换热网络控制与工艺一体化设计研究.pdf

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CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
化工设计201,21(1)
设计
技术
换热网络控制与工艺一体化设计研究
ら、、の、のク参
张俊峰“中国海洋石油总公司北京100010
罗雄麟中国石油大学自动化研究所北京102249
袁毅夫中国石化工程建设公司北京100101
摘要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。
关键词换热网络控制与工艺一体化设计旁路优化
许多研究者深人研究了换热网络最优设计问
本文在对换热网络进行夹点设计和动态仿真
题,提出3种主要的设计方法:
的基础上,提出换热网络的控制与工艺一体化设
(1)给定工艺条件换热网络的设计方法:主计方案,全面考虑换热网络的弹性设计和控制问
要有夹点法、数学规划法和基于专家系统的人工题,提出用两步法设计换热网络。
智能法。
(2)换热网络的弹性设计方法:主要有刚性1设计思路和流程
结构调整法、直接合成法和多周期同步优化法。
1.1设计思路
(3)换热网络控制与工艺一体化设计方法。
根据夹点原理,最小温差降低,公用工程消
近年来,换热网络控制与工艺一体化研究以
及控制和工艺集成优化设计方法已经引起国外工
耗减小,实际操作过程中,最小温差虽然降低,
程界和学术界的高度重视,得到很大发展2-3。通
但是公用工程消耗仍然大于严格按夹点法设计时
过对过程系统和控制系统的一体化设计,降低了的最小公用工程消耗。由此可见,如果能够在工
过程的投资费用和操作费用,同时改善了系统的允许范围内继续降低最小操作温差,那么就会
控制性能,使过程操作较常规设计的操作逼近了在一定程度上降低公用工程消耗。仿真结果表明,
稳态最优点,具有更高的经济效益。国内对此的对于固定结构的换热网络,在人口物流温度和流
研究还处于探索阶段。
量正常波动的范围内,其最小温差的位置是相同
当前,换热网络的设计方法主要集中在夹点或相近的,如果能够通过控制换热网络的最小温
技术上,夹点技术自诞生并经过20多年的发展,差,即控制换热网络的操作夹点,则可以使实际
其应用深度和广度都在不断拓展,在全世界范围公用工程消耗最大限度地接近最小公用工程消耗
内取得了显著的节能效果,如今已经发展成为换降低换热网络的操作费用。
热网络设计的一个通用工具。
考虑到换热网络良好的可操作性,并考虑到
夹点技术用于換热网络的初始设计时较为完管壁结垢的变化,换热器设计时会留有充分的裕
善,但夹点技术是针对某一特定的操作条件而设量。但换热网络大部分时间运行在稳定状态,且
计的。换热网络投人运行后,化工生产过程中的换热器结垢又是一个慢时变的过程,故在初始运
生产条件经常在某一范围内变动,根据夹点法设行或稳态时,裕量的空间都处于闲置状态,如按
计的具有最小公用工程消耗的换热网络往往由于原设计方案生产,又会造成温度超出设定值和公
可操作性较差,在流量或温度波动时具有较差的用工程的浪费。
经济性能。
基于以上两方面的分析,提出换热网络的控
*张俊峰:工程师,高级主管。2006年毕业于中国石油大学(北京)化工装备与过程控制专业获博土学位。现从事节能减排、系统工
程与过程控制工作。联系电话:(010)84523951,E-mail: zhangs5@cnoc,com,cno。
2011,21(1)
张俊峰等换热网络控制与エ艺一体化设计研究
制与工艺一体化设计方案,在操作夹点附近设置2.2换热器的机理模型
旁路,通过优化调节旁路流量,间接控制换热网
针对如图2所示的管壳式换热器,建立动忞机
络操作夹点温差,降低换热网络公用工程消耗。
理模型。
1.2设计流程
mi, Cp1, ]1. in
(1)依据夹点原理设计,并考虑干扰波动和
结垢对换热网络的影响,考虑适当的控制裕量与
n2, Cp2, T2.out
工艺裕量的换热网络,形成初始设计的换热网络
ー?ー?ー?ー?ーーー?ー?ー?ー
(2)对换热器进行空间离散化,建立含有多
参数、多型号的换热器非线性动态模型。
(3)在 Matlab中编写S函数,并在 Simulink
中建立相应的模块,按流程图进行连接;把换热
图2管壳式換热器示意图
器的动态模型带人初始设计的换热网络,进行
将换热器沿x方向分成N段,各段端点用
Simulink仿真,求网络中换热器冷热流的最小温(i)表示,i=1,2,…,N,第i段长度用△x(i)
差,得到换热网络的操作夹点位置。
表
(4)确定换热网络的旁路优化模型,求取流
Ax(i)=x(i)-x(ー1
量值,通过调节旁路开度,使得换热网络在不同
△x(1)=x(1)
工况、结垢等情况下,公用工程消耗最小。
可以得到:
a71.(x,)71.(な)-71:-1()
2设计过程
以一个简单换热网络为例,说明换热网络的
(2)
控制与工艺一体化设计的设计过程。
对上面得到的数学模型进行离散化,结果
2.1用夹点法设计换热网络
如下
换热网络物流数据见表1。
(1)壳程
表1换热网络物流数据
Ax(1)
项目
热流H1热流H2冷流CI冷流C2
[T。()-7,()]
初始温度,℃
50
T,2(
な)nmd,K
目标温度,℃
t
△x(2)
热容,kJ/(kg?K)
1,45
[T。(t)-Ta()
流量,kgy/s
4.94418.687、257.30
密度,kg/m3
粘度
1.20
T()=-m-xTA(い)-T…()+K~x
1.20
导热系数,W/(m?K
0.140.130.130.
Tw()-71.x(t)]
对于表1中的换热物流,总费用对应的最佳最
(2)管外壁
小温差值△Tmn为20℃。根据夹点设计方法,得到
nitco?x
该换热系统具有最小公用工程消耗的整体设计方
M. Cpin(r2/ri)
案见图1。
T,(4)-7,()]
)管内壁
ho, 1
dt::(t) 2nma x[T,o: (t)-T.:(0)] ndk
E-101
M Cpin(r2 /r)
M
H2
E-103
E-104
(5)
(4)管程:
E-10
图1换热网络夹点设计结构示意图