公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法課件

1、公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法2022/7/15公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法講 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(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

2、由電網(wǎng)購(gòu)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。 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法（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 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法一、公用工程系統(tǒng)頂層分析優(yōu)化 主要思想 剩余熱負(fù)荷的產(chǎn)生 剩余熱負(fù)荷的轉(zhuǎn)化途徑分析 剩余熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析 應(yīng)用頂層分析法能量集成的步驟 應(yīng)用實(shí)例 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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

3、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 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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。對(duì)于凝汽式發(fā)電（作功）裝置，其熱效率一般在0.350.45；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

4、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。 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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

5、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。 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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(gòu)電節(jié)省剩余熱負(fù)荷及鍋爐燃料公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 a.用剩余熱負(fù)荷通過發(fā)電透平做功 公用工程系統(tǒng)有剩余熱負(fù)荷存在，即相當(dāng)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(jí)透平，可以利用過剩的VHP

6、做功的途徑很多，必須進(jìn)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。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 a.用剩余熱負(fù)荷通過發(fā)電透平做功 圖2所示的過剩熱負(fù)荷,可以通過T1,T3兩個(gè)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(fù)荷轉(zhuǎn)化途徑示意圖 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 a.用剩余熱負(fù)荷通過發(fā)電透平做功圖4 Qf、Qp、Qloss和W的關(guān)系 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 a.用剩余熱負(fù)荷通過發(fā)電透平做功 不同的做功途徑會(huì)產(chǎn)生不同的效益。過剩熱負(fù)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(duì)應(yīng)的燃料消耗量的變化為 QF

7、。 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(fù)荷轉(zhuǎn)化途徑的做功效率為 = = boiler （1）Qloss與對(duì)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(jì)算各路徑的效率后，即可找出效率最大的做功途徑。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 a.用剩余熱負(fù)荷通過發(fā)電透平做功 設(shè)計(jì)發(fā)電透平時(shí)，一般要限定蒸汽的最大用量Vsmax和最小用量Vsmin，正常操作時(shí)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(fù)荷的轉(zhuǎn)化途徑，當(dāng)

8、通過某透平轉(zhuǎn)化有較高的效率時(shí)，可根據(jù)剩余熱負(fù)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(jì)效益；當(dāng)通過某透平轉(zhuǎn)化效率較低時(shí)，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(fù)荷轉(zhuǎn)移至效率最佳轉(zhuǎn)化途徑。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 b.剩余熱負(fù)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(jī)或機(jī)泵都是采用工藝透平直接做功驅(qū)動(dòng)。這種工藝透平的做功對(duì)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(fù)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(dòng)機(jī)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(fù)荷成正比。因

9、此，蒸汽用量的變化與工藝物流負(fù)荷的變化成正比。定義= qv/qvd為工藝物流的負(fù)荷率，其中qvd為工藝物流的設(shè)計(jì)負(fù)荷，qv為工藝物流的操作負(fù)荷，則蒸汽用量 qs=qsd 式中，qs操作狀態(tài)下的蒸汽用量； qsd設(shè)計(jì)狀態(tài)下的蒸汽用量。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 b.剩余熱負(fù)荷通過工藝透平作功 當(dāng)公用工程系統(tǒng)存在剩余熱負(fù)荷，且通過某一途徑效率最大的透平途徑作功時(shí)，對(duì)發(fā)電透平可增加蒸汽用量使剩余熱負(fù)荷通過該途徑效率最大的透平產(chǎn)生動(dòng)力，其用汽最大可增加量為qsmax-qs；對(duì)工藝透平亦可增加蒸汽用量使剩余熱負(fù)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(dāng)1 時(shí), q

10、smax-qs =qsmax-qs 當(dāng)1 時(shí), qsmax-qs qsmax-qs公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 b.剩余熱負(fù)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(dāng)1 時(shí)，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(dòng)而達(dá)不到工藝目的；二則壓縮機(jī)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(fù)荷轉(zhuǎn)化的意義。 因此，運(yùn)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(fù)荷的高效轉(zhuǎn)化。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 c.通過外購(gòu)電節(jié)省剩余熱負(fù)荷及鍋爐燃料 對(duì)于必須進(jìn)行熱功權(quán)衡的公用

11、工程系統(tǒng)，節(jié)省剩余熱負(fù)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(shí)造成了系統(tǒng)做功量的下降。為彌補(bǔ)這部分做功能力的減少，公用工程系統(tǒng)需從外界購(gòu)入動(dòng)力或電力。 若購(gòu)買單位燃料所需費(fèi)用為CF，外購(gòu)單位動(dòng)力所需費(fèi)用為Cp，定義外購(gòu)動(dòng)力的效率為 in =CF/Cp （3） 通過計(jì)算各途徑效率和透平能力限度，即可依次排列出剩余熱負(fù)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(jìn)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(jí)及數(shù)量上的要求，確定過程節(jié)能的改造方案。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 剩余熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化途徑的效益分析 若將1MJ燃料的熱負(fù)荷從現(xiàn)有途徑移至最佳效率途徑可多產(chǎn)功W

12、add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。 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 剩余熱負(fù)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(fù)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(shí)現(xiàn)最大的燃料節(jié)省，其對(duì)應(yīng)的燃料費(fèi)用節(jié)省 CF QF = CF（m - c）/ least （6） 若1

13、噸蒸汽相當(dāng)于Qs MJ燃料，經(jīng)濟(jì)效益B B=CF Qs（m - c）/least (元/t) （7）式中，Qs = ( Qp+ Qloss)/boiler公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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(jì)算現(xiàn)有蒸汽消耗途徑效率及負(fù)荷限制；c)計(jì)算可選蒸汽消耗途徑效率及負(fù)荷限制；d)計(jì)算節(jié)省剩余熱負(fù)荷外購(gòu)動(dòng)力途徑效率；e)比較現(xiàn)有途徑、可選途徑和外購(gòu)動(dòng)力效率；f)選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)化途徑；g)計(jì)算優(yōu)化后的效益。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 應(yīng)用實(shí)例 某石化公司3105t/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(tái)，每臺(tái)透平的現(xiàn)有運(yùn)行負(fù)荷均高于最低

14、設(shè)計(jì)負(fù)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(duì)整個(gè)公用工程系統(tǒng)調(diào)優(yōu)。透平T1、T2、T3、T4的工藝物流負(fù)荷率分別為0.9，1.0，1.04，0.95；各透平的功與各級(jí)用汽的關(guān)系已知1，開工鍋爐效率b=0.92。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 應(yīng)用實(shí)例 圖5 公用工程示意圖 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 a.現(xiàn)有途徑分析 當(dāng)冷凝熱全部損失時(shí)，采用頂層分析法求得的剩余熱負(fù)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(fù)荷轉(zhuǎn)化途徑對(duì)比 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 a.現(xiàn)有途徑分析表1 現(xiàn)

15、有作功途徑的效率 Tab.1 The efficiencies of current paths 蒸汽等級(jí) 途徑 Qsmax/th-1 HP T1 0.057 20 HP T2 0.061 35 MP T1 0.134 30 MP T3 0.160 55 LP T3 0.218 12 LP T2 0.232 32公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 b.剩余熱負(fù)荷途徑優(yōu)化 采用頂層分析法得到的剩余熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化途徑效率如表2所示, 其中Qmax為剩余熱負(fù)荷上限。可見，最佳剩余熱可轉(zhuǎn)化途徑為T4透平滿負(fù)荷運(yùn)行(多用3.5t/h)，其余熱負(fù)荷以少產(chǎn)VHP形式節(jié)省，由于VHP負(fù)荷降低而減少的作功能力可用外購(gòu)

16、電力形式彌補(bǔ)，如圖6的陰影面積的上邊線所示。 由圖中的兩條曲線可對(duì)優(yōu)化的途徑和現(xiàn)有途徑進(jìn)行比較，它不但給出了剩余熱負(fù)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(jí)蒸汽的最大節(jié)省量，陰影面積正比于改變前后的經(jīng)濟(jì)收益。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 b.剩余熱負(fù)荷途徑優(yōu)化 根據(jù)圖6分段對(duì)改變剩余熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化途徑前后的公用工程系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益按式（7）進(jìn)行計(jì)算，得到改變剩余熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化途徑后的經(jīng)濟(jì)效益如圖7所示。 圖中折線下的面積為每小時(shí)節(jié)約各等級(jí)蒸汽剩余熱負(fù)荷所產(chǎn)生的收益（6843.73元/h），全年按運(yùn)行8000h計(jì)，年收益為5.47107元/a。以上分析是以減少鍋爐新汽（VHP）為基礎(chǔ)

17、，但實(shí)際中由于開工鍋爐的最小運(yùn)行負(fù)荷為不低于設(shè)計(jì)負(fù)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(jì)算，年實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益為1541.11萬元?？梢娺x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(jì)效益。 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 b.剩余熱負(fù)荷途徑優(yōu)化 表2 剩余熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化途徑及能源價(jià)格Tab.2 The conversion paths of residual heat 序號(hào) 途 徑 Qmax /th-1 1 T4冷凝 0.364 3.5 2 外購(gòu)電 0.277 3 T2放空 0.232 15 4 T1-MP-減溫減壓放空 0.218 40 注:外購(gòu)電價(jià)0.3元

18、/kWh; 燃料價(jià)格0.083元/kWh公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 b.剩余熱負(fù)荷途徑優(yōu)化圖7 不同途徑的經(jīng)濟(jì)效益比較 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法二、過程全局夾點(diǎn)分析與超結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的能量集成最優(yōu)綜合法 全局夾點(diǎn)分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法 公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu) 公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)最優(yōu)綜合 MINLP模型 應(yīng)用實(shí)例 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法二、過程全局夾點(diǎn)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(duì)公用工程對(duì)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(jìn)行各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因而很難實(shí)現(xiàn)總體系統(tǒng)的優(yōu)化匹配。 Lin

19、nhoff和Zhu等人將單過程夾點(diǎn)分析進(jìn)一步擴(kuò)展到全過程的夾點(diǎn)分析和能量集成，可以得到全局熱回收的潛力和目標(biāo)，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(jìn)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(duì)于現(xiàn)有過程的擴(kuò)產(chǎn)節(jié)能改造，成熟的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法亦不多見。將過程全局夾點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行過程改造可得到明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 全局

20、夾點(diǎn)分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法 a.全局過程夾點(diǎn)分析 單過程夾點(diǎn) 一個(gè)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(diǎn)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(fù)荷，即剩余的熱源和熱阱。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法多過程全局夾點(diǎn)對(duì)于多個(gè)過程，由于各過程的夾點(diǎn)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?？煽紤]用某些過

21、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(jí)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(biāo)。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 同過程夾點(diǎn)一樣，全局夾點(diǎn)表示了全局熱回收的瓶頸。全局夾點(diǎn)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(diǎn)隨公用工程等級(jí)選擇的變化而變化。 全局夾

22、點(diǎn)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(biāo)，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(jìn)一步尋求最優(yōu)方案。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 全局夾點(diǎn)分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)合的方法 b.全局夾點(diǎn)分析與MINLP相結(jié)合的最優(yōu)綜合策略 可以將全局夾點(diǎn)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(diǎn)分析得到的目標(biāo)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

23、綜合的聯(lián)合優(yōu)化和能量集成問題歸結(jié)成一個(gè)純數(shù)學(xué)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(diǎn)分析所規(guī)定的能量回收及熱功集成等原則和目標(biāo)，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(diǎn)，克服各自的缺點(diǎn)，獲得能耗或年度費(fèi)用最小的改造方案。 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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(jí)蒸汽改產(chǎn)高等級(jí)蒸汽；有些冷物流需要用蒸汽加熱或原來由高等級(jí)蒸汽加熱改為低等級(jí)蒸汽加熱。 因此，熱冷物流與各等級(jí)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

24、案，如圖1所示。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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) 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 若公用工程共有新汽、高壓、中壓和低壓（VHP，HP，MP和LP）4個(gè)蒸汽等級(jí)和一個(gè)冷公用工程等級(jí)（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(duì)每個(gè)換熱單元設(shè)置一個(gè)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。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu) 對(duì)實(shí)際

25、的網(wǎng)絡(luò)改造問題，可從全局夾點(diǎn)分析和熱力學(xué)可行性出發(fā)，對(duì)公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)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(dú)加熱。簡(jiǎn)化后的超結(jié)構(gòu)中某些0-1變量取值已定，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化問題規(guī)模，易于確定最優(yōu)方案。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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(dāng)設(shè)置表示溫度、熱容流率、匹配熱負(fù)荷等連續(xù)變量和表示匹配單元選擇與費(fèi)

26、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。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 a.約束方程 (1) 每個(gè)流股的總熱平衡 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(fù)荷凈變化量Qk的約束 (7) 由全局夾點(diǎn)分析得到的冷熱物

27、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公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 b.目標(biāo)函數(shù) 為了進(jìn)行投資與節(jié)能的綜合權(quán)衡，即同時(shí)考慮換熱單元的改造投資和過程產(chǎn)汽、用汽等級(jí)變化及蒸汽節(jié)省或多產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，取網(wǎng)絡(luò)改造的年度費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)。 I K J K OBJ = (Qi,k/hi LMTDi,kAi) + (Qj,k/hj LMTDj,kAj) b i=1 k=1 j=1 k=1 I K J K K + (zi,k- ziexist)- (zj,k -zjexist) a + ck （4） i=1 k=1 j=

28、1 k=1 k=1 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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(yán)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(jìn)行編碼處理可以求解，但對(duì)多變量問題，大量的連續(xù)變量編碼和解碼運(yùn)算使搜索效率受到限制。為此根據(jù)模型的特點(diǎn)，吸收遺傳算法、進(jìn)化優(yōu)劃和常規(guī)數(shù)值優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)，采用了混合連續(xù)進(jìn)化算法，即對(duì)整型變量采用編碼遺傳算子，而對(duì)連續(xù)變量直接采用連續(xù)化交叉、變異算子進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，可保證很高的精度,充分發(fā)揮兩類算子的優(yōu)點(diǎn)，提高了搜索速度和獲得全局最優(yōu)解的性能。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 應(yīng)用實(shí)例 某石化

29、公司30萬噸/年乙烯裝置公用工程系統(tǒng)有工藝透平4臺(tái)，運(yùn)行負(fù)荷均有較大余量。在不改造透平的前提下優(yōu)化整個(gè)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(gè)過程相聯(lián)，其中有四個(gè)過程的40個(gè)物流為公用工程主要產(chǎn)用汽流股。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 應(yīng)用實(shí)例 對(duì)過程進(jìn)行全局夾點(diǎn)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(jìn)一步產(chǎn)生HP和MP蒸汽的潛力，各級(jí)用汽亦有改用低等級(jí)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(yùn)行條件得到明顯的改善。 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 應(yīng)用實(shí)例圖9 公用工程分布曲線圖 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 應(yīng)用實(shí)例 在

30、公用工程五個(gè)溫位等級(jí)（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(gè)熱物流和8個(gè)冷物流，對(duì)應(yīng)著可能的產(chǎn)、用汽換熱器各有40臺(tái)。由此建立公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)MINLP模型，模型共有211個(gè)變量（其中有80個(gè)01變量，131個(gè)連續(xù)變量），424個(gè)約束條件。 可見，采用全局夾點(diǎn)分析法使原有40個(gè)物流、200個(gè)可能換熱匹配的大規(guī)模問題大大簡(jiǎn)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。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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

31、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(jì)效益為2828.19萬元，靜態(tài)投資回收期為0.16年。公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 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 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 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn) 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)存在的問題 產(chǎn)生上述問題的原因 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化的三個(gè)層次 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化措施 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn) a.分散的多用戶、多產(chǎn)汽點(diǎn)，多燃料來源，多壓力等級(jí)；b.多工況變化（季節(jié)、加工量、生產(chǎn)方案、市場(chǎng)價(jià)格）；c.保證工藝系統(tǒng)需求，對(duì)能耗、加工費(fèi)有較大影響。 公用工程系統(tǒng)能量集成綜合優(yōu)化方法 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)存在的問題 設(shè)計(jì)上的問題： a.鍋爐、汽輪機(jī)容量小、參數(shù)低且陳舊； b.是為配合擴(kuò)產(chǎn)和增建新裝置而陸續(xù)地增建小型鍋爐、透平機(jī)組并擴(kuò)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(dòng)工藝設(shè)備的背壓汽輪機(jī)的選擇沒有考慮低壓蒸汽的用量，且不可調(diào)節(jié)。當(dāng)?shù)蛪赫羝昧可贂r(shí)不得不放空。