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.     

无分流换热网络合成和控制的集成研究

提出了无分流换热网络合成和控制集成的策略和方法、步骤,建立了合成和控制同步优化的数学模型,使得换热网络的合成和控制的集成研究从试探法向数学规划方法发展,从理论研究向实用性方向发展,实现了同时考虑控制要求的换热网络的自动合成。通过示例说明了本文所提方法的有效性和实用前景。     

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。     

换热网络设计方法的研究进展

本文概括分析了近年来在研究换热网络设计方面所取得的新进展。指出夹点技术及其发展、双温差方法和分步优化方法的尚存缺陷，分析了围绕克服这些缺陷已采取的措施和进一步改进的方向。阐述了同步优化方法的优势和尚待改进的地方。指出目前从热力学、经济规模和“系统“的观点更全面地认识换热网络，从而设计高效、低费用的工业换热网络。     

换热网络集成与优化研究进展

首先回顾了上世纪80年代初期提出的以夹点技术和数学规划法为代表的经典换热网络集成优化方法,进而分别论述了近期换热网络集成优化的主要进展,包括考虑压降、结垢和换热器详细设计等实际问题的换热网络集成优化方法;针对不断升级的环境问题,考虑全生命周期分析、二氧化碳捕集和水系统的换热器网络集成优化方法;以及为进一步提升能量利用效率,将换热网络的边界扩展至多个装置,甚至工业园区的能量系统优化方法。最后展望了今后换热网络集成优化的发展趋势与方向。     

夹点技术及其在全低变换热网络中的应用

夹点技术是一种十分有效和实用的过程集成技术 ,本文介绍了夹点技术的基本原理和运用此技术进行换热网络最优综合的基本方法 ;对合成氨全低变工艺换热网络进行了优化设计 ,得到的新网络在满足工艺要求的前提下 ,能充分利用系统自身的热量 ,不需要外供蒸汽 ,与第二换热网络相比 ,减少了设备数量 ,具有应用前景。     

数学规划与图形方法相结合设计热集成用水网络

将数学规划法与图形方法相结合探究单杂质用水网络与换热网络的集成问题。首先构建混合整数非线性规划模型（MINLP）,在最小公用工程消耗下优化流股参数未知情况下的分离系统组合曲线面积,得到了最为节能、换热面积最小的用水网络结构。在此基础上,提出了新的分离系统组合曲线演化步骤和规则,可以得到换热单元数目较小的换热网络结构。算例表明,与现有的基于分离系统的热集成用水网络设计方法相比,在最小化公用工程用量的同时可以进一步降低换热器数目与总换热面积。     

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.     

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。     

Heat exchanger network synthesis integrated with flexibility and controllability

Over the last three decades, flexibility and controllability considerations for heat exchanger networks(HENs) have received great attention, respectively. However, they should be simultaneously incorporated in HEN synthesis to allow the economic performance to be achievable in a practical operating environment. This paper proposes a method for simultaneous synthesis of flexible and controllable HEN by considering their coupling. The key idea is to add the bypasses with optimized initial fractions and positions to explore such coupling, and consequently enabling HENs to be operated successfully over a range of disturbance variations. These are implemented by identifying and quantifying disturbance propagations,and then examining the sensitivity of bypasses to the entire HEN. In this way, the superstructurebased mixed integer non-linear programming(MINLP) with objective function of minimizing the total annual cost is formulated. A case study is used to demonstrate the application of the proposed method.Quantitative measures and dynamic simulation show the ability to provide the satisfactory flexibility and controllability of the obtained HEN.     

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.