多管程换热器网络的最小温差分析与夹点设计

在实际生产过程中,多管程换热器广泛应用,其中既存在逆流换热也存在并流换热。针对多管程换热器网络中并流换热与逆流换热时换热温差对夹点特性尤其是换热网络综合的影响,定量分析最小温差的选择与夹点特性及其总费用的关系。兼顾管程数目的选择以及换热网络总费用两方面因素,以年度化总费用最低为目标,优化求解多管程换热器网络的最小温差。然后,将求得的最小温差作为夹点温差,遵循夹点设计原则综合换热网络。同时,计算得出多管程换热器网络的F_T修正因子,并对结果进行分析。最后,结合示例对比分析求解结果,证明方法的有效性。     

柴油加氢装置过程模拟与节能研究

针对某炼油厂处理量为3.5 Mt/a的柴油加氢装置,应用Aspen Plus流程模拟软件建立了装置的数学模型,计算得出了与现场标定数据比较吻合的模拟结果。根据计算结果,利用夹点技术对其换热网络进行节能分析与改造。首先以夹点温差为20℃,确定换热网络能量目标。该装置换热网络的夹点温度为95.4℃,最小热公用工程量为5 085.7 kW,最小冷公用工程量为20 613.9 kW,与现有换热网络热公用工程13 870.8 kW相比,存在8 785.1 kW的节能潜力。然后消除违背夹点规则的不合理换热匹配,进一步优化,并提出了改造方案。该方案新增7台换热器,可节约热公用工程8 450.5 kW,约降低了60.9%的能耗,取得了良好的节能效果。回收期为0.67年。     

甲基叔丁基醚装置的换热网络优化

采用了夹点技术对MTBE装置的现有换热网络进行了节能研究。分别计算出换热系统的夹点温度、最小传热温差以及最小公用工程负荷。找出了现有换热网络中存在的问题。通过对换热网络的分析和优化改造,实现了装置的节能减耗。改造后热公用工程消耗为63.3 kW,节能82.8%;冷公用工程的消耗为103.1 kW,节能73.7%。     

用夹点分析法对换热网络用能的诊断和调优

本文概述了夹点技术、夹点分析法的发展概况。用问题表格法算出了某炼油厂常压精馏换热网络过程的夹点，用夹点分析法之一——“格子图”查出了跨夹点的换热器，经计算给出了有较大节能效果的改造方案。     

基于夹点技术的辛醇与异丁醛装置用能分析

针对某引进的辛醇与异丁醛装置,进行了换热网络的夹点分析,得到了不同的最小换热温差下该装置的节能潜力。在对整个装置的13个二段进行能量利用情况分析后,结合夹点技术的原则,研究了能量利用的合理性,并给出了48条结论。然后从节能的角度说明可以利用其热量的工艺物流,给出了每个换热器是否应进行改动的建议,为下一步的换热网络节能改造设计奠定了基础。     

基于实际热负荷分布的换热网络优化改造

采用非等温混合分流分级超结构,建立了基于实际热负荷分布的换热网络改造模型,以由改造费用和运行费用组成的年度化总成本为目标,并采用遗传算法进行求解。改造费用涉及现有换热器增加换热面积、配置新换热器、重新布置管道以及移动现有换热设备所产生的费用,充分考虑了原有换热网络经改造后结构的变化所引起的改造成本。在回用原有换热设备后,根据设备实际面积来计算换热网络的热负荷分布和温度分布,即基于实际热负荷分布对换热网络进行改造。案例研究表明,改造后的换热网络结构具有良好的节能效益,合理地再利用了原网络中的旧换热设备,并以较少的改造成本实现了较高的能量回收,投资回报期仅为0.43年,验证了所提改造方法的有效性和实用性。     

夹点技术在重芳烃分离装置节能改造中的应用

使用夹点技术对某重芳烃分离装置现行的换热网络进行分析优化,以夹点温差16℃,找出该装置换热网络的夹点平均温度159.5℃,其中夹点处的热流温度为167.5℃,冷物流温度为151.5℃。计算得到装置节能潜力336.6×104kJ/h。结合该装置现行的换热网络提出了2套换热网络优化改造方案,通过2套方案的比较和可行性分析,最终确立所选方案,该方案可实现节能14.0%,节能效果显著。     

应用夹点技术实现换热网络的优化

文章首先介绍了过程能量综合方法夹点技术的基本原理,后在对东北某石化厂常压装置模拟的基础上用夹点技术对其原油换热网络进行了节能改造优化。改造后的换热网络同原有的换热网络相比,节省了加热炉需提供的部分热量,从而节省了大量的燃料油,同时冷却负荷量也降低相同数量,避免了公用工程的双重浪费;而且本着利旧的原则充分利用了现有闲置的换热器;各段和全局的传热温差变化比较均匀,同时换热网络的总传热系数也得到较大提高。     

混合烷烃脱氢产物分离单元的换热网络优化

以某25万t/a的混合烷烃脱氢装置为背景,选取其中产物分离单元,采用Aspen Plus软件对其进行了流程模拟,模拟结果与现场数据吻合良好。在此基础上,利用夹点技术对现行工况的换热网络进行了夹点分析,在最小换热温差10℃条件下,现行换热网络冷热公用工程的节能潜力分别可达11.61%和8.88%;优化脱乙烷塔进料温度后,节能潜力可分别提高至12.48%和9.60%。通过计算机模拟发现现行换热网络存在着跨越夹点换热器。提出了换热网络优化设计方案,优化换热网络相比于原换热网络冷热公用工程消耗量分别降低12.21%和9.39%。     

环氧丙烷装置换热网络的分析与优化

利用夹点技术对某环氧丙烷装置换热网络进行了分析,并提出优化改造方案。基于MATLAB的操作型夹点分析表明,现行换热网络夹点温差偏大(34℃)。优选夹点温差为20℃,可得最小加热和冷却公用工程量分别为1 981 kW和9 132 kW,而现行换热网络中加热和冷却公用工程量分别为3 049 kW和10 201 kW,存在较大节能潜力。进一步分析表明,现行换热网络存在违背夹点设计原则的现象,导致用能不合理。考虑换热网络变动的复杂程度和经济性,提出了一种简便的优化改造方案,可减少冷热公用工程量各300.5 kW。     

数据驱动的固定拓扑结构换热网络优化改造方法

获得经济可行的换热网络改造方案目前仍然是一个巨大的难题。传统的改造方法严重依赖拓扑修改,这往往会增加改造时间和投资成本。因此,本文将围绕固定拓扑结构的换热网络改造展开研究,提出了一种基于数据驱动的高效改造方法。该方法通过建立性能模拟模型,模拟计算换热器在不同性能参数时的公用消耗与温度分布,以此获取大量的驱动换热网络改造的数据。然后通过BP神经网络预测模型与遗传算法,求解得到以最大节能量为目标的改造方案。案例研究表明,改造后的换热网络可以通过较小的投资获得较大的节能效益,与文献相比,单位费用节能量提高了51.4%;与同为固定拓扑结构的灵敏度分析相比,可以快速地获得经验规则法无法获得的改造方案,验证了改造方法的经济实用性与高效性。     

Minimizing investment cost for multi-period heat exchanger network retrofit by matching heat transfer areas with different strategies

Multi-period heat exchanger network (HEN) retrofit is usually performed by targeting and matching heat trans-fer areas. In this paper, based on the reverse order matching method we proposed previously, three strategies of matching heat transfer areas are proposed to minimize the investment cost for the retrofit of HEN in multi-period, in which replacement of heat exchangers, addition of heat exchangers and addition of heat transfer areas are performed. We demonstrate the procedures through three scenarios, including maximum number of substituted heat exchangers after retrofit, minimum additional heat transfer areas in the retrofitted HEN, and minimum investment cost for retrofit. The strategies are extended to a single period HEN retrofit problem. The results of multi-period and single period HEN retrofit problems indicate the effectiveness of the strategies. More-over, these results are better than those reported in literature. The strategies are simple and easy to implement, which are of great benefit to large-scale HEN retrofit in practice.     

考虑本质安全的换热网络多目标优化

由于国内外重大化工事故的频发及化工行业节能降耗的需求日益迫切,研究本质更安全的换热网络多目标优化具有重要意义。采用评价指数的方法,对换热网络的本质安全易爆性、毒性、存量进行量化表征。采用数学规划法分别建立换热网络经济与本质安全易爆性、毒性、存量同步优化数学模型。采用归一化法构建经济和安全的目标函数。通过算例研究发现,考虑易爆性,倾向于不易爆流股间换热,减少易爆流股换热次数;考虑毒性,倾向于减少有毒流股流经换热器的次数;考虑存量倾向于减少换热网络的总存量。最后综合考虑易爆性、毒性、存量作为安全指标与经济同步优化,通过算例研究表明,多目标优化的最优换热网络在很大程度上取决于经济权重的选取。     

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。     

考虑热泵设置的换热网络分步改造及其多目标优化策略

为了研究热泵设置对换热网络系统节能和CO₂减排的综合影响,建立了以换热网络年度化的改造费用和新增CO₂排放量最小为目标的多策略分步改造的多目标优化模型。以酮苯脱蜡装置的换热网络改造为例,阐明了本文所提方法的有效性,并获得了经济性和CO₂排放量目标权衡的Pareto曲线。本文还对热泵在换热网络中的设置位置进行了讨论,对比和分析了换热网络优化、热泵设置和燃料替换3种改造策略的经济性、减排效果以及节能效果。该方法可为过程工业系统的节能和CO₂排放控制策略的制定提供理论依据。     

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。     

基于智能预测和机理模型的换热网络清洗决策

原油石化装置的换热器常受到结垢影响,导致换热器性能衰退严重,换热网络性能也会随之衰退,同时换热器之间的耦合关系,导致不同换热器的性能衰退对换热网络整体性能变化的影响不同。以往的清洗决策主要是根据单台换热器性能衰退到一定程度来制定的,这会导致换热网络整体可能处在较差的运行状态。因此,本文提出一种基于智能预测和机理模型的换热网络清洗决策方法,基于换热器的运行数据建立智能预测模型,获得换热器性能变化趋势,结合换热网络的性能模拟模型,进一步获得换热网络的性能变化趋势,从而从换热网络整体性能变化的角度来制定清洗方案。研究表明,对收集到的原油换热器运行数据,建立神经网络预测模型,具有较好的预测精度。通过对原油精馏装置换热网络的案例分析,当HE1、HE2和HE5三台换热器同时发生性能衰退时,换热网络年度公用工程能耗费用将增加12.1%。与传统基于单台换热器性能衰退情况制定的清洗方案相比,从换热网络整体性能衰退角度制定的清洗方案,年度额外公用工程费用减少13.1%,损失费用减少14.1%,年度总费用减少13.8%,而清洗次数仅增加3台次。     

换热器网络设备面积与清洗时序同步优化

表面结垢会严重影响换热器的传热效率,定期清洗是解决该问题的主要方式.针对以往换热器网络清洗时序优化方法中用于决策的整型变量较多而难以求解的问题,提出以换热器清洗的最大允许污垢热阻为优化变量,取代表示换热器是否清洗的二进制变量,将混合整数非线性规划问题转化成非线性规划问题,能够有效地减小问题规模,降低求解难度.优化过程中兼顾换热器网络的设计型与操作型问题,采用遗传/模拟退火算法同步优化换热器的面积与清洗时序.将该方法用于一个实例,所得年度总费用与文献基本一致,验证了该方法的有效性.     

Effects of fouling on performance of retrofitted heat exchanger networks: A thermo-hydraulic based analysis

The energy recovery performance of crude pre-heat trains (PHTs) in oil refineries is typically impaired by deposition over time of fouling on the thermal surfaces. Such time varying effects are normally not considered in the design or retrofit of heat exchangers networks. In this paper, the importance of taking into account such effects is demonstrated, by means of a case study. An existing industrial PHT network is simulated using a dynamic, distributed mathematical model for shell-and-tube heat exchangers undergoing crude oil fouling. To systematically assess the impact of fouling at the network level, several key performance indicators are proposed and used to analyse three retrofit options aimed at maximising overall heat recovery. Simulation results show that network designs that maximise energy recovery at steady state are not the best when fouling occurs. It is concluded that a proper retrofit design must include consideration of time varying fouling effects.