水熱網(wǎng)絡集成優(yōu)化研究.pdf

1、工業(yè)過程需要消耗大量的水和能量。隨著工業(yè)化進展的日益加快，水資源短缺成為了當前困擾人類的難題。能源是國民經(jīng)濟的命脈，我國對能源的需求量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，并成為全球第二大的能源消耗國。水和能量消耗同時會導致嚴重的環(huán)境問題。龐大的水和能源消耗中有一部分是由于錯誤的系統(tǒng)結構，不合理的技術運用，錯誤的管理理念導致的。如何通過換熱網(wǎng)絡的優(yōu)化（heat exchanger network synthesis-HENS）、用水網(wǎng)絡的優(yōu)化（water

2、 networks synthesis-WNS）、水熱網(wǎng)絡集成優(yōu)化（heat-integrated water networks synthesis-HIWNS）達到節(jié)能、節(jié)水的目標迫在眉睫。用水網(wǎng)絡優(yōu)化的方法比較成熟，但評估用水網(wǎng)絡優(yōu)化結果方面的研究稀少；換熱網(wǎng)絡優(yōu)化和水熱集成優(yōu)化主要依賴于數(shù)學優(yōu)化法尤其是同步優(yōu)化法，傳統(tǒng)的混合整形模型（mixed integer nonlinear programming-MINLP）對初值的依賴性

3、強。本文的工作主要針對上述問題展開。
　　首先，提出折點法（inflection point method–IPM）用于單一污染物的用水網(wǎng)絡優(yōu)化。折點法是基于物料衡算得出的一組理論公式，用于計算用水網(wǎng)絡優(yōu)化的目標值：新鮮水的最低消耗量、再生水的最低消耗量、新鮮水和再生水用量之間的關系。通過上述目標值進而可以計算得到新鮮水用量和成本之間的多目標優(yōu)化結果。由于折點法得到的是全局最優(yōu)解，可以用于評估夾點技術、數(shù)學優(yōu)化等方法優(yōu)化設計的結果

4、。
　　其次，建立非線性模型（nonlinear programming-NLP）用于換熱網(wǎng)絡的同步優(yōu)化。換熱網(wǎng)絡優(yōu)化主要采用混合整形非線性模型?；?Yee和Grossmann（Comput. Chem. Eng.1990,14,1165-1184）建立的混合整形非線性模型，本文除去整型變量建立非線性換熱網(wǎng)絡模型。該模型引入非線性約束達到除去整形變量的目的。計算換熱面積所需的總傳熱溫差計算過程融合在目標函數(shù)中，因此非線性模型不需

5、要傳熱溫差變量。變量個數(shù)和類型的減少，降低了求解過程的復雜性。應用GAMS中的Branch-And-Reduce Optimization Navigator（BARON）求解器求解非線性換熱網(wǎng)絡模型，求解過程不需要進行初值的選取。本文選取12個案例驗證非線性換熱網(wǎng)絡模型，案例包含多種規(guī)模：流股數(shù)在4-39范圍內，其中39個流股的案例是文獻所報道的最大案例。通過12個案例分析發(fā)現(xiàn)本文建立的非線性模型不僅可以應用于中小型換熱網(wǎng)絡優(yōu)化設計而

6、且可以準確的求解大型換熱網(wǎng)絡優(yōu)化設計問題。
　　最后，以建立的非線性換熱網(wǎng)絡模型為基礎，建立非線性水熱集成優(yōu)化模型。水熱集成優(yōu)化過程需要應用整形變量判斷流股的性質-冷流股、熱流股，非線性水熱集成優(yōu)化模型采用非線性約束替代該過程中的整形變量。在非線性換熱網(wǎng)絡模型降低變量個數(shù)基礎上，非線性水熱集成優(yōu)化模型進一步降低了水熱集成優(yōu)化模型的變量個數(shù)。變量個數(shù)的減少，降低了求解過程的復雜性。應用 GAMS中的BARON求解器非線性水熱集成優(yōu)化