换热网络控制与工艺一体化设计研究

研究换热网络的控制与工艺一体化设计,全面考虑换热网络的弹性设计和控制问题,提出用两步法设计换热网络:第一步,使用给定工艺条件设计法的夹点设计法进行初始设计;第二步,在换热网络的操作夹点附近设置旁路,通过对旁路流量的优化控制,使换热网络在不同的工况条件下公用工程消耗都能接近最小.     

换热网络控制分析与设计研究进展

回顾了近年来对换热网络可控性方面的研究,即分析了当前换热网络的两种控制策略:控制性能指数法和旁路优化控制方法。阐述了这些方法的优点和尚待改进的问题,并指出换热网络的设计应同时考虑工艺与控制两方面。提出了工艺与控制集成的设计方法的具体研究思路,并指出换热网络工艺与控制集成设计的方法将成为今后换热网络设计与控制方面研究的发展方向。     

换热器换热工艺设计智能技术软件

为便于对各类化工换热软件的了解,简介了共6个化工工艺设计及流程模拟通用软件和2个工艺专用软件、3个多功能软件以及1个设备选型软件,综述了智能技术在化工换热器工艺设计分析中应用的通用工艺软件、专用工艺软件、工艺和绘图一体化软件、工艺和强度一体化软件和换热器选型软件等几方面情况。提出了当前换热工艺和智能软件两者结合发展中面临的4个工程课题:设备建造全过程多位一体化软件、换热专业与设备大型化发展的融合、软件优化设计的评估功能、特殊新结构换热器专用工艺软件开发等。     

加热炉换热工艺设计技术软件

为便于对目前国内外各类化工加热炉工艺设计软件技术进展的了解,通过3套加热炉工艺设计专用软件、4套可用于加热炉工艺设计的通用软件、2套可用于加热炉设计的流程模拟软件及另外10套化工流程模拟软件的简介,综述了这些软件的主要内容、组成模块的功能特点及其在加热炉工艺设计专业的应用。提出了换热工艺与智能技术两者结合进一步发展中面临的4个工程新课题,分别是强化换热专用元件应用、换热工艺和结构强度设计一体化、空气预热器及其与加热炉工艺设计的一体化、实践经验与专家系统。     

加热炉换热工艺特性分析软件进展

为便于对目前各类化工加热炉工艺特性设计技术软件技术进展的了解,通过7个换热特性专题分析软件的内容简介,综述了特性分析技术软件在工业炉工艺设计专业的应用,提出了当前加热炉软件技术发展中,设备结构和工艺两者结合发展面临的3个工程课题,分别是加热炉预热段、辐射段和对流段整体一体化、炉管振动计算、新智能技术的引入。     

换热网络操作夹点分析与旁路优化控制

换热网络夹点设计法是从设计的角度,针对某一给定的典型操作条件而进行的,而炼油化工过程的生产条件经常在一定范围内波动。在实际的生产中,换热网络的操作夹点和最小温差与设计值往往不尽相同,为换热网络的优化控制带来了一定困难。因而近年来对于换热网络夹点技术以及旁路优化控制方面的研究不断深入,但将夹点技术与换热网络控制集成的方法仍不成熟。本文从操作的角度求解并分析换热网络结构已定或网络正在运行情况下的操作夹点,定性分析操作夹点的变化规律,并提出在操作夹点附近设置旁路实现网络的旁路优化控制,从而将夹点技术应用于换热网络旁路优化控制中。实例仿真表明,这一旁路优化控制方法在满足控制要求的同时明显降低了网络的总公用工程,验证了其有效性。     

复合材料产品设计和开发中的工艺设计和控制

工艺设计是采用先进的工艺设计方案、科学合理、经济可行地实现产品的设计意图。而工艺设计的控制是确保工艺设计可以达到规定目标的适宜性,充分性和有效性的的重要保障,从而使工艺设计能够完全、正确、统一、协调。本文结合复合材料气瓶阐述了复合材料产品设计和开发中的工艺设计程序及控制内容。     

多周期操作工况下热换网络的弹性设计

提出了基于专家系统的多周期换热网络的超结构形式及弹性设计方法。首先通过专家系统确定周期操作工况下物流的分流及匹配禁止情况。在此基础上建立网络多周期操作工况下的超结构模型;然后用遗传算法对上述模型进行求解。最后用分解协调法和网络结构和匹配单元同时进行优化。该方法不仅自动地合成多周期操作工况的换热网络最优流程结构,而且能同时满足网络在各操作工况下的各种工艺限制条件,最后,通过某个换热网络的最优合成设计     

考虑冗余控制的多周期换热网络设计

实际多周期换热网络的设计不但要满足多个离散周期的操作条件要求,还应该满足单个周期下的柔性要求,以补偿实际操作中单周期下可能出现的参数波动。而根据工程经验增加换热面积裕量和采用文献中的最大面积思想进行设计,都会造成多周期换热网络中换热面积的过度冗余,导致资源的浪费和投资成本的增加。针对以上问题,在综合考虑多周期操作条件要求和单周期柔性要求的基础上,提出了一种控制面积冗余的多周期换热网络设计方法。该方法首先在单周期换热网络集成的基础上获取一个初始的多周期换热网络设计方案。然后以此方案为基础,构建一个基于单周期换热网络模型和柔性分析模型的换热网络修正模型,并通过求解该模型获得初始多周期换热网络在各周期下的最优修正方案。通过综合初始多周期换热网络设计和修正方案,即可完成最终的多周期换热网络设计。最后,通过将所得多周期换热网络与文献中所得结果进行对比,验证了方法的有效性。     

换热器结垢与换热网络裕量设计方法研究进展

从结垢现象影响换热系统正常运行的角度出发,介绍了近几年换热网络裕量设计以及针对结垢问题不同学者研究出的换热网络优化设计。总结了在换热网络设计中对换热器清洗时序、清洗周期优化或者增加换热网络的裕量设计的不同换热网络设计最优方法,但这些方法都是在换热网络设计之初,考虑换热器结垢最严重的情况即换热网络在“最差”工况下进行的优化,因此优化得到的换热网络难以保证换热网络全运行周期的持续节能优化。本文结合现有换热网络设计方法的利弊,针对结垢过程的慢时变、持续特点,提出一种基于长周期持续节能的换热网络设计优化方法,在换热网络设计之初,定量分析结垢对网络结构的影响,以换热网络全周期累积总费用为目标函数,实现换热网络的最优综合。     

Design of heat exchanger network based on entransy theory

The heat exchanger network (HEN) synthesis problem based on entransy theory is analyzed. According to the characteristics of entransy representation of thermal potential energy, the entransy dissipation represents the irreversibility of the heat transfer process, the temperature difference determines the entransy dissipation, and four HEN design steps based on entransy theory are put forward. The present study shows how it is possible to set energy targets based on entransy and achieve them with a network of heat exchangers by an example of heat exchanger network design for four streams. In order to verify the correctness of the heat exchanger networks design method based on entransy theory, the synthesis of the HEN for the diesel hydrogenation unit is studied. Using the heat exchange networks design method based on entransy theory, the HEN obtained is consistent with energy targets. The entransy transfer efficiency of HEN based on entransy theory is 92.29%, higher than the entransy transfer efficiency of the maximum heat recovery network based on pinch technology.     

带有热储罐的间歇过程换热网络综合

间歇过程流股对时间的依赖性增加了其换热网络综合的难度。提出了一种采用间接换热进行换热网络综合的方法,且考虑了直接换热,同时提出了合并热储罐的方法,并利用热储罐的特点合并间接换热中的换热器,用以减少设备费用,以热储罐中介质的温度为变量以年度总费用最小为目标函数建立非线性规划数学模型,确定热储罐内介质温度,最后将该方法应用于实例中证明此方法的有效性。     

有分流换热网络的弹性设计-基于温度波动情形

提出了基于温度波动的有分流换热网络的超结构模型和同步优化的弹性设计方法。首先对于起始温度在一定范围内波动的物流进行预处理。即分段处理。然后建立换热网络同步优化的数学模型,最后对分段物流进行合并,并通过能量松弛方法得取满意一定弹性要求的换热网络结构。     

基于持续节能的多周期换热网络优化设计

在石油化工工业中,换热网络的操作条件时常发生改变,尤其是结垢热阻随运行时间不断增大。针对操作条件的改变,有研究者提出多周期换热网络最优综合的设计与改造方法。但是,这些方法不涉及结垢热阻对设计结果的影响。然而,换热器结垢不可避免,传热系数随之改变,将导致操作工况偏离最优值,难以实现持续节能优化。以多周期换热网络优化为基础,提出一种基于持续节能的多周期换热网络综合设计方法,以换热网络累积总费用为目标函数,考虑换热器结垢对多周期换热网络优化结果的影响,进而实现多周期换热网络的最优综合。首先,结合示例分析换热器结垢对多周期换热网络优化结果的影响,得出考虑到结垢热阻的影响多周期换热网络在各个周期内的优化结果将改变;然后,基于持续节能优化,以换热网络累积总费用为目标函数,提出一种多周期换热网络优化方法;最后,结合示例验证了该设计方法的有效性。     

Margin design,online optimization,and control approach of a heat exchanger network with bypasses

During the life cycle operation of a heat exchanger network (HEN), factors such as equipment aging, gradually decrease heat transfer performance and increase energy consumption. Industrial HEN design currently fails to effectively solve these problems. To resolve this problem, we present an online optimization and control approach method for an HEN with bypasses. The approach is based on the principles of sustainable energy conservation during the life cycle. The area margin of the heat exchanger is gradually released via bypass adjustment, thereby resulting in energy conservation. First, bypasses are set on the HEN to enhance HEN control and enable optimal manipulation of the equipment. Then, the total cumulative cost increment of the HEN, including the increment of utility costs and equipment investment costs, is regarded as the objective function. The effects of the heat transfer efficiency of the heat exchanger and the effects of bypass adjustment are also taken into account. We solve the optimal design margin of the HEN, thereby providing an operational space for optimal control. Finally, using the margin optimization design of the HEN with bypasses as basis, we treat the cumulative costs of the HEN in a certain cycle as the objective function to solve the optimal opening dynamically. While, we present an optimal control structure, which is combined with existing conventional control loops. The HEN of a given crude distillation unit in a refinery is chosen as the research object. And, results illustrate the effectiveness and application prospects of the proposed method.     

基于经济目标和分解协调策略的换热网络最优设计

分析了换热网络在过程系统中的功能 ,从火用分析和火用经济学的角度提出了换热网络最优合成设计的实用火用经济目标函数 ,它包含了网络的流动火用损费 ,且可分解为各个换热单元的总费用之和 .在换热网络目标函数可分解性的基础上 ,本文又进一步提出了换热网络分解协调优化的研究策略 ,它是在各个匹配单元 (子系统 )和整个换热网络结构 (复杂系统 )之间进行优化协调 ,并获得换热网络的最优结构和各匹配单元的最优操作参数 .最后 ,通过一换热网络的最优合成 ,说明了该方法的应用前景     

Retrofit design of heat exchanger network of a fluid catalytic cracking plant and control based on MPC

Nowadays, the optimal control of a heat-integrated plant becomes one of the most important research areas in the chemical industry. The heat transfer between the process and recycle flows may generate instability. Accordingly, the advanced control techniques have the challenging task of assuring the safety of the process operation and providing tight control for the heat integrated plants. Investigation of an entire fluid catalytic cracking (FCC) plant taking into account its complex dynamic behaviour for heat integration design and operation has not been studied yet. The reactor–regenerator, the fractionation column and the heat exchanger network are included in the present study. Using the data from an industrial plant, a complex FCC process simulator was built. The structure of the optimal heat exchange network (HEN) was designed and implemented in the simulator. Comparison between PID and MPC control strategy was done and the incentives of the proposed MPC are revealed.