炼油厂中水蒸气的应用过程会浪费大量的热能。由科研工作者组织合作完成的项目可以实现每年节约250万欧元

夹点分析方法是换热网络设计的经典工具。由汉堡-哈尔堡工业大学流程工艺和流程设备研究所的科研人员与XRG模拟技术公司合作研发的最新热集成工艺在实际生产中表现良好，该技术的成本费用较低，并能够轻松地实现流程工艺控制。

随着古生物能源（石油、天然气、煤炭）的日渐枯竭，这些能源的价格在飞速上涨，同时也加剧了争夺现有资源的战争。这对流程工业企业造成了严重的影响，因为能源费用直接影响产品的生产成本。因此，节能变得越来越重要。节约能源的生产工艺技术能够直接降低生产成本，同时还可以减少温室气体的排放。这样可以提高企业产品的市场竞争能力。从经济不景气开始，哈尔堡工业大学流程工艺和设备研究所的科研人员就开始了流程工艺技术的研究，希望通过工艺的优化实现节能。他们沿着两条不同的途径开始了节能型流程工艺技术的研发，第一个途径包括了开发和优化高效节能的综合性仪器设备，例如隔离壁塔以及反应式隔离壁塔，这些仪器设备与传统的仪器设备相比，可以节约35%~40%的能源；第二种途径是从总体角度考察流程工艺生产过程和生产地点，从热动力学理论的角度出发把能源需求减少到最低程度。

热与冷的结合

一般情况下，只要进行生产就必须消耗能源。通常是利用古生物能源产生较高的热能，例如蒸汽或者其他高温介质，并把热能输入到生产过程之中。在生产过程中有很大一部分热能被用来加热生产过程中所使用的原材料。最后，把生产过程中的一些低热能的冷却介质（冷却水、盐水、空气等）排放出去。科研人员主要的任务是利用创新性的解决方法尽可能减少热能需求、减少排放掉的热能。在一个流程工艺系统中，只有通过精心设计的热回收利用方案，多次重复利用热能，也就是通过工艺流程的集成提高能源利用效率，才能最终实现节能的目标。最佳的解决方案是把流程生产过程中的“热流”和“冷流”结合起来，使热源和热消耗之间的供求平衡。在这一平衡过程中需要能够在产品流之间进行热交换的载体（HX），并由这些热交换载体构成一个换热网络（HEN）。图2（a）所示换热网络是网格式的换热网络，由4个冷流（C1-C4）和2个热流（H1-H2）构成，网络中有4个热交换载体。

图2 换热网络示例

利用构思精巧的热能回收可以提高能源利用效率，降低生产成本，但是热交换载体投资成本较高。科研人员希望开发一种系统化、结构化换热网络，以保证每年的热交换载体投资最少，使用运行费用（能源需求）最低。

不能只靠数学模型

热集成工艺不是纯粹求得一个纯数学的解决方案，而是要满足实际的技术要求，因此必须考虑一系列的限制条件。在这些限制性条件中包括能量守恒和质量守恒、HX中两种产品流的安全可靠性、HX的腐蚀性、在流程设备中占用的空间大小、与流程设备管道之间的间隔、生产的灵活性（例如流程设备的启动问题）等因素。

另一个非常重要的问题是流程设备的控制问题。在实际的工业生产中，每一台流程设备都会遇到突发的事故和故障。为实现理想的热能回收，过多地集成生产流程，可能会导致在整个流程生产设备中只有一个产品流，这很难保证流程设备的操作者遵守所有生产技术规范的要求。这一在实际生产中遇到的问题必须在方案设计时就高度重视。另外，方案的质量是按照每年的绝对费用和解决方案的复杂程度进行严格的评审和评估。

确定HEN换热网络的传统方法是窄点分析法，80多年前由曼切斯特大学的Linnhoff先生发明，并成功应用于工业生产中。这种方法能够用系统化的方法表示整个生产过程，利用这一表达方式可以对能源利用进行优化，设计出非常合理的换热网络。利用窄点分析法可以对经济性、能源利用效率和投资费用进行考察和评估。并且可以根据窄点分析法制定出最佳的设计方案实施策略。这一方法是一个连续性的过程，按照很多启发式的规则完成方案设计，其中会进行多次的迭代。启发式规则对解决方案的范围进行了一些限制，所以得到的解决方案不是从经济学角度考虑的解决方案。费时费力的迭代法会增加项目的费用成本，只有经验丰富的设计师才能更好地运用迭代法。商业性的研发设计工具包括KBC公司设计的SuperTarget软件、Aspen Tech公司的Energy Analyzer等。

汉堡-哈尔堡工业大学流程工艺和设备研究所的科研人员所使用的数学模型是从总体角度考虑费用成本。这一数学模型中包含了所有实际生产中的HEN换热网络中的变量元素。这一模型中所求的解是最优解。目标函数由投资费用和使用运行费用两部分组成。输入数据由用户为所有的产品流定义好各个热交换载体HX的K值、水当量mcp和希望的入口温度和出口温度组成。除了这些要素之外，用户还需要设定好涉及流程设备的使用运行限制和物理限制，作为优化问题的辅助约束条件。这样制定的优化模型实现了连续性的自由度和离散的自由度，属于混合整数非线性规划方法（MINLP）。它能够系统地分析产品生产设备的能源需求，确定可以实现的节约潜力。通过界定和排除生产设备的瓶颈，提高了能源利用效率，减少了费用支出，降低了有害气体排放，提高了设备的生产能力。所有参数都围绕提高企业的经济效益，帮助企业实现标准化。对于这样的混合整数非线性规划问题的求解，他们开发出了创新性的求解方法。这是一种基于遗传算法的求解方法，一种模仿自然进化机制的算法。任务优化的解不仅包含了HEN换热网络结构的优化，而且包括了所有与实践操作有关的变量。用户无需对得出的解再做任何处理就可以得到最经济的HEM换热网络，在保证满足所有设定和实际生产中的限制约束条件下，结构、传热面积和热功率等方面都是实现了最佳的换热网络系统。下面将通过实例介绍这一解决方案所取得的实际成果。

表1所示为一个具有可比性换热网络的局部，这一换热网络是利用窄点分析法设计的。在工业实际生产中，除了每年支付高额的使用运行费用之外，流程设备的操作者还要非常谨慎地进行操作控制。流程工艺过程的过多集成常常导致流程设备不能通过验收，或者直接被拒绝验收。究其原因可能是长时间的设备调试，不断出现的故障、干扰使得设备难以完成调试。为了解决这一难题，研究所的科研人员研究出了独创的新方法。

这种方法对于解决含有子换热网络优化问题时非常有益。从热力学的角度分析，子换热网络热力学相互隔离的独立网络，子网与换热网络整体之间没有产品流的交换。

在实际生产中，这种有着多个子网的换热网络具有很大的优势，子网中出现的外部干扰不会影响整个换热网络。一个HEN换热网络可以分解为有两个相同结构的HEN换热子网（参见图2（b））。仔细分析表1可以确定得出：最佳优化的换热网络HEN具有按照窄点分析法得到的换热网络和拥有多个子网的换热网络所具有的所有优点。同时还可以看出最佳优化的换热网络中的热交换载体（HX）数量明显少于窄点分析法得到的解决方案，大大地简化了HEN换热网络。这对工业化实际应用具有重要的意义。

小结

在换热网络经济性优化的系统方法中，考虑了工业实际生产的目的要求，例如经济性、节能等。利用这一方法设计的换热网络提高了能源利用效率，提高了生产能力，降低资源消耗。一般情况下，工业化合作项目的进展分为下列几个步骤和阶段：生产过程的现场调查、数据分析、建立模型和模拟、鉴定、评估和优化措施的轻重缓急等。

遗传算法与窄点分析法

图1：最佳的热回收利用能够明显地提高生产过程中的能源利用率

本表是遗传算法换热网络与窄点分析法换热网络比较的一部分。试验对比的换热网络是一个大型的换热网络，在这种大型换热网络中，由于任务的复杂性使得求出的解（解决方案）还有很大的提升空间。但是遗传算法得到的解（GA）比窄点分析法（PM）得出的解要好。实际生产表明遗传算法得到换热网络每年的投入和设备运行费用比窄点分析方法（PM）要少25%左右。