基于全周期节能的有旁路换热网络裕量优化设计

换热网络全周期运行期间,由于设备老化等因素,换热性能逐步下降,能耗逐步提高。而当前工业换热网络的裕量设计并没有有效地解决此问题。因此提出了一种基于有旁路换热网络全周期节能优化的裕量优化设计方法,通过旁路调节,逐步释放有效面积裕量,达到全周期节能的目的。该优化方法以换热网络运行全周期内总累积费用为目标函数,同时考虑结垢热阻对换热器换热效果的影响以及旁路对换热网络的调节作用,在满足工艺条件的基础上求解换热网络的最优裕量,最终实现换热网络的持续节能。最后,以某炼油厂的常减压脱盐前换热网络为具体的研究对象,说明所提方法的有效性和使用前景。     

有旁路换热网络全周期节能的动态优化控制实现方法

为了实现换热网络的全周期持续节能,在网络上设置旁路从而增加其控制自由度,同时设计一定的裕量来提供优化控制的操作空间。为了较好地利用旁路调节和裕量空间,提出一种基于换热网络动态模型的在线优化控制方法,巧妙地结合原有常规控制回路,不但扩大了优化控制的可行域,并且满足原常规控制回路的精度要求。该方法以换热网络一定周期内的累积费用最小为目标函数,同时考虑扰动对换热网络的影响,在满足工艺条件的基础上,求解最佳旁路开度,以实现换热网络的持续节能。由于采用闭环校正、迭代计算和滚动优化的实施方法,始终把优化建立在实际的基础上,尽管它每次不一定能得到全局最优解,然而使得实际控制结果达到最优。最后,以某炼油厂的常减压脱盐前换热网络为具体的研究对象,说明所提方法的有效性和使用前景。     

基于结构可控性分析的换热网络旁路优化设计

在换热网络的运行过程中其操作条件时常发生变化,旁路优化控制是调节物流出口温度、节能降耗的有效途径。然而,仅通过逐一对比或优化的方法确定旁路位置不能从理论上论证换热网络的可控性,也往往难以兼顾可控性与经济性。因此从控制理论的角度,基于结构可控性理论分析换热网络的结构特性。权衡可控性与经济性两方面因素,在可控性要求较高时,为实现设置最少的旁路以满足全部状态的可控性要求,提出了换热网络全部状态可控的旁路优化设计法。在旁路数目受限时,根据具体的经济性与可控性要求,为确定最佳的旁路位置,提出了准可控的旁路优化设计法。然后,基于结构可控性分析分别求解提出的两种旁路优化设计方案。最后,以某常减压蒸馏装置脱盐前换热网络为例分别求解全部状态可控和准可控的换热网络旁路位置,并与多次优化等其他求解方法得出的结果进行对比分析。     

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。     

换热网络旁路优化设计

提出了一种可以降低已有换热网络运行费用的旁路优化设计方法,使得网络控制自由度增大,运行费用明显降低。该优化设计方法将网络运行总费用作为目标函数,同时考虑结垢热阻对换热器换热效果的影响,经过多次优化计算确定旁路位置和开度,并根据现场具体情况选择合适的旁路开度下限,确定旁路数目,最终实现网络旁路优化设计。通过示例说明了本文所提方法的有效性和实用前景。     

具有旁路控制的换热网络结构可控性分析

换热网络的旁路控制是调节物流出口温度、节能降耗的有效方法,旁路位置的确定往往是实现最优控制的关键。因此,从控制理论的角度,对比分析具有旁路控制的换热网络结构可控性等结构特性。首先,基于图论的概念通过换热网络结构模型,求取其状态结构图以及状态结构阵。然后根据求解结果分析网络的结构可控性以及控制结构的强度与冗余度。通过实例对比分析证明结构可控性分析的方法从控制理论的角度分析论证了换热网络旁路优化设计结果的可控性,并且方法从换热网络结构模型入手简化了求解过程,为换热网络的旁路优化控制提供一种新的思路。     

Bypass Selection for Control of Heat Exchanger Network

Considering the flexibility and controllability of heat exchanger networks (HENs), bypasses are widely used for effective control of process stream target temperatures. However, the optimal location for the bypass is generally difficult to design with the trade-off between controllability and capital investments. In this paper, based on the steady-state model of heat exchanger networks the optimal bypass location was firstly selected by iteratively calculating the non-square Relative Gain Array (ns-RGA). To simplify the calculation process, rules of bypass selection were also proposed. In order to evaluate this method, then, the structural controllability of heat exchanger networks was analyzed. With both the consideration of the controllability and capital investments, the bypasses locations were finally selected. A case study on the HEN in Crude Distillation Unit was presented in which the ns-RGA and structural controllability were used to select bypasses and also to evaluate the results.     

考虑管壳式换热器传热强化的换热网络综合研究进展

换热器传热强化在换热网络中的应用可以解决现有换热网络改造中的瓶颈问题,在热回收系统配置没有过多结构改造的条件下,可以达到明显的节能及降低成本的目的;同时,在换热网络设计中,换热器传热强化技术的应用可以降低设备投资,实现更好的经济效果。本文首先通过文献检索数据说明了在换热网络改造和设计中考虑传热强化技术的研究在近5年得到了研究者的关注。然后概述了管壳式换热器传热强化的基本原理及主要方式,分析了传热强化技术的应用对换热器传热性能的影响,系统总结了管壳式换热器传热强化技术的分类和强化效果。进一步从设计和改造两个方面,对换热网络优化中考虑管壳式换热器传热强化的应用研究进行了综述,展示了传热强化对换热网络设计和改造的效果和优势。最后对下一步的研究进行了展望,指出可进一步探究换热器传热强化设备几何尺寸和换热网络同步优化、传热强化和换热器详细设计同步优化等。     

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。     

基于相对增益分析的换热网络旁路设计

提出一种考虑了可控性的换热网络旁路设计法。基于稳态模型增益的定量计算,推导换热网络稳态数学模型的求解过程,从可控性分析的角度逐一求解换热网络的非方相对增益矩阵,从中确定最优的旁路位置,使被控变量具有较高的可控性。突破相对增益矩阵仅用于控制配对的常规范畴,提出一种通过逐次求解换热网络非方相对增益矩阵优化选取最优旁路设置的方法,并给出了设置旁路的若干准则,以简化求算过程。分析稳态工作点变化后的情况,表明工况变化不影响上述得出的旁路设置。该法适用于大型复杂换热网络,满足生产控制要求,并能保证整个换热网络具有较高的可控性。以某常减压蒸馏装置脱盐前换热网络为例,验证方法的可行性和有效性。     

基于复杂网络控制理论的换热网络旁路位置确定

换热网络的旁路控制是增加自由度和提升系统控制性能的有效手段。为了保证控制的有效性和经济性,本文基于复杂网络理论,结合“下游路径”理论中换热网络的干扰传递规律,构建出换热网络的有向加权的复杂网络模型,然后把换热网络旁路抽象为复杂网络驱动节点集,权衡可控性与经济性两方面因素,给出两种旁路位置确定方法。在可控性要求较高时,基于复杂网络结构可控性理论,提出了换热网络全局可控的旁路位置确定法,该算法不仅通过设置最少的旁路实现了换热网络的全局可控,还实现了对换热网络控制性能的优化;当旁路数目受限时,基于复杂网络目标控制理论,提出了重要节点可控的旁路位置确定法,在保证其重要节点可控的同时,减少旁路数量从而节省投资费用。最后,以大型原油换热网络为例分别求解全局可控和重要节点可控的换热网络旁路位置,验证了该方法的可行性。     

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。     

换热网络设计方法的研究进展

回顾了近年来换热网络设计研究的内容和方法。分析了当前求解换热网络最小公用工程设计的3种方法：传统的给定工艺条件的设计法、最近几年得到很大发展的弹性设计法和控制与工艺一体化设计法。阐述了这些方法各自的优势和尚待改进的问题,并指出换热网络的设计同时应考虑先进控制和动态优化,先进控制与工艺一体化换热网络设计是今后的发展方向。     

换热器因应结垢慢时变的控制系统重构分析

换热器作为化工过程中重要的热量传递设备,一般需要持续运行较长时间,期间由于结垢热阻的不断累积,换热器的换热效率将随时间逐渐下降,直至无法满足工艺要求。在实际的工业换热过程中,工艺人员通常会对换热器进行裕量设计,然而,当换热器需要运行的时间增长或者裕量设计不足时,面对不可避免的结垢增长,常用的流量控制策略在换热器运行末期的调节效果逐渐变差,旁路控制的方案无法实现全周期的持续控制。因此,本文首先在渐近增长模型的基础上建立了换热器结垢累积的积分渐近模型,该模型考虑了过程参数对结垢速率的影响;其次,以一个用于水循环的小面积换热器为例,分析了考虑结垢增长的条件下流量控制和旁路控制的调节效果;最后,针对结垢过程的慢时变和持续性等特点,设计了基于流量与旁路开度的控制系统重构方案。示例的运行结果表明,对于同样面积裕量有限的换热器,这一控制方案能延长其使用寿命,实现其全周期持续可控的目标。     

结构可观的换热网络温度测点分析及控制系统设计

复杂换热网络中间温度状态变量众多且变量间耦合严重,若不加以控制与观测,往往不利于物流间的热量传递与安全监测。换热网络的温度测点设置是实施控制的基础,为保证全部状态的可观性,凭经验设置的温度测点往往过多,经济性差,也缺乏理论论证与分析。因此从控制理论的角度,基于结构可观性理论分析换热网络的结构特性。分析旁路设置对换热网络结构可观性的影响,权衡可观性与经济性两方面因素,为实现设置最少的温度测点以满足全部状态的可观性要求,提出了换热网络全部状态可观的温度测点优化设计法。然后,基于相对增益分析,将已有旁路与优化得出的温度测点进行配对,构成换热网络的常规控制系统。最后,以某常减压蒸馏装置脱盐前换热网络为例验证了方法的可行性。     

基于参数k、z优化的换热网络温差贡献值设计方法

提出了一种可以降低换热网络运行费用的基于参数k、z优化的换热网络设计方法, 使得网络结构更加简化, 特别适用于流体传热系数有差异的换热网络合成问题。该优化设计方法将网络运行总费用作为目标函数, 以参数k、z的优化为基础, 通过网络约束确定参数的寻优区间, 经二维寻优得到最优参数k_opt和相似文献   

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。     

Synthesis of refrigeration system based on generalized disjunctive programming model

Refrigeration system holds an important role in process industries. The optimal synthesis cannot only reduce the energy consumption, but also save the production costs. In this study, a general methodology is developed for the optimal design of refrigeration cycle and heat exchanger network (HEN) simultaneously. Taking the heat integration between the external heat sources/sinks and the refrigeration cycle into consideration, a superstructure with sub-coolers is developed. Through defining logical variables that indicate the relative temperature positions of refrigerant streams after sub-coolers, the synthesis is formulated as a Generalized Disjunctive Programming (GDP) problem based on LP transshipment model, with the target of minimizing the total compressor shaft work in the refrigeration system. The GDP model is then reformulated as a Mixed Integer Nonlinear Programming (MINLP) problem with the aid of binary variables and Big-M Constraint Method. The efficacy of the process synthesis model is demonstrated by a case study of ethylene refrigeration system. The result shows that the optimization can significantly reduce the exergy loss as well as the total compression shaft work.     

Pressure drop considerations for heat exchanger network grassroots design

Pressure drop is an important issue in design of a heat exchanger network (HEN), which has yet to be addressed properly. To overcome pressure losses incurred when streams flow through heat exchangers, pumps/compressors must be installed. The total cost for a system of pumps and compressors consists of the purchase cost of equipment and the electricity cost to run these equipment. This cost could occupy a significant part of the overall cost for a HEN design. Therefore, the pressure drop aspect should be considered together with the costs for heat exchanger area and utility consumption. A new approach is proposed to consider the pressure drop aspect in the overall context of a HEN design. Firstly, the optimal ΔT_min is determined through three-way trade-offs between area, utility and pressure drop at the targeting stage. As a result of targeting, targets for area, utility and pressure drops can be established ahead of the network design. Then a network structure is initialised at the determined ΔT_min and optimised to achieve a final design. In this procedure, the pressure drop is considered at both the targeting stage and the design stage in a systematic manner.     

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.