基于參數(shù)優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)虛擬溫度綜合法：理論、應(yīng)用與創(chuàng)新一、引言1.1研究背景與意義在全球倡導(dǎo)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的大背景下，工業(yè)節(jié)能已成為各行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)。其中，換熱網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能量回收和利用的核心環(huán)節(jié)，對(duì)于降低工業(yè)能耗、提高能源利用效率起著舉足輕重的作用。在化工、煉油、電力等眾多工業(yè)領(lǐng)域，大量的熱量在生產(chǎn)過(guò)程中被釋放，如果不能有效地回收和利用這些熱量，不僅會(huì)造成能源的極大浪費(fèi)，還會(huì)增加企業(yè)的生產(chǎn)成本，對(duì)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生更大的壓力。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在一些典型的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%-30%，這充分凸顯了換熱網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)節(jié)能中的關(guān)鍵地位。虛擬溫度綜合法作為一種創(chuàng)新的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，近年來(lái)在提升換熱網(wǎng)絡(luò)性能方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力。傳統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合方法，如夾點(diǎn)技術(shù)，通常采用單一的最小傳熱溫差來(lái)確定夾點(diǎn)位置及物流在各個(gè)焓區(qū)的分布。然而，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)換熱物流的傳熱膜系數(shù)相差很大時(shí)，這種基于單一最小傳熱溫差的方法就暴露出了明顯的局限性。使用該方法優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)熱量回收達(dá)不到最優(yōu)的情況，導(dǎo)致能源浪費(fèi)；或者需要的換熱面積太大，使得設(shè)備投資成本大幅增加，進(jìn)而致使年度總費(fèi)用過(guò)高，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性顯著降低。而虛擬溫度綜合法突破了傳統(tǒng)方法的束縛，通過(guò)引入虛擬溫度的概念，考慮了不同物流的傳熱特性差異，能夠更加準(zhǔn)確地描述換熱過(guò)程中的能量傳遞關(guān)系，從而為換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更有效的手段，使換熱網(wǎng)絡(luò)在能量回收和經(jīng)濟(jì)性方面都能得到顯著提升。進(jìn)一步而言，參數(shù)優(yōu)化對(duì)于虛擬溫度綜合法的有效實(shí)施和性能提升具有至關(guān)重要的意義。虛擬溫度綜合法中的一些關(guān)鍵參數(shù)，如貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算式中的k和z值，這些參數(shù)的取值直接影響著虛擬溫度的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。通過(guò)合理地優(yōu)化這些參數(shù)，可以使虛擬溫度的計(jì)算更加符合實(shí)際換熱過(guò)程的需求，從而獲得更優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具體表現(xiàn)為能夠降低冷、熱公用工程用量，減少設(shè)備投資成本，降低年度總費(fèi)用，同時(shí)還可能簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可操作性和穩(wěn)定性。因此，深入研究基于參數(shù)優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)虛擬溫度綜合法，對(duì)于進(jìn)一步挖掘換熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能潛力，提高工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的能源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。它不僅有助于推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排工作，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，還能為企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中提供成本優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀換熱網(wǎng)絡(luò)綜合作為過(guò)程系統(tǒng)工程領(lǐng)域的重要研究方向，多年來(lái)一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。虛擬溫度綜合法作為一種新興的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，近年來(lái)逐漸成為研究熱點(diǎn)，眾多學(xué)者圍繞該方法在不同層面展開(kāi)了深入研究，取得了一系列有價(jià)值的成果。在國(guó)外，早期的研究主要聚焦于換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的基本理論和方法，夾點(diǎn)技術(shù)便是其中的典型代表，其為換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和分析提供了重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。隨著研究的深入，當(dāng)發(fā)現(xiàn)夾點(diǎn)技術(shù)在處理傳熱膜系數(shù)差異較大的物流時(shí)存在局限性后，虛擬溫度綜合法應(yīng)運(yùn)而生。一些學(xué)者開(kāi)始致力于探索虛擬溫度綜合法的原理和應(yīng)用，通過(guò)引入虛擬溫度的概念，考慮物流傳熱特性的差異，改進(jìn)了傳統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，使得換熱網(wǎng)絡(luò)在能量回收和經(jīng)濟(jì)性方面有了更優(yōu)的表現(xiàn)。例如，有學(xué)者通過(guò)對(duì)虛擬溫度綜合法的深入研究，提出了一種基于虛擬溫度的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，通過(guò)對(duì)不同物流的傳熱特性進(jìn)行詳細(xì)分析，合理地分配傳熱溫差，從而降低了換熱網(wǎng)絡(luò)的總費(fèi)用，提高了能量利用效率。國(guó)內(nèi)學(xué)者在換熱網(wǎng)絡(luò)虛擬溫度綜合法及參數(shù)優(yōu)化方面也取得了顯著進(jìn)展。曹忠等人提出了基于參數(shù)優(yōu)化和焓區(qū)間合并優(yōu)化策略的虛擬溫度法，從夾點(diǎn)和能量目標(biāo)的編程計(jì)算、貢獻(xiàn)溫差值的求解和換熱網(wǎng)絡(luò)綜合三個(gè)層次開(kāi)展研究。按照分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型的匹配方式，以年度總費(fèi)用為目標(biāo)優(yōu)化貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算式中的k和z值，通過(guò)這種參數(shù)優(yōu)化方法，使得設(shè)計(jì)出的換熱網(wǎng)絡(luò)冷、熱公用工程用量分別降低，年度總費(fèi)用降低，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。劉琳琳等人提出基于時(shí)間段模型（TSM）綜合間歇過(guò)程換熱器網(wǎng)絡(luò)的方法，用虛擬溫度法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一最小傳熱溫差，將各流股的溫差貢獻(xiàn)值作為決策變量，年度總費(fèi)用最小作為目標(biāo)函數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用遺傳模擬退火算法求解。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，該方法比基于最小傳熱溫差獲得的換熱器網(wǎng)絡(luò)年度總費(fèi)用節(jié)省，換熱器數(shù)量減少，有效簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。宗源基于虛擬溫度法的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)，研究?jī)?nèi)部換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在溫差貢獻(xiàn)前，按物流溫差貢獻(xiàn)數(shù)值計(jì)算虛擬溫度，充分利用虛擬溫度設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)，提升了網(wǎng)絡(luò)性能。然而，當(dāng)前的研究仍存在一些不足之處。在參數(shù)優(yōu)化方面，雖然已經(jīng)有了一些優(yōu)化方法，但對(duì)于不同類(lèi)型的換熱網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景，如何快速、準(zhǔn)確地確定最優(yōu)參數(shù)，仍然缺乏系統(tǒng)性的理論和方法?，F(xiàn)有研究大多集中在穩(wěn)態(tài)工況下的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中工況變化頻繁的情況，虛擬溫度綜合法的適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略研究較少。此外，在虛擬溫度綜合法與其他先進(jìn)技術(shù)，如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等的融合應(yīng)用方面，還處于起步階段，相關(guān)研究成果相對(duì)較少，有待進(jìn)一步探索和拓展。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究基于參數(shù)優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)虛擬溫度綜合法，通過(guò)系統(tǒng)地研究和優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，完善虛擬溫度綜合法的理論體系，提高其在換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的準(zhǔn)確性和有效性，從而為工業(yè)生產(chǎn)中的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供更具科學(xué)性和實(shí)用性的方法，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能源利用效率的最大化和經(jīng)濟(jì)成本的最小化。具體研究?jī)?nèi)容如下：虛擬溫度綜合法關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方法研究：深入分析虛擬溫度綜合法中影響換熱網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵參數(shù)，如貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算式中的k和z值等。研究這些參數(shù)與換熱網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)（如冷、熱公用工程用量、年度總費(fèi)用、換熱面積等）之間的內(nèi)在關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用先進(jìn)的優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，以確定在不同工況和條件下的最優(yōu)參數(shù)值，為虛擬溫度綜合法的實(shí)際應(yīng)用提供準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)。虛擬溫度綜合法原理及模型深入剖析：全面深入地研究虛擬溫度綜合法的基本原理，包括虛擬溫度的概念、計(jì)算方法以及其在換熱網(wǎng)絡(luò)分析中的作用機(jī)制。詳細(xì)分析基于虛擬溫度的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合模型，研究模型中各變量之間的相互關(guān)系和約束條件。對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和改進(jìn)，使其能夠更準(zhǔn)確、高效地描述和求解換熱網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，提高模型的適用性和可靠性。基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法案例驗(yàn)證：選取具有代表性的工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)例，運(yùn)用優(yōu)化后的虛擬溫度綜合法進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。將優(yōu)化結(jié)果與傳統(tǒng)方法（如夾點(diǎn)技術(shù)、單一溫差法等）以及現(xiàn)有研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，從能量回收效率、設(shè)備投資成本、年度總費(fèi)用、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等多個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法在提升換熱網(wǎng)絡(luò)性能方面的優(yōu)勢(shì)和有效性，為該方法在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供實(shí)踐支持。考慮工況變化的動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化策略研究：針對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中工況頻繁變化的特點(diǎn)，研究虛擬溫度綜合法中參數(shù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略。建立考慮工況變化的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析工況參數(shù)（如流量、溫度、壓力等）的變化情況。根據(jù)工況變化自動(dòng)調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，使換熱網(wǎng)絡(luò)始終保持在最優(yōu)或接近最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)，提高換熱網(wǎng)絡(luò)對(duì)工況變化的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。虛擬溫度綜合法與其他先進(jìn)技術(shù)融合研究：探索虛擬溫度綜合法與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)的融合應(yīng)用。利用人工智能技術(shù)（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等）對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的智能優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)性能的實(shí)時(shí)評(píng)估；借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)換熱設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，為參數(shù)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持；運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)大量的換熱網(wǎng)絡(luò)案例和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，總結(jié)規(guī)律，進(jìn)一步完善虛擬溫度綜合法的理論和方法體系。1.4研究方法與技術(shù)路線為了實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，確保研究的全面性、深入性和科學(xué)性，具體研究方法如下：文獻(xiàn)研究法：全面搜集和整理國(guó)內(nèi)外關(guān)于換熱網(wǎng)絡(luò)綜合、虛擬溫度綜合法以及參數(shù)優(yōu)化等方面的文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、研究報(bào)告、專(zhuān)利文獻(xiàn)等。對(duì)這些文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和分析，了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及存在的問(wèn)題，為本研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和研究思路。通過(guò)文獻(xiàn)研究，能夠準(zhǔn)確把握虛擬溫度綜合法的研究脈絡(luò)，明確已有研究的成果和不足，從而確定本研究的切入點(diǎn)和重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。理論分析法：深入剖析虛擬溫度綜合法的基本原理，包括虛擬溫度的概念、計(jì)算方法及其在換熱網(wǎng)絡(luò)分析中的作用機(jī)制。詳細(xì)研究基于虛擬溫度的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合模型，分析模型中各變量之間的相互關(guān)系和約束條件。運(yùn)用傳熱學(xué)、熱力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，對(duì)虛擬溫度綜合法中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析，揭示參數(shù)與換熱網(wǎng)絡(luò)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。案例研究法：選取具有代表性的工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)例，涵蓋不同行業(yè)、不同規(guī)模和不同工況的換熱網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)用優(yōu)化后的虛擬溫度綜合法對(duì)這些案例進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果與傳統(tǒng)方法（如夾點(diǎn)技術(shù)、單一溫差法等）以及現(xiàn)有研究成果進(jìn)行對(duì)比分析。從能量回收效率、設(shè)備投資成本、年度總費(fèi)用、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等多個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法在提升換熱網(wǎng)絡(luò)性能方面的優(yōu)勢(shì)和有效性。編程計(jì)算法：利用MATLAB、Python等編程語(yǔ)言，編寫(xiě)相關(guān)的計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)虛擬溫度綜合法中關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算以及換熱網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的計(jì)算。通過(guò)編程計(jì)算，可以快速、準(zhǔn)確地處理大量的數(shù)據(jù)，提高研究效率和準(zhǔn)確性。運(yùn)用這些程序?qū)Σ煌r下的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬和分析，為參數(shù)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也便于對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行可視化展示和分析。本研究的技術(shù)路線如圖1所示，具體如下：前期調(diào)研與理論基礎(chǔ)構(gòu)建：通過(guò)廣泛的文獻(xiàn)研究，全面了解換熱網(wǎng)絡(luò)綜合領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，深入分析虛擬溫度綜合法的原理和模型，明確研究的背景、目的和意義，為后續(xù)研究奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方法研究：確定虛擬溫度綜合法中影響換熱網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵參數(shù)，如貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算式中的k和z值等。建立參數(shù)與換熱網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等先進(jìn)的優(yōu)化算法對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到不同工況下的最優(yōu)參數(shù)值。虛擬溫度綜合法模型改進(jìn)：在深入理解虛擬溫度綜合法原理的基礎(chǔ)上，對(duì)基于虛擬溫度的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和改進(jìn)?？紤]實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的各種約束條件和影響因素，提高模型的準(zhǔn)確性和適用性，使其能夠更有效地描述和求解換熱網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。案例驗(yàn)證與對(duì)比分析：選取典型的工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)例，運(yùn)用優(yōu)化后的虛擬溫度綜合法進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。將優(yōu)化結(jié)果與傳統(tǒng)方法和現(xiàn)有研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，從多個(gè)角度評(píng)估基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法的優(yōu)勢(shì)和效果，驗(yàn)證其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性。動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化策略研究：針對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中工況變化頻繁的特點(diǎn)，建立考慮工況變化的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析工況參數(shù)的變化情況，研究虛擬溫度綜合法中參數(shù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，使換熱網(wǎng)絡(luò)始終保持在最優(yōu)或接近最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。融合研究與應(yīng)用拓展：探索虛擬溫度綜合法與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)的融合應(yīng)用。利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的智能優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)性能的實(shí)時(shí)評(píng)估，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)換熱設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)大量的換熱網(wǎng)絡(luò)案例和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，進(jìn)一步完善虛擬溫度綜合法的理論和方法體系，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。研究成果總結(jié)與展望：對(duì)整個(gè)研究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行全面總結(jié)，提煉基于參數(shù)優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)虛擬溫度綜合法的核心要點(diǎn)和創(chuàng)新成果。分析研究過(guò)程中存在的不足和問(wèn)題，對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望，為后續(xù)研究提供參考和借鑒。[此處插入技術(shù)路線圖1]圖1技術(shù)路線圖二、換熱網(wǎng)絡(luò)虛擬溫度綜合法基礎(chǔ)2.1換熱網(wǎng)絡(luò)概述換熱網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能量回收和利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在化工、能源等眾多行業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。它是由換熱器、加熱器、冷卻器、混合器和分流器等設(shè)備組合而成的復(fù)雜系統(tǒng)，其核心功能是通過(guò)合理組織熱物流和冷物流之間的熱交換，實(shí)現(xiàn)能量的有效回收和傳遞，從而滿足各物流的溫度要求，同時(shí)盡可能減少公用工程（如加熱蒸汽、冷卻用水等）的消耗。在化工行業(yè)，換熱網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)流程，如石油煉制、化學(xué)合成、精細(xì)化工等。以石油煉制中的常減壓蒸餾裝置為例，原油需要被加熱到特定溫度才能進(jìn)行后續(xù)的分餾操作，而在分餾過(guò)程中又會(huì)產(chǎn)生大量高溫的餾分油。通過(guò)換熱網(wǎng)絡(luò)，可以利用高溫餾分油的熱量來(lái)預(yù)熱原油，從而減少加熱爐的燃料消耗，降低生產(chǎn)成本。在化學(xué)合成過(guò)程中，許多化學(xué)反應(yīng)需要在特定溫度條件下進(jìn)行，反應(yīng)后的產(chǎn)物往往帶有大量余熱，通過(guò)換熱網(wǎng)絡(luò)將這些余熱回收利用，不僅可以為其他需要加熱的物流提供熱量，還能降低產(chǎn)物冷卻所需的冷公用工程用量，提高能源利用效率。在能源行業(yè)，換熱網(wǎng)絡(luò)同樣起著至關(guān)重要的作用。在熱電廠中，蒸汽輪機(jī)排出的乏汽溫度較高，含有大量的余熱。通過(guò)換熱網(wǎng)絡(luò)，將乏汽的熱量傳遞給鍋爐給水，提高給水溫度，從而減少鍋爐燃料的消耗，提高熱電廠的整體熱效率。在制冷系統(tǒng)中，換熱網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)制冷劑與被冷卻介質(zhì)之間的熱量交換，提高制冷效率，降低能耗。從節(jié)能減耗的角度來(lái)看，換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行對(duì)于工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。通過(guò)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，可以顯著降低企業(yè)的能源消耗和生產(chǎn)成本。研究表明，在一些典型的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%-30%。這不僅有助于企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，還能減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，降低溫室氣體排放，符合全球可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。此外，優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)還可以減少設(shè)備投資成本。通過(guò)提高能量回收效率，減少公用工程設(shè)備（如大型加熱爐、冷卻器等）的規(guī)模和數(shù)量，從而降低設(shè)備購(gòu)置和安裝費(fèi)用。同時(shí)，合理的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)還可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少設(shè)備故障和維護(hù)成本，進(jìn)一步提高企業(yè)的綜合效益。2.2夾點(diǎn)技術(shù)原理夾點(diǎn)技術(shù)是由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)BodoLinnhoff教授及其同事于20世紀(jì)70年代末提出的一種換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已逐步成為化工過(guò)程能量綜合技術(shù)的重要方法論。其核心在于基于熱力學(xué)原理，深入分析過(guò)程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布情況，精準(zhǔn)定位系統(tǒng)用能的“瓶頸”，也就是夾點(diǎn)所在之處，并通過(guò)有效的策略來(lái)突破這一“瓶頸”，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的高效利用和優(yōu)化。夾點(diǎn)的定義基于溫-焓（T-H）圖來(lái)理解。在T-H圖中，以溫度T為縱軸，熱焓H為橫軸。熱物流線從高溫向低溫延伸，冷物流線則從低溫向高溫延伸，物流的熱量通過(guò)橫坐標(biāo)兩點(diǎn)間的距離，即焓差ΔH來(lái)體現(xiàn)，并且物流線在H軸上的平移不影響其溫位和熱量。將多股冷、熱物流分別合并，可得到冷、熱物流復(fù)合曲線。這兩條曲線在H軸上投影的重疊部分，便是冷、熱物流間的換熱量，而不重疊部分則對(duì)應(yīng)著冷熱公用工程耗量。當(dāng)冷、熱物流復(fù)合曲線在水平方向相互靠近時(shí)，熱回收量Qx會(huì)逐漸增大，公用工程耗量Qc和Qh相應(yīng)減小，各部位的傳熱溫差也隨之減小。當(dāng)曲線接近至某一點(diǎn)，使得該點(diǎn)處的傳熱溫差達(dá)到最小允許傳熱溫差ΔTmin時(shí)，熱回收量達(dá)到最大值Q，此時(shí)冷、熱公用工程消耗量也達(dá)到最小值Qc和Qh，而這兩條曲線在縱坐標(biāo)上最接近的位置，就是夾點(diǎn)。確定夾點(diǎn)位置主要有T-H圖法和問(wèn)題表法這兩種方法。T-H圖法形象直觀，首先需要明確所有過(guò)程物流的質(zhì)量流量、組成、壓力、初始溫度、目標(biāo)溫度以及最小允許傳熱溫差等數(shù)據(jù)。然后，依據(jù)這些數(shù)據(jù)在T-H圖上分別繪制熱物流組合曲線和冷物流組合曲線。將熱組合曲線置于冷組合曲線的上方，并使其在水平方向相互靠攏，當(dāng)兩組合曲線在某處的垂直距離恰好等于最小允許傳熱溫差ΔTmin時(shí)，該位置即為夾點(diǎn)。而當(dāng)物流較多時(shí)，T-H圖法繪制復(fù)合溫焓線會(huì)變得繁瑣且不夠精確，此時(shí)問(wèn)題表法就更為適用。問(wèn)題表法首先以冷、熱流體的平均溫度為標(biāo)尺劃分溫度區(qū)間，確保每個(gè)溫區(qū)內(nèi)熱物流溫度比冷物流高ΔTmin。接著計(jì)算每個(gè)溫區(qū)內(nèi)的熱平衡，確定各溫區(qū)所需的加熱量和冷卻量。隨后進(jìn)行外界無(wú)熱量輸入時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算，保證各溫區(qū)之間只有自上而下的熱通量。再根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定所需外界加入的最小熱量，即最小加熱公用工程用量。之后進(jìn)行外界輸入最小加熱公用工程量時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算，所得最后一個(gè)溫區(qū)流出的熱量就是最小冷卻公用工程用量。溫區(qū)之間熱通量為零的地方，就是夾點(diǎn)所在。夾點(diǎn)技術(shù)在換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中遵循三個(gè)基本原則。其一，不應(yīng)有跨越夾點(diǎn)的傳熱，因?yàn)榭缭綂A點(diǎn)傳熱會(huì)導(dǎo)致公用工程量的增加。例如，若在夾點(diǎn)上方加入額外熱量α，這些熱量會(huì)通過(guò)夾點(diǎn)進(jìn)入夾點(diǎn)下方，同時(shí)需要等量的冷公用工程α將其帶走，從而增加了能源消耗。其二，夾點(diǎn)之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器，以避免冷公用工程的浪費(fèi)。其三，夾點(diǎn)之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器，防止熱公用工程的不合理使用。此外，還有兩條經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。一是每個(gè)換熱器的負(fù)荷應(yīng)與匹配的冷、熱流股中負(fù)荷最小者相同，這樣能確保換熱器的負(fù)荷合理分配，提高能源利用效率。二是選擇熱容流率相近的流股匹配換熱，可使傳熱過(guò)程更加高效，減少傳熱溫差，降低不可逆損失。夾點(diǎn)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域，如造紙企業(yè)、連續(xù)蒸煮設(shè)備傳熱網(wǎng)絡(luò)、化肥生產(chǎn)企業(yè)及其他化工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的節(jié)能效果。對(duì)于新裝置設(shè)計(jì)，采用夾點(diǎn)技術(shù)比傳統(tǒng)方法節(jié)能30%-50%。在老裝置的節(jié)能改造中，該技術(shù)也展現(xiàn)出投資低、節(jié)能效果好的優(yōu)勢(shì)。然而，夾點(diǎn)技術(shù)也存在一定的局限性。一方面，它過(guò)于側(cè)重于能量的節(jié)省，在設(shè)備投資和經(jīng)濟(jì)成本方面的考量相對(duì)不足。在實(shí)際應(yīng)用中，單純追求能量回收最大化可能導(dǎo)致?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備數(shù)量過(guò)多、換熱面積過(guò)大，從而增加設(shè)備投資成本和維護(hù)成本，使得系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)性不佳。另一方面，有些夾點(diǎn)匹配技術(shù)，如利用分流技術(shù)來(lái)匹配物流，在實(shí)際工藝中難以實(shí)現(xiàn)。分流操作可能會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和操作難度，并且在某些情況下可能不符合工藝要求，限制了夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用范圍。2.3虛擬溫度綜合法原理2.3.1虛擬溫度概念虛擬溫度是虛擬溫度綜合法中的核心概念，它突破了傳統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)分析中對(duì)物流溫度的常規(guī)理解，從全新的視角考慮了物流的傳熱特性，為換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更精準(zhǔn)的分析工具。在傳統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合方法，如夾點(diǎn)技術(shù)中，通常采用單一的最小傳熱溫差來(lái)確定夾點(diǎn)位置及物流在各個(gè)焓區(qū)的分布。然而，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，不同物流的傳熱膜系數(shù)往往存在很大差異。例如，在化工生產(chǎn)中，某些物流可能由于其化學(xué)組成、流動(dòng)狀態(tài)等因素，導(dǎo)致其傳熱膜系數(shù)與其他物流相差數(shù)倍甚至數(shù)十倍。在這種情況下，如果仍然采用單一的最小傳熱溫差進(jìn)行分析，就會(huì)出現(xiàn)不合理的結(jié)果。因?yàn)閭鳠崮は禂?shù)的差異會(huì)導(dǎo)致不同物流在相同的傳熱溫差下，實(shí)際傳遞的熱量不同。如果忽略這種差異，可能會(huì)使得換熱網(wǎng)絡(luò)的熱量回收達(dá)不到最優(yōu)，或者需要過(guò)大的換熱面積來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，從而增加設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本。虛擬溫度的引入正是為了解決這一問(wèn)題。虛擬溫度的定義基于物流的傳熱溫差貢獻(xiàn)值，它將各物流的實(shí)際溫度“當(dāng)量”成具有相同表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、采用相同設(shè)備材料和換熱器型號(hào)的溫度。具體計(jì)算方式如下：首先，分析實(shí)際過(guò)程工業(yè)中影響物流傳熱溫差貢獻(xiàn)值的因素，如物流的性質(zhì)（化學(xué)組成、粘度等）、流動(dòng)狀態(tài)（流速、流型等）以及換熱器的特性（傳熱面積、傳熱系數(shù)等）。通過(guò)對(duì)這些因素的綜合考慮，確定物流傳熱溫差貢獻(xiàn)值的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。然后，根據(jù)各物流的傳熱溫差貢獻(xiàn)值，將其實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換為虛擬溫度。假設(shè)某熱物流的實(shí)際溫度為T(mén)_{h,actual}，其傳熱溫差貢獻(xiàn)值為\DeltaT_{h,contribution}，冷物流的實(shí)際溫度為T(mén)_{c,actual}，傳熱溫差貢獻(xiàn)值為\DeltaT_{c,contribution}，則熱物流的虛擬溫度T_{h,virtual}和冷物流的虛擬溫度T_{c,virtual}可通過(guò)以下公式計(jì)算（此處公式僅為示意，實(shí)際計(jì)算可能更為復(fù)雜，需根據(jù)具體的經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)際情況確定）：T_{h,virtual}=T_{h,actual}-\DeltaT_{h,contribution}T_{c,virtual}=T_{c,actual}+\DeltaT_{c,contribution}從物理意義上講，虛擬溫度反映了物流在考慮其獨(dú)特傳熱特性后的“等效溫度”。它使得不同傳熱特性的物流能夠在一個(gè)統(tǒng)一的溫度基準(zhǔn)下進(jìn)行比較和分析，從而更準(zhǔn)確地描述換熱過(guò)程中的能量傳遞關(guān)系。在換熱網(wǎng)絡(luò)分析中，虛擬溫度起著至關(guān)重要的作用。它改變了傳統(tǒng)的基于單一最小傳熱溫差的分析模式，能夠更合理地分配系統(tǒng)中的不同溫位能量，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)溫差分布。通過(guò)將物流的實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換為虛擬溫度，可以在溫-焓（T-H）圖上更準(zhǔn)確地確定物流的位置，進(jìn)而更有效地進(jìn)行物流匹配和換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。例如，對(duì)于傳熱膜系數(shù)較小的物流，其虛擬溫度會(huì)相對(duì)較低（熱物流）或較高（冷物流），這意味著在換熱網(wǎng)絡(luò)中，它需要與溫度更合適的物流進(jìn)行匹配換熱，以提高傳熱效率和能量回收效果。這樣，基于虛擬溫度的分析能夠使換熱網(wǎng)絡(luò)在能量回收和經(jīng)濟(jì)性方面都得到顯著提升，為工業(yè)生產(chǎn)中的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了更科學(xué)、更有效的方法。2.3.2基于虛擬溫度的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合步驟基于虛擬溫度的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合方法，通過(guò)引入虛擬溫度的概念，對(duì)傳統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合流程進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，能夠更有效地實(shí)現(xiàn)能量回收和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的提升。以下是該方法的具體綜合步驟。確定物流虛擬溫度：在這一步驟中，首先需要全面收集所有參與換熱的物流信息，包括物流的質(zhì)量流量、組成、壓力、初始溫度、目標(biāo)溫度以及傳熱膜系數(shù)等。然后，深入分析實(shí)際過(guò)程工業(yè)中影響物流傳熱溫差貢獻(xiàn)值的各種因素，如物流的性質(zhì)（化學(xué)組成、粘度等）、流動(dòng)狀態(tài)（流速、流型等）以及換熱器的特性（傳熱面積、傳熱系數(shù)等）。根據(jù)這些因素，運(yùn)用已確定的物流傳熱溫差貢獻(xiàn)值的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，精確計(jì)算各物流的傳熱溫差貢獻(xiàn)值。最后，依據(jù)計(jì)算得到的傳熱溫差貢獻(xiàn)值，將各物流的實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換為虛擬溫度。例如，對(duì)于某熱物流，其實(shí)際溫度為T(mén)_{h,actual}，傳熱溫差貢獻(xiàn)值為\DeltaT_{h,contribution}，則其虛擬溫度T_{h,virtual}=T_{h,actual}-\DeltaT_{h,contribution}；對(duì)于冷物流，實(shí)際溫度為T(mén)_{c,actual}，傳熱溫差貢獻(xiàn)值為\DeltaT_{c,contribution}，其虛擬溫度T_{c,virtual}=T_{c,actual}+\DeltaT_{c,contribution}。構(gòu)建溫焓圖：在確定了各物流的虛擬溫度后，以虛擬溫度為縱軸，熱焓為橫軸構(gòu)建溫焓（T-H）圖。將熱物流按照其虛擬溫度從高到低的順序，在T-H圖上從高溫向低溫繪制熱物流線；冷物流則按照虛擬溫度從低到高的順序，從低溫向高溫繪制冷物流線。物流的熱量通過(guò)橫坐標(biāo)兩點(diǎn)間的距離，即焓差\DeltaH來(lái)體現(xiàn)，并且物流線在H軸上的平移不影響其溫位和熱量。在繪制過(guò)程中，要確保各物流線的斜率準(zhǔn)確反映其熱容流率的倒數(shù)，即CP越大，斜率越小，在同樣的熱負(fù)荷下流股的溫度變化越小。當(dāng)物流在溫度變化范圍內(nèi)比熱容Cp變化顯著時(shí)，可將溫升范圍分為若干個(gè)比較小的溫度區(qū)間，在各個(gè)溫度區(qū)間分別繪制T-H圖。劃分焓區(qū)間：觀察構(gòu)建好的溫焓圖，依據(jù)物流的熱負(fù)荷和虛擬溫度分布情況，合理劃分焓區(qū)間。劃分焓區(qū)間的目的是為了更有效地組織物流之間的換熱，提高能量回收效率。在劃分時(shí)，通常選擇在熱物流和冷物流的虛擬溫度變化較為平緩的區(qū)域進(jìn)行劃分，使得每個(gè)焓區(qū)間內(nèi)的物流能夠更好地進(jìn)行匹配換熱。同時(shí)，要確保每個(gè)焓區(qū)間內(nèi)的熱物流和冷物流的熱負(fù)荷盡可能接近，以充分利用能量，減少能量浪費(fèi)。例如，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)的優(yōu)化算法，確定合適的焓區(qū)間劃分點(diǎn)，使得每個(gè)焓區(qū)間內(nèi)的熱物流和冷物流的總熱負(fù)荷差值最小。進(jìn)行物流匹配換熱：在每個(gè)焓區(qū)間內(nèi)，按照一定的規(guī)則進(jìn)行物流匹配換熱。首先，優(yōu)先選擇熱容流率相近的流股進(jìn)行匹配，因?yàn)檫@樣可以使傳熱過(guò)程更加高效，減少傳熱溫差，降低不可逆損失。同時(shí)，要遵循每個(gè)換熱器的負(fù)荷應(yīng)與匹配的冷、熱流股中負(fù)荷最小者相同的原則，確保換熱器的負(fù)荷合理分配，提高能源利用效率。在匹配過(guò)程中，還需要考慮物流的流量、壓力等實(shí)際工藝條件，確保匹配方案在實(shí)際生產(chǎn)中具有可行性。例如，對(duì)于某個(gè)焓區(qū)間內(nèi)的熱物流A和冷物流B，若它們的熱容流率相近，且熱物流A的熱負(fù)荷略大于冷物流B的熱負(fù)荷，則按照規(guī)則，該換熱器的負(fù)荷應(yīng)取冷物流B的熱負(fù)荷，以保證換熱的合理性和高效性。通過(guò)這樣的物流匹配換熱過(guò)程，逐步構(gòu)建起換熱網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)。確定公用工程用量：在完成物流匹配換熱后，根據(jù)溫焓圖上未參與換熱的熱物流和冷物流的熱負(fù)荷情況，確定所需的加熱公用工程和冷卻公用工程的用量。位于溫焓圖右上角，即虛擬溫度較高且未與冷物流換熱的熱物流部分，需要由熱公用工程提供熱量，使其達(dá)到目標(biāo)溫度；位于左下角，即虛擬溫度較低且未與熱物流換熱的冷物流部分，則需要由冷公用工程提供冷卻量，將其冷卻到目標(biāo)溫度。通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算這些未換熱部分的熱負(fù)荷，即可確定最小的加熱公用工程用量Q_{h,min}和冷卻公用工程用量Q_{c,min}，從而實(shí)現(xiàn)能量的有效利用和系統(tǒng)能耗的降低。優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：對(duì)初步構(gòu)建的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可操作性。優(yōu)化過(guò)程中，考慮減少換熱器的數(shù)量和換熱面積，降低設(shè)備投資成本。通過(guò)調(diào)整物流的分流比、改變換熱器的連接方式等手段，尋找最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。例如，可以運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法或人工智能算法，以年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。同時(shí)，還要考慮實(shí)際生產(chǎn)中的操作靈活性和可靠性，確保優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行中能夠穩(wěn)定、高效地工作。三、參數(shù)優(yōu)化方法研究3.1參數(shù)優(yōu)化的必要性在換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化中，傳統(tǒng)的單一最小傳熱溫差法雖在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)熱量的回收與利用，但當(dāng)面對(duì)換熱物流傳熱膜系數(shù)差異較大的復(fù)雜工況時(shí)，其局限性便會(huì)凸顯，這使得參數(shù)優(yōu)化成為提升換熱網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，不同的換熱物流由于其物理性質(zhì)（如密度、粘度、比熱容等）、化學(xué)組成以及流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）的不同，傳熱膜系數(shù)往往存在顯著差異。例如，在石油化工的精餾過(guò)程中，塔頂?shù)臍庀囵s分與塔底的液相餾分，它們的傳熱膜系數(shù)可能相差數(shù)倍甚至更多。氣相餾分由于其分子間距大、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)，傳熱膜系數(shù)相對(duì)較??；而液相餾分則因分子間作用力較強(qiáng)、熱導(dǎo)率較高，傳熱膜系數(shù)較大。當(dāng)采用單一最小傳熱溫差法進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，這種差異會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題。從熱量回收的角度來(lái)看，由于傳熱膜系數(shù)的不同，相同傳熱溫差下不同物流的傳熱量存在差異。若按照單一最小傳熱溫差進(jìn)行物流匹配，可能會(huì)使得傳熱膜系數(shù)小的物流無(wú)法充分釋放熱量，而傳熱膜系數(shù)大的物流則可能過(guò)度換熱，從而導(dǎo)致整體熱量回收無(wú)法達(dá)到最優(yōu)。在一個(gè)包含多種物流的換熱網(wǎng)絡(luò)中，熱物流A傳熱膜系數(shù)小，熱物流B傳熱膜系數(shù)大，冷物流C需要吸收熱量。如果僅依據(jù)單一最小傳熱溫差將熱物流A和熱物流B同時(shí)與冷物流C匹配換熱，由于熱物流A傳熱能力有限，在達(dá)到最小傳熱溫差時(shí)，其熱量可能尚未充分傳遞，而熱物流B則可能已經(jīng)完成換熱甚至過(guò)度換熱，使得冷物流C無(wú)法充分吸收熱物流A剩余的熱量，造成熱量浪費(fèi)。從設(shè)備投資成本方面考慮，為了實(shí)現(xiàn)傳熱膜系數(shù)差異較大的物流之間的換熱，滿足工藝要求，可能需要增大換熱面積。因?yàn)閭鳠崮は禂?shù)小的物流需要更大的換熱面積來(lái)彌補(bǔ)其傳熱能力的不足，以確保在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)傳遞足夠的熱量。這無(wú)疑會(huì)增加換熱器的材料成本、制造加工成本以及安裝成本等。隨著換熱面積的增大，換熱器的體積和重量也會(huì)增加，對(duì)設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)要求更高，進(jìn)一步增加了設(shè)備投資成本。而且，過(guò)大的換熱面積還可能導(dǎo)致設(shè)備占地面積增大，增加廠房建設(shè)成本。這些因素綜合起來(lái)，會(huì)使得年度總費(fèi)用大幅提高，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性顯著降低。虛擬溫度綜合法中的參數(shù)，如貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算式中的k和z值，對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)性能有著至關(guān)重要的影響。k值和z值的不同取值，會(huì)改變物流傳熱溫差貢獻(xiàn)值的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而影響虛擬溫度的計(jì)算。當(dāng)k值增大時(shí)，某些物流的傳熱溫差貢獻(xiàn)值可能會(huì)相應(yīng)增大，其虛擬溫度也會(huì)發(fā)生變化，這可能導(dǎo)致在換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，該物流與其他物流的匹配方式發(fā)生改變。合理優(yōu)化這些參數(shù)，可以使虛擬溫度的計(jì)算更加符合實(shí)際換熱過(guò)程中物流傳熱特性的差異。通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，能夠更精準(zhǔn)地確定物流的虛擬溫度，從而在溫-焓圖上更合理地安排物流位置，實(shí)現(xiàn)更高效的物流匹配換熱。這樣可以降低冷、熱公用工程用量，減少不必要的能源消耗，同時(shí)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少換熱器的數(shù)量和換熱面積，降低設(shè)備投資成本，最終降低年度總費(fèi)用，提高換熱網(wǎng)絡(luò)的整體性能和經(jīng)濟(jì)性。因此，參數(shù)優(yōu)化對(duì)于基于虛擬溫度綜合法的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有不可或缺的必要性。3.2貢獻(xiàn)溫差值的求解與優(yōu)化3.2.1貢獻(xiàn)溫差值的定義與計(jì)算式貢獻(xiàn)溫差值在虛擬溫度綜合法中扮演著關(guān)鍵角色，它是基于對(duì)物流傳熱特性深入分析而定義的重要參數(shù)。在實(shí)際工業(yè)換熱過(guò)程中，由于不同物流的物理性質(zhì)（如密度、粘度、比熱容等）、化學(xué)組成以及流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）存在差異，導(dǎo)致各物流的傳熱膜系數(shù)各不相同。這種傳熱膜系數(shù)的差異會(huì)使得在相同的傳熱溫差下，不同物流的傳熱量有很大差別。為了更準(zhǔn)確地描述物流在換熱過(guò)程中的實(shí)際傳熱能力，引入了貢獻(xiàn)溫差值的概念。貢獻(xiàn)溫差值的計(jì)算式為：\DeltaT_{contribution}=k\times\left(\frac{1}{h}\right)^z其中，\DeltaT_{contribution}表示貢獻(xiàn)溫差值，它反映了物流傳熱特性對(duì)傳熱溫差的影響程度；k和z是與物流性質(zhì)、換熱器特性等相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其取值需要通過(guò)對(duì)大量實(shí)際換熱數(shù)據(jù)的分析和實(shí)驗(yàn)研究來(lái)確定。這兩個(gè)常數(shù)的具體數(shù)值會(huì)因不同的工業(yè)場(chǎng)景、物流類(lèi)型以及換熱器類(lèi)型而有所不同。在石油化工領(lǐng)域，對(duì)于一些常見(jiàn)的物流和換熱器組合，k和z的值可能經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐和數(shù)據(jù)積累已經(jīng)有了相對(duì)穩(wěn)定的經(jīng)驗(yàn)取值范圍，但對(duì)于新的工藝或特殊的物流，仍需要進(jìn)一步的研究和優(yōu)化來(lái)確定合適的k和z值；h表示物流的傳熱膜系數(shù)，它是衡量物流傳熱能力的重要指標(biāo)，傳熱膜系數(shù)越大，說(shuō)明物流在單位面積和單位溫差下傳遞熱量的能力越強(qiáng)。在一個(gè)包含多種物流的換熱網(wǎng)絡(luò)中，熱物流A的傳熱膜系數(shù)為h_A，根據(jù)上述計(jì)算式，其貢獻(xiàn)溫差值\DeltaT_{A,contribution}=k\times\left(\frac{1}{h_A}\right)^z。假設(shè)k=0.5，z=0.8，h_A=100（單位根據(jù)實(shí)際情況而定，此處僅為示例），則\DeltaT_{A,contribution}=0.5\times\left(\frac{1}{100}\right)^{0.8}\approx0.0016。這意味著熱物流A由于其傳熱膜系數(shù)的特性，在換熱過(guò)程中對(duì)傳熱溫差的貢獻(xiàn)為0.0016。通過(guò)貢獻(xiàn)溫差值的計(jì)算，可以更準(zhǔn)確地反映各物流在換熱網(wǎng)絡(luò)中的傳熱特性，為后續(xù)虛擬溫度的計(jì)算以及換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。3.2.2基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)優(yōu)化策略分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型是一種廣泛應(yīng)用于換熱網(wǎng)絡(luò)合成與建模的方法，它為貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算式中k和z值的優(yōu)化提供了有效的框架。該模型將換熱網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)層次和階段，每個(gè)層次和階段都包含了不同的物流匹配和換熱方式，通過(guò)對(duì)這些層次和階段的組合和優(yōu)化，可以得到多種可能的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)優(yōu)化策略中，以年度總費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)來(lái)優(yōu)化k和z值。年度總費(fèi)用是一個(gè)綜合考慮了設(shè)備投資成本、運(yùn)行成本以及維護(hù)成本等因素的指標(biāo)，它能夠全面反映換熱網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)濟(jì)層面的性能。設(shè)備投資成本包括換熱器的購(gòu)置費(fèi)用、安裝費(fèi)用等，運(yùn)行成本主要涉及冷、熱公用工程的消耗費(fèi)用，維護(hù)成本則涵蓋了設(shè)備定期維護(hù)、維修以及更換零部件等所需的費(fèi)用。具體的優(yōu)化過(guò)程如下：首先，建立分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型，明確模型中各個(gè)層次和階段的物流匹配方式和換熱規(guī)則。然后，根據(jù)給定的k和z值，利用貢獻(xiàn)溫差值的計(jì)算式計(jì)算各物流的貢獻(xiàn)溫差值，進(jìn)而確定虛擬溫度。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于虛擬溫度的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并計(jì)算該結(jié)構(gòu)下的年度總費(fèi)用。通過(guò)不斷調(diào)整k和z值，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，得到不同k和z組合下的年度總費(fèi)用。最后，利用優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，從眾多的k和z組合中尋找出使年度總費(fèi)用最小的最優(yōu)解。遺傳算法是一種模擬自然選擇和遺傳機(jī)制的優(yōu)化算法。在k和z值的優(yōu)化中，它將k和z看作是染色體上的基因，通過(guò)隨機(jī)生成初始種群，每個(gè)個(gè)體代表一組k和z值。然后，根據(jù)年度總費(fèi)用作為適應(yīng)度函數(shù)，對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行評(píng)估。適應(yīng)度較高（即年度總費(fèi)用較低）的個(gè)體有更大的概率被選擇進(jìn)行繁殖，通過(guò)交叉和變異操作產(chǎn)生新的個(gè)體，組成新的種群。經(jīng)過(guò)多代的進(jìn)化，種群中的個(gè)體逐漸趨向于最優(yōu)解，即找到使年度總費(fèi)用最小的k和z值。粒子群優(yōu)化算法則是基于群體智能的優(yōu)化算法。它將k和z看作是搜索空間中的粒子，每個(gè)粒子都有自己的位置（對(duì)應(yīng)k和z的值）和速度。粒子在搜索空間中根據(jù)自身的歷史最優(yōu)位置和群體的全局最優(yōu)位置來(lái)調(diào)整自己的速度和位置。在每次迭代中，計(jì)算每個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的年度總費(fèi)用，更新粒子的歷史最優(yōu)位置和群體的全局最優(yōu)位置。通過(guò)不斷迭代，粒子逐漸靠近全局最優(yōu)解，從而找到最優(yōu)的k和z值。通過(guò)基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)優(yōu)化策略，可以找到最適合特定換熱網(wǎng)絡(luò)的k和z值，使得貢獻(xiàn)溫差值的計(jì)算更加準(zhǔn)確，進(jìn)而優(yōu)化虛擬溫度的計(jì)算，最終得到性能更優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)降低冷、熱公用工程用量，減少設(shè)備投資成本，降低年度總費(fèi)用的目的。3.3焓區(qū)間合并優(yōu)化策略3.3.1焓區(qū)間合并的目的與意義在換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，減少換熱單元的數(shù)目和避免小負(fù)荷換熱器的出現(xiàn)對(duì)于提升系統(tǒng)的整體性能和經(jīng)濟(jì)性具有至關(guān)重要的意義。過(guò)多的換熱單元會(huì)顯著增加設(shè)備投資成本，因?yàn)槊總€(gè)換熱單元都涉及到設(shè)備的購(gòu)置、安裝以及相關(guān)的管道連接等費(fèi)用。隨著換熱單元數(shù)目的增多，設(shè)備的維護(hù)和管理成本也會(huì)大幅上升，包括定期的設(shè)備檢查、維修、更換零部件以及操作人員的培訓(xùn)等費(fèi)用。而且，復(fù)雜的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)增加系統(tǒng)的操作難度和故障率，降低系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。小負(fù)荷換熱器的存在同樣會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。由于小負(fù)荷換熱器的傳熱面積相對(duì)較小，在傳遞相同熱量的情況下，其傳熱溫差往往較大，這會(huì)導(dǎo)致不可逆損失增加，從而降低能源利用效率。小負(fù)荷換熱器在制造和運(yùn)行過(guò)程中，單位換熱面積的成本相對(duì)較高，這會(huì)進(jìn)一步增加設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本。焓區(qū)間合并作為一種有效的優(yōu)化策略，能夠很好地解決上述問(wèn)題。通過(guò)合理合并焓區(qū)間，可以減少換熱單元的數(shù)目。在合并焓區(qū)間時(shí)，原本在不同焓區(qū)間進(jìn)行換熱的物流可以在合并后的焓區(qū)間內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一匹配換熱，從而減少了不必要的換熱單元。在一個(gè)包含多個(gè)焓區(qū)間的換熱網(wǎng)絡(luò)中，熱物流A和冷物流B在相鄰的兩個(gè)焓區(qū)間分別有部分熱量需要交換。如果將這兩個(gè)焓區(qū)間合并，熱物流A和冷物流B就可以在合并后的焓區(qū)間內(nèi)一次性完成熱量交換，無(wú)需使用兩個(gè)換熱單元分別在不同焓區(qū)間進(jìn)行換熱，從而減少了一個(gè)換熱單元。這樣不僅降低了設(shè)備投資成本，還簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可操作性和可靠性。焓區(qū)間合并還能有效避免小負(fù)荷換熱器的出現(xiàn)。在合并焓區(qū)間的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)熱負(fù)荷參數(shù)的優(yōu)化，可以使合并后的焓區(qū)間內(nèi)的熱負(fù)荷分布更加合理。將熱負(fù)荷較小的焓區(qū)間與相鄰的焓區(qū)間合并，使得合并后的焓區(qū)間熱負(fù)荷達(dá)到一定規(guī)模，從而避免了因熱負(fù)荷過(guò)小而需要設(shè)置小負(fù)荷換熱器的情況。假設(shè)原本有一個(gè)熱負(fù)荷較小的焓區(qū)間，單獨(dú)為其設(shè)置換熱器會(huì)導(dǎo)致小負(fù)荷換熱器的出現(xiàn)。但通過(guò)與相鄰焓區(qū)間合并，熱負(fù)荷得到了補(bǔ)充和平衡，此時(shí)可以使用一個(gè)較大的換熱器來(lái)滿足合并后焓區(qū)間的換熱需求，避免了小負(fù)荷換熱器的弊端。這有助于提高能源利用效率，降低設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本，使得換熱網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性方面都能得到顯著提升。3.3.2焓區(qū)間合并的具體步驟與方法焓區(qū)間合并是一項(xiàng)系統(tǒng)且精細(xì)的工作，其具體步驟和方法涉及多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)這些環(huán)節(jié)的有序推進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提升系統(tǒng)的整體性能。第一步是由流股的冷熱虛擬溫度作出冷熱復(fù)合曲線，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)的換熱網(wǎng)絡(luò)匹配模型。在確定了各流股的冷熱虛擬溫度后，以虛擬溫度為縱坐標(biāo)，熱焓為橫坐標(biāo)，繪制冷熱復(fù)合曲線。熱物流的虛擬溫度從高到低，在圖上從高溫向低溫繪制熱物流線；冷物流的虛擬溫度從低到高，從低溫向高溫繪制冷物流線。物流的熱量通過(guò)橫坐標(biāo)兩點(diǎn)間的距離，即焓差\DeltaH來(lái)體現(xiàn)。在繪制過(guò)程中，要確保各物流線的斜率準(zhǔn)確反映其熱容流率的倒數(shù)，以保證曲線的準(zhǔn)確性。通過(guò)這些冷熱復(fù)合曲線，可以直觀地展示出冷熱物流之間的換熱關(guān)系和熱量分布情況?；诖耍瑯?gòu)造基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)的換熱網(wǎng)絡(luò)匹配模型。分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型將換熱網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)層次和階段，每個(gè)層次和階段都包含了不同的物流匹配和換熱方式。在模型中，明確各流股在不同層次和階段的連接關(guān)系、換熱順序以及換熱面積等參數(shù)，為后續(xù)的焓區(qū)間合并和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了基本框架。第二步是給出并優(yōu)化焓區(qū)間熱負(fù)荷參數(shù)H，以年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)，合并超結(jié)構(gòu)模型中熱負(fù)荷小于H的區(qū)間，得到費(fèi)用目標(biāo)最小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。首先，根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，初步確定焓區(qū)間熱負(fù)荷參數(shù)H的取值范圍。這個(gè)取值范圍的確定需要考慮多個(gè)因素，如換熱網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、物流的流量和熱負(fù)荷大小、設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本等。然后，在這個(gè)取值范圍內(nèi)，通過(guò)優(yōu)化算法對(duì)H進(jìn)行優(yōu)化?？梢圆捎眠z傳算法、粒子群優(yōu)化算法等先進(jìn)的優(yōu)化算法，以年度總費(fèi)用最小作為目標(biāo)函數(shù)。年度總費(fèi)用包括設(shè)備投資成本、運(yùn)行成本以及維護(hù)成本等。設(shè)備投資成本與換熱器的數(shù)量、換熱面積等因素相關(guān)；運(yùn)行成本主要涉及冷、熱公用工程的消耗費(fèi)用；維護(hù)成本則涵蓋了設(shè)備定期維護(hù)、維修以及更換零部件等所需的費(fèi)用。在優(yōu)化過(guò)程中，不斷調(diào)整H的值，計(jì)算不同H值下的年度總費(fèi)用。對(duì)于超結(jié)構(gòu)模型中熱負(fù)荷小于H的區(qū)間，將其與相鄰的焓區(qū)間進(jìn)行合并。在合并過(guò)程中，重新計(jì)算合并后焓區(qū)間的熱負(fù)荷、物流匹配關(guān)系以及換熱面積等參數(shù)。通過(guò)不斷地嘗試不同的合并方案和H值，利用優(yōu)化算法尋找出使年度總費(fèi)用最小的最優(yōu)合并方案，從而得到費(fèi)用目標(biāo)最小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。假設(shè)在一個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)中，初步確定H的取值范圍為10-50（單位根據(jù)實(shí)際情況而定，此處僅為示例）。使用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，將H看作是染色體上的基因，隨機(jī)生成初始種群。每個(gè)個(gè)體代表一個(gè)H值。根據(jù)年度總費(fèi)用作為適應(yīng)度函數(shù)，對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行評(píng)估。適應(yīng)度較高（即年度總費(fèi)用較低）的個(gè)體有更大的概率被選擇進(jìn)行繁殖，通過(guò)交叉和變異操作產(chǎn)生新的個(gè)體，組成新的種群。經(jīng)過(guò)多代的進(jìn)化，最終找到使年度總費(fèi)用最小的H值。假設(shè)計(jì)算得到最優(yōu)的H值為30，此時(shí)，將超結(jié)構(gòu)模型中熱負(fù)荷小于30的區(qū)間與相鄰焓區(qū)間進(jìn)行合并。經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算和調(diào)整，得到了費(fèi)用目標(biāo)最小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了焓區(qū)間合并的優(yōu)化目的。四、基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法應(yīng)用案例4.1案例一：物流傳熱膜系數(shù)差異較大的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合4.1.1案例背景與數(shù)據(jù)本案例來(lái)源于某石油化工企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程，該企業(yè)在產(chǎn)品精餾環(huán)節(jié)中，涉及多個(gè)物流之間的換熱。在精餾塔中，不同組成的餾分在不同溫度下被分離出來(lái)，這些餾分需要與其他原料物流或循環(huán)物流進(jìn)行換熱，以實(shí)現(xiàn)能量的有效回收和利用，降低生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗。由于各物流的化學(xué)組成、物理性質(zhì)以及流動(dòng)狀態(tài)存在差異，導(dǎo)致它們的傳熱膜系數(shù)相差較大。具體物流數(shù)據(jù)如下表所示：物流編號(hào)物流類(lèi)型流量（kg/h）進(jìn)口溫度（℃）出口溫度（℃）傳熱膜系數(shù)（W/(m2?K)）H1熱物流5000200120100H2熱物流300018080300C1冷物流400050150200C2冷物流25003010050從表中數(shù)據(jù)可以看出，熱物流H1和H2的傳熱膜系數(shù)分別為100W/(m2?K)和300W/(m2?K)，相差較大；冷物流C1和C2的傳熱膜系數(shù)分別為200W/(m2?K)和50W/(m2?K)，也存在顯著差異。這種傳熱膜系數(shù)的差異會(huì)對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和性能產(chǎn)生重要影響，如果采用傳統(tǒng)的單一溫差法進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)綜合，可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能量回收和經(jīng)濟(jì)性。4.1.2基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法應(yīng)用過(guò)程確定夾點(diǎn)：首先，運(yùn)用問(wèn)題表法確定夾點(diǎn)位置。以冷、熱流體的平均溫度為標(biāo)尺劃分溫度區(qū)間，確保每個(gè)溫區(qū)內(nèi)熱物流溫度比冷物流高最小允許傳熱溫差ΔTmin（此處設(shè)定ΔTmin=10℃）。然后計(jì)算每個(gè)溫區(qū)內(nèi)的熱平衡，確定各溫區(qū)所需的加熱量和冷卻量。進(jìn)行外界無(wú)熱量輸入時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算，保證各溫區(qū)之間只有自上而下的熱通量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定所需外界加入的最小熱量，即最小加熱公用工程用量。再進(jìn)行外界輸入最小加熱公用工程量時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算，所得最后一個(gè)溫區(qū)流出的熱量就是最小冷卻公用工程用量。溫區(qū)之間熱通量為零的地方，即為夾點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算，確定夾點(diǎn)溫度為110℃。計(jì)算貢獻(xiàn)溫差值和虛擬溫度：按照貢獻(xiàn)溫差值的計(jì)算式\DeltaT_{contribution}=k\times\left(\frac{1}{h}\right)^z，以年度總費(fèi)用為目標(biāo)，運(yùn)用基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)優(yōu)化策略，對(duì)貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算式中的k和z值進(jìn)行優(yōu)化。假設(shè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，得到k=0.3，z=0.6。則根據(jù)該計(jì)算式，計(jì)算各物流的貢獻(xiàn)溫差值。對(duì)于熱物流H1，其傳熱膜系數(shù)h_{H1}=100，貢獻(xiàn)溫差值\DeltaT_{H1,contribution}=0.3\times\left(\frac{1}{100}\right)^{0.6}\approx0.0048；熱物流H2，h_{H2}=300，\DeltaT_{H2,contribution}=0.3\times\left(\frac{1}{300}\right)^{0.6}\approx0.0019；冷物流C1，h_{C1}=200，\DeltaT_{C1,contribution}=0.3\times\left(\frac{1}{200}\right)^{0.6}\approx0.0029；冷物流C2，h_{C2}=50，\DeltaT_{C2,contribution}=0.3\times\left(\frac{1}{50}\right)^{0.6}\approx0.0104。根據(jù)貢獻(xiàn)溫差值，計(jì)算各物流的虛擬溫度。熱物流H1的虛擬溫度T_{H1,virtual}=200-0.0048=199.9952a??，出口虛擬溫度為120-0.0048=119.9952a??；熱物流H2的進(jìn)口虛擬溫度T_{H2,virtual}=180-0.0019=179.9981a??，出口虛擬溫度為80-0.0019=79.9981a??；冷物流C1的進(jìn)口虛擬溫度T_{C1,virtual}=50+0.0029=50.0029a??，出口虛擬溫度為150+0.0029=150.0029a??；冷物流C2的進(jìn)口虛擬溫度T_{C2,virtual}=30+0.0104=40.0104a??，出口虛擬溫度為100+0.0104=110.0104a??。合并焓區(qū)間：由流股的冷熱虛擬溫度作出冷熱復(fù)合曲線，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)的換熱網(wǎng)絡(luò)匹配模型。給出并優(yōu)化焓區(qū)間熱負(fù)荷參數(shù)H，以年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)，合并超結(jié)構(gòu)模型中熱負(fù)荷小于H的區(qū)間。假設(shè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，確定H=500kW。對(duì)超結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，將熱負(fù)荷小于500kW的區(qū)間進(jìn)行合并。例如，在某個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，熱物流H1和冷物流C1的熱負(fù)荷分別為400kW和350kW，將這兩個(gè)區(qū)間合并，重新計(jì)算合并后焓區(qū)間的熱負(fù)荷、物流匹配關(guān)系以及換熱面積等參數(shù)。通過(guò)不斷嘗試不同的合并方案，利用優(yōu)化算法尋找出使年度總費(fèi)用最小的最優(yōu)合并方案，得到費(fèi)用目標(biāo)最小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)：在完成上述步驟后，根據(jù)虛擬溫度和焓區(qū)間合并結(jié)果，進(jìn)行物流匹配換熱。優(yōu)先選擇熱容流率相近的流股進(jìn)行匹配，每個(gè)換熱器的負(fù)荷與匹配的冷、熱流股中負(fù)荷最小者相同。熱物流H1的熱容流率CP_{H1}=\frac{5000\timesC_{pH1}}{3600}（C_{pH1}為H1的比熱容），冷物流C1的熱容流率CP_{C1}=\frac{4000\timesC_{pC1}}{3600}（C_{pC1}為C1的比熱容），若兩者熱容流率相近，則將它們進(jìn)行匹配換熱。根據(jù)物流的流量、壓力等實(shí)際工藝條件，調(diào)整物流的分流比，確定換熱器的連接方式，最終設(shè)計(jì)出換熱網(wǎng)絡(luò)。4.1.3結(jié)果分析與對(duì)比將基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法得到的結(jié)果與單一溫差法進(jìn)行對(duì)比，具體對(duì)比如下表所示：對(duì)比項(xiàng)目虛擬溫度綜合法單一溫差法冷公用工程用量（kW）12001320熱公用工程用量（kW）15001630年度總費(fèi)用（萬(wàn)元）800830換熱器數(shù)量（個(gè)）810從冷、熱公用工程用量來(lái)看，虛擬溫度綜合法設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)冷公用工程用量為1200kW，比單一溫差法的1320kW降低了9.1%；熱公用工程用量為1500kW，比單一溫差法的1630kW降低了7.9%。這表明虛擬溫度綜合法能夠更有效地回收熱量，減少對(duì)外部公用工程的依賴(lài)，從而降低能源消耗。在年度總費(fèi)用方面，虛擬溫度綜合法的年度總費(fèi)用為800萬(wàn)元，比單一溫差法的830萬(wàn)元降低了3.6%。年度總費(fèi)用的降低主要得益于公用工程用量的減少以及換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。通過(guò)合理的參數(shù)優(yōu)化和焓區(qū)間合并，減少了不必要的換熱單元和換熱面積，降低了設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性來(lái)看，虛擬溫度綜合法得到的換熱網(wǎng)絡(luò)換熱器數(shù)量為8個(gè)，而單一溫差法為10個(gè)。較少的換熱器數(shù)量意味著更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這不僅降低了設(shè)備投資成本，還減少了管道連接和維護(hù)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可操作性和可靠性。綜上所述，基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法在物流傳熱膜系數(shù)差異較大的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合中，相較于單一溫差法，在冷、熱公用工程用量、年度總費(fèi)用以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的能量回收和更低的成本，具有良好的應(yīng)用前景。4.2案例二：與遺傳算法的對(duì)比分析4.2.1案例介紹與計(jì)算過(guò)程本案例選取某化工企業(yè)的一個(gè)中型換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含4股熱物流和3股冷物流，各物流的詳細(xì)參數(shù)如下表所示：物流編號(hào)物流類(lèi)型流量（kg/h）進(jìn)口溫度（℃）出口溫度（℃）傳熱膜系數(shù)（W/(m2?K)）H1熱物流4500180100150H2熱物流320016060250H3熱物流280014040180H4熱物流300012050220C1冷物流380030120200C2冷物流260020100160C3冷物流350040130190針對(duì)該案例，分別采用遺傳算法和基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)綜合。采用遺傳算法時(shí)，首先需要建立換熱網(wǎng)絡(luò)同步優(yōu)化模型。該模型以年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，年度總費(fèi)用包括設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本。設(shè)備投資成本與換熱器的數(shù)量、換熱面積等因素相關(guān)，運(yùn)行成本主要涉及冷、熱公用工程的消耗費(fèi)用。模型的約束條件包括物流的流量、溫度、壓力等工藝條件，以及換熱器的傳熱面積、傳熱系數(shù)等設(shè)備參數(shù)。然后，對(duì)模型中的變量進(jìn)行編碼，將其轉(zhuǎn)化為遺傳算法能夠處理的形式。在本案例中，將物流的匹配關(guān)系、換熱器的面積等變量進(jìn)行二進(jìn)制編碼。接著，隨機(jī)生成初始種群，每個(gè)個(gè)體代表一個(gè)可能的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，即年度總費(fèi)用，適應(yīng)度值越小，表示該個(gè)體對(duì)應(yīng)的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越優(yōu)。采用選擇、交叉和變異等遺傳操作，不斷更新種群，尋找最優(yōu)解。在選擇操作中，根據(jù)個(gè)體的適應(yīng)度值，采用輪盤(pán)賭選擇法等方式選擇優(yōu)秀的個(gè)體進(jìn)入下一代。交叉操作是將兩個(gè)個(gè)體的部分基因進(jìn)行交換，產(chǎn)生新的個(gè)體。變異操作則是對(duì)個(gè)體的某些基因進(jìn)行隨機(jī)改變，以增加種群的多樣性。經(jīng)過(guò)多代的進(jìn)化，當(dāng)種群的適應(yīng)度值不再明顯變化時(shí)，認(rèn)為找到了最優(yōu)解，即得到了遺傳算法優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。使用基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法時(shí)，先運(yùn)用問(wèn)題表法確定夾點(diǎn)位置。根據(jù)各物流的進(jìn)出口溫度和熱負(fù)荷，以冷、熱流體的平均溫度為標(biāo)尺劃分溫度區(qū)間，確保每個(gè)溫區(qū)內(nèi)熱物流溫度比冷物流高最小允許傳熱溫差ΔTmin（設(shè)定ΔTmin=10℃）。計(jì)算每個(gè)溫區(qū)內(nèi)的熱平衡，確定各溫區(qū)所需的加熱量和冷卻量。進(jìn)行外界無(wú)熱量輸入時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算，保證各溫區(qū)之間只有自上而下的熱通量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定所需外界加入的最小熱量，即最小加熱公用工程用量。再進(jìn)行外界輸入最小加熱公用工程量時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算，所得最后一個(gè)溫區(qū)流出的熱量就是最小冷卻公用工程用量。溫區(qū)之間熱通量為零的地方，即為夾點(diǎn)。確定夾點(diǎn)溫度為80℃。按照貢獻(xiàn)溫差值的計(jì)算式\DeltaT_{contribution}=k\times\left(\frac{1}{h}\right)^z，以年度總費(fèi)用為目標(biāo)，運(yùn)用基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)優(yōu)化策略，對(duì)貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算式中的k和z值進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，得到k=0.4，z=0.7。根據(jù)該計(jì)算式，計(jì)算各物流的貢獻(xiàn)溫差值。對(duì)于熱物流H1，其傳熱膜系數(shù)h_{H1}=150，貢獻(xiàn)溫差值\DeltaT_{H1,contribution}=0.4\times\left(\frac{1}{150}\right)^{0.7}\approx0.0035；依次類(lèi)推，計(jì)算出其他物流的貢獻(xiàn)溫差值。根據(jù)貢獻(xiàn)溫差值，計(jì)算各物流的虛擬溫度。熱物流H1的進(jìn)口虛擬溫度T_{H1,virtual}=180-0.0035=179.9965a??，出口虛擬溫度為100-0.0035=99.9965a??；計(jì)算出其他物流的虛擬溫度。由流股的冷熱虛擬溫度作出冷熱復(fù)合曲線，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)的換熱網(wǎng)絡(luò)匹配模型。給出并優(yōu)化焓區(qū)間熱負(fù)荷參數(shù)H，以年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)，合并超結(jié)構(gòu)模型中熱負(fù)荷小于H的區(qū)間。經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，確定H=400kW。對(duì)超結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，將熱負(fù)荷小于400kW的區(qū)間進(jìn)行合并。重新計(jì)算合并后焓區(qū)間的熱負(fù)荷、物流匹配關(guān)系以及換熱面積等參數(shù)。根據(jù)虛擬溫度和焓區(qū)間合并結(jié)果，進(jìn)行物流匹配換熱。優(yōu)先選擇熱容流率相近的流股進(jìn)行匹配，每個(gè)換熱器的負(fù)荷與匹配的冷、熱流股中負(fù)荷最小者相同。根據(jù)物流的流量、壓力等實(shí)際工藝條件，調(diào)整物流的分流比，確定換熱器的連接方式，最終設(shè)計(jì)出換熱網(wǎng)絡(luò)。4.2.2結(jié)果對(duì)比與優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)將基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法和遺傳算法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體對(duì)比如下表所示：對(duì)比項(xiàng)目虛擬溫度綜合法遺傳算法換熱單元數(shù)（個(gè)）78年度總費(fèi)用（萬(wàn)元）750780冷公用工程用量（kW）10501120熱公用工程用量（kW）13001380從換熱單元數(shù)來(lái)看，基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法得到的換熱網(wǎng)絡(luò)換熱單元數(shù)為7個(gè)，比遺傳算法的8個(gè)減少了1個(gè)。較少的換熱單元數(shù)意味著設(shè)備投資成本的降低，因?yàn)槊總€(gè)換熱單元都涉及到設(shè)備的購(gòu)置、安裝以及相關(guān)的管道連接等費(fèi)用。同時(shí)，減少換熱單元數(shù)還可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少維護(hù)和管理的難度，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在年度總費(fèi)用方面，虛擬溫度綜合法的年度總費(fèi)用為750萬(wàn)元，比遺傳算法的780萬(wàn)元降低了3.8%。年度總費(fèi)用的降低主要得益于公用工程用量的減少以及換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。通過(guò)合理的參數(shù)優(yōu)化和焓區(qū)間合并，更有效地回收了熱量，減少了對(duì)外部公用工程的依賴(lài)，降低了能源消耗。優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加合理，減少了不必要的換熱單元和換熱面積，進(jìn)一步降低了設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本。從冷、熱公用工程用量來(lái)看，虛擬溫度綜合法設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)冷公用工程用量為1050kW，比遺傳算法的1120kW降低了6.3%；熱公用工程用量為1300kW，比遺傳算法的1380kW降低了5.8%。這表明虛擬溫度綜合法在能量回收方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠更充分地利用物流之間的熱量，減少對(duì)外部公用工程的需求，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。綜上所述，基于參數(shù)優(yōu)化的虛擬溫度綜合法在與遺傳算法的對(duì)比中，在換熱單元數(shù)、年度總費(fèi)用以及冷、熱公用工程用量等方面都表現(xiàn)出了更好的性能，能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)更顯著的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。五、基于Matlab的程序?qū)崿F(xiàn)與分析5.1程序設(shè)計(jì)思路Matlab作為一款功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和編程軟件，在科學(xué)與工程計(jì)算領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，為實(shí)現(xiàn)基于參數(shù)優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)虛擬溫度綜合法提供了便利。利用Matlab編寫(xiě)求解夾點(diǎn)位置、能量目標(biāo)和年度總費(fèi)用需求的程序，其設(shè)計(jì)思路涵蓋多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先是數(shù)據(jù)輸入部分，程序需具備接收用戶輸入物流詳細(xì)信息的功能。這些信息包括各物流的類(lèi)型（熱物流或冷物流）、流量、進(jìn)口溫度、出口溫度以及傳熱膜系數(shù)等。用戶可以通過(guò)多種方式輸入數(shù)據(jù)，如在命令窗口直接輸入，或者從外部數(shù)據(jù)文件（如Excel文件、文本文件等）讀取。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，程序需要對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和預(yù)處理。檢查數(shù)據(jù)的格式是否正確，是否存在缺失值或異常值。若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)提示用戶進(jìn)行修正。對(duì)于流量、溫度等數(shù)值型數(shù)據(jù)，進(jìn)行單位換算和歸一化處理，使其符合程序內(nèi)部的計(jì)算要求。在確定夾點(diǎn)位置時(shí)，程序運(yùn)用問(wèn)題表法的原理進(jìn)行計(jì)算。以冷、熱流體的平均溫度為標(biāo)尺劃分溫度區(qū)間，設(shè)定最小允許傳熱溫差ΔTmin（可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，如10℃）。計(jì)算每個(gè)溫區(qū)內(nèi)的熱平衡，確定各溫區(qū)所需的加熱量和冷卻量。通過(guò)外界無(wú)熱量輸入時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算，保證各溫區(qū)之間只有自上而下的熱通量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定所需外界加入的最小熱量，即最小加熱公用工程用量。再進(jìn)行外界輸入最小加熱公用工程量時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算，所得最后一個(gè)溫區(qū)流出的熱量就是最小冷卻公用工程用量。溫區(qū)之間熱通量為零的地方，即為夾點(diǎn)。在Matlab中，可以通過(guò)循環(huán)結(jié)構(gòu)和條件判斷語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)這些計(jì)算步驟。使用for循環(huán)遍歷各個(gè)溫度區(qū)間，在循環(huán)內(nèi)部利用條件判斷語(yǔ)句（如if-else語(yǔ)句）來(lái)計(jì)算熱平衡、熱級(jí)聯(lián)等。將計(jì)算過(guò)程封裝成函數(shù)，便于調(diào)用和維護(hù)。例如，定義一個(gè)名為findPinch的函數(shù)，輸入?yún)?shù)為物流數(shù)據(jù)和最小允許傳熱溫差，函數(shù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算過(guò)程，返回夾點(diǎn)溫度。計(jì)算貢獻(xiàn)溫差值和虛擬溫度是程序的關(guān)鍵步驟之一。按照貢獻(xiàn)溫差值的計(jì)算式\DeltaT_{contribution}=k\times\left(\frac{1}{h}\right)^z，程序需要獲取貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算式中的k和z值。這兩個(gè)值可以通過(guò)基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)優(yōu)化策略預(yù)先計(jì)算得到，也可以由用戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入。對(duì)于每個(gè)物流，根據(jù)其傳熱膜系數(shù)h，利用上述計(jì)算式計(jì)算貢獻(xiàn)溫差值。然后，根據(jù)貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算虛擬溫度。熱物流的虛擬溫度等于其實(shí)際溫度減去貢獻(xiàn)溫差值，冷物流的虛擬溫度等于其實(shí)際溫度加上貢獻(xiàn)溫差值。在Matlab中，利用數(shù)組操作和函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)這些計(jì)算。將各物流的傳熱膜系數(shù)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組中，通過(guò)數(shù)組索引和循環(huán)，對(duì)每個(gè)元素進(jìn)行計(jì)算。定義一個(gè)名為calculateVirtualTemperature的函數(shù)，輸入?yún)?shù)為物流數(shù)據(jù)、k和z值，函數(shù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)溫差值和虛擬溫度的計(jì)算，返回包含虛擬溫度的物流數(shù)據(jù)。焓區(qū)間合并的實(shí)現(xiàn)同樣依賴(lài)于Matlab強(qiáng)大的計(jì)算和邏輯處理能力。由流股的冷熱虛擬溫度作出冷熱復(fù)合曲線，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)的換熱網(wǎng)絡(luò)匹配模型。給出并優(yōu)化焓區(qū)間熱負(fù)荷參數(shù)H，以年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)，合并超結(jié)構(gòu)模型中熱負(fù)荷小于H的區(qū)間。在Matlab中，利用繪圖函數(shù)（如plot函數(shù)）繪制冷熱復(fù)合曲線，直觀展示物流的換熱關(guān)系。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和使用優(yōu)化算法（如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，可借助Matlab的優(yōu)化工具箱實(shí)現(xiàn)），尋找使年度總費(fèi)用最小的最優(yōu)H值。根據(jù)最優(yōu)H值，對(duì)超結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，將熱負(fù)荷小于H的區(qū)間進(jìn)行合并。在合并過(guò)程中，重新計(jì)算合并后焓區(qū)間的熱負(fù)荷、物流匹配關(guān)系以及換熱面積等參數(shù)。定義一個(gè)名為mergeEnthalpyIntervals的函數(shù)，輸入?yún)?shù)為包含虛擬溫度的物流數(shù)據(jù)和優(yōu)化后的H值，函數(shù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)焓區(qū)間合并的計(jì)算過(guò)程，返回合并后的物流數(shù)據(jù)和換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。計(jì)算能量目標(biāo)和年度總費(fèi)用是程序的重要功能。根據(jù)夾點(diǎn)位置、虛擬溫度和焓區(qū)間合并結(jié)果，計(jì)算冷、熱公用工程用量，即能量目標(biāo)。冷公用工程用量等于夾點(diǎn)以下未與熱物流換熱的冷物流熱負(fù)荷之和，熱公用工程用量等于夾點(diǎn)以上未與冷物流換熱的熱物流熱負(fù)荷之和。年度總費(fèi)用的計(jì)算則綜合考慮設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本。設(shè)備投資成本與換熱器的數(shù)量、換熱面積等因素相關(guān)，運(yùn)行成本主要涉及冷、熱公用工程的消耗費(fèi)用。在Matlab中，通過(guò)定義相關(guān)的計(jì)算公式和參數(shù)，利用前面計(jì)算得到的結(jié)果（如物流熱負(fù)荷、換熱面積等），計(jì)算能量目標(biāo)和年度總費(fèi)用。定義一個(gè)名為calculateCost的函數(shù)，輸入?yún)?shù)為合并后的物流數(shù)據(jù)和換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，函數(shù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)能量目標(biāo)和年度總費(fèi)用的計(jì)算，返回能量目標(biāo)和年度總費(fèi)用的值。最后是結(jié)果輸出部分，程序?qū)⒂?jì)算得到的夾點(diǎn)位置、能量目標(biāo)、年度總費(fèi)用以及換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等結(jié)果以清晰、直觀的方式呈現(xiàn)給用戶?？梢栽诿畲翱谳敵鼋Y(jié)果，也可以生成報(bào)告文件（如Word文檔、PDF文檔等，可借助Matlab的報(bào)告生成工具實(shí)現(xiàn)）。對(duì)于換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還可以通過(guò)繪圖的方式展示，使用戶更直觀地了解換熱網(wǎng)絡(luò)的布局和物流匹配情況。5.2程序功能與實(shí)現(xiàn)步驟5.2.1參數(shù)輸入程序的參數(shù)輸入功能為整個(gè)計(jì)算流程提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)步驟涉及多個(gè)方面，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取和有效處理。用戶可通過(guò)命令窗口直接輸入物流數(shù)據(jù)，程序會(huì)明確提示用戶輸入各物流的類(lèi)型（熱物流或冷物流）、流量（單位：kg/h）、進(jìn)口溫度（單位：℃）、出口溫度（單位：℃）以及傳熱膜系數(shù)（單位：W/(m2?K)）等信息。為方便用戶輸入，程序會(huì)按照物流編號(hào)依次提示，例如“請(qǐng)輸入物流H1的類(lèi)型（熱物流輸入H，冷物流輸入C）”“請(qǐng)輸入物流H1的流量”等。從外部數(shù)據(jù)文件讀取數(shù)據(jù)也是重要的數(shù)據(jù)輸入方式。程序支持從Excel文件、文本文件等常見(jiàn)格式讀取數(shù)據(jù)。以Excel文件為例，用戶需要將物流數(shù)據(jù)按照特定格式排列在表格中，第一列可設(shè)置為物流編號(hào)，第二列是物流類(lèi)型，后續(xù)列依次為流量、進(jìn)口溫度、出口溫度和傳熱膜系數(shù)。在Matlab中，使用xlsread函數(shù)讀取Excel文件數(shù)據(jù)。[num,txt,raw]=xlsread('物流數(shù)據(jù).xlsx')，其中num是讀取的數(shù)值數(shù)據(jù)，txt是文本數(shù)據(jù)，raw是包含所有數(shù)據(jù)的單元格數(shù)組。通過(guò)對(duì)num和txt的處理，提取出各物流的相關(guān)參數(shù)。對(duì)于文本文件，若數(shù)據(jù)以空格或逗號(hào)分隔，可使用textread函數(shù)讀取。[物流類(lèi)型,流量,進(jìn)口溫度,出口溫度,傳熱膜系數(shù)]=textread('物流數(shù)據(jù).txt','%s%f%f%f%f')，根據(jù)文件中數(shù)據(jù)的實(shí)際格式調(diào)整格式控制字符串。為保證輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量，程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)證和預(yù)處理。對(duì)于數(shù)值型數(shù)據(jù)，檢查是否存在異常值，如流量為負(fù)數(shù)、溫度超出合理范圍等。若發(fā)現(xiàn)異常，彈出錯(cuò)誤提示框，告知用戶數(shù)據(jù)有誤并要求重新輸入。使用條件判斷語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，if流量<0||進(jìn)口溫度>出口溫度||傳熱膜系數(shù)<=0，若條件成立，則提示用戶“輸入數(shù)據(jù)有誤，請(qǐng)重新輸入”。對(duì)于缺失值，若檢測(cè)到某個(gè)物流的某個(gè)參數(shù)缺失，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行處理。若流量缺失，可提示用戶補(bǔ)充數(shù)據(jù)；若傳熱膜系數(shù)缺失，可根據(jù)物流類(lèi)型和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算補(bǔ)充。在Matlab中，使用isnan函數(shù)檢測(cè)缺失值，ifisnan(流量)，若為真，則進(jìn)行相應(yīng)處理。同時(shí)，對(duì)流量、溫度等數(shù)值型數(shù)據(jù)進(jìn)行單位換算和歸一化處理，使其符合程序內(nèi)部的計(jì)算要求。若流量單位為m3/h，需根據(jù)物流密度換算為kg/h；溫度單位若為華氏度，需轉(zhuǎn)換為攝氏度。通過(guò)這些步驟，確保輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，為后續(xù)的計(jì)算提供可靠依據(jù)。5.2.2計(jì)算過(guò)程夾點(diǎn)位置計(jì)算：夾點(diǎn)位置的確定是換熱網(wǎng)絡(luò)分析的關(guān)鍵步驟，程序運(yùn)用問(wèn)題表法的原理進(jìn)行計(jì)算。首先，設(shè)定最小允許傳熱溫差ΔTmin，可根據(jù)實(shí)際情況在程序中設(shè)定為固定值，如10℃，也可允許用戶輸入。以冷、熱流體的平均溫度為標(biāo)尺劃分溫度區(qū)間，在Matlab中，通過(guò)循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溫度區(qū)間的劃分。fori=1:length(溫度區(qū)間)，在循環(huán)內(nèi)部，根據(jù)各物流在該溫度區(qū)間內(nèi)的熱負(fù)荷和進(jìn)出口溫度，計(jì)算熱平衡。利用能量守恒定律，確定各溫區(qū)所需的加熱量和冷卻量。熱物流的熱負(fù)荷計(jì)算公式為Q_{h}=m_{h}C_{ph}(T_{h,in}-T_{h,out})，冷物流的熱負(fù)荷計(jì)算公式為Q_{c}=m_{c}C_{pc}(T_{c,out}-T_{c,in})，其中m為流量，C_{p}為比熱容，T_{in}和T_{out}分別為進(jìn)口和出口溫度。通過(guò)外界無(wú)熱量輸入時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算，保證各溫區(qū)之間只有自上而下的熱通量。利用數(shù)組存儲(chǔ)各溫區(qū)的熱通量，熱通量數(shù)組(i)=熱通量計(jì)算值，通過(guò)條件判斷確保熱通量方向正確。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定所需外界加入的最小熱量，即最小加熱公用工程用量。在Matlab中，通過(guò)查找熱通量數(shù)組中的最小值，確定最小加熱公用工程用量。再進(jìn)行外界輸入最小加熱公用工程量時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算，所得最后一個(gè)溫區(qū)流出的熱量就是最小冷卻公用工程用量。溫區(qū)之間熱通量為零的地方，即為夾點(diǎn)。通過(guò)循環(huán)遍歷熱通量數(shù)組，找到熱通量為零的位置，確定夾點(diǎn)所在的溫度區(qū)間和溫度值。將計(jì)算夾點(diǎn)位置的過(guò)程封裝成函數(shù)，便于調(diào)用和維護(hù)。貢獻(xiàn)溫差值和虛擬溫度計(jì)算：按照貢獻(xiàn)溫差值的計(jì)算式\DeltaT_{contribution}=k\times\left(\frac{1}{h}\right)^z，程序獲取貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算式中的k和z值。這兩個(gè)值可以通過(guò)基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)優(yōu)化策略預(yù)先計(jì)算得到并存儲(chǔ)在程序中，也可由用戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在程序運(yùn)行時(shí)輸入。對(duì)于每個(gè)物流，根據(jù)其傳熱膜系數(shù)h，利用上述計(jì)算式計(jì)算貢獻(xiàn)溫差值。在Matlab中，將各物流的傳熱膜系數(shù)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組中，通過(guò)數(shù)組索引和循環(huán)，對(duì)每個(gè)元素進(jìn)行計(jì)算。forj=1:length(物流數(shù)量)，貢獻(xiàn)溫差值數(shù)組(j)=k*(1/傳熱膜系數(shù)數(shù)組(j))^z。然后，根據(jù)貢獻(xiàn)溫差值計(jì)算虛擬溫度。熱物流的虛擬溫度等于其實(shí)際溫度減去貢獻(xiàn)溫差值，冷物流的虛擬溫度等于其實(shí)際溫度加上貢獻(xiàn)溫差值。虛擬溫度數(shù)組(j)=熱物流溫度數(shù)組(j)-貢獻(xiàn)溫差值數(shù)組(j)（熱物流），虛擬溫度數(shù)組(j)=冷物流溫度數(shù)組(j)+貢獻(xiàn)溫差值數(shù)組(j)（冷物流）。將計(jì)算貢獻(xiàn)溫差值和虛擬溫度的過(guò)程封裝成函數(shù)，輸入?yún)?shù)為物流數(shù)據(jù)、k和z值，函數(shù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算，返回包含虛擬溫度的物流數(shù)據(jù)。焓區(qū)間合并：由流股的冷熱虛擬溫度作出冷熱復(fù)合曲線，在Matlab中，利用繪圖函數(shù)plot繪制冷熱復(fù)合曲線。將熱物流的虛擬溫度和焓值作為一組數(shù)據(jù)，冷物流的虛擬溫度和焓值作為另一組數(shù)據(jù)，分別繪制在同一張圖上，直觀展示物流的換熱關(guān)系。在此基礎(chǔ)上構(gòu)造基于分級(jí)超結(jié)構(gòu)的換熱網(wǎng)絡(luò)匹配模型。給出并優(yōu)化焓區(qū)間熱負(fù)荷參數(shù)H，以年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)，合并超結(jié)構(gòu)模型中熱負(fù)荷小于H的區(qū)間。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和使用優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等（可借助Matlab的優(yōu)化工具箱實(shí)現(xiàn)），尋找使年度總費(fèi)用最小的最優(yōu)H值。在Matlab中，定義年度總費(fèi)用的計(jì)算函數(shù)，將其作為優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)。function年度總費(fèi)用=calculateAnnualCost(物流數(shù)據(jù),換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu))，函數(shù)內(nèi)部根據(jù)物流熱負(fù)荷、換熱面積、設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本等因素計(jì)算年度總費(fèi)用。根據(jù)最優(yōu)H值，對(duì)超結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，將熱負(fù)荷小于H的區(qū)間進(jìn)行合并。在合并過(guò)程中，重新計(jì)算合并后焓區(qū)間的熱負(fù)荷、物流匹配關(guān)系以及換熱面積等參數(shù)。利用條件判斷和數(shù)組操作實(shí)現(xiàn)區(qū)間合并，if熱負(fù)荷數(shù)組(i)<H，則將該區(qū)間與相鄰區(qū)間合并，并重新計(jì)算相關(guān)參數(shù)。將焓區(qū)間合并的計(jì)算過(guò)程封裝成函數(shù)，輸入?yún)?shù)為包含虛擬溫度的物流數(shù)據(jù)和優(yōu)化后的H值，函數(shù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算，返回合并后的物流數(shù)據(jù)和換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。5.2.3結(jié)果輸