换热网络优化节能技术

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。

• 最佳换热网络的合成
• 换热网络的分析及最优化
• 换热器的最优化设计及核算
• 换热网络的过程模拟
• 具有任意结构换热网络灵敏度系数及灵敏度的计算
• 换热网络弹性指数的计算
• 最佳调解变量及最佳更改参数的选择
• 控制环路的识别
• 固定状态下换热网络操作的可行性检验
• 换热网络软件包在实际过程中的应用

在此提出了一种人工智能合成最优换热网络的方法, 给出了冷、热物流匹配换热的规则, 基于所提出的规则及考虑到工程实际, 开发了一套人工智能合成最优换热网络的图表, 实现了合成过程的解析求解, 避免了迭代和调优计算。该方法适用于各种冷、热流体，包括液体、气体、蒸汽和有相变化的过程。在换热合成中，可以最优地选择多种能量体。物流是否分流匹配换热可由使用者或软体本身自动确定。可由用户确定那些不允许换热的冷、热物流对。人工智能法合成最优换热网络是非常有用和有效的，用许多实例对该法进行了考核并与文献上的结果进行比较，结果令人满意。计算机程序很容易使用，以两种方式输入数据，其一是屏幕多窗口输入──人机对话输入数据；其二是从存盘的数据文件读入数据，结果列表输出，冷、热物流的匹配线可在屏幕上画出。有三种目标函数可用，即最大热回收量，最小年费用和在最大热回收量下的最小换热设备数，可对最小允许传热温差进行优化。

在此提出对现有换热网络进行最优化的数学模型和求解方法，以热回收量或在给定热回收量条件的传热推动力最大为目标函数求解各换热设备的最佳进出口温度及热负荷的最佳分配。利用单目标和多目标线性规划求解，对优化后的换热网络进行了经济评价，用实例进行检验，并在实际化工过程的节能改造进行了应用，取得了令人满意的效果。

建立了换热器最优化设计的专家系统，对许多换热器优化设计的模型及经验进行了总结并构成了一个知识库，建立了标准管──壳换热设备的数据库和物性数据库，在设计过程中对强化传热进行了充分地考虑以减小换热设备的尺寸及投资。基于知识库对换热器结构进行选择和调整。为强化传热，软件中也包括了特殊结构的换热器的设计，例如在换热器中加绕流子。除了换热器的最优化设计外，软件还有其它的功能：换热器的校核，物流通过换热设备前后的物流温度求解等。计算机软件在实际中得到了应用。

在此建立了换热网络过程模拟的数学模型，提出了一种求解各物流线温度的有效方法。采用系统分解方法把换热网络分解为用序贯模块法可以独立求解的子系统。建立了标准换热器及物性数据库，可以处理原油馏份。一切都从实际出发，建立了适用于各种管─壳换热器的传热温差校正因子计算的通用数学模型并用于实际过程的计算。计算机软件设计的也非常便于使用。

在此提出了一个通用的计算任意结构换热网络灵敏度系数及灵敏度的数学模型, 并给出了求解数学模型的方法, 编制了计算机程序并用实例进行了考核计算。换热网络的灵敏度及灵敏度系数对分析干扰变量、控制变量和目标函数的影响是非常重要的。根据换热网络的灵敏度系数，可对换热网络的可操作性能进行分析，对换热网络提出最佳改进方案。在灵敏度计算中所需要的数据是过程矩阵，物流温度及流率，根据输入的基本信息，由程序对变量进行自动分类，然后自动生成给定结构换热网络的灵敏度求解的数学模型。计算出状态变量和目标函数对决策变量及参数的灵敏度系数及灵敏度, 并列表输出。由程序自动生成的数学模型包括质量和热量衡算、换热器的传热方程及这些方程对决策变量、状态变量及参数的偏导数。在换热网络的其它分析计算中将进一步使用这些方程及偏导数。

在换热网络的实际操作过程中，总会存在着一些不定因素，为稳定操作起见，要求换热网络具有一定的操作弹性和可操作性。在此根据换热网络的过程模拟并借助于灵敏度系数，提出了一个简单有效的计算换热网络弹性指数和方法。编制了计算机程序。该方法不但适用于凸性问题，也适用于非凸性问题的求解。通过换热网络的弹性指数的计算可以找出对换热网络弹性产生约束的因素，如果需要可对此给予适当的调整。在换热网络的弹性指数计算过程中，如果有调节变量，那么将调整调节变量以便控制变量返回它们的设定值。调节曲线可在计算机屏幕上画出。

在换热网络的优化改造中，提出了一个系统地由许多潜在调解变量和许多可更改参数（换热面积）中选择出最佳的调解变量和更改参数以改进换热网络的弹性和可操作性。编制了计算机程序并用实例进行了考核计算。

用上面提出的方法可以找出对应一组控制变量的调解变量，我们可以把调解变量与控制变量匹配成双以构成控制环路。在此提出了一个控制环路识别的方法，定义了一个关系矩阵，引入了控制环路表和控制环路级的概念。根据控制环路表可对控制环路的相互影响及控制时序进行分析。编制了控制环路识别的计算机程序，该方法不但可用于换热网络，同样可用于其它化工控制系统。

如果想知道当一组干扰变量得到了一组新值, 并且/或一组不定性参数有改变, 并且/或一组控制变量被重新设置了一组新值时，换热网络是否可操作，对此编制了计算机程序，在检验过程中，可以使用一组调解变量，调节曲线可以在屏幕上画出，并且可对整个调节过程进行模拟。

使用上述提出的方法和计算机程序对A炼油厂生产能力为 250万吨/年的常减压换热网络进行了研究，提出了改造方案并实施运行。经改进换热网络的换后温度由原来的280℃提高到305℃,热量回收达到国内先进水平, 在整个改造过程中,充分地利用了原有的换热设备, 并大大强化了传热, 节省燃料油5400吨/年,节能效益非常可观，改造的设备投资半年就可回收。

对B炼油厂常减压换热网络进行了研究，提出了改造方案并实施运行。经改造后的换热网络换后温度由原来的272℃提高到308℃, 达到国际先进水平, 在整个改造过程中,充分地利用了原有的换热设备,强化了传热, 节省燃料油7868吨/年,改造投资回收期不到四个月。

对C炼油厂第二常减压换热网络进行了研究，提出了改造方案并实施运行, 改造后的换热网络换后温度由原来的301℃提高到325℃，改造投资回收期不到三个月。

另外对国内其他29套常减压换热网络进行了节能研究，表1列出了29套装置优化前后初底油换后温度和节能效果。