換熱網絡控制與工藝一體化設計研究

張俊峰中國海洋石油總公司 北京 100010

羅雄麟 中國石油大學自動化研究所 北京 102249

袁毅夫 中國石化工程建設公司 北京 100101

換熱網絡控制與工藝一體化設計研究

張俊峰＊中國海洋石油總公司 北京 100010

羅雄麟 中國石油大學自動化研究所 北京 102249

袁毅夫 中國石化工程建設公司 北京 100101

研究換熱網絡的控制與工藝一體化設計,全面考慮換熱網絡的彈性設計和控制問題,提出用兩步法設計換熱網絡:第一步,使用給定工藝條件設計法的夾點設計法進行初始設計;第二步,在換熱網絡的操作夾點附近設置旁路,通過對旁路流量的優化控制,使換熱網絡在不同的工況條件下公用工程消耗都能接近最小。

換熱網絡 控制與工藝一體化設計 旁路優化

許多研究者深入研究了換熱網絡最優設計問題,提出 3種主要的設計方法[1]:

(1)給定工藝條件換熱網絡的設計方法:主要有夾點法、數學規劃法和基于專家系統的人工智能法。

(2)換熱網絡的彈性設計方法:主要有剛性結構調整法、直接合成法和多周期同步優化法。

(3)換熱網絡控制與工藝一體化設計方法。

近年來,換熱網絡控制與工藝一體化研究以及控制和工藝集成優化設計方法已經引起國外工程界和學術界的高度重視,得到很大發展[2-3]。通過對過程系統和控制系統的一體化設計,降低了過程的投資費用和操作費用,同時改善了系統的控制性能,使過程操作較常規設計的操作逼近了穩態最優點,具有更高的經濟效益。國內對此的研究還處于探索階段[4-5]。

當前,換熱網絡的設計方法主要集中在夾點技術上,夾點技術自誕生并經過 20多年的發展,其應用深度和廣度都在不斷拓展,在全世界范圍內取得了顯著的節能效果,如今已經發展成為換熱網絡設計的一個通用工具。

夾點技術用于換熱網絡的初始設計時較為完善,但夾點技術是針對某一特定的操作條件而設計的。換熱網絡投入運行后,化工生產過程中的生產條件經常在某一范圍內變動,根據夾點法設計的具有最小公用工程消耗的換熱網絡往往由于可操作性較差,在流量或溫度波動時具有較差的經濟性能。

本文在對換熱網絡進行夾點設計和動態仿真的基礎上,提出換熱網絡的控制與工藝一體化設計方案,全面考慮換熱網絡的彈性設計和控制問題,提出用兩步法設計換熱網絡。

1 設計思路和流程

1.1 設計思路

根據夾點原理,最小溫差降低,公用工程消耗減小,實際操作過程中,最小溫差雖然降低,但是公用工程消耗仍然大于嚴格按夾點法設計時的最小公用工程消耗。由此可見,如果能夠在工藝允許范圍內繼續降低最小操作溫差,那么就會在一定程度上降低公用工程消耗。仿真結果表明,對于固定結構的換熱網絡,在入口物流溫度和流量正常波動的范圍內,其最小溫差的位置是相同或相近的,如果能夠通過控制換熱網絡的最小溫差,即控制換熱網絡的操作夾點,則可以使實際公用工程消耗最大限度地接近最小公用工程消耗,降低換熱網絡的操作費用。

考慮到換熱網絡良好的可操作性,并考慮到管壁結垢的變化,換熱器設計時會留有充分的裕量。但換熱網絡大部分時間運行在穩定狀態,且換熱器結垢又是一個慢時變的過程,故在初始運行或穩態時,裕量的空間都處于閑置狀態,如按原設計方案生產,又會造成溫度超出設定值和公用工程的浪費。

基于以上兩方面的分析,提出換熱網絡的控制與工藝一體化設計方案,在操作夾點附近設置旁路,通過優化調節旁路流量,間接控制換熱網絡操作夾點溫差,降低換熱網絡公用工程消耗。

1.2 設計流程

(1)依據夾點原理設計,并考慮干擾波動和結垢對換熱網絡的影響,考慮適當的控制裕量與工藝裕量的換熱網絡,形成初始設計的換熱網絡。

(2)對換熱器進行空間離散化,建立含有多參數、多型號的換熱器非線性動態模型。

(3)在 Matlab中編寫 S函數,并在 Simulink中建立相應的模塊,按流程圖進行連接;把換熱器的動態模型帶入初始設計的換熱網絡,進行Simulink仿真,求網絡中換熱器冷熱流的最小溫差,得到換熱網絡的操作夾點位置。

(4)確定換熱網絡的旁路優化模型,求取流量值,通過調節旁路開度,使得換熱網絡在不同工況、結垢等情況下,公用工程消耗最小。

2 設計過程

以一個簡單換熱網絡為例,說明換熱網絡的控制與工藝一體化設計的設計過程。

2.1 用夾點法設計換熱網絡

換熱網絡物流數據見表 1。

表1 換熱網絡物流數據

對于表 1中的換熱物流,總費用對應的最佳最小溫差值ΔTmin為 20℃。根據夾點設計方法,得到該換熱系統具有最小公用工程消耗的整體設計方案見圖 1。

圖1 換熱網絡夾點設計結構示意圖

2.2 換熱器的機理模型

針對如圖 2所示的管殼式換熱器,建立動態機理模型。

圖2 管殼式換熱器示意圖

將換熱器沿 x方向分成 N段,各段端點用 x(i)表示,i=1,2,…,N,第 i段長度用Δx(i)表示:

對上面得到的數學模型進行離散化,結果如下:

(1)殼程:

(2)管外壁:

(3)管內壁:

(4)管程:

綜合式 (3)、(4)、(5)和 (6)就可以得到管殼式換熱器的動態模型。

2.3 求取操作夾點

換熱網絡投入運行之后,由于換熱網絡已經存在,夾點最小溫差ΔTmin不再是根據技術經濟分析得到的最優最小溫差,而是換熱網絡中熱流與冷流實際溫差的最小值,故在對換熱器模型進行動態仿真時,由 2.2節模型求出各換熱器管程和殼程出口溫度后,計算各換熱器的管、殼程溫差,進而得出整個網絡的最小溫差,即操作夾點位置。對于上述列舉的簡單換熱網絡,將換熱器 E-101、E-102、E-103、E-104的動態模型帶入圖 1所示初始設計的換熱網絡進行 Sim ulink仿真,得換熱網絡操作夾點在換熱器 E-101和 E-103處。

2.4 在操作夾點附近設置旁路

在操作夾點附近設置旁路,構成換熱網絡控制與工藝一體化設計方案,見圖 3。

圖3 換熱網絡控制與工藝一體化設計方案

3 建立優化模型

確定換熱網絡的設計方案后,在不同操作年限和工況下,調節旁路流量,以保持公用工程消耗的最小化,這就涉及優化控制的問題。

3.1 換熱器的結垢熱阻

對于運行中的換熱網絡,隨著運行時間的增長,換熱管壁結垢不斷增加,換熱器的換熱性能也隨之變化,因而換熱網絡的換熱性能和公用工程消耗也在不斷變化。換熱器在不同時段的結垢熱阻見表 2。

表2 換熱器在不同時段的結垢熱阻 (m2·K/W)

表2所示數據僅為示意,換熱網絡中每個換熱器還要根據流程和介質適當調整。

3.2 優化控制

以換熱網絡公用工程消耗最小為目標,旁路流量為操作變量,滿足各換熱器的壓降作為約束條件,對不同工藝條件下的換熱網絡模型進行優化。

圖3中的換熱網絡隨運行時間變化,換熱物流進口溫度和流量在給定輸入值附近波動時,對有優化器作用和無優化器作用的換熱網絡進行公用工程消耗的比較分析,每種工況下取 100個采樣點。無優化器 100個采樣點的總公用工程消耗用Ben表示;有優化器 100個采樣點的總公用工程消耗用 Opt表示。在以下各圖中,實線表示無優化器的情況,虛線表示有優化器的情況。

3.2.1 第一年

(1)C1物流溫度在 15～25℃范圍內隨機波動,Ben為 3.968×107W,Opt為 3.419×107W,二者之比 Ben/Opt為 86.18%,公用工程消耗的仿真見圖 4(1)。

(2)H1物流流量在 4～6kg/s范圍內隨機波動,Ben為 4.104×107W,Opt為 3.540×107W,二者之比 Ben/Opt為 86.25%,公用工程消耗的仿真見圖 4(2)。

(3)H1物流溫度在 130～170℃范圍內隨機波動,C1物流溫度在 15～25℃范圍內隨機波動,H1物流流量在 4～6kg/s范圍內隨機波動,C1物流流量在 6～8kg/s范圍內隨機波動,Ben為 4.402×107W,Opt為 3.898×107W,二者之比 Ben/Opt為88.55%,公用工程消耗的仿真見圖 4(3)。

由圖 4(1)～ (3)可以看出,換熱網絡投入運行的第一年,旁路優化系統的優化效果較好,有優化器的換熱網絡要比無優化器的換熱網絡公用工程消耗減少 12%～14%。

圖4 換熱網絡投運第一年公用工程消耗比較

3.2.2 第二年

H1物流溫度、C1物流溫度、H1物流流量、C1物流流量在 ±20%范圍內隨機波動,Ben為5.126×107W,Opt為 4.779×107W,二者之比Ben/Opt為 93.24%,公用工程消耗的仿真見圖 5。

圖5 換熱網絡投運第二年公用工程消耗比較

由圖 5可以看出,換熱網絡投入運行的第二年,由于結垢逐漸增加,旁路流量可調的裕度逐漸減少,有優化器的換熱網絡要比無優化器的換熱網絡公用工程消耗減少 7%～8%。

3.2.3 第三年

H1物流溫度、C1物流溫度、H1物流流量、C1物流流量在 ±20%范圍內隨機波動,Ben為5.750×107W,Opt為 5.642×107W,二者之比Ben/Opt為 98.12%,公用工程消耗的仿真見圖 6。

圖6 換熱網絡投運第三年公用工程消耗比較

由圖 6可以看出,嚴格按夾點設計的簡單換熱網絡投入運行的第三年,由于管壁的結垢增加,旁路流量可調的裕度基本消失,優化效果不明顯,有優化器換熱網絡要比無優化器的換熱網絡公用工程減少 2%～3%。

對簡單換熱網絡的夾點優化控制系統多年度、多工況下的公用工程消耗值仿真分析表明,旁路優化系統能夠減少換熱網絡的公用工程消耗,且在網絡投用之初或結垢較少的狀況下,效果會更加明顯。

4 結語

(1)研究換熱網絡的控制與工藝一體化設計,全面考慮換熱網絡的彈性設計和控制問題,提出用兩步法設計換熱網絡:第一步,使用的給定工藝條件設計法的夾點設計法進行初始設計;第二步,在換熱網絡的操作夾點附近設置旁路,通過對旁路流量的優化控制,使換熱網絡在不同的工況條件下公用工程消耗都能接近最小。

(2)通過對控制與工藝一體化設計控制方案和常規夾點方案公用工程消耗值的比較分析,仿真結果表明,無論是給定輸入還是干擾輸入,采用優化控制作用都可以達到減少總公用工程消耗的目的。

(3)隨著管壁結垢的增加,優化方案在第一年可節約公用工程消耗 12%～14%,在第二年可節約公用工程消耗 7%～8%,在第三年可節約公用工程 2%～3%。按一般煉化企業 3年一大修,1年一小修的檢修周期,平均節能非常明顯。

符號說明

Cp 換熱管的比熱容,kJ/(kg·K)

Cp1殼程流體比熱容,kJ/(kg·K)

Cp2管程流體比熱容,kJ/(kg·K)

di換熱管的內徑,m

do換熱管的外徑,m

Ki管程給熱系數,W/(m2·K)

Ko殼程給熱系數,W/(m2·K)

m1殼程流體流量,kg/s

m2管程流體流量,kg/s

M1殼程流體單位長度的質量,kg/m

M2管程流體單位長度的質量,kg/m

Mw換熱管單位長度的質量,kg/m

N 換熱管分段的數目

n 換熱管的數目

Ri管程結垢熱阻,m2·K/W

Ro殼程結垢熱阻,m2·K/W

r1換熱管的內徑,m

r2換熱管的外徑,m

Sb折流板缺口的管間流通面積,m2

Sc兩折流板之間,靠近殼中心線處的管間流通面積,m2

Si管程流通面積,m2

T1殼程流體溫度,K

T2管程流體溫度,K

Twi換熱管內壁溫度,K

Two換熱管外壁溫度,K

t 時間,s

μ1殼程液體的粘度,Pa·s

μ2管程液體的粘度,Pa·s

λ 管壁金屬導熱系數,W/(m·K)

1 張俊峰,羅雄麟 .換熱網絡設計方法的研究進展 [J].化工進展,2005,24(6):625-628.

2 I Karafyllis,A Kokossis.On a New Measure for the Integration of ProcessDesign and Control:the Disturbance Resiliency Index[J]. Chem ical Engineering Science,2002,57 (5):873-886.

3 Zorka Novak Pintaric,Zdravko Kravanja.A Strategy forM INLP Synthesis of Flexible and Operable Process[J].Computers and Chem ical Engineering,2004;28(6-7):1105-1119.

4 陳玉宏,G.W.Barton.化工過程設計階段對控制的考慮[J].化工設計,1997,7(6):19-25.

5 李志紅,華 賁 .無分流換熱網絡合成和控制的集成研究[J].高校化學工程學報,2001,15(2):155-160.

2010-09-13)

＊張俊峰:工程師,高級主管。2006年畢業于中國石油大學 (北京)化工裝備與過程控制專業獲博士學位。現從事節能減排、系統工程與過程控制工作。聯系電話:(010)84523951,E-mail:zhangjf5@cnooc.com.cn。