考虑系统可靠性的柔性换热网络综合的研究

随着过程工业的日益复杂和快速更新，对于换热网络的系统可靠性指标提出了更加严格的要求，换热网络具有复杂的连接关系，换热网络之中的换热器通过与其相连接的冷热过程流股和具有相同连接的冷热流股的换热器产生了密切的交互作用，换热网络之中的一台或者多台换热器同时出现失效情况，会引起与其具有关联的换热器的进出口温度发生改变，以至过程物流不能达到指定目标温度，难以保证换热网络完成让过程物流达到目标温度的热交换任务。因此对于换热网络系统可靠性的分析是换热网络设计的重要内容。本文提出了一种满足柔性与网络系统可靠性的换热网络综合的方法。主要研究工作有：（1）采用两步骤渐进解算方法求解计算高度复杂的考虑系统可靠性的柔性换热网络综合问题。第一步借助虚拟温-焓图法进行柔性换热网络综合，第二步对于未能达到系统的可靠性要求的网络结构，通过进行网络解耦操作提高系统的可靠性，运行遗传/模拟退火算法对于换热网络之中的换热器面积与需要的公用工程负荷进行优化运算，在达到期望的柔性和系统可靠性要求的条件下，得到总费用最为节省的网络结构。（2）基于换热网络的系统分析，计算得出换热网络的系统可靠性，并且采用网络解耦提高换热网络的系统可靠性。通过换热网络的结构矩阵识别出网络内的不相关子系统，得到换热网络内不相关子系统的数量、不相关子系统的组成等系统可靠性计算所需要数据。找出制约换热网络系统可靠性的瓶颈为包含换热器单元个数最多的不相关子系统含有换热器的数量。根据包含换热器单元个数最多的不相关子系统的组成，计算得到换热网络系统可靠性。对于柔性换热网络综合结果中不满足网络系统可靠性约束的网络结构，采用网络解耦的方法，进行网络结构的调整，改变换热网络内不相关子系统的分布状况，提高换热网络的系统可靠性。（3）通过换热网络结构矩阵的变换，引入一些解耦探试参数，基于探试参数，找出适宜解耦换热器的选取方法。并且对于适宜解耦换热器探试参数的特征出现的原因进行分析。算例结果表明本研究设置的这些探试参数可以有效反映网络解耦后网络结构的子系统分布，因此，可以为适宜解耦换热器的选取提供参考。（4）结合不同类型的算例进一步验证本研究提出的适宜解耦换热器选取方法。第一个算例是网络解耦过程前后换热网络包含的不相关子系统数目没有改变的算例，也是去掉换热网络内的任意一台换热器之后不能得到新的不相关子系统的算例。各台换热器的探试参数均相同。第二个算例是网络解耦过程前后，换热网络包含的不相关子系统数目出现改变的算例。此算例基于探试参数，选取适宜解耦换热器，通过网络解耦调整，提高换热网络的系统可靠性。第三个算例是工程应用中出现的算例。网络解耦过程前后，换热网络包含的不相关子系统数目出现改变。基于探试参数，找出适宜解耦换热器，采用网络解耦提高换热网络的系统可靠性。这些算例不仅在第二章的网络解耦算例基础之上进一步验证了基于探试参数的适宜解耦换热器选取方法是有效的，同时表明本文所提供的方法适宜于应用在包括考虑系统可靠性要求的大规模柔性换热网络综合。