换热网络优化节能系统

能源是国民经济发展的基础，能源管理和节能技术是一项涉及面广，又与科学技术进步有着重大关系的课题。随着生产的发展和人民生活水平的提高，能源需求量日趋紧张，能源的科学管理已引起国内外专家的重视。节能对能源供需平衡起着重要作用，可提高能源利用的经济效益，比开发投资少，见效快，可促进技术进步，提高生产力，减少环境污染。节能是中国一项重要的和长期的能源政策，虽然中国的能源丰富，但人均占有量低，必须珍惜使用。现在能源供不应求，部分生产能力因能源短缺而不能发挥作用，必须降低能源单耗。因此，对于耗能很大的石油化学工业提出了节约能量，降低消耗的更高要求。现在国外一些主要的化工生产国家已注意从有效地综合利用能量的观点来建立联合企业。在建设一个新的联合企业时，首先考虑的已不再是工艺流程图的设计，而是先考虑能量流程图，力求最充分地利用过程中的热量，包括热能的直接利用以及转换成其它形式后再利用。在能量流程图可满足节省消耗的要求时，再进一步考虑工艺流程的设计。同时，对过程设计和过程工程也提出了新的要求，要求对单元操作和单元过程都有系统的设计方法，以使整个系统的能量消耗最小，从而降低单位产品的能量消耗。国内大多数化工厂热能消耗很大，若改善化工过程的热回收，将使现有企业的经济效益大大提高。

换热网络是能量回收利用中的一个重要系统。在石油化工生产过程中, 常常会遇到某些物流需要加热, 而某些物流需要冷却，如果用热流来加热冷流, 这样就可以回收能量。此外, 为了保证过程物流达到指定的温度要求, 往往还需要设置一些辅助的加热设备和冷却设备, 换热流程中的换热器、加热器、冷却器、混合器和分流器的组合便构成了换热网络。对换热网络结构已定或已在运行的换热网络，如何优化改进使其达到最优，或在换热网络中的某些过程物流的流量、进出口温度发生变化时，要求换热网络的换热仍能满足工艺上的换热要求，并能在最优或接近最优状态下运行，要解决这些问题，就提出了换热网络优化节能的问题。

现有石油化工生产中的一些老装置，由于初建时比较落后，对节能要求不高，过程物流的换热不合理，有许多需要优化改进的，有些生产工艺由于生产能力或条件的变化，也对已有换热网络产生影响，也需对已有换热网络进行调整改进。所以换热网络优化改进的应用面是非常广泛的，也是非常重要的。无论设计一个新的换热网络还是对已有换热网络进行改进，都要用到换热网络的优化合成、换热网络分析、换热器优化设计、换热网络流程模拟、换热网络灵敏度分析、换热网络弹性分析等技术。

基于物流的恩氏蒸馏数据、比重及两点温度下的粘度和物性计算模型，建立物流物性计算的标准物性数据库 oilp.ban，用于计算物流在任意温度下的密度、比热、导热系数、粘度。

换热网络优化合成系统基于人工智能与夹点技术，提出冷热物流匹配规则，开发智能图表实现解析求解，避免迭代。适用于各类流体（含相变），可自主选择能量体、控制分流及禁止匹配。支持人机对话或文件读入，结果列表输出，匹配线可视化。提供三种目标函数：最大热回收、最小年费用、最大热回收下最小设备数，并可优化最小传热温差。

对换热流程已定的换热网络，优化求解各换热单元冷、热物流进出口温度以获得最大热回收量；如果有分流，同时优化各流股的分流流量，以使换热网络的热回收量最大；或者在规定热回收量不小于某一值下使平均传热温差最大，从而减小换热所需面积，减少设备投资。

根据输入的冷、热物流的流量、进出口温度、允许压降、物流代码等数据，进行换热器的优化设计、核算或未知温度的求解，支持管壳式标准系列换热器的设计、核算和换热器进出口温度的求解计算。

根据输入的结构单元信息、物流数据、换热器数据等，进行换热网络的流程模拟及分流优化，通过复合形Box方法对分流流量进行优化，使换热网络获得最大的热回收量。

本软件可计算任意结构换热网络的灵敏度系数及灵敏度，根据输入的换热网络结构信息和运行或模拟的相关数据，自动生成灵敏度求解的数学模型，求取换热网络的状态变量（物流通过各换热器的出口温度）、目标函数（换热网络的热回收量）对决策变量（各股物流进入换热网络的初始温度和流量）和参数（换热器面积和传热总系数）的灵敏度系数和灵敏度，根据换热网络的灵敏度系数，可对换热网络的操作性能进行分析，对换热网络提出最佳改进及控制方案。

本软件生成换热网络操作弹性分析计算所需的基础数据文件HSA.DAT，并执行计算程序，输出换热网络的过程矩阵、符号说明表、状态变量分类表、决策变量分类表、参数分类表；状态变量对决策变量的灵敏系数及灵敏度、状态变量对参数的灵敏度系数及灵敏度；目标函数对决策变量和参数的灵敏度系数和灵敏度，为换热网络操作弹性分析和其它功能的计算提供所需的必要基础数据。

hsa.dat 将由页面输入或上传修改；准备好hsa.dat后，点击"开始计算生成其它数据文件和结果"，生成的其它数据文件和结果文件与页面输入所生成的数据文件hsa.dat一共9个文件（hsa.dat，hsaf0.dat，hsaf.dat， hsaf1.dat，hsav.dat, hsae.dat， hsa0.res，hsa.res, hsaa.res）打包为 hsap_results.zip 下载，解压后供其它计算功能使用。

使用数据文件 HSA.DAT 和灵敏度分析计算生产的数据文件 HSAF.DAT, HSAF0.DAT 和 HSAF1.DAT，对换热网络的操作弹性或柔性进行了分析计算，给出现有换热网络的弹性指数，并给出约束网络操作弹性的条件，给出弹性指数端点的换热网络流程模拟结果。本软件同时可对固定干扰状态的换网可操作性能进行分析计算，在此可对干扰变量的干扰值及控制变量的设定值进行重新给定和设定，结果与弹性分析输出的基本相同。

一个换热网络，当操作条件(输出)变化时，输出结果也将随之改变，为了保证输出结果在输入条件变化时也保持不变或在一定的范围内，就要对换热网络的结构进行改进。改进的方法有两种：第一是改变控制方案，当输入条件变化时(这里称为干扰变量)，为了保证某些输出(这里称为控制变量)不变或在一定范围内，就要选择一组最佳的调节变量来调节使控制变量返回到设定值；第二是改变换热网络的结构和参数(换热面积)，如果干扰变量变化太大或原网络结构不合理无法通过调节调节变量使控制变量返回设定值，则就要改进换热网结构和调整换热器面积或总传热系数来保证控制变量可控。本软件功能就是根据干扰变量的变化范围和控制变量的设定值，找到一组调节变量和改造参数，使在换网的变更最小即改造费用最小的情况下，保证换网的控制变量仍能控制在设定值范围内。

本软件功能根据 hsa.dat、hsap1.dat、hsap2.dat、hsap3.dat 四个文件，运行 hsapm.exe 进行换热网络稳态/非稳态模拟，结果输出到 hsap.res 和 hsap1.res。您可以直接上传已经由其它功能生成 hsa.dat、hsap1.dat、hsap2.dat 和通过下方表单生成/编辑的 hsap3.dat文件。

本软件功能根据由基础计算（hsam.exe）生成的 hsae.dat 文件，运行 hsaem.exe 生成换热网络灵敏度分析的数学模型，结果保存在 hsae.res 文件中。该模型可用于分析各变量对目标函数的灵敏度，为网络优化提供依据。

基于关系矩阵的多变量控制回路识别方法，自动生成控制回路表（CLT）和控制回路级，分析回路间相互影响，为换热网络及化工过程控制系统设计提供关键依据。