考慮污垢影響的換熱器網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化研究進(jìn)展

張艷禹 ， 張芳軍 ， 陳鵬鵬

(惠生工程(中國)有限公司 ， 河南 鄭州450018)

摘要：在化工生產(chǎn)中，換熱器存在普遍結(jié)垢現(xiàn)象，這給生產(chǎn)和操作帶來了一定的損失。通過定期清洗換熱設(shè)備，能夠有效地減少損失。本文首先對換熱設(shè)備表面結(jié)垢及應(yīng)對方法進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地概述了國內(nèi)外換熱器網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化的研究進(jìn)展及其應(yīng)用情況，并且對現(xiàn)有的求解方法及開發(fā)軟件進(jìn)行對比分析。最后針對目前研究狀況，本文提出了幾點(diǎn)展望。

關(guān)鍵詞：換熱器網(wǎng)絡(luò) ； 清洗時序 ； 優(yōu)化

中圖分類號：TQ050.2

收稿日期：2015-01-16

作者簡介：張艷禹(1964-)，男，高級工程師，從事化工設(shè)計(jì)工作；聯(lián)系作者：張芳軍(1975-)，工程師，從事化工工藝設(shè)計(jì)工作，電話：13526674038。

Research Progress of Heat Exchanger Network Cleaning Timing

Optimization Which Considering the Effect of Fouling

ZHANG Yanyu , ZHANG Fangjun , CHEN Pengpeng

(Vison Engineering China Co.Ltd , Zhengzhou450018 , China)

Abstract:The heat exchanger surface scaling and its countmeasures are introduced.On the basis,the research progress and its application situation of heat exchanger network cleaming timing optimization at home and aboard are system summarized,the existing solving method and developing software are contrastive analysised.Finally,according to the present research status,some prospect are point out.

Key words:heat exchanger network ; cleaning timing ; optimization

0引言

換熱器是食品及化工生產(chǎn)中常用的換熱設(shè)備。據(jù)調(diào)查，目前九成以上的換熱器存在不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象。污垢的沉積降低了換熱設(shè)備的傳熱性能，夏新民[1]曾對此進(jìn)行估算：當(dāng)換熱面的污垢達(dá)到2 mm厚時，設(shè)備的傳熱性能將比潔凈狀態(tài)降低30%。此外污垢的存在增加了流體流動的阻力，導(dǎo)致泵和風(fēng)機(jī)的功率能耗增加。為了降低由污垢造成的損失，需要定期對設(shè)備進(jìn)行清洗來去除污垢。

目前，針對單個換熱器的清洗時序的研究比較成熟，單個設(shè)備的最優(yōu)清洗時序可以通過確定性的、統(tǒng)計(jì)學(xué)的最優(yōu)控制的方法獲得。但是對于換熱網(wǎng)絡(luò)而言，各個換熱器通過流股相互關(guān)聯(lián)，當(dāng)一個換熱器離線清洗，網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)型將發(fā)生變化，各換熱器的熱負(fù)荷就會被重新分配，那么其它換熱器甚至整個網(wǎng)絡(luò)的換熱也將會受到影響，這會導(dǎo)致公用工程的消耗增加，產(chǎn)品的質(zhì)量下降。對連續(xù)過程而言，工廠由于清洗導(dǎo)致的停車所造成的減產(chǎn)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于清洗費(fèi)用本身。因此，針對換熱網(wǎng)絡(luò)，什么時間對哪臺換熱器清洗是一個很復(fù)雜的時序優(yōu)化問題，需要在清洗費(fèi)用、公用工程消耗和清洗導(dǎo)致的產(chǎn)品損失之間進(jìn)行權(quán)衡[2]。

目前，針對換熱器網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，下面將從三個層次進(jìn)行描述：①換熱設(shè)備結(jié)垢及清洗方法研究；②換熱器網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化數(shù)學(xué)模型描述及其應(yīng)用；③解算方法及現(xiàn)有開發(fā)軟件概述。

1換熱設(shè)備結(jié)垢及清洗方法

1.1換熱設(shè)備結(jié)垢研究

不潔凈的氣體或液體流經(jīng)傳熱表面逐漸積聚形成的固體層即為污垢。按照污垢形成過程，液體傳熱表面污垢主要分為：飽和液體中無機(jī)鹽在換熱表面析出的結(jié)晶污垢、重力作用懸浮顆粒在固體表面聚集的微粒污垢、化學(xué)反應(yīng)生成物形成的污垢、換熱器材料參與化學(xué)反應(yīng)形成的腐蝕污垢、微生物附著在換熱面上形成的生物污垢以及高濃度的液體在過冷換熱面上形成的凝固污垢等[3]。在換熱器表面，可能同時存在多種污垢。影響污垢形成的因素很多，不僅包括流體本身的性質(zhì)、實(shí)際工況的操作條件，還包含換熱器的材質(zhì)、構(gòu)型等。

雖然對污垢的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是由于缺乏污垢生長的特性數(shù)據(jù)，并且研究者對污垢形成的起始和老化階段某些機(jī)制不是很清楚，目前很難提出一個具有普適性并且能夠精確表征污垢特性的理論模型，面對換熱器及換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，通常使用一些經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型。這些模型是在一定的簡化假定下，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)提出的。

常見的經(jīng)驗(yàn)型污垢模型有線性增長模型、降率模型和漸近線型增長模型，如圖1中線1、2和3所示。目前工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中遇到的污垢大多數(shù)呈漸進(jìn)線型增長[4]。

1.2換熱設(shè)備清洗方法研究

常用的換熱設(shè)備清洗方法有：機(jī)械清洗和化學(xué)清洗?；瘜W(xué)清洗也叫做溶劑清洗，針對不同的污垢組成，清洗液的組成可能是除垢劑、酸或酶?；瘜W(xué)清洗利用泵將清洗液打入換熱器內(nèi)，幾次循環(huán)之后，再用清水沖洗換熱器的內(nèi)管和殼層。機(jī)械清洗是利用機(jī)械沖擊力來去除污垢的方法，通常采用高壓水槍或者高壓蒸汽噴射實(shí)現(xiàn)。機(jī)械清洗與化學(xué)清洗各有利弊，如表1所示。對換熱器進(jìn)行清洗時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況具體選擇。

圖1　污垢隨時間變化曲線

換熱設(shè)備清洗方法機(jī)械清洗化學(xué)清洗利可以除去化學(xué)清洗不能除去的硬質(zhì)污垢鋼材損耗少清洗時可以對損壞的換熱器進(jìn)行修補(bǔ)不用拆開設(shè)備清洗均勻一致勞動強(qiáng)度小,費(fèi)用少弊需將換熱器拆開耗時長費(fèi)用高不能用于換熱器內(nèi)堵塞的情況需要對清洗液進(jìn)行處理當(dāng)清洗液選擇不合適時會腐蝕鋼管

2換熱器網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

換熱網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化通常被設(shè)計(jì)成一個混合整數(shù)規(guī)劃問題：采用0-1變量表示設(shè)備處于操作或者清洗的狀態(tài)，在系統(tǒng)運(yùn)行期間以操作費(fèi)用最小或系統(tǒng)運(yùn)行周期最長為目標(biāo)函數(shù)，通過動態(tài)模擬換熱器網(wǎng)絡(luò)各臺設(shè)備的運(yùn)行，建立NLP/MINLP數(shù)學(xué)模型。

研究初期，Smaili[5]通過對工廠一段時間內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得換熱器污垢生長的線性模型，由于各臺換熱器結(jié)垢程度不同，定性地選擇需要清洗的換熱器。生產(chǎn)過程中，當(dāng)換熱器網(wǎng)絡(luò)中某一臺換熱器清洗時，通過增加加熱蒸汽的用量來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。根據(jù)加熱溫度不同，選用不同等級的熱源。最后以加熱蒸汽的用量最小為目標(biāo)來確定什么時間，清洗哪臺換熱器?？紤]到流體壓降與泵等因素對連續(xù)運(yùn)行的換熱器網(wǎng)絡(luò)操作的影響，Ceorgiadis[6]采用非線性的模型來預(yù)測設(shè)備換熱表面污垢的生長情況，提出聯(lián)合用電消耗、維護(hù)費(fèi)用和清洗費(fèi)用等條件建立了操作費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)學(xué)目標(biāo)函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，針對實(shí)際生產(chǎn)中外界環(huán)境變化，將不確定的經(jīng)濟(jì)因素和管理因素(例如天然氣和燃料等期貨價格、原油中污垢的生長速率和蒸餾裝置中采用的不同種類的原油等)加入模型中，該模型能夠?qū)Ξ?dāng)前最佳決策進(jìn)行評估，為工程師提供合理的建議[7]。

大多數(shù)的換熱器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過改造之后，原油被加熱到更高的溫度，而溫度越高，污垢生長的速率越快。也就是說污垢的存在影響了網(wǎng)絡(luò)的熱回收性能，而高溫環(huán)境加速設(shè)備結(jié)垢，二者相互制約，因此無論換熱器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)還是改造，需要同時考慮能量、污染物排放以及由污垢所造成的損失。Rodriguez[8]通過將影響換熱器結(jié)垢的操作條件(例如換熱器壁面溫度、管內(nèi)流體的流速等)與換熱器網(wǎng)絡(luò)的清洗時序同時優(yōu)化，從根本上減少了污垢的生長，這種方法更節(jié)省能量，并且對下游工序的影響最小。

此外，在煉油系統(tǒng)中，靠近加熱爐的換熱器，換熱面上的污垢長期處于高溫環(huán)境逐漸形成焦化層(coke)。針對這種現(xiàn)象，Ishiyama[9]提出了雙層污垢的概念，定量描述污垢的焦化程度，如圖2所示。在食品和化工行業(yè)，將污垢類似的變化稱為老化現(xiàn)象(ageing)。污垢層與老化層差異表現(xiàn)在：污垢層生長較快，并且疏松多孔，較易去除；而老化層質(zhì)地堅(jiān)硬，普通的化學(xué)方法很難去除?？紤]到污垢老化現(xiàn)象，Ishiyama等[10-12]提出不同時期對換熱器采取不同的清洗方式：化學(xué)清洗和機(jī)械清洗。兩種清洗方法的操作費(fèi)用、耗用時間及對污垢的去除能力不同。在換熱器網(wǎng)絡(luò)中，通過對各臺換熱器的清洗時序和清洗方式進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效地延長換熱器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時間，降低網(wǎng)絡(luò)的操作費(fèi)用，提高其傳熱效率。

圖2　污垢及其老化的生長示意圖

3解算方法及現(xiàn)有開發(fā)軟件概述

目前對換熱器網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化所建立的數(shù)學(xué)模型包括：MINLP和MILP。兩種模型各有利弊，MINLP對問題的描述更為精確，但是由于模型的非凸性，求解相對復(fù)雜，不僅不能獲得全局最優(yōu)解，而且需要從多個初值點(diǎn)的優(yōu)化結(jié)果選擇最好的結(jié)果，也就是說其最優(yōu)解對初值的依賴性很強(qiáng)。MILP求解相對簡單，可以獲得全局最優(yōu)解，但是需要對對數(shù)平均溫度和污垢模型進(jìn)行線性化的處理，而且只能用于小規(guī)模的換熱網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化問題。

針對兩種模型求解的工具大體上分為兩類：①數(shù)學(xué)規(guī)劃軟件GAMS中DICOPT++求解器；②采用貪婪算法或者其它隨機(jī)算法。2002年Smaili[13]分別采用GAMS中外推法和隨機(jī)優(yōu)化算法中門限接受算法(BTA)對MINLP模型進(jìn)行求解，通過兩個算例證明BTA算法相對比較簡單、穩(wěn)定，適用于大規(guī)模的問題(例如時間間隔或設(shè)備數(shù)目很多)求解。兩種解算方法中，前者求解方便，但是由于求解者對軟件后臺不了解，因此容易陷入局部最優(yōu)解，并且對求解的初值要求較高。后者更容易獲得全局最優(yōu)解，但是需要在C或者C++環(huán)境下對模型求解，因此對研究者的編程能力要求較高。

在上述研究的基礎(chǔ)上，SepehrSanaye和BehzadNiroomand[14]在Visual Basic 6環(huán)境下，開發(fā)了換熱網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化軟件。該軟件的界面簡單，在進(jìn)行模擬計(jì)算時，使用者只需輸入冷熱流體流率、進(jìn)口溫度、污垢模型參數(shù)、換熱器面積、公用工程單價、清洗費(fèi)用等參數(shù)，運(yùn)行該優(yōu)化軟件后，即可獲得最佳清洗時序及其對應(yīng)的最小操作費(fèi)用。

4結(jié)論及展望

換熱設(shè)備結(jié)垢是一種很普遍的現(xiàn)象，考慮到污垢對設(shè)備傳熱效率及流體力學(xué)的影響，實(shí)際生產(chǎn)中需要定期對換熱設(shè)備進(jìn)行清洗。針對換熱器網(wǎng)絡(luò)，通過對各臺換熱器的清洗時序進(jìn)行優(yōu)化，不僅能夠延長生產(chǎn)運(yùn)行周期，增加產(chǎn)品產(chǎn)量，而且能夠有效的降低系統(tǒng)的操作費(fèi)用。

目前對換熱器網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化的研究雖然取得了一定的進(jìn)展，但是仍存在一些問題有待解決：①現(xiàn)階段研究中缺乏換熱設(shè)備污垢生長模型數(shù)據(jù)，這將會影響到換熱器網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化中對污垢熱阻的動態(tài)描述；②由于大規(guī)模換熱網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化的MINLP模型中包含的整型變量較多，并且GAMS對該問題的求解并不能取得很好的結(jié)果，因此對于MNILP問題的求解，無論是使用GAMS還是進(jìn)一步完善或開發(fā)以貪婪算法為代表的啟發(fā)式算法都是下一步的研究重點(diǎn)之一。

參考文獻(xiàn)：

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煤制乙二醇工業(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)新跨越

從華東理工大學(xué)獲悉，由該校教授李偉研發(fā)的煤制乙二醇技術(shù)成果在內(nèi)蒙古億利資源集團(tuán)和安徽淮化集團(tuán)“落地開花”，正式投料開車的兩大型裝置每年分別可生產(chǎn)30萬t和10萬t的優(yōu)等級乙二醇。

據(jù)專家介紹，該技術(shù)催化劑指標(biāo)先進(jìn)，且單臺套達(dá)10萬t/a的規(guī)模，是我國煤制乙二醇工業(yè)技術(shù)的一次跨越。

乙二醇是日常生活中聚酯纖維與礦泉水瓶中經(jīng)常使用的主要原料，長期主要由石油加工而來，但國產(chǎn)自給率卻一直不足30%。用煤基合成氣制乙二醇，則可部分替代石油。我國是個貧煤少油的國家，通過煤基合成氣制乙二醇，對國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義，而且相對于石油化工路線來說，經(jīng)濟(jì)效益也較好。

據(jù)悉，1998年，華東理工大學(xué)聯(lián)合化學(xué)反應(yīng)工程研究所開始了煤基合成氣制乙二醇技術(shù)的研究工作。2009年，該校與上海浦景化工技術(shù)有限公司、安徽淮化集團(tuán)達(dá)成合作協(xié)議，在安徽淮化集團(tuán)建設(shè)煤基合成氣制乙二醇1 000 t/a的中試裝置。2011年8月，中試成功，產(chǎn)出優(yōu)等級乙二醇產(chǎn)品，驗(yàn)證了技術(shù)的合理性，并取得了進(jìn)一步放大的數(shù)據(jù)，為該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。到目前為止，華理技術(shù)成果已授權(quán)客戶6個，達(dá)到7套裝置總計(jì)160萬t/a的規(guī)模，各套裝置皆在工業(yè)化實(shí)施過程之中。

?開發(fā)與研究?