常潤秀，孫琳，羅雄麟（中國石油大學(xué)(北京)自動化系，北京 102249）

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換熱器結(jié)垢與換熱網(wǎng)絡(luò)裕量設(shè)計(jì)方法研究進(jìn)展

常潤秀，孫琳，羅雄麟
（中國石油大學(xué)(北京)自動化系，北京 102249）

摘要：從結(jié)垢現(xiàn)象影響換熱系統(tǒng)正常運(yùn)行的角度出發(fā)，介紹了近幾年換熱網(wǎng)絡(luò)裕量設(shè)計(jì)以及針對結(jié)垢問題不同學(xué)者研究出的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)?？偨Y(jié)了在換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中對換熱器清洗時序、清洗周期優(yōu)化或者增加換熱網(wǎng)絡(luò)的裕量設(shè)計(jì)的不同換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)最優(yōu)方法，但這些方法都是在換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初，考慮換熱器結(jié)垢最嚴(yán)重的情況即換熱網(wǎng)絡(luò)在“最差”工況下進(jìn)行的優(yōu)化，因此優(yōu)化得到的換熱網(wǎng)絡(luò)難以保證換熱網(wǎng)絡(luò)全運(yùn)行周期的持續(xù)節(jié)能優(yōu)化。本文結(jié)合現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法的利弊，針對結(jié)垢過程的慢時變、持續(xù)特點(diǎn)，提出一種基于長周期持續(xù)節(jié)能的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，在換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初，定量分析結(jié)垢對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響，以換熱網(wǎng)絡(luò)全周期累積總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)綜合。

關(guān)鍵詞：換熱網(wǎng)絡(luò)；結(jié)垢；裕量設(shè)計(jì)

第一作者：常潤秀（1989—），女，碩士研究生，主要從事?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。聯(lián)系人：孫琳，博士，講師，主要從事化工過程的動態(tài)建模與優(yōu)化控制。E-mail sunlin@cup.edu.cn。

換熱器作為傳熱設(shè)備在化工、煉油等許多過程工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，是滿足過程工藝條件、實(shí)現(xiàn)回收余熱和節(jié)約能源的重要環(huán)節(jié)。通過優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)綜合，在有效利用資源能量方面起到了顯著效果。換熱網(wǎng)絡(luò)綜合即是合理規(guī)劃物流間的換熱，確定物流間匹配換熱的結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的換熱負(fù)荷分配。在保證各過程流股通過設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)后達(dá)到指定溫度的情況下，確定具有較小或最小的設(shè)備投資費(fèi)用和操作費(fèi)用的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案，使得利益最大化。本文著重介紹換熱網(wǎng)絡(luò)綜合中考慮裕量設(shè)計(jì)的全周期優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。

1 換熱網(wǎng)絡(luò)裕量設(shè)計(jì)

在常規(guī)換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)最初只考慮額定工況，不考慮在實(shí)際生產(chǎn)中工況變化對換熱網(wǎng)絡(luò)的影響，所以在操作條件發(fā)生變化時，在換熱網(wǎng)絡(luò)中引入裕量設(shè)計(jì)保證變工況條件下的高效運(yùn)行。裕量設(shè)計(jì)目前已經(jīng)向定量、動態(tài)優(yōu)化方向發(fā)展，在換熱網(wǎng)絡(luò)綜合時通過考慮更多實(shí)際影響因素，實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)最優(yōu)化。

1.1 換熱網(wǎng)絡(luò)彈性、柔性設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)實(shí)際工況運(yùn)行時，物流流量或進(jìn)出口溫度等因素會有一定的波動，換熱網(wǎng)絡(luò)彈性設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。彈性換熱網(wǎng)絡(luò)的概念最先由MARSELLE等[1]系統(tǒng)闡述，并且提出彈性換熱網(wǎng)絡(luò)合成的啟發(fā)式算法，但該算法計(jì)算比較復(fù)雜，很難應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。KOTJABASAKIS和LINHOFF[2]提出建立靈敏度表的方法對換熱網(wǎng)絡(luò)柔性進(jìn)行分析，可以定量分析擾動對換熱網(wǎng)絡(luò)的影響，但該方法對實(shí)際大型系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，靈敏度表過于復(fù)雜，同時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)柔性只能通過增設(shè)換熱器旁路來實(shí)現(xiàn)。UZTURK和AKMAN[3]對旁路優(yōu)化改造問題，提出一種針對簡單網(wǎng)絡(luò)同時考慮柔性、彈性和可控性的設(shè)計(jì)方法，但是該方法需要逐一對比計(jì)算結(jié)果，很難應(yīng)用于復(fù)雜換熱網(wǎng)絡(luò)中，且對于旁路數(shù)目未知的換熱網(wǎng)絡(luò)無法得到應(yīng)用。汪旭和馮霄[4]在啟發(fā)式算法的基礎(chǔ)上提出可以根據(jù)物流特性來合成彈性換熱網(wǎng)絡(luò)。倪錦等[5]提出換熱網(wǎng)絡(luò)的旁路調(diào)節(jié)方法，引入靈敏度理論，建立了基于靈敏度評價指標(biāo)的柔性識別方法，在公用工程費(fèi)用不變的基礎(chǔ)上減少了公用工程的數(shù)目。

SABOO等[6]在1985年提出彈性指數(shù)來定量分析換熱網(wǎng)絡(luò)的彈性設(shè)計(jì)。隨后，SWANEY和GROSSMANN等[7]提出換熱網(wǎng)絡(luò)的柔性指數(shù)及其數(shù)學(xué)模型。GROSSMANN等[8]分析了彈性和柔性的區(qū)別，前者是使換熱網(wǎng)絡(luò)具有在最大干擾下能夠恢復(fù)或調(diào)整的能力，而后者是直接考慮換熱網(wǎng)絡(luò)的各種干擾因素，來適應(yīng)實(shí)際工況中遇到的干擾。而后，GROSSMANN等通過兩個過程示例對換熱網(wǎng)絡(luò)柔性設(shè)計(jì)問題總結(jié)出數(shù)學(xué)公式和解決方法。針對GROSSMANN等提出的數(shù)學(xué)規(guī)劃法，對于解決非線性問題具有模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算難度大等問題，胡山鷹等[9]提出一種探視調(diào)優(yōu)式的柔性換熱網(wǎng)絡(luò)綜合方法，此后，對在不確定參數(shù)下柔性不滿足要求的熱回收網(wǎng)絡(luò)，胡山鷹等[10]提出通過尋找不確定參數(shù)范圍內(nèi)的最壞操作點(diǎn)，對于關(guān)鍵變量為熱負(fù)荷和溫差兩類不同量時，分別提出熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移法、分流法和減少熱負(fù)荷法等改進(jìn)策略。肖豐和姚平經(jīng)[11]進(jìn)一步提出了柔性換熱網(wǎng)絡(luò)綜合與清洗時序優(yōu)化的兩步求解策略，通過同步優(yōu)化柔性綜合與網(wǎng)絡(luò)綜合，換熱網(wǎng)絡(luò)年度總費(fèi)用得到進(jìn)一步降低，同時提高了網(wǎng)絡(luò)柔性。

換熱網(wǎng)絡(luò)柔性綜合不同于標(biāo)準(zhǔn)工況操作條件下進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)綜合，除了要滿足正常操作工況點(diǎn)要求外，還需要克服不確定參數(shù)擾動，是保證換熱網(wǎng)絡(luò)在“最壞”操作點(diǎn)、運(yùn)行情況最差的情況下達(dá)到的總費(fèi)用最小的系統(tǒng)綜合。

1.2 換熱網(wǎng)絡(luò)面積裕量設(shè)計(jì)

由前文對換熱網(wǎng)絡(luò)彈性、柔性設(shè)計(jì)的研究可以看出，裕量設(shè)計(jì)考慮換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際生產(chǎn)和操作中的不確定因素，在滿足生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上保證換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)最優(yōu)[12]。目前工業(yè)上換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期長，大多36年，操作條件時常發(fā)生變化，為滿足生產(chǎn)要求，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)留出一定的面積裕量。

近年來有研究者提出通過旁路優(yōu)化控制的方法實(shí)時在線控制換熱網(wǎng)絡(luò)的能量交換，研究了大量換熱網(wǎng)絡(luò)的旁路優(yōu)化設(shè)計(jì)以及換熱器旁路的可控性優(yōu)化問題。MATHISEN等[13-14]先后提出了換熱網(wǎng)絡(luò)旁路數(shù)目可以通過分析自由度的方法來加以確定；KONUKMAN等[15]求解換熱網(wǎng)絡(luò)旁路開度和換熱器有效面積時，將可控性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題；羅雄麟等[16]運(yùn)用夾點(diǎn)設(shè)計(jì)原理發(fā)現(xiàn)在夾點(diǎn)處設(shè)置旁路能實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化操作；侯本權(quán)等[17]基于結(jié)構(gòu)可控性分析，優(yōu)化設(shè)置最少旁路以實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可控；孫琳等[18]以單個換熱器為研究對象，指出旁路設(shè)置必須配合裕量設(shè)計(jì)才能更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化。夏車奎等[19]在上述學(xué)者的基礎(chǔ)上，考慮了換熱網(wǎng)絡(luò)全周期節(jié)能，提出了一種基于有旁路換熱網(wǎng)絡(luò)全周期節(jié)能優(yōu)化的裕量優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過調(diào)節(jié)旁路，進(jìn)一步達(dá)到控制面積裕量釋放的目的，對旁路可控能力的研究做了進(jìn)一步補(bǔ)充。

換熱網(wǎng)絡(luò)的綜合是針對給定操作條件以總費(fèi)用最小為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)操作條件發(fā)生變化時，換熱網(wǎng)絡(luò)的控制以滿足生產(chǎn)要求為目標(biāo)，此時公用工程的大小隨操作條件的不同而變化，尤其是當(dāng)換熱網(wǎng)絡(luò)中各換熱器結(jié)垢熱阻不斷增大時，其公用工程將不斷升高[19]，而在此討論的裕量設(shè)計(jì)，側(cè)重于考慮換熱網(wǎng)絡(luò)在結(jié)垢最嚴(yán)重、運(yùn)行情況最差的前提下能夠保證操作正常運(yùn)行，并未涉及換熱網(wǎng)絡(luò)整個運(yùn)行周期的累積費(fèi)用優(yōu)化，因此有必要研究滿足操作條件并在換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行全周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)持續(xù)節(jié)能的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 換熱網(wǎng)絡(luò)的周期性優(yōu)化

2.1 換熱器清洗

減少結(jié)垢對傳熱效果的影響，可通過改變物料流速、在換熱器中插入翅片或者延長結(jié)垢生成周期，此外定期清潔是恢復(fù)換熱器傳熱性能的有效手段[20-22]。

對換熱器進(jìn)行清洗安排，影響生產(chǎn)進(jìn)度，但更嚴(yán)重的可能會導(dǎo)致?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，各換熱器之間相互關(guān)聯(lián)，可能危害整個網(wǎng)絡(luò)的換熱效果，導(dǎo)致能耗增加及產(chǎn)品質(zhì)量下降[23]，SIKOS和KLEMES[24]指出結(jié)垢對于設(shè)備維護(hù)有著顯著影響，并且分析了污垢的存在會引起換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。ISHIYAMA等[25]和POGIATZIS等[26]考慮了沉積和老化現(xiàn)象相結(jié)合的結(jié)垢積聚，引入了一個兩層結(jié)垢熱阻模型，并用一個簡化的換熱器模型來確定最佳清洗周期，結(jié)論得出對單個換熱器可能會采用化學(xué)和物理兩種清洗方式，以此來減小換熱器的結(jié)垢率。

在大型換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，通常采用“0-1”變量表示換熱器是否處于清洗狀態(tài)，因此在求解模型過程中，存在整型變量較多而難以求解的問題。樊婕等[27]針對這一問題提出以換熱器清洗的最大允許污垢熱阻為優(yōu)化變量，取代表示換熱器是否清洗的二進(jìn)制變量，將混合整數(shù)非線性問題轉(zhuǎn)化成非線性規(guī)劃問題。

換熱器清洗研究通常假設(shè)污垢的沉積率是一定的，沒有考慮到影響污垢形成的操作條件，換熱器定期清潔在前期往往會造成過度清洗的問題，因此需要對清洗時序進(jìn)行優(yōu)化。同時，換熱器清洗只是在當(dāng)前換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行條件最差時進(jìn)行優(yōu)化，不能保證換熱網(wǎng)絡(luò)的全周期效益最高。

2.2 換熱網(wǎng)絡(luò)中換熱器清洗時序優(yōu)化

目前對單個換熱器的清洗時序的研究比較成熟，但是對于換熱網(wǎng)絡(luò)而言，由于各流股之間的相互關(guān)聯(lián)，何時對哪臺換熱器清洗是一個復(fù)雜的時序優(yōu)化問題。SMAILI等[28]對制糖廠換熱網(wǎng)絡(luò)清洗時序進(jìn)行了研究，在換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期內(nèi)分段，每一段內(nèi)考慮換熱器是否清洗，通過增加蒸汽來維持換熱網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，但此方法沒有考慮換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的總費(fèi)用，僅以蒸汽使用量最小為目標(biāo)來進(jìn)行優(yōu)化。之后，SMAILI等[29]在換熱網(wǎng)絡(luò)清洗時序優(yōu)化的研究中考慮了壓降，以公用工程以及清洗費(fèi)用等費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化清洗時序。JIN等[30]以換熱網(wǎng)絡(luò)單元操作最小費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，考慮換熱器結(jié)垢是一個線性函數(shù)，研究何時對換熱網(wǎng)絡(luò)哪臺換熱器清潔取得的經(jīng)濟(jì)效益最好。CAPUTO等[31]提出了最大允許結(jié)垢值方法，這是針對單個換熱器設(shè)計(jì)以及換熱器涉及到的清洗時序優(yōu)化問題，對過度綜合的換熱網(wǎng)絡(luò)，提出可同時優(yōu)化換熱器換熱面積和清洗最大允許結(jié)垢阻值，實(shí)現(xiàn)換熱器面積與清洗時序的同步優(yōu)化。換熱網(wǎng)絡(luò)清洗是最常用的去除污垢的方法，但是這是一種被動去污方法，設(shè)備在清洗之后污垢會再次形成，無法從根本上消除結(jié)垢給換熱網(wǎng)絡(luò)造成的影響。針對這一問題，RODRIGUEZ 和SMITH[32]提出了一種新的清洗優(yōu)化方法，同樣采取與清洗時序同時優(yōu)化的策略，但考慮的是影響結(jié)垢的操作條件，比如流體流速、溫度等，以求從根本上解決污垢生成的問題。

換熱器清洗時序的優(yōu)化考慮了影響結(jié)垢的操作條件，但是沒有考慮結(jié)垢的形成是一個緩慢、持續(xù)的過程，前期結(jié)垢形成率明顯低于后期，對換熱網(wǎng)絡(luò)中換熱器清洗時序優(yōu)化需要考慮換熱網(wǎng)絡(luò)全周期的持續(xù)節(jié)能。

2.3 換熱網(wǎng)絡(luò)清洗周期優(yōu)化

目前，對換熱設(shè)備清洗周期進(jìn)行優(yōu)化的研究很少，由于各換熱器結(jié)垢的不同，同時優(yōu)化整個換熱網(wǎng)絡(luò)的清洗周期存在很多難點(diǎn)。MARKOWSKI和URBANIEC[33]研究了污垢對換熱網(wǎng)絡(luò)影響的數(shù)學(xué)模型，研究了換熱網(wǎng)絡(luò)最佳清洗周期，但對部分換熱器同樣存在過度清洗的問題。王大成和趙晶英[34]提出求解最佳主動清洗開始時間，利用積分函數(shù)建立了換熱設(shè)備在生命周期內(nèi)的總成本模型。AZAD 等[20]分析了結(jié)垢對換熱網(wǎng)絡(luò)的影響，提出一種新的圖解方法來確定換熱網(wǎng)絡(luò)留固污垢夾點(diǎn)，減少網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期內(nèi)設(shè)備的清洗次數(shù)，以此延長換熱網(wǎng)絡(luò)的清洗周期，降低過程能耗。

對清洗周期的研究有利于保證換熱網(wǎng)絡(luò)正常且高效的運(yùn)行，但是可能會產(chǎn)生清洗過度或者清洗不及時的問題，考慮最佳清洗周期僅僅是保證換熱網(wǎng)絡(luò)保持正常工況，實(shí)際存在很大的不確定性，設(shè)計(jì)清洗周期只是被動保證換熱網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以總費(fèi)用最小的目標(biāo)函數(shù)，是針對當(dāng)前時刻換熱網(wǎng)絡(luò)在操作點(diǎn)最差的情況下的總費(fèi)用最小，并不能保證在換熱網(wǎng)絡(luò)整個運(yùn)行周期內(nèi)總費(fèi)用最小，即完成不了換熱網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行周期內(nèi)持續(xù)節(jié)能的目標(biāo)，且相比于裕量設(shè)計(jì)就增加了后期的維護(hù)費(fèi)用，換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也可能不是最優(yōu)的。

3 換熱器結(jié)垢與換熱網(wǎng)絡(luò)裕量優(yōu)化

換熱網(wǎng)絡(luò)全周期運(yùn)行期間，換熱器結(jié)垢積聚、設(shè)備老化等因素，公用工程用量不斷升高，有必要考慮換熱網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行全周期內(nèi)的持續(xù)換熱。

對以往復(fù)雜換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究出現(xiàn)的問題，很多學(xué)者提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。ESCOBAR等[35]提出一種分解方法來解決多周期換熱網(wǎng)絡(luò)綜合問題。每周期對應(yīng)操作條件的變化，例如入口溫度和熱容流率。但物流數(shù)量以及周期數(shù)量造成問題規(guī)模激增，為了簡化問題，提出一種依賴于拉格朗日分解概念的特定啟發(fā)式算法。NEMET等[36]提出了針對換熱網(wǎng)絡(luò)全周期的優(yōu)化方法，在換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初考慮能源價格的波動對換熱網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)效益的影響。

這些研究均為基于給定操作條件，在不考慮換熱器結(jié)垢情況下得出的換熱器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)綜合方法。但結(jié)垢是傳熱設(shè)備中無法避免的問題，對單一換熱器或者換熱網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)時，都必須考慮如何減少結(jié)垢對換熱效率的影響。

對換熱網(wǎng)絡(luò)綜合方法進(jìn)行優(yōu)化，可以有效利用系統(tǒng)能源，并實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際生產(chǎn)的利益最大化。換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化不僅需要優(yōu)化方法的改進(jìn)，同時也需要考慮實(shí)際工況中影響換熱效率的各種操作條件的變化，其中結(jié)垢對換熱網(wǎng)絡(luò)造成的影響不容忽視。夏車奎等[19]通過調(diào)節(jié)旁路，逐步釋放面積裕量來達(dá)到動態(tài)控制結(jié)垢對換熱網(wǎng)絡(luò)影響。COLETTI等[37]通過一個簡單且具有代表性的工業(yè)實(shí)例定量說明污垢對于網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)影響，強(qiáng)調(diào)了在換熱器設(shè)計(jì)和改造時考慮污垢的動態(tài)影響的必要性，對換熱網(wǎng)絡(luò)清洗時序問題的研究起到了一定的指導(dǎo)作用。

在給定條件下，考慮結(jié)垢熱阻隨時間的變化。由圖1可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行時間越長，結(jié)垢熱阻的阻值會越大，總傳熱系數(shù)K會隨之變小，從而影響到了換熱器的換熱量，換熱量達(dá)不到要求，換熱網(wǎng)絡(luò)后期就需要公用工程來彌補(bǔ)換熱效果。

如圖1所示，在換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期內(nèi)，結(jié)垢熱阻阻值逐漸增大。

圖1 結(jié)垢熱阻與公用工程用量之間的關(guān)系

case1：在t1時刻公用工程用量開始增加，即面積裕量被完全消耗，公用工程的大小隨操作條件的變化而發(fā)生變化，因此換熱網(wǎng)絡(luò)總費(fèi)用增加。

case2：考慮結(jié)垢最嚴(yán)重時，為了保證操作正常運(yùn)行采取全周期內(nèi)裕量設(shè)計(jì)，正常工況下結(jié)垢熱阻的變化對換熱網(wǎng)絡(luò)總費(fèi)用幾乎沒有影響。

case3：考慮換熱網(wǎng)絡(luò)整個運(yùn)行周期內(nèi)累積費(fèi)用最優(yōu)的前提下，滿足操作要求并保證運(yùn)行周期內(nèi)換熱網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)節(jié)能優(yōu)化。

由圖1也可以看到，考慮換熱網(wǎng)絡(luò)全周期運(yùn)行時間內(nèi)，由累積總費(fèi)用最小求得的面積裕量才是最合理的面積裕量。

參考李紹軍等文中的示例，包括2股冷物流、2股熱物流，物流數(shù)據(jù)見表1所示。換熱器設(shè)備投資費(fèi)用表示為Ce= (30800 + 750A0.81)，式中A為設(shè)備運(yùn)行周期為3年。熱公用工程成本為110$/(kW?a)，冷公用工程成本為10$/(kW?a)。[38]

基于超結(jié)構(gòu)模型，當(dāng)初始條件結(jié)垢熱阻阻值為0時，優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得到如圖2所示。

考慮結(jié)垢熱阻動態(tài)變化的影響，在換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期內(nèi)取7個不同時間點(diǎn)，分別求得各換熱器最優(yōu)面積，對比換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行全周期內(nèi)的累積費(fèi)用。

由表2中結(jié)果可以看出，在換熱網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)之初的總費(fèi)用最小并不能保證換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行3年后，換熱網(wǎng)絡(luò)的累積總費(fèi)用最小，所以在換熱網(wǎng)絡(luò)綜合之初考慮結(jié)垢影響，保證換熱網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行全周期內(nèi)的持續(xù)節(jié)能。

表1 基本物流數(shù)據(jù)

圖2 換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

表2 計(jì)算結(jié)果對比

4 結(jié) 語

基于長周期節(jié)能的換熱網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)綜合是對前幾個方法的進(jìn)一步改進(jìn)，不同于在換熱網(wǎng)絡(luò)改造時考慮換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的問題，是在換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中考慮持續(xù)節(jié)能。換熱網(wǎng)絡(luò)綜合因?yàn)榻Y(jié)垢的影響，可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而改變換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期內(nèi)的總費(fèi)用。但是，這些方法雖然是在全周期內(nèi)對換熱網(wǎng)絡(luò)綜合，卻沒有在換熱網(wǎng)絡(luò)綜合之初考慮結(jié)垢對其整個運(yùn)行過程中的能量消耗影響。

基于以上對國內(nèi)外換熱網(wǎng)絡(luò)綜合發(fā)展現(xiàn)狀的了解，本文提出在換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初，定量分析結(jié)垢對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響，由于結(jié)垢的慢時變特點(diǎn)，為保證換熱網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)節(jié)能降耗，以累積總運(yùn)行費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)，研究新的換熱網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)綜合方法。

參 考 文 獻(xiàn)

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﹒產(chǎn)品信息﹒

浙江力普精棉粉碎成套生產(chǎn)線的研究及產(chǎn)業(yè)化列入科技計(jì)劃

2015年嵊州市科技計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目名單發(fā)布時，國家高新技術(shù)企業(yè)、中國粉碎技術(shù)領(lǐng)航者——浙江力普粉碎設(shè)備有限公司研發(fā)的“精棉粉碎成套生產(chǎn)線的研究及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目榜上有名。這是該產(chǎn)品獲得國家專利（專利號ZL. 201320555760.X）之后的又一榮譽(yù)。

被譽(yù)為“特種工業(yè)味精”的精制棉是制造醚類纖維素、硝化纖維素和醋酸纖維素的主要材料，廣泛用于食品、醫(yī)藥、日化、塑料、電子、造紙、冶金、航空航天等眾多領(lǐng)域。但目前國內(nèi)用于粉碎精制棉的流程一般都存在效率低、人工要求高、粉塵污染等問題。

作為中國纖維素行業(yè)協(xié)會會員單位，浙江力普專注、持續(xù)在這一領(lǐng)域進(jìn)行了系列創(chuàng)新開發(fā)并獲成功。精棉粉碎生產(chǎn)線集打散、檢測、粉碎、集料、除塵于一體，實(shí)現(xiàn)了精制棉制備纖維素的規(guī)模化生產(chǎn)并有效的集塵；該生產(chǎn)線對塑料薄膜、膠片、纖維性物料和熱敏性物料均能進(jìn)行超細(xì)粉碎，特別適合于絨狀、絮狀棉纖維及纖維素醚類產(chǎn)品（如精制棉、棉麻、光纖、泡沫、橡膠等）的超細(xì)粉碎，廣泛適用于化工、塑料、橡膠、造紙等行業(yè)。經(jīng)山東、浙江、江蘇、上海、河南等地企業(yè)使用證實(shí)，比同類產(chǎn)品產(chǎn)量可提高40%，耗能降低20%左右。產(chǎn)量達(dá)200～350kg/h，粉碎刀片采用高強(qiáng)度、抗沖擊、耐磨性好的進(jìn)口特種耐磨材料，并可重磨使用，使用維護(hù)成本低、穩(wěn)定性好。目前，該生產(chǎn)線與纖維素成品粉碎機(jī)、濕粉碎機(jī)三項(xiàng)產(chǎn)品已經(jīng)在纖維素行業(yè)中廣泛應(yīng)用，客戶涵蓋國內(nèi)規(guī)模前十位的纖維素醚生產(chǎn)企業(yè)并獲得高度認(rèn)可。

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綜述與專論

Research advances in heat exchanger fouling and heat exchanger network(HEN) overdesign method

CHANG Runxiu，SUN Lin，LUO Xionglin
（Department of Automation，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China）

Abstract：Fouling resistance affects normal operation of heat exchanger network（HEN）. The present paper introduced the HEN margin designs and the HEN optimal design by considering fouling resistance. Some methods on cleaning time or optimal cleaning cycles for heat exchangers or synthesis of heat exchanger networks with flexibility and controllability were summarized. However，these HEN designs were obtained when HEN was in the worst conditions，so it is generally not optimal. This paper proposes the synthesis of multi-pass heat exchanger network based on life cycle saving by considered the existing HEN design methods and the slow time-varying and continuous features of fouling. Finally，the optimal HEN results of accumulative total cost were obtained.

Key words：heat exchanger network；fouling；overdesign

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB720500）。

收稿日期：2015-08-24；修改稿日期：2015-09-28。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.003

中圖分類號：TQ 021.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）02–0358–06