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。     

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。     

基于经济目标和分解协调策略的换热网络最优设计

分析了换热网络在过程系统中的功能 ,从火用分析和火用经济学的角度提出了换热网络最优合成设计的实用火用经济目标函数 ,它包含了网络的流动火用损费 ,且可分解为各个换热单元的总费用之和 .在换热网络目标函数可分解性的基础上 ,本文又进一步提出了换热网络分解协调优化的研究策略 ,它是在各个匹配单元 (子系统 )和整个换热网络结构 (复杂系统 )之间进行优化协调 ,并获得换热网络的最优结构和各匹配单元的最优操作参数 .最后 ,通过一换热网络的最优合成 ,说明了该方法的应用前景     

基于经济目标和分解协调策略的换热网络最优设计

分析了换热网络在过程系统中的功能 ,从火用分析和火用经济学的角度提出了换热网络最优合成设计的实用火用经济目标函数 ,它包含了网络的流动火用损费 ,且可分解为各个换热单元的总费用之和 .在换热网络目标函数可分解性的基础上 ,本文又进一步提出了换热网络分解协调优化的研究策略 ,它是在各个匹配单元 (子系统 )和整个换热网络结构 (复杂系统 )之间进行优化协调 ,并获得换热网络的最优结构和各匹配单元的最优操作参数 .最后 ,通过一换热网络的最优合成 ,说明了该方法的应用前景     

能量集成蒸馏塔系列的合成

本文分两阶段合成最优热集成蒸馏塔网络:首先优化设计变量使一切可能的热集成产生最大的增益,然后通过合成热集成树在分离顺序空间中找出最小分离成本顺序.由于可行的换热塔对数目不多,而且采用了简捷方法确定最优蒸馏压力,大大减轻了计算量.以一个很通行的例子演示了合成过程.对不同方法合成结果的比较表明新方法对于能量和分离成本均实现了更大幅度的节省.     

微机合成工业规模换热网络的新方法

分析了采用双最小换热温差合成换热网络的原理。基于允许能量穿越伪Ｐｉｎｃｈ点进行冷热流股匹配而不会招致外供能量的增加，把网络作为一个整体进行合成，从而可减少换热单元个数和避免不必要的分流。本文提出了一种设计成本最低换热网络的计算机自动合成方法，能对工业规模的换热网络进行自动合成。实例研究表明，用新方法合成的网络，结构简洁，且其年总花费比用Ｐｉｎｃｈ法得到的结果更接近预估目标值。     

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。     

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。     

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。     

过程系统用能分析

从热力学观点出发认识过程的用能。以系统工程的理论为推导,采用夹点技术对大型化工生产过程系统的用能情况,进行分析和诊断,寻找过程用能的“瓶颈”所在,提出“解瓶颈”的策略,并结合实际生产装置的节能改造,说明该技术的应用。     

夹点分析子系统选取规则及应用

文章对大型复杂的石化企业,提出了如何选择热集成系统的原则,并利用夹点技术对某苯胺装置整个系统和系统的各组成单元进行了分析,找出了用能不合理的环节和原因。分别取整个装置为优化系统以及各个单元各自为优化系统,提出了对换热网络的改造方案,并进行了比较,确定了目标系统和最终方案,在相对较小的经济投入下获得更大的经济效益,对复杂装置如何选取研究系统具有参考价值,根据提出的原则,既可以最大限度地发掘系统的节能潜力,又可以确保热集成方案的可行性。     

化工能量系统集成

本文叙述了讨论由换热网络及蒸汽动力系统,冷却,冷冻等公用工程系统组成的能量系统的优化集成方法作者着重阐述了广泛应用于工程节能的夹点技术及其有关的各种先进软件,通过列举多个工厂的实例,展示了能量系统集成在化工企业节能降耗工作中的重要作用。     

酮苯脱蜡装置节能减排一体化

对企业的能量系统进行集成优化,可以提高能源的利用效率,并同时减少装置的用水量和CO2的排放量。本文针对某酮苯脱蜡装置,对其现行的换热网络进行了夹点分析,提取了物流数据,找出了用能不合理之处和装置的能量目标,通过计算获得该装置的节能潜力为4228.3 kW。考虑该装置实际的状况,提出对部分物流进行重新匹配的热集成优化方案,结果表明可分别节约1456.4 kW的加热公用工程和524.2 kW的冷却公用工程。对优化后方案进行的经济性分析显示,该方案每年可节约278.5万元的能量费用、减少0.3万吨污水和9078.2吨CO2的排放。对酮苯脱蜡装置进行一体化的优化可以降低能耗和成本,本文提出的优化方案对相关装置的节能减排也具有一定的指导作用。     

基于热损失的换热网络夹点设计法

现行的换热网络目标方法,在进行换热网络价格估算时,未考虑热物流的热损失。在真实的设计中,换热器壳体保温后仍与环境温度相差较大,则其热损失不可忽略。文章提出了一个新的基于热损失的换热网络夹点设计法,该方法首先以综合费用最小为目标确定出最小温差,然后建立问题表格确定出夹点位置及最小公用工程消耗,最后再进行换热网络设计。文中采用某石油常减压换热网络系统为典型算例对该方法的前两步进行了分析研究,论证了该方法的必要性及可行性。结果表明:该方法与基本Linnhoff夹点技术法估算的投资费用有较大的差距之外,在一定的最小温差下,其与基本Linnhoff夹点技术法确定的夹点位置不同,公用工程消耗也有较大的差距。     

电厂CO2捕集工艺夹点分析与过程集成节能

电厂一乙醇胺（MEA）法烟气CO2捕集（CCS）工艺换热网络能量流密集,固有能耗高,对该工艺进行过程集成节能研究,具有重要意义。对CO2捕集工艺换热网络的夹点分析说明该换热网络存在跨越夹点的热量传递。冷热物流的总复合曲线特征说明了CO2捕集工艺固有能耗高的特性。对换热网络进行调优并提出了节能技术方案：（1）在夹点之上利用MEA贫液的部分高温位热量加热预吸附塔再生气;(2)采用MEA再生塔产生的湿CO2混合物作为驱动热源,跨越夹点设置一台氨吸收式制冷机以替代CO2液化所需部分制冷量。基于过程集成节能提出的换热集成节能措施可有效降低CO2捕集工艺固有能耗,使蒸汽耗量降低21%,冷却水耗量降低17.2%,CO2液化所需低温冷却公用工程降低43.4%。     

甲基叔丁基醚裂解制高纯异丁烷换热网络优化

近30年以来,夹点技术在石化行业得到了迅速的推广与应用,并取得了良好的经济效益。文中依据热夹点技术的基本理论与设计原则,利用Aspen HX-Net软件对8万t/a甲基叔丁基醚(MTBE)裂解制高纯异丁烷换热网络进行热平衡分析。结果表明:该流程冷热公用工程消耗量过大,换热网络设计不合理。采用Aspen HX-Net软件对换热网络进行优化和改进,使装置能耗大为降低。     

夹点技术在换热网络优化中的应用

换热网络的优化设计是石化行业生产过程中经常遇到的问题,夹点技术在换热网络优化中有着重要的地位。本文简要阐述了换热网络的基本思想以及夹点技术在换热网络中的应用,用一个简单例子说明了如何运用问题表格法来确定换热网络的夹点,并介绍了夹点技术存在的局限性。     

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。