基于火用（Exergy）分析的热耦合功交换网络综合研究

Work and heat are two main forms of energy utilized in chemical industry, thus it is of vital significance for their cooperative utilization to improve the overall energy efficiency. With respect to the lack of effective integration measures for optimization of work and heat in the current process systems, efficient integration method based on exergy analysis will be studied in this project to achieve simultaneous synthesis of work exchange network (WEN) and heat exchange network (HEN). Firstly, an improved transshipment model will be proposed to carry out research on sequential integration of work and heat. A novel mathematical programming model will be established with the objective of minimum total annual cost (TAC) and maximum exergy efficiency for the whole system, respectively. In addition, solving strategies for sequential integration of work and heat as well as matching rules will be presented to reveal the interaction mechanism of work and heat. Secondly, to solve pressure constraints of work exchange, an upgraded stream-split stage-wise superstructure considering work utility in each stage will be established to lay the foundation for simultaneous integration of work and heat. Finally, a coupled topology superstructure for simultaneous synthesis of WEN and HEN will be constructed. Further, on the basis of exergoeconomic evaluation, a multi-objective optimization model will be formulated by targeting minimum TAC and maximum exergy efficiency of the overall system to expound the tradeoff between system economy and thermodynamic feasibility. Through the above research, the theoretical method for simultaneous integration of work and heat will be formulated. The presented methods can provide technical support for energy conservation and emission reduction in chemical process.

功和热是化工行业使用能源的两种最主要方式，因此研究它们的协同利用对于提高过程整体能源利用率具有重要意义。本项目针对目前过程系统分别开展功和热用能优化、缺乏有效集成措施问题，开展基于火用分析理论实现功交换网络和热交换网络同步综合的高效集成方法研究。首先，提出改进的转运模型开展功、热分步集成研究，分别以系统年度总费用最小和火用效率最大为目标建立分步综合的数学规划模型，创新性地提出功、热分步集成的求解策略和网络结构匹配规则，揭示功、热交互作用机制。其次，为解决功交换的压力约束问题，创建级内考虑功公用工程的并联式功交换网络分级超结构，为功、热同步集成奠定基础。最后，构造适用于功、热交换网络同步集成的耦合拓扑超结构，基于火用经济评价，开展协调年度总费用与火用效率的多目标系统优化研究，探讨系统经济性和热力学可行性之间的权衡。通过本项目的研究形成功、热同步集成的理论，为化工过程的节能减排提供技术支持。

功和热是化学工业中广泛使用的两种重要能量形式，由于热量、功量、温度、压力之间存在复杂的交互作用关系，即流股压力的改变会导致温度变化，同时流股温度的改变亦会引起压缩/膨胀功量的变化，研究功热交换网络的协同作用对于提高过程整体能效具有至关重要的意义。针对目前过程系统分别开展功和热用能优化、缺乏有效集成措施问题，本项目开展了基于火用分析理论实现功交换网络和换热网络同步综合的高效集成方法研究。首先针对功交换网络综合研究中压力差推动力对源阱匹配的制约问题，提出了基于热力学启发式匹配规则的改进图解法用于设计高效的功量回收网络结构，并建立考虑构造低压流股中间压力值和合并相邻压力间隔策略的拓展转运模型，获取功交换瓶颈与设备最优配置之间的权衡关系。随后，基于数学规划模型实现了功交换匹配与热集成解耦设计的功热交换网络分步综合，构建级内考虑功公用工程的拓展超结构并探究其与换热网络超结构的交互作用方式，揭示功热集成顺序对系统经济性和网络结构优化的协同作用机制。进一步，基于功交换网络与无区别换热网络耦合的拓扑超结构实现了功热交换网络同步综合。根据功热匹配内在互动机制，提出协调流股冷热性质识别与功交换、无区别热交换优化的集成策略，实现功热交换网络系统经济性和用能合理性的最优组合。最后，构建了流股分支上同时考虑换热器和功交换设备的拓展分级超结构，分别以㶲耗和年度总费用最小为目标，优化网络结构设计，分析热力学和经济性之间关系来探讨多目标优化问题。算例结果表明所提出的综合方法能有效提高功热交换网络的能源效率和经济效益，符合化工企业未来低碳发展需求。.本研究按期完成了项目的研究计划、研究内容，达到了预期的研究目标，完成了预期的研究成果。发表的文章数目比原计划多，质量高，共发表相关论文50余篇。人才培养方面，从事相关研究工作的博士毕业5名、硕士毕业15名。总之，该项目达到了原计划书中的各项指标。