析析用于過程節(jié)節(jié)能改造可以以直觀地分析析熱回收(產(chǎn)產(chǎn)汽)量、過過程加熱用公公用工程耗量量、熱功聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)的可能功量量等能量集成成目標(biāo)，但不不能給出過程程物流與公用用工程之間產(chǎn)產(chǎn)用汽匹配換換熱網(wǎng)絡(luò)具體體方案，而且且這些方案不不是唯一的，，各方案之間間有很大差別別甚至可能相相互矛盾和制制約，需要進(jìn)進(jìn)一步尋求最最優(yōu)方案。①全局夾點(diǎn)點(diǎn)分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的的方法b.全局夾點(diǎn)分析析與MINLP相結(jié)合的最優(yōu)優(yōu)綜合策略可以將全局夾夾點(diǎn)分析與混混合整數(shù)非線線性規(guī)劃法相相結(jié)合，即根根據(jù)全局夾點(diǎn)點(diǎn)分析得到的的目標(biāo)和結(jié)果果提出過程全全局能量集成成改造的各種種可行的和較較優(yōu)的方案，，建立包含這這些可能方案案的能量集成成超結(jié)構(gòu),并并建立描述超超結(jié)構(gòu)的MINLP模型。將過程程綜合的聯(lián)合合優(yōu)化和能量量集成問題歸歸結(jié)成一個(gè)純純數(shù)學(xué)的規(guī)劃問題，采采用優(yōu)化方法法尋找最優(yōu)解解。這樣不僅僅滿足過程全全局夾點(diǎn)分析析所規(guī)定的能能量回收及熱熱功集成等原原則和目標(biāo)，，而且超結(jié)構(gòu)構(gòu)中所包含的的都是較好的的可行方案，，控制了問題題的規(guī)模，避避免了組合方方案爆炸的困困難，可以充充分發(fā)揮兩種種方法的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，克服各自自的缺點(diǎn)，獲獲得能耗或年年度費(fèi)用最小小的改造方案案。②公用工程程換熱網(wǎng)絡(luò)超超結(jié)構(gòu)在過程內(nèi)部熱熱、冷物流匹匹配換熱后，，還有些熱物物流可副產(chǎn)蒸蒸汽或由原來來產(chǎn)低等級(jí)蒸蒸汽改產(chǎn)高等等級(jí)蒸汽；有有些冷物流需需要用蒸汽加加熱或原來由由高等級(jí)蒸汽汽加熱改為低低等級(jí)蒸汽加加熱。因此，熱冷物物流與各等級(jí)級(jí)公用工程之之間的換熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)應(yīng)應(yīng)包含各種可可能的匹配方方案，如圖1所示。②公用工程程換熱網(wǎng)絡(luò)超超結(jié)構(gòu)圖8公用工工程換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)超結(jié)構(gòu)若公用工程共共有新汽、高高壓、中壓和和低壓（VHP，HP，MP和LP）4個(gè)蒸汽等級(jí)和和一個(gè)冷公用用工程等級(jí)（（CW），且溫位已知，，則熱物流Hi在冷卻降溫過過程中可產(chǎn)生生VHP，HP，MP和LP蒸汽，最后被被冷卻水CW冷卻；冷物流流Cj的升溫過程可可用LP、MP、、HP和VHP依次加熱。這這樣的超結(jié)構(gòu)構(gòu)就包含了各各種可能的產(chǎn)產(chǎn)汽、用汽換換熱網(wǎng)絡(luò)匹配配方案。對(duì)每每個(gè)換熱單元元設(shè)置一個(gè)表表示其取舍的的0-1變量量z，若該換熱器存存在z取1，否則取取0。②公用工程程換熱網(wǎng)絡(luò)超超結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)改造問題，，可從全局夾夾點(diǎn)分析和熱熱力學(xué)可行性性出發(fā)，對(duì)公公用工程換熱熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化化。如圖8所所示，若熱物物流Hi入口溫度為160℃,出出口溫度為40℃，則該該物流只能產(chǎn)產(chǎn)生LP蒸汽并用冷公公用工程冷卻卻。若冷物流流Cj入口溫度為180℃，出出口溫度為310℃，則則需用MP、HP和VHP分段加熱，或或用HP和VHP分兩段加熱，，也可用VHP單獨(dú)加熱。簡(jiǎn)簡(jiǎn)化后的超結(jié)結(jié)構(gòu)中某些0-1變量取取值已定，可可進(jìn)一步簡(jiǎn)化化問題規(guī)模，，易于確定最最優(yōu)方案。③公用工程程換熱網(wǎng)絡(luò)的的超結(jié)構(gòu)最優(yōu)優(yōu)綜合MINLP模型在如圖8所示示的公用工程程換熱網(wǎng)絡(luò)超超結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，適當(dāng)設(shè)設(shè)置表示溫度度、熱容流率率、匹配熱負(fù)負(fù)荷等連續(xù)變變量和表示匹匹配單元選擇擇與費(fèi)用取舍舍的0-1變變量，可建立立起公用工程程換熱網(wǎng)絡(luò)MINLP模型。a.約束方程(1)每個(gè)流股的總總熱平衡K(Tiin-Tiout）CPi=∑Qi,k;i=1,2,...,I（1）k=1(2)每個(gè)換熱器的的熱平衡約束束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)換熱量邏輯約約束(4)溫差差約束(5)可行溫度約束束(6)蒸汽汽需求熱負(fù)荷荷凈變化量Qk的約束(7)由全全局夾點(diǎn)分析析得到的冷熱熱物流少用或或多產(chǎn)蒸汽潛力的上、下下限約束(8)各熱熱、冷物流上上的公用工程程換熱器數(shù)數(shù)量約束束(9)蒸汽汽需求變化的的成本約束b.目標(biāo)函數(shù)為了進(jìn)行投資資與節(jié)能的綜綜合權(quán)衡，即即同時(shí)考慮換換熱單元的改改造投資和過過程產(chǎn)汽、用用汽等級(jí)變化化及蒸汽節(jié)省省或多產(chǎn)所帶帶來的經(jīng)濟(jì)效效益，取網(wǎng)絡(luò)絡(luò)改造的年度度費(fèi)用最小為為目標(biāo)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=1c.求解解算算法法上述述模模型型是是包包含含連連續(xù)續(xù)變變量量和和整整型型變變量量的的非非凸凸、、多多峰峰、、嚴(yán)嚴(yán)重重非非線線性性的的混混合合整整數(shù)數(shù)規(guī)規(guī)劃劃(MINLP)問題題，，傳傳統(tǒng)統(tǒng)算算法法難難以以求求解解。。采采用用遺遺傳傳算算法法將將連連續(xù)續(xù)變變量量和和整整型型變變量量都都進(jìn)進(jìn)行行編編碼碼處處理理可可以以求求解解，，但但對(duì)對(duì)多多變變量量問問題題，，大大量量的的連連續(xù)續(xù)變變量量編編④應(yīng)應(yīng)用用實(shí)實(shí)例例某石石化化公公司司30萬萬噸噸/年年乙乙烯烯裝裝置置公公用用④應(yīng)應(yīng)用用實(shí)實(shí)例例對(duì)過過程程進(jìn)進(jìn)行行全全局局夾夾點(diǎn)點(diǎn)分分析析，，可可得得全全局局公公用用工工程程分分布布曲曲線線如如圖圖9所所示示。?？煽梢娨娙志稚猩杏杏羞M(jìn)進(jìn)一一步步產(chǎn)產(chǎn)生生HP和MP蒸汽汽的的潛潛力力，，各各級(jí)級(jí)用用汽汽亦亦有有改改用用低低等等級(jí)級(jí)蒸蒸汽汽的的余余地地，，僅僅通通過過公公用用工工程程換換熱熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的的優(yōu)優(yōu)化化配配置置就就可可使使現(xiàn)現(xiàn)有有公公用用工工程程系系統(tǒng)統(tǒng)的的運(yùn)運(yùn)行行條條件件得得到到明明顯顯的的改改善善。。④應(yīng)應(yīng)用實(shí)例例圖9公公用工程程分布曲曲線圖④應(yīng)應(yīng)用實(shí)例例在公用工工程五個(gè)個(gè)溫位等等級(jí)（VHP,HP,MP,LP和CW）一定的條條件下，，建立圖圖8所示示的超結(jié)結(jié)構(gòu)。超超結(jié)構(gòu)中中共有8個(gè)熱物物流和8個(gè)冷物物流，對(duì)對(duì)應(yīng)著可可能的產(chǎn)產(chǎn)、用汽汽換熱器器各有40臺(tái)。。由此建建立公用用工程換換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)MINLP模型，模模型共有有211個(gè)變量量（其中中有80個(gè)0—1變量，，131個(gè)連續(xù)續(xù)變量）），424個(gè)約約束條件件?？梢?，采采用全局局夾點(diǎn)分分析法使使原有40個(gè)物物流、200個(gè)個(gè)可能換換熱匹配配的大規(guī)規(guī)模問題題大大簡(jiǎn)簡(jiǎn)化，不不僅避免免了組合合方案爆爆炸問題題，而且且使超結(jié)結(jié)構(gòu)所包包含的都都是可行行的和較較好的方方案。優(yōu)化結(jié)果果熱物流H1,H5,H7設(shè)置新?lián)Q換熱器，，熱物流流H3,H4,H6利用現(xiàn)有有面積調(diào)調(diào)換位置置，均由由產(chǎn)MP改為產(chǎn)HP蒸汽；冷物流C6，C7，C8設(shè)置新?lián)Q換熱器，，冷物流流C2利用現(xiàn)有有面積調(diào)調(diào)換位置置，均由由用MP改為用LP蒸汽；其其它換換熱器不不變。優(yōu)化改造造總投資資為451.54萬元元，年經(jīng)經(jīng)濟(jì)效益益為2828.19萬萬元，靜靜態(tài)投資資回收期期為0.16年年。優(yōu)化結(jié)果果表3冷冷熱物流流原始數(shù)數(shù)據(jù)及優(yōu)優(yōu)化結(jié)果果三、石化化企業(yè)蒸蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化①蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)特特點(diǎn)②蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)存存在的問問題③產(chǎn)生上述述問題的的原因④蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化的三三個(gè)層次次⑤蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化措施施①蒸蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)特特點(diǎn)a.分散的多多用戶、、多產(chǎn)汽汽點(diǎn)，多多燃料來來源，多多壓力等等級(jí)；b.多工況變變化（季季節(jié)、加加工量、、生產(chǎn)方方案、市市場(chǎng)價(jià)格格）；c.保證工藝藝系統(tǒng)需需求，對(duì)對(duì)能耗、、加工費(fèi)費(fèi)有較大大影響。。②蒸蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)存存在的問問題設(shè)計(jì)上的的問題：：a.鍋爐、汽汽輪機(jī)容容量小、、參數(shù)低低且陳舊舊；b.是為配合合擴(kuò)產(chǎn)和和增建新新裝置而而陸續(xù)地地增建小小型鍋爐爐、透平平機(jī)組并并擴(kuò)充管管網(wǎng)，缺缺乏聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)和優(yōu)化化的統(tǒng)籌籌規(guī)劃；；c.新建企業(yè)業(yè)功熱聯(lián)聯(lián)產(chǎn)潛力力也未充充分利用用；d.驅(qū)動(dòng)工藝藝設(shè)備的的背壓汽汽輪機(jī)的的選擇沒沒有考慮慮低壓蒸蒸汽的用用量，且且不可調(diào)調(diào)節(jié)。當(dāng)當(dāng)?shù)蛪赫粽羝昧苛可贂r(shí)不不得不放放空。e.驅(qū)動(dòng)動(dòng)工工藝藝設(shè)設(shè)備備的的背背壓壓汽汽輪輪機(jī)機(jī)的的背背壓壓選選擇擇過過低低，，盡盡管管中中壓壓蒸蒸汽汽用用量量減減少少，，但但背背壓壓蒸蒸汽汽沒沒有有充充分分利利用用，，造造成成浪浪費(fèi)費(fèi)。。f.余熱熱鍋鍋爐爐和和驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)工工藝藝設(shè)設(shè)備備的的背背壓壓汽汽輪輪機(jī)機(jī)的的選選擇擇沒沒有有考考慮慮蒸蒸汽汽輸輸送送管管線線的的特特性性，，為為保保證證管②蒸蒸汽汽動(dòng)動(dòng)力力系系統(tǒng)統(tǒng)存存在在的的問問題題運(yùn)行行上上的的問問題題：：a.中壓壓蒸蒸汽汽減減溫溫減減壓壓；；b.低壓壓蒸蒸汽汽放放空空。。③產(chǎn)產(chǎn)生生上上述述問問題題的的原原因因a.沒有有認(rèn)認(rèn)識(shí)識(shí)其其基基本本規(guī)規(guī)律律：：設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)、、調(diào)調(diào)度度和和控控制制三三個(gè)個(gè)層層次次之之間間的的相相互互聯(lián)聯(lián)系系；；