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。     

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。     

基于持续节能的换热网络缓释优化

针对给定的换热网络,应用在线控制来实现系统的持续节能,然而在换热网络运行的全生命周期内,需要考虑操作裕量和控制的自由度来保证系统的可持续性、经济性和安全性等。本文从工艺设计、控制系统设计的角度对换热网络的研究进展进行阐述分析,并在此基础上提出一种可持续节能和缓释裕量的控制方法,并利用相位轨迹求解优化的切换点以使控制变量的变化最小,实现在给定裕量的条件下合理利用裕量,进而实现系统的持续可控,并通过实例证明方法的有效性。     

基于全周期持续节能的换热网络滑动窗口分析与裕量缓释优化控制

换热网络是过程系统节能降耗的关键,对于给定换热网络其操作条件及生产要求等常发生变化,尤其是换热器普遍存在缓慢结垢现象,导致换热网络的运行参数偏离设计值,甚至难以满足生产操作要求。为此设计时一般留出一定的面积裕量,并通过旁路控制实现对面积裕量的在线调节。本文针对换热网络运行的全周期,以持续节能为目标,提出一种裕量缓释的优化控制方法。首先,针对换热网络整个运行周期,结合滑动窗口算法分析缓慢结垢现象与优化控制的关系,得出一种换热网络全周期持续节能的控制策略。然后,在划分的每个滑动窗口内以提高控制性能为目标,实现换热网络的在线优化控制。进而针对换热网络的全运行周期,以持续节能为目标,研究一种裕量缓释优化方法,优化求解每个窗口内可利用的换热网络面积裕量。最后,提出一种以全周期持续可控为目标的换热网络裕量缓释优化控制方法。结合实例说明采用本文提出的方法实现了全周期持续可控同时兼顾了各时间窗口内系统的动态控制性能。     

换热网络的优化设计

通常,换热网络是化工系统中的一个子系统,起到能量转换利用和回收功能。在新厂设计时采用换热网络优化设计技术,比传统方法可节能30%~50%,节省投资10%.换热网络以整个系统为出发点,同以前只着眼局部,只考虑某几股热流的回收相比,节能效果和经济效益要显著得多。     

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。     

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。     

多周期操作工况下换热网络的弹性设计

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各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;最后用分解协调法对网络结构和匹配单元同时进行优化。该方法不仅能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,说明本方法的有效性和应用前景。     

基于自组织Petri Net优化设计换热网络

基于Petri Net的动态并发特性和逻辑表述能力,构造最小传热温差优化、夹点分析、网络综合及结构调优模块。首先,根据Petri Net激发规则和垂直传热原则,实现最小允许传热温差的优化;然后,根据Petri Net四则运算机制,实现夹点分析数据流辗转传递,确定夹点、最大热回收和最小冷、热公用工程等信息;进而,根据Petri Net监督学习机制,拓扑夹点设计可行性经验规则,综合初始换热网络结构;最终,根据Petri Net自组织机制,通过断裂环路、松弛路径,实现换热网络渐进调优。通过实例计算说明提出方法的可行性和有效性。     

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。     

具有柔性拓扑结构的厂际多周期换热网络优化

针对厂际多周期换热网络优化,提出了一种考虑柔性设计的数学规划模型,旨在解决现有网络设计缺乏灵活性及无法适应生产波动等问题。该模型由两个子模型组成,第一个子模型通过厂际热集成的超结构模型优化各个周期内的换热网络结构,第二个子模型以年度总成本费用为目标函数,优化换热器面积与热负荷。在每个工厂内,所有换热器都具有共享功能,通过开闭阀门调整过程物流走向,改变网络结构以完成热量传递任务。案例测试表明最小网络年度总成本费用为210919.4 USD·a^-1,需要设置13台共享换热器,其中工厂1有6台,工厂2有4台,工厂3有3台。提出的厂际多周期换热网络优化模型具有设计灵活性高、应对生产环境变化能力强等特点,为企业提供了一种更为智能且高效的换热网络设计方法。     

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。     

常减压装置换热网络的优化设计

在夹点技术的基础上,结合工艺流程模拟软件（HYSYS）和换热网络计算软件（HEXTRAN）对原有常减压装置换热网络进行优化,并得出了近于最优的换热网络。优化后的换热网络经实际生产运行取得了良好的效果和可观的经济效益。     

多周期操作工况下无分流换热网络的弹性设计

提出了基于多周期无分流换热网络的超结构形式及弹性设计方法——同步优化方法。首先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。该方法能自动地合成多周期操作工况的换热网络最优流程结构。最后,通过换热网络的最优合成设计实例,说明本方法的有效性和应用前景。     

常减压蒸馏换热网络节能优化

利用夹点技术对常减压蒸馏换热网络进行分析,优化该常减压蒸馏装置换热网络结构,最大限度的回收热量,节能效果显著。     

加氢裂化装置换热网络的节能改造

针对一套20世纪80年代引进的加氢裂化装置,首先对其进行了夹点分析,由于该装置仍然存在温度低于夹点温度的加热器,特别是由于存在跨越夹点的传热,该装置中占实际加热公用工程用量一半以上的用能是不合理的.针对这些用能不合理的环节,对装置进行热集成,并结合工程实际和经济性因素,提出了2种换热网络优化改造方案,并对换热器网络改动最小的方案进行了调优.     

基于自组织Petri Net的间歇过程换热网络优化设计

根据热级联分析法的基本思想,在优化设计连续过程换热网络的自组织PetriNet模型中,引入时间库所表示间歇过程时间,使其适合于优化设计间歇过程换热网络,拓展了PetriNet对时间的表示形式,有利于对系统可达性进行研究。另外,根据垂直匹配原则,对换热网络夹点匹配的分流问题进行了研究,建立了综合考虑夹点规则的数学公式,有利于快速准确地进行夹点处流股的分流匹配。通过实例计算说明了提出方法的可行性和有效性。     

基于夹点技术的汽油加氢装置换热网络节能研究

为了保障炼油厂加氢炼化装置的有效运行、解决资源浪费现象,要基于现有的换热网络,利用夹点技术完成分析。通过数据换算以及模拟,可以了解夹点技术加氢电化装置换热网节能效果较佳,将夹点温差设置为20℃,可以计算出该装置的换热网络夹点温度为125℃。最小的工程计算量为10 449 kW,最小冷公用工程量为49 193 kW。由此可见,换热网络不合理情况执行的对应节能改造方案,可节能约57.89%的热公用工程以及27.76%的冷公用工程,有极佳的经济效益。     

常减压换热网络的优化节能研究

应用自行开发的换热网络软件包,对吉化炼油厂常减压装置的换热网络进行了优化节能研究,通过换热网络的合成、分析、换热器优化设计及流程模拟,找出了原有换热网络存在的问题,提出了对原有换热网络优化改进的方案,并进行了优化设计。