1、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 電話傳真E-mail：講 課內(nèi)內(nèi)容容一、公用用工程系系統(tǒng)頂層層分析法法二、公用用工程系系統(tǒng)能量量集成綜綜合優(yōu)化化方法三、石化化企業(yè)蒸蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化四、實(shí)例例研究公用工程程系統(tǒng)能能量集成成綜合優(yōu)優(yōu)化方法法大型化工工或石油油化工企企業(yè)的全全局過(guò)程程系統(tǒng)一一般可分分為3個(gè)個(gè)子系統(tǒng)統(tǒng)：工藝過(guò)程程、換熱熱網(wǎng)絡(luò)和和公用工工程其中公用用工程系系統(tǒng)向各各過(guò)程提提供所需需的動(dòng)力力、電力力、熱能

2、能和蒸汽汽等公用用工程，其中尤尤以蒸汽汽動(dòng)力系系統(tǒng)最為為重要。公用工程程系統(tǒng)一一般具有有幾個(gè)不不同壓力力等級(jí)的的蒸汽管管網(wǎng)向過(guò)過(guò)程輸送送蒸汽或或熱量，同時(shí)回回收過(guò)程程余熱，各級(jí)管管網(wǎng)之間間通過(guò)蒸蒸汽透平平產(chǎn)生過(guò)過(guò)程所需需的動(dòng)力力或電力力，虧盈盈量可由由電網(wǎng)購(gòu)購(gòu)入或輸輸出電力力。因此公用用工程系系統(tǒng)本身身也是過(guò)過(guò)程工業(yè)業(yè)中的耗耗能大戶戶，它的的優(yōu)化設(shè)設(shè)計(jì)和節(jié)節(jié)能改造造具有很很大的節(jié)節(jié)能潛力力，對(duì)全全局系統(tǒng)統(tǒng)的能量量利用率率和經(jīng)濟(jì)濟(jì)性具有有重要影影響。（一）公公用工程程系統(tǒng)能能量集成成綜合優(yōu)優(yōu)化方法法（1）公公用工程程系統(tǒng)頂頂層分析析優(yōu)化（2）過(guò)過(guò)程全局局夾點(diǎn)分分析（3）超結(jié)構(gòu)構(gòu)MINLP的能量集

3、集成最優(yōu)優(yōu)綜合法法一、公用用工程系系統(tǒng)頂層層分析優(yōu)優(yōu)化 主要要思想 剩余余熱負(fù)荷荷的產(chǎn)生生剩余熱負(fù)負(fù)荷的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化途徑徑分析剩余熱負(fù)負(fù)荷轉(zhuǎn)化化途徑的的效益分分析應(yīng)用頂層層分析法法能量集集成的步步驟應(yīng)用實(shí)例例主主要思想想這種方法法與傳統(tǒng)統(tǒng)的洋蔥蔥模型相相反，是是從公用用工程子子系統(tǒng)出出發(fā)，由由上及下下(top-down-philosophy)逐層深入入進(jìn)行能能量集成成改造。其主要要思路就就是首先對(duì)公公用工程程系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行分析析和用能能診斷，找出全全局節(jié)能能潛力所所在，確確定剩余余熱的最最佳轉(zhuǎn)化化途徑和和最經(jīng)濟(jì)濟(jì)的改造造方向。與傳統(tǒng)統(tǒng)的方法法相比，它僅需需要公用用工程系系統(tǒng)的有有關(guān)信息息，所需需工作量量

4、大大減減少，是是用于全全局過(guò)程程節(jié)能改改造的實(shí)實(shí)用新方方法。圖1洋蔥模型型與頂層層分析法法比較主主要思想想頂層分析析法需要要分析剩剩余蒸汽汽作功的的各轉(zhuǎn)化化途徑的的熱效率率。對(duì)于凝汽汽式發(fā)電電（作功功）裝置置，其熱熱效率一一般在0.350.45；而對(duì)于于大型復(fù)復(fù)雜的過(guò)過(guò)程系統(tǒng)統(tǒng)，為滿滿足各裝裝置的熱熱功需求求，采用用合理的的熱電聯(lián)聯(lián)產(chǎn)公用用工程系系統(tǒng)，其其熱效率率可達(dá)0.9以以上。因此，對(duì)對(duì)現(xiàn)有的的全局過(guò)過(guò)程系統(tǒng)統(tǒng)，以公公用工程程系統(tǒng)為為出發(fā)點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)節(jié)能改造造具有巨巨大的節(jié)節(jié)能潛力力。剩剩余熱負(fù)負(fù)荷的產(chǎn)產(chǎn)生具有熱電電聯(lián)產(chǎn)的的公用工工程系統(tǒng)統(tǒng)，若對(duì)對(duì)與其相相關(guān)的過(guò)過(guò)程系統(tǒng)統(tǒng)或換熱熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)進(jìn)行節(jié)

5、能改造造，則可可減少過(guò)過(guò)程的蒸蒸汽用量量或增加加余熱回回收產(chǎn)汽汽量。例如對(duì)于于VHP與HP級(jí)蒸汽間間有減溫溫減壓器器的公用用工程系系統(tǒng)，過(guò)過(guò)剩熱負(fù)負(fù)荷可直直接以減減少VHP產(chǎn)量的形形式歸結(jié)結(jié)為節(jié)省省燃料。對(duì)于VHP與HP蒸汽間不不設(shè)減溫溫減壓器器時(shí)，若若減少VHP蒸汽產(chǎn)量量以平衡衡HP蒸汽，將將導(dǎo)致VHP-HP間透平做做功能力力下降。圖2剩剩余熱負(fù)負(fù)荷的產(chǎn)產(chǎn)生剩剩余熱負(fù)負(fù)荷的產(chǎn)產(chǎn)生這兩種結(jié)結(jié)果都將將打破公公用工程程系統(tǒng)原原有的平平衡關(guān)系系，產(chǎn)生生剩余蒸蒸汽。從從而可使使公用工工程系統(tǒng)統(tǒng)獲得蒸蒸汽和燃燃料的節(jié)節(jié)省，但但這并不不一定獲獲得公用用工程成成本的節(jié)節(jié)省。若若蒸汽量量的節(jié)省省不影響響透平的

6、的作功能能力，其其結(jié)果為為公用工工程成本本的節(jié)省省；若蒸蒸汽量的的節(jié)省影影響了透透平的作作功能力力，還必必須進(jìn)行行熱功權(quán)權(quán)衡才能能確定公公用工程程成本是是否節(jié)省省。剩剩余熱負(fù)負(fù)荷的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化途徑徑分析a.用剩余熱熱負(fù)荷通通過(guò)發(fā)電電透平做做功b.剩余熱負(fù)負(fù)荷通過(guò)過(guò)工藝透透平作功功c.通過(guò)外購(gòu)購(gòu)電節(jié)省省剩余熱熱負(fù)荷及及鍋爐燃燃料a.用剩余熱熱負(fù)荷通通過(guò)發(fā)電電透平做做功公用工程程系統(tǒng)有有剩余熱熱負(fù)荷存存在，即即相當(dāng)于于VHP蒸汽過(guò)剩剩。在復(fù)復(fù)雜的公公用工程程系統(tǒng)中中，由于于存在多多級(jí)透平平，可以以利用過(guò)過(guò)剩的VHP做功的途途徑很多多，必須須進(jìn)行熱熱功轉(zhuǎn)化化途徑分分析，才才能確定定最佳的的剩余蒸蒸汽轉(zhuǎn)化化

7、途徑。a.用剩余熱熱負(fù)荷通通過(guò)發(fā)電電透平做做功圖2所示示的過(guò)剩剩熱負(fù)荷荷,可以以通過(guò)T1,T3兩個(gè)透平平做功發(fā)發(fā)電后以以全凝方方式排出出系統(tǒng)；也可以以通過(guò)T2透平背壓壓后以LP蒸汽放空空形式排排出系統(tǒng)統(tǒng)。圖3剩余熱負(fù)負(fù)荷轉(zhuǎn)化化途徑示示意圖a.用剩余熱熱負(fù)荷通通過(guò)發(fā)電電透平做做功圖4 Qf、Qp、Qloss和W的關(guān)系a.用剩余熱熱負(fù)荷通通過(guò)發(fā)電電透平做做功不同的做做功途徑徑會(huì)產(chǎn)生生不同的的效益。過(guò)剩熱熱負(fù)荷QP通過(guò)某一一途徑轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化可增增加系統(tǒng)統(tǒng)做功量量W，而節(jié)省QP對(duì)應(yīng)的燃燃料消耗耗量的變變化為QF。QF與QP之間的關(guān)關(guān)系如圖圖4所示示，即QF= (QP+W +Qloss)/boiler式中，Q

8、loss由QP引起的乏乏汽熱損損失的變變化，boiler鍋爐效率率。過(guò)剩熱負(fù)負(fù)荷轉(zhuǎn)化化途徑的的做功效效率為=boiler（1）Qloss與對(duì)應(yīng)的的乏汽焓焓和回收收凝液焓焓有關(guān)Qloss= H乏汽H凝液（2）由式(1)、(2)計(jì)計(jì)算各路路徑的效效率后，即可可找出效效率最大大的做功功途徑。a.用剩余熱熱負(fù)荷通通過(guò)發(fā)電電透平做做功設(shè)計(jì)發(fā)電電透平時(shí)時(shí)，一般般要限定定蒸汽的的最大用用量Vsmax和最小用用量Vsmin，正常操作作時(shí)透平平的用汽汽量介于于二者之之間。頂層分析析法著眼眼于尋找找剩余熱熱負(fù)荷的的轉(zhuǎn)化途途徑，當(dāng)當(dāng)通過(guò)某某透平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化有較較高的效效率時(shí)，可根據(jù)據(jù)剩余熱熱負(fù)荷的的量增加加該透平平用汽量

9、量至最大大，以最最大限度度地利用用現(xiàn)有設(shè)設(shè)備產(chǎn)生生經(jīng)濟(jì)效效益；當(dāng)當(dāng)通過(guò)某某透平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化效率率較低時(shí)時(shí)，可調(diào)調(diào)節(jié)該透透平用汽汽量至最最小，以以節(jié)省蒸蒸汽，將將形成的的剩余熱熱負(fù)荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移至效效率最佳佳轉(zhuǎn)化途途徑。b.剩余熱負(fù)負(fù)荷通過(guò)過(guò)工藝透透平作功功在復(fù)雜的的石化過(guò)過(guò)程公用用工程系系統(tǒng)中，許多工工藝壓縮縮機(jī)或機(jī)機(jī)泵都是是采用工工藝透平平直接做做功驅(qū)動(dòng)動(dòng)。這種種工藝透透平的做做功對(duì)象象為工藝藝物流，工藝物物流的狀狀態(tài)參數(shù)數(shù)又為過(guò)過(guò)程所規(guī)規(guī)定。因因此，剩剩余熱負(fù)負(fù)荷用于于工藝透透平的作作功量是是有限制制的，這這與發(fā)電電透平存存在本質(zhì)質(zhì)區(qū)別。工藝透平平直接驅(qū)驅(qū)動(dòng)機(jī)泵泵耗用的的軸功與與工藝物物流的體體積流量

10、量成正比比，亦即即與裝置置的生產(chǎn)產(chǎn)負(fù)荷成成正比。因此，蒸汽用用量的變變化與工工藝物流流負(fù)荷的的變化成成正比。定義=qv/qvd為工藝物物流的負(fù)負(fù)荷率，其中qvd為工藝物物流的設(shè)設(shè)計(jì)負(fù)荷荷，qv為工藝物物流的操操作負(fù)荷荷，則蒸蒸汽用量量qs=qsd式中，qs操作狀態(tài)態(tài)下的蒸蒸汽用量量；qsd設(shè)計(jì)狀態(tài)態(tài)下的蒸蒸汽用量量。b.剩余熱負(fù)負(fù)荷通過(guò)過(guò)工藝透透平作功功當(dāng)公用工工程系統(tǒng)統(tǒng)存在剩剩余熱負(fù)負(fù)荷，且且通過(guò)某某一途徑徑效率最最大的透透平途徑徑作功時(shí)時(shí)，對(duì)發(fā)發(fā)電透平平可增加加蒸汽用用量使剩剩余熱負(fù)負(fù)荷通過(guò)過(guò)該途徑徑效率最最大的透透平產(chǎn)生生動(dòng)力，其用汽汽最大可可增加量量為qsmax-qs；對(duì)工藝透透平亦可

11、可增加蒸蒸汽用量量使剩余余熱負(fù)荷荷通過(guò)途途徑效率率最大的的工藝透透平作功功，其最最大可調(diào)調(diào)節(jié)量為為qsmax- qs。當(dāng)1時(shí),qsmax-qs=qsmax-qs當(dāng)1時(shí),qsmax-qsqsmax-qsb.剩余熱負(fù)負(fù)荷通過(guò)過(guò)工藝透透平作功功若不考慮慮工藝透透平與發(fā)發(fā)電透平平作功的的區(qū)別，當(dāng)1時(shí)，仍將將工藝透透平的蒸蒸汽用量量調(diào)至qsmax，一則可能能造成工工藝物流流出口參參數(shù)偏離離操作要要求，使使生產(chǎn)過(guò)過(guò)程產(chǎn)生生波動(dòng)而而達(dá)不到到工藝目目的；二則壓縮縮機(jī)部分分可能因因采用工工藝物流流走旁路路循環(huán)的的方式，抵消了了增加蒸蒸汽量所所多作的的功，從從而失去去了剩余余熱負(fù)荷荷轉(zhuǎn)化的的意義。因此，運(yùn)用頂層層

12、分析必必須區(qū)分分發(fā)電透透平和工工藝透平平，才能能確保剩剩余熱負(fù)負(fù)荷的高高效轉(zhuǎn)化化。c.通過(guò)外購(gòu)購(gòu)電節(jié)省省剩余熱熱負(fù)荷及及鍋爐燃燃料對(duì)于必須須進(jìn)行熱熱功權(quán)衡衡的公用用工程系系統(tǒng)，節(jié)節(jié)省剩余余熱負(fù)荷荷QP就等于節(jié)節(jié)省了VHP蒸汽，其其結(jié)果是是燃料消消耗減少少Q(mào)F，同時(shí)造成成了系統(tǒng)統(tǒng)做功量量的下降降。為彌彌補(bǔ)這部部分做功功能力的的減少，公用工工程系統(tǒng)統(tǒng)需從外外界購(gòu)入入動(dòng)力或或電力。若購(gòu)買(mǎi)單單位燃料料所需費(fèi)費(fèi)用為CF，外購(gòu)單位位動(dòng)力所所需費(fèi)用用為Cp，定義外購(gòu)購(gòu)動(dòng)力的的效率為為in=CF/Cp（3）通過(guò)計(jì)算算各途徑徑效率和和透平能能力限度度，即可可依次排排列出剩剩余熱負(fù)負(fù)荷轉(zhuǎn)化化的最佳佳途徑及及轉(zhuǎn)化量

13、量、較佳佳途徑及及轉(zhuǎn)化量量等，為進(jìn)一步步優(yōu)化改改造過(guò)程程或換熱熱網(wǎng)絡(luò)提提出了節(jié)節(jié)省/多多產(chǎn)蒸汽汽的等級(jí)級(jí)及數(shù)量量上的要要求，確確定過(guò)程程節(jié)能的的改造方方案。剩剩余熱負(fù)負(fù)荷轉(zhuǎn)化化途徑的的效益分分析若將1MJ燃料的熱熱負(fù)荷從從現(xiàn)有途途徑移至至最佳效效率途徑徑可多產(chǎn)產(chǎn)功Wadd為Wadd=Wm-Wc=m-c（4）式中，C為現(xiàn)有途途徑效率率，m為最佳途途徑效率率。為保持公公用工程程系統(tǒng)產(chǎn)產(chǎn)/用功功的平衡衡，多產(chǎn)產(chǎn)的功量量Wadd可從效率率最差的的途徑減減少相應(yīng)應(yīng)的功量量，相應(yīng)應(yīng)的燃料料節(jié)省QF=Wadd/least=（m-c）/least（5）式中，least為最差途途徑效率率。剩剩余熱負(fù)負(fù)荷轉(zhuǎn)化化途

14、徑的的效益分分析即在公用用工程系系統(tǒng)中，1MJ燃料的熱熱負(fù)荷從從現(xiàn)有途途徑移至至最佳效效率途徑徑可多做做功Wadd；通過(guò)做功功效率最最差的途途徑減少少做功Wadd，即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)最大的的燃料節(jié)節(jié)省，其其對(duì)應(yīng)的的燃料費(fèi)費(fèi)用節(jié)省省CFQF= CF（m-c）/least（6）若1噸蒸蒸汽相當(dāng)當(dāng)于QsMJ燃料，經(jīng)經(jīng)濟(jì)效益益BB=CFQs（m-c）/least(元/t)（7）式中，Qs= (Qp+Qloss)/boiler應(yīng)應(yīng)用頂層層分析法法能量集集成的步步驟a)收集公用用工程數(shù)數(shù)據(jù)；b)計(jì)算現(xiàn)有有蒸汽消消耗途徑徑效率及及負(fù)荷限限制；c)計(jì)算可選選蒸汽消消耗途徑徑效率及及負(fù)荷限限制；d)計(jì)算節(jié)省省剩余熱熱負(fù)

15、荷外外購(gòu)動(dòng)力力途徑效效率；e)比較現(xiàn)有有途徑、可選途途徑和外外購(gòu)動(dòng)力力效率；f)選擇最優(yōu)優(yōu)轉(zhuǎn)化途途徑；g)計(jì)算優(yōu)化化后的效效益。應(yīng)應(yīng)用實(shí)例例某石化公公司3105t/a乙烯裝置置公用工工程系統(tǒng)統(tǒng)如圖5所示，該系統(tǒng)統(tǒng)有工藝藝透平4臺(tái)，每每臺(tái)透平平的現(xiàn)有有運(yùn)行負(fù)負(fù)荷均高高于最低低設(shè)計(jì)負(fù)負(fù)荷。原原系統(tǒng)中中沒(méi)有低低壓蒸汽汽回收設(shè)設(shè)施，蒸蒸汽冷凝凝熱全部部損失。要求在在不改造造透平的的前提下下對(duì)整個(gè)個(gè)公用工工程系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)優(yōu)。透平T1、T2、T3、T4的工藝物物流負(fù)荷荷率分別別為0.9，1.0，1.04，0.95；各透透平的功功與各級(jí)級(jí)用汽的的關(guān)系已已知1，開(kāi)工鍋鍋爐效率率b=0.92。應(yīng)應(yīng)用實(shí)例例圖5公公用

16、工程程示意圖圖a.現(xiàn)有途徑徑分析當(dāng)冷凝熱熱全部損損失時(shí)，采用頂頂層分析析法求得的剩余余熱負(fù)荷荷用現(xiàn)有有作功途途徑的效效率如表表1和圖圖6的陰陰影面積積的下邊邊折線所所示,其其中Qsmax為蒸汽最最大節(jié)省省量。圖6剩剩余熱負(fù)負(fù)荷轉(zhuǎn)化化途徑對(duì)對(duì)比a.現(xiàn)有途徑徑分析表1現(xiàn)現(xiàn)有作功功途徑的的效率Tab.1Theefficiencies of currentpaths蒸汽等級(jí)級(jí)途途徑Qsmax/th-1HPT10.05720HPT20.06135MPT10.13430MPT30.16055LPT30.21812LPT20.23232b.剩余熱負(fù)負(fù)荷途徑徑優(yōu)化采用頂層層分析法法得到的的剩余熱熱負(fù)荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化途

17、徑徑效率如如表2所所示,其其中Qmax為剩余熱熱負(fù)荷上上限?？煽梢?jiàn)，最最佳剩余余熱可轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化途徑徑為T(mén)4透平滿負(fù)負(fù)荷運(yùn)行行(多用用3.5t/h)，其余熱負(fù)負(fù)荷以少少產(chǎn)VHP形式節(jié)省省，由于于VHP負(fù)荷降低低而減少少的作功功能力可可用外購(gòu)購(gòu)電力形形式彌補(bǔ)補(bǔ)，如圖圖6的陰陰影面積積的上邊邊線所示示。由圖中的的兩條曲曲線可對(duì)對(duì)優(yōu)化的的途徑和和現(xiàn)有途途徑進(jìn)行行比較，它不但但給出了了剩余熱熱負(fù)荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化途徑徑優(yōu)化前前后的效效率變化化（陰影影部分），而且且給出了了各等級(jí)級(jí)蒸汽的的最大節(jié)節(jié)省量，陰影面面積正比比于改變變前后的的經(jīng)濟(jì)收收益。b.剩余熱負(fù)負(fù)荷途徑徑優(yōu)化根據(jù)圖6分段對(duì)對(duì)改變剩剩余熱負(fù)負(fù)荷轉(zhuǎn)化化途徑前前

18、后的公公用工程程系統(tǒng)的的經(jīng)濟(jì)收收益按式式（7）進(jìn)行計(jì)計(jì)算，得得到改變變剩余熱熱負(fù)荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化途徑徑后的經(jīng)經(jīng)濟(jì)效益益如圖7所示。圖中折線線下的面面積為每每小時(shí)節(jié)節(jié)約各等等級(jí)蒸汽汽剩余熱熱負(fù)荷所所產(chǎn)生的的收益（6843.73元/h），全年按運(yùn)運(yùn)行8000h計(jì)，年收收益為5.47107元/a。以上分析析是以減減少鍋爐爐新汽（VHP）為基礎(chǔ)，但實(shí)際際中由于于開(kāi)工鍋鍋爐的最最小運(yùn)行行負(fù)荷為為不低于于設(shè)計(jì)負(fù)負(fù)荷的87%，所以以VHP只有30t/h左右的調(diào)調(diào)節(jié)余地地。若按按節(jié)省30t/h蒸汽計(jì)算算，年實(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)濟(jì)效益為為1541.11萬(wàn)元元?？梢?jiàn)見(jiàn)選擇優(yōu)優(yōu)化的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化途徑徑可明顯顯增加全全局公用用工程的的經(jīng)濟(jì)效效

19、益。b.剩余熱負(fù)負(fù)荷途徑徑優(yōu)化表2剩剩余熱熱負(fù)荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化途徑徑及能源源價(jià)格Tab.2Theconversionpathsofresidualheat序號(hào)途途徑徑Qmax/th-11T4冷凝0.3643.52外外購(gòu)電0.2773T2放空0.232154T1-MP-減溫減壓壓放空0.21840注:外購(gòu)購(gòu)電價(jià)0.3元元/kWh;燃料價(jià)格格0.083元元/kWhb.剩余熱負(fù)負(fù)荷途徑徑優(yōu)化圖7不不同途徑徑的經(jīng)濟(jì)濟(jì)效益比比較二、過(guò)程全局局夾點(diǎn)分分析與超超結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的的能量集集成最優(yōu)優(yōu)綜合法法全局夾點(diǎn)點(diǎn)分析與與MINLP優(yōu)化相結(jié)結(jié)合的方方法公用工程程換熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)超結(jié)結(jié)構(gòu)公用工程程換熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的超超結(jié)構(gòu)最

20、最優(yōu)綜合合MINLP模型應(yīng)用實(shí)例例二、過(guò)程全局局夾點(diǎn)分分析與超超結(jié)構(gòu)MINLP相結(jié)合的的能量集集成最優(yōu)優(yōu)綜合法法對(duì)公用工工程對(duì)子子系統(tǒng)之之間的能能量集成成聯(lián)合優(yōu)優(yōu)化，目目前多采采用傳統(tǒng)統(tǒng)的分步步優(yōu)化法法，即將將整體問(wèn)問(wèn)題分解解,依次次進(jìn)行各各子系統(tǒng)統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)，因而而很難實(shí)實(shí)現(xiàn)總體體系統(tǒng)的的優(yōu)化匹匹配。Linnhoff和Zhu等人將單單過(guò)程夾夾點(diǎn)分析析進(jìn)一步步擴(kuò)展到到全過(guò)程程的夾點(diǎn)點(diǎn)分析和和能量集集成，可可以得到到全局熱熱回收的的潛力和和目標(biāo)，但不能能給出具具體的匹匹配方案案；Grossmann等人基于于線性化化分解算算法提出出了超結(jié)結(jié)構(gòu)混合合整數(shù)非非線性規(guī)規(guī)劃(MINLP)綜合策略略，可以以進(jìn)

21、行各各子系統(tǒng)統(tǒng)的同步步熱集成成聯(lián)合優(yōu)優(yōu)化，但但超結(jié)構(gòu)構(gòu)中可能能的組合合方案太太多而難難于求解解。而對(duì)對(duì)于現(xiàn)有有過(guò)程的的擴(kuò)產(chǎn)節(jié)節(jié)能改造造，成熟熟的優(yōu)化化設(shè)計(jì)方方法亦不不多見(jiàn)。將過(guò)程程全局夾夾點(diǎn)分析析與過(guò)程程熱集成成超結(jié)構(gòu)構(gòu)MINLP法相結(jié)合合，使用用基于全全局夾點(diǎn)點(diǎn)分析的的公用工工程與過(guò)過(guò)程熱冷冷物流產(chǎn)產(chǎn)用汽換換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)熱集成成聯(lián)合優(yōu)優(yōu)化的超超結(jié)構(gòu)MINLP方法進(jìn)行行過(guò)程改改造可得得到明顯顯的節(jié)能能效果和和經(jīng)濟(jì)效效益。 全局局夾點(diǎn)分分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)結(jié)合的方方法a.全局過(guò)程程夾點(diǎn)分分析單過(guò)程夾夾點(diǎn)一個(gè)過(guò)程程中可能能有許多多需要冷冷卻的熱熱物流和和需要加加熱的冷冷物流，由夾點(diǎn)點(diǎn)技術(shù)可可建立單

22、單過(guò)程的的復(fù)合曲曲線和總總復(fù)合曲曲線。總總復(fù)合曲曲線可以以指出過(guò)過(guò)程內(nèi)部部物流換換熱后所所需的最最小冷、熱公用用工程負(fù)負(fù)荷，即即剩余的的熱源和和熱阱。多過(guò)程全全局夾點(diǎn)點(diǎn)對(duì)于多個(gè)個(gè)過(guò)程，由于各各過(guò)程的的夾點(diǎn)位位置一般般不同，可將各各過(guò)程的的剩余熱熱源和熱熱阱分別別組合到到一起,得到全全局溫焓焓分布圖圖，它表表明熱源源部分的的剩余熱熱量和熱熱阱部分分的需求求熱量?？煽紤]慮用某些些過(guò)程的的熱源部部分產(chǎn)生生高、中中、低壓壓(HP,MP,LP)蒸汽,加加熱另一一些過(guò)程程的熱阱阱部分，從而構(gòu)構(gòu)成過(guò)程程物流產(chǎn)產(chǎn)用、汽汽的換熱熱網(wǎng)絡(luò)（公用工工程換熱熱網(wǎng)絡(luò)）和全局局公用工工程分布布曲線。由全局局公用工工程分布布

23、曲線，可以看看出冷熱熱物流少少用和多多產(chǎn)各級(jí)級(jí)蒸汽的的潛力，為公用用工程換換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的優(yōu)化化匹配提提供了目目標(biāo)。同過(guò)程夾夾點(diǎn)一樣樣，全局局夾點(diǎn)表表示了全全局熱回回收的瓶瓶頸。全全局夾點(diǎn)點(diǎn)可以直直觀的判判斷全局局用能水水平，它它位于公公用工程程之間不不再可能能產(chǎn)生重重疊的部部位，而而不是冷冷、熱溫溫焓曲線線相交的的位置，全局夾夾點(diǎn)隨公公用工程程等級(jí)選選擇的變變化而變變化。全局夾點(diǎn)點(diǎn)分析用用于過(guò)程程節(jié)能改改造可以以直觀地地分析熱熱回收(產(chǎn)汽)量、過(guò)過(guò)程加熱熱用公用用工程耗耗量、熱熱功聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)的可能能功量等等能量集集成目標(biāo)標(biāo)，但不不能給出出過(guò)程物物流與公公用工程程之間產(chǎn)產(chǎn)用汽匹匹配換熱熱網(wǎng)絡(luò)具具體方案

24、案，而且且這些方方案不是是唯一的的，各方方案之間間有很大大差別甚甚至可能能相互矛矛盾和制制約，需需要進(jìn)一一步尋求求最優(yōu)方方案。 全局局夾點(diǎn)分分析與MINLP優(yōu)化相結(jié)結(jié)合的方方法b.全局夾點(diǎn)點(diǎn)分析與與MINLP相結(jié)合的的最優(yōu)綜綜合策略略可以將全全局夾點(diǎn)點(diǎn)分析與與混合整整數(shù)非線線性規(guī)劃劃法相結(jié)結(jié)合，即即根據(jù)全全局夾點(diǎn)點(diǎn)分析得得到的目目標(biāo)和結(jié)結(jié)果提出出過(guò)程全全局能量量集成改改造的各各種可行行的和較較優(yōu)的方方案，建建立包含含這些可可能方案案的能量量集成超超結(jié)構(gòu),并建立立描述超超結(jié)構(gòu)的的MINLP模型。將將過(guò)程綜綜合的聯(lián)聯(lián)合優(yōu)化化和能量量集成問(wèn)問(wèn)題歸結(jié)結(jié)成一個(gè)個(gè)純數(shù)學(xué)學(xué)的規(guī)劃問(wèn)題題，采用用優(yōu)化方方法尋找

25、找最優(yōu)解解。這樣樣不僅滿滿足過(guò)程程全局夾夾點(diǎn)分析析所規(guī)定定的能量量回收及及熱功集集成等原原則和目目標(biāo)，而而且超結(jié)結(jié)構(gòu)中所所包含的的都是較較好的可可行方案案，控制制了問(wèn)題題的規(guī)模模，避免免了組合合方案爆爆炸的困困難，可可以充分分發(fā)揮兩兩種方法法的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，克服服各自的的缺點(diǎn)，獲得能能耗或年年度費(fèi)用用最小的的改造方方案。 公用用工程換換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)超結(jié)構(gòu)構(gòu)在過(guò)程內(nèi)內(nèi)部熱、冷物流流匹配換換熱后，還有些些熱物流流可副產(chǎn)產(chǎn)蒸汽或或由原來(lái)來(lái)產(chǎn)低等等級(jí)蒸汽汽改產(chǎn)高高等級(jí)蒸蒸汽；有有些冷物物流需要要用蒸汽汽加熱或或原來(lái)由由高等級(jí)級(jí)蒸汽加加熱改為為低等級(jí)級(jí)蒸汽加加熱。因此，熱熱冷物流流與各等等級(jí)公用用工程之之間的換換

26、熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)超結(jié)構(gòu)構(gòu)應(yīng)包含含各種可可能的匹匹配方案案，如圖圖1所示示。 公用用工程換換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)超結(jié)構(gòu)構(gòu)圖8公公用工程程換熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)超結(jié)結(jié)構(gòu)若公用工工程共有有新汽、高壓、中壓和和低壓（VHP，HP，MP和LP）4個(gè)蒸汽等等級(jí)和一一個(gè)冷公公用工程程等級(jí)（CW），且溫位已已知，則則熱物流流Hi在冷卻降降溫過(guò)程程中可產(chǎn)產(chǎn)生VHP，HP，MP和LP蒸汽，最最后被冷冷卻水CW冷卻；冷冷物流Cj的升溫過(guò)過(guò)程可用用LP、MP、HP和VHP依次加熱熱。這樣樣的超結(jié)結(jié)構(gòu)就包包含了各各種可能能的產(chǎn)汽汽、用汽汽換熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)匹配配方案。對(duì)每個(gè)個(gè)換熱單單元設(shè)置置一個(gè)表表示其取取舍的0-1變變量z，若該換熱熱器存在在z取1，否否則

27、取0。 公用用工程換換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)超結(jié)構(gòu)構(gòu)對(duì)實(shí)際的的網(wǎng)絡(luò)改改造問(wèn)題題，可從從全局夾夾點(diǎn)分析析和熱力力學(xué)可行行性出發(fā)發(fā)，對(duì)公公用工程程換熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的超超結(jié)構(gòu)進(jìn)進(jìn)行簡(jiǎn)化化。如圖圖8所示示，若熱熱物流Hi入口溫度度為160,出口溫溫度為40，則該物物流只能能產(chǎn)生LP蒸汽并用用冷公用用工程冷冷卻。若若冷物流流Cj入口溫度度為180，出口溫溫度為310，則需需用MP、HP和VHP分段加熱熱，或用用HP和VHP分兩段加加熱，也也可用VHP單獨(dú)加熱熱。簡(jiǎn)化化后的超超結(jié)構(gòu)中中某些0-1變變量取值值已定，可進(jìn)一一步簡(jiǎn)化化問(wèn)題規(guī)規(guī)模，易易于確定定最優(yōu)方方案。 公用用工程換換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的超結(jié)結(jié)構(gòu)最優(yōu)優(yōu)綜合MINLP模型在如

28、圖8所示的的公用工工程換熱熱網(wǎng)絡(luò)超超結(jié)構(gòu)的的基礎(chǔ)上上，適當(dāng)當(dāng)設(shè)置表表示溫度度、熱容容流率、匹配熱熱負(fù)荷等等連續(xù)變變量和表表示匹配配單元選選擇與費(fèi)費(fèi)用取舍舍的0-1變量量，可建建立起公公用工程程換熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)MINLP模型。a.約束方程程(1)每個(gè)流股股的總熱熱平衡K(Tiin-Tiout）CPi=Qi,k; i=1,2,.,I（1）k=1(2)每個(gè)換熱熱器的熱熱平衡約約束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)換熱量邏邏輯約束束(4)溫溫差約約束(

29、5)可行溫度度約束(6)蒸蒸汽需需求熱負(fù)負(fù)荷凈變變化量Qk的約束(7)由由全局局夾點(diǎn)分分析得到到的冷熱熱物流少少用或多多產(chǎn)蒸汽汽潛力的上上、下限限約束(8)各各熱、冷物流流上的公公用工程程換熱器器數(shù)數(shù)量約約束(9)蒸蒸汽需需求變化化的成本本約束b.目標(biāo)函數(shù)數(shù)為了進(jìn)行行投資與與節(jié)能的的綜合權(quán)權(quán)衡，即即同時(shí)考考慮換熱熱單元的的改造投投資和過(guò)過(guò)程產(chǎn)汽汽、用汽汽等級(jí)變變化及蒸蒸汽節(jié)省省或多產(chǎn)產(chǎn)所帶來(lái)來(lái)的經(jīng)濟(jì)濟(jì)效益，取網(wǎng)絡(luò)絡(luò)改造的的年度費(fèi)費(fèi)用最小小為目標(biāo)標(biāo)函數(shù)。IKJKOBJ=(Qi,k/hiLMTDi,kAi) +(Qj,k/hjLMTDj,kAj) bi=1k=1j=1k=1IKJKK+(zi,k-

30、 ziexist)-(zj,k-zjexist) a+ck（4）i=1k=1j=1k=1k=1c.求解算法法上述模型型是包含含連續(xù)變變量和整整型變量量的非凸凸、多峰峰、嚴(yán)重重非線性性的混合合整數(shù)規(guī)規(guī)劃(MINLP)問(wèn)題，傳傳統(tǒng)算法法難以求求解。采采用遺傳傳算法將將連續(xù)變變量和整整型變量量都進(jìn)行行編碼處處理可以以求解，但對(duì)多多變量問(wèn)問(wèn)題，大大量的連連續(xù)變量量編碼和和解碼運(yùn)運(yùn)算使搜搜索效率率受到限限制。為為此根據(jù)據(jù)模型的的特點(diǎn)，吸收遺遺傳算法法、進(jìn)化化優(yōu)劃和和常規(guī)數(shù)數(shù)值優(yōu)化化的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，采用用了混合合連續(xù)進(jìn)進(jìn)化算法法，即對(duì)對(duì)整型變變量采用用編碼遺遺傳算子子，而對(duì)對(duì)連續(xù)變變量直接接采用連連續(xù)化交交叉、

31、變變異算子子進(jìn)行浮浮點(diǎn)運(yùn)算算，可保保證很高高的精度度,充分分發(fā)揮兩兩類(lèi)算子子的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，提高高了搜索索速度和和獲得全全局最優(yōu)優(yōu)解的性性能。應(yīng)應(yīng)用實(shí)例例某石化公公司30萬(wàn)噸/年乙烯烯裝置公公用工程程系統(tǒng)有有工藝透透平4臺(tái)臺(tái)，運(yùn)行行負(fù)荷均均有較大大余量。在不改改造透平平的前提提下優(yōu)化化整個(gè)公公用工程程系統(tǒng)及及其換熱熱網(wǎng)絡(luò)。該乙烯烯裝置公公用工程程系統(tǒng)共共與十一一個(gè)過(guò)程程相聯(lián)，其中有有四個(gè)過(guò)過(guò)程的40個(gè)物物流為公公用工程程主要產(chǎn)產(chǎn)用汽流流股。應(yīng)應(yīng)用實(shí)例例對(duì)過(guò)程進(jìn)進(jìn)行全局局夾點(diǎn)分分析，可可得全局局公用工工程分布布曲線如如圖9所所示?？煽梢?jiàn)全局局尚有進(jìn)進(jìn)一步產(chǎn)產(chǎn)生HP和MP蒸汽的潛潛力，各各級(jí)用汽汽亦有改

32、改用低等等級(jí)蒸汽汽的余地地，僅通通過(guò)公用用工程換換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的優(yōu)化化配置就就可使現(xiàn)現(xiàn)有公用用工程系系統(tǒng)的運(yùn)運(yùn)行條件件得到明明顯的改改善。應(yīng)應(yīng)用實(shí)例例圖9公公用工程程分布曲曲線圖應(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)01變量，131個(gè)連續(xù)續(xù)變量），424個(gè)約約束條件件。可見(jiàn)，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

33、匹配配的大規(guī)規(guī)模問(wèn)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(wèn)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(wàn)元元，年經(jīng)經(jīng)濟(jì)效益益為2828.19萬(wàn)萬(wàn)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)化蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)特特點(diǎn)蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)存存在的問(wèn)問(wèn)題產(chǎn)生上述述問(wèn)題的的原因蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化的三三個(gè)層次次蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化措施施 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(lái)來(lái)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。蒸蒸汽動(dòng)力力系統(tǒng)存存在的問(wèn)問(wèn)題設(shè)計(jì)上的的問(wèn)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；