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.     

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。     

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。     

多约束条件下的钻井液排量优选研究

在考虑环空携岩、地面机泵额定压力、钻井液当量循环密度、钻头水功率和井下动力钻具等因素的影响前提下对钻井液排量优选进行了研究。以新垦601井的基本数据为基础,采用不同约束条件下的钻井液排量计算模型对排量进行了计算。计算结果表明,环空携岩约束条件下优选出的排量值最小,地面机泵条件下确定的排量值最大;ECD可确定一个排量范围,保证井眼不坍塌、不破裂;井下动力钻具在最佳工作状态时也可确定一个排量范围。在实际钻井中,为使所设计的排量具有使用价值,须确保优选的钻井液排量满足所有约束条件。