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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑工况变迁和兼顾运行的换热网络优化设计

基于固定工况设计的换热网络无法保证变工况下的运行性能,以换热网络的运行优化和动态设计为出发点,提出了换热器旁路调节的方法,结合Grossmann的换热网络分级超结构模型,建立了换热网络旁路调节的数学模型和求解策略。利用蒙特卡罗随机技术和最速下降法混合优化策略获得了最佳旁路开度,保证了工况迁移时换热网络的运行性能。实例应用表明:旁路调节大大增加了换热网络的柔性,降低了运行费用。合理调整旁路开度可使得换热网络的运行始终处在较优状态,获得显著的经济效益。     

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。     

换热网络的柔性识别及基于旁路调节的运行优化

从研究换热网络的运行特性和调节特性出发,引入灵敏度理论,建立了基于灵敏度评价指标的柔性识别方法,获得了换热网络的柔性特性和柔性区间。通过柔性分析捕获换热网络中的敏感流体,并将旁路调节应用在此类敏感流体的调节控制,建立了换热器及其网络的旁路调节方法。实例应用表明:针对频繁扰动或对运行性能影响严重的流体设置旁路,抑制了流体扰动作用的传递,保证了换热网络中绝大多数流体出口参数的稳定,在公用工程费用不变的基础上显著地减少了公用工程的数目,优化换热网络结构的同时实现了运行优化。     

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。     

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.     

不确定性下基于多工况优化的可控性换热器网络综合

换热器网络在化工生产过程中起着能量回收、节能降耗的重要作用。常规换热器网络综合方法以经济性为目标进行参数和结构优化,导致换热设备之间的强烈耦合从而引起潜在的控制困难。此外,在实际生产中,无论是单个换热设备还是整个网络都不可避免地受到一些不确定性因素的干扰,故能够抵御这些扰动的可控性换热器网络是至关重要的。通过考虑网络结构与可控性之间的相互作用,提出可控性换热器网络综合方法,并基于多工况优化探究了决策变量对网络结构的影响。然后以柔性指数衡量扰动存在情况下换热器网络操作可行性,进一步优化换热器网络结构以抵御不确定性因素的干扰。最后,通过算例分析验证了该方法的可行性与有效性。     

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。     

一种分步匹配的换热网络优化方法

针对复杂换热网络全局优化中可操作性、优化效率与优化质量三者间的矛盾问题,基于换热网络优化中的最佳温位匹配的原则,提出了一种复杂换热网络分步优化方法。该方法将复杂的网络集成问题分解为以冷(热)流体数目为基础的多个单一流体匹配优化的子问题,以最优匹配优选的原则进行网络结构的分步生成,最终获得网络的总体结构。结果表明,以优选匹配的换热网络结构优化结果优于焓差匹配、温位匹配的结果,匹配的原则中,优选匹配要作为首选的匹配原则,可以避免前两种匹配原则上的匹配失当,该方法极大地提高了复杂换热网络优化的可操作性,优选匹配顺序使得分步优化能够取得更高的质量。     

Bypass control of heat exchanger network under uncertainty

The dynamic control of the heat exchanger network is important for developing energy-efficient and safe industrial processes. In such a system, the control is achieved through the bypass stream around the heat exchanger. This work aims to track the setpoint temperature of the mixed stream by manipulating the bypass fraction of the cold stream around the heat exchanger. The implemented control is in a non-linear model predictive control (NMPC) framework. The first-principles model of a shell and a tube heat exchanger is used. The orthogonal collocation technique is used to discretize the first-principles model into the system of algebraic equations. In this work, uncertainty is also considered in the inlet temperature of the hot stream. The uncertain optimal control problem is dealt with by using a scenario tree-based approximation along with the affine policy-based method. The results show that, under different scenarios of uncertainty, the controlled variable efficiently tracks the setpoint. In comparison, considering the same scenarios of uncertainty used, the deterministic optimization approach shows significant deviation in the controlled variable from the setpoint as time passes.     

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.