[发明专利]一种包含相变流股的换热网络优化设计方法

说明书

一种包含相变流股的换热网络优化设计方法，属于工业热交换网络的设计领域。步骤：1)提取流股的工艺参数和物性数据；2)判断流股类型；3)根据相变流股温焓图特征，将相变流股分为多个区间，分别确定每个区间的热容流率；4)建立混合整数非线性规划模型：混合整数非线性规划模型包括目标函数、流股热平衡约束、每一级热平衡约束、公用工程热平衡约束、换热量边界约束、温差约束和温度可行性约束；5)初始化模型参数；6)根据步骤4)建立的混合整数非线性规划模型和步骤5)初始化后的模型参数，求解该优化问题的模型获得优化设计后的换热网络。能实现相变换热网络优化设计，以便提升工业过程能量利用率，降低工业过程生产成本，节能降耗。

技术领域

本发明属于工业热交换网络的设计领域，特别是涉及一种包含相变流股的换热网络优化设计方法。

背景技术

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。随着世界经济的快速发展与人口数量的增加，能源短缺已成为制约经济发展与人民生活水平的重要因素。工业过程换热网络优化设计是实现能源节约的重要途径，该过程通过冷热流股之间的合理匹配，尽最大可能实现系统内部能量回收，然后利用公用工程系统确保整个生产过程中所有流股的换热需求，最终形成换热网络。因此，换热网络优化设计有利于提高能量利用率，降低生产成本，具有重要意义。

相变是工业过程中一种常见的传热形式，可分为等温相变与非等温相变两种类型，其现象广泛存在于石化、化工、气体加工、低温及深冷等典型工业过程的流股换热中。然而，流股相变过程通常伴随着其热容变化甚至突变，这导致相变流股的焓变在换热网络优化设计中难以描述。现有技术中，换热网络优化设计通常采用流股的热容恒定不变这一假设来描述相变流股的焓变，该假设易导致换热网络的优化设计结果与工业实际偏差较大，甚至可能导致所设计的换热网络无法满足实际过程的换热需求。而目前国内外尚未报道包含等温相变和非等温相变流股的换热网络优化设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供可同时处理等温相变流股与非等温相变流股，实现相变换热网络优化，进而提高能量利用率，降低工业过程生产成本，节能降耗的一种包含相变流股的换热网络优化设计方法。

本发明包括以下步骤：

1)提取流股的工艺参数和物性数据：流股分为工艺流股与公用工程流股，工艺参数和物性数据包括流股的进出口温度、传热系数、质量流率、焓及其比热容；

2)判断流股类型：流股包括相变流股和非相变流股两种类型，其中相变流股分为等温相变流股和非等温相变流股；

3)将相变流股分段：根据相变流股温焓图特征，将相变流股分为多个区间，分别确定每个区间的热容流率；

4)建立混合整数非线性规划模型：混合整数非线性规划模型包括目标函数、流股热平衡约束、每一级热平衡约束、公用工程热平衡约束、换热量边界约束、温差约束和温度可行性约束；

5)初始化模型参数：初始化模型参数包括最小传热温差、换热网络级数、换热器最大允许换热量、换热器与公用工程费用参数；

6)根据步骤4)所建立的混合整数非线性规划模型和步骤5)初始化后的模型参数，求解该优化问题的模型获得优化设计后的换热网络。

在步骤3)中，所述将相变流股分为多个区间分别对应气相区、气液两相区和液相区，热容在这些区间中可视为不同常数；

对于等温相变流股的两相区的等效热容由以下公式定义：

式中，C^e代表流股两相区的等效热容，Q_λ代表流股的相变焓，M代表流股的质量流率。

在步骤4)中，所述目标函数为：