CN1271479C - 原油换热网络操作夹点的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种原油换热网络操作夹点的控制方法，对换热器进行机理建模，从而动态得出原油换热网络中各换热器的出口温度变化量；如果设原油换热网络中有N台换热器，则其操作夹点最小温差动态数学模型为：ΔT_min＝MIN(ΔT₁，ΔT₂，…，ΔT_i，…，ΔT_N))，其中ΔT_i是第i台换热器中参与换热的冷、热物流的传热温差；根据所述机理建模后所得到的结果，利用所述的操作夹点最小温差动态数学模型，得出原油换热网络中的最小温差和操作夹点对应的冷热物流；将换热器增设旁路，从而间接地控制操作夹点温差，使之始终保持在最佳值上，进而得出最小公用工程用量。

Description

原油换热网络操作夹点的控制方法

技术领域

本发明涉及石油化工的控制技术领域，具体的讲是一种原油换热网络的操作夹点控制方法。

背景技术

石油化工企业是我国的用能大户，而原油常减压蒸馏装置耗能极大，约占整个炼油厂炼油用能的20％～30％，该装置能耗的高低关键取决于常减压换热网络能量回收利用水平。

当前，在对于提高换热网络能量回收水平的大量研究中，主要集中在夹点技术的利用上，夹点技术的提出是换热网络合成领域的一个重大突破，它基于热力学第二定律，以最大限度的能量回收与再利用为出发点，换热网络中的温度“夹点”限制了可能达到的最大热回收量，充分掌握“夹点”的特性，可以有效地进行换热网络的最优设计，而且夹点技术方法简单实用，工程技术人员可以发挥多年的工程设计和生产实践经验，合理地考虑一些必要的工程因素。夹点技术自诞生并经过二十多年来的发展，其应用深度和广度都在不断拓宽，在全世界范围内取得了显著的节能效果，如今已经发展成为换热网络设计的一个通用工具。

实际换热网络能量回收过程中存在的问题：(一)夹点技术用于换热网络的新设计时较为完善，因为大多数换热网络的设计都是针对某一特定的操作条件而进行的。但是，换热网络投入运行之后，化工生产过程中的生产条件经常在某一范围内变动，操作条件波动时，夹点温差以及公用工程如何变化，目前还没有文献涉及到此类研究。(二)目前，对于实际换热网络的控制，通常只控制换热物流的最终温度，对物流中间节点的温度则不予以调节。这样换热网络操作条件波动时，就不能及时将换热网络中冷热物流控制在最佳的温位匹配上，导致换热网络热回收量降低。(三)目前，换热网络大部分是和具体的装置连接在一起，网络更加复杂化，因此对于换热网络的操作状况进行深入分析并进行综合优化就显得尤为重要。

如果能够根据夹点原理分析换热网络的实际操作过程，找出其中的瓶颈所在，从控制角度分析换热网络在运行过程中存在的问题，从而调整换热网络的控制策略，改进控制效果，就能真正在操作中实现换热网络热回收量的最大化，达到节能降耗的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原油换热网络操作夹点的控制方法，可以实施控制换热网络操作夹点最小温差的变换范围，实现操作夹点的最优化，达到最小公用工程用量。

本发明的目的是这样实现的：一种原油换热网络操作夹点的控制方法，其中，对换热器进行机理建模，从而动态得出原油换热网络中各换热器的出口温度变化量；

如果设原油换热网络中有N台换热器，则其操作夹点最小温差动态数学模型为：ΔT_min＝MIN(ΔT₁，ΔT₂，Λ，ΔT_i，Λ，ΔT_N))，其中ΔT_i是第i台换热器中参与换热的冷、热物流的传热温差；

根据所述机理建模后所得到的结果，利用所述的操作夹点最小温差动态数学模型，得出原油换热网络中的最小温差和操作夹点对应的冷热物流；

将换热器增设旁路，从而间接地控制操作夹点温差，使之始终保持在最佳值上，进而得出最小公用工程用量。

所述的原油换热网络中的最小温差为(T_h，i-T_c，i)，所述的操作夹点对应的冷热物流分别为T_c，i、T_h，i；

所述的将换热器增设路旁是指：将冷流在T_c，i上游的某台换热器增设旁路，旁路可以加在该冷流上，也可以加在与冷流换热的热流上，旁路可以跨过一台换热器也可以跨过多台换热器；同时将热流在T_h，i上游的某台换热器也增设旁路，旁路可以加在该热流上，也可以加在与该热流换热的冷流上，同样，旁路可以跨过一台换热器也可以跨过多台换热器；

通过调节所加的旁路的流量来控制T_h，i、T_c，i，从而间接地控制操作夹点温差(T_h，i-T_c，i)，使之不受操作干扰始终保持在最佳值上。

操作夹点位置由温-焓图确定；其中，在热复合曲线移动时，冷复合曲线中必须对各换热器中对应的冷流曲线作相应的移动。

所述的增设旁路是指：通过在换热网络中的适当位置增设旁路，并安装控制阀，通过控制旁路流量来控制操作夹点处冷、热物流的温度，进而控制操作夹点温差，使之在装置运行过程中始终维持在设计值附近，实时控制换热网络操作夹点最小温差的变化范围，实现操作夹点的最优化，从而最大限度地降低换热网络的公用工程用量。

所述的换热器为管壳式换热器；所述的管壳式换热器机理模型包括：对于流体微元加以分析，依据热量动态平衡方程列写壳程、管程、管外壁、管内壁的动态数学模型。

所述的换热器为蒸汽发生器；所述的蒸汽发生器机理模型包括：对于流体微元加以分析，依据热量动态平衡方程列写管程、管内壁、管外壁、蒸汽发生量的动态数学模型。

对所述的管壳式换热器建立离散化模型，即：对作为分布参数模型的换热器模型进行分段离散化，在每一段上视为集中参数模型处理，再联立得到各段的集中参数模型，继而完成求解模型的计算，包括壳程、管程、管外壁、管内壁的离散化数学模型。

对所述的蒸汽发生器建立离散化模型，即：对作为分布参数模型的蒸汽发生器模型进行分段离散化，在每一段上视为集中参数模型处理，再联立得到各段的集中参数模型，继而完成求解模型的计算，包括管程、管外壁、管内壁、蒸汽发生量的离散化数学模型。

所述的操作夹点最小温差是指：利用夹点技术设计的换热网络投入运行之后，换热网络中热流与冷流实际温差的最小值。

所述的操作夹点是指：利用夹点技术设计的换热网络投入运行之后，实际换热网络中出现热流与冷流温差的最小值的位置就是操作夹点。

本发明所述的方法用于原油换热网络，利用在某一特定操作条件下采用夹点技术设计的具有最小公用工程的一个简单网络，从设计和操作两个不同的角度剖析换热网络中的能量回收状况，给出操作过程中换热网络夹点最小温差的控制方法，分析公用工程的变化情况，并与换热网络常规控制方案进行对比，通过控制操作夹点最小温差降低公用工程用量，本发明根据夹点技术原理，在换热网络中增设旁路并控制旁路流量，来控制实际换热网络中某些物流的中间温度，继而控制实际换热网络中的操作夹点温差，使得换热网络在运行过程中始终处在最小公用工程用量的状态，达到节能降耗的目的。

可见，与现有换热网络的控制技术相比，本发明不仅控制参与换热物流的终温，而且还控制某些换热物流的中间温度，可以使换热物流的温位匹配能随实际操作条件的改变而改变，从而使得整个换热网路的热量传递始终处在最佳状态。

附图说明

图1：由温-焓图确定换热网络夹点和最小公用工程(设计)；

图2：换热网络常规控制方案；

图3：确定换热网络操作夹点；

图4：换热网络操作夹点控制方案；

图5：本发明控制方法流程示意图。

具体实施方式

本发明为一种原油换热网络操作夹点的控制方法，如图5所示，该方法对换热器进行机理建模，从而动态得出原油换热网络中各换热器的出口温度变化量；

如果设原油换热网络中有N台换热器，则其操作夹点最小温差动态数学模型为：ΔT_min＝MIN(ΔT₁，ΔT₂，Λ，ΔT_i，Λ，ΔT_N))，其中ΔT_i是第i台换热器中参与换热的冷、热物流的传热温差；

根据所述机理建模后所得到的结果，利用所述的操作夹点最小温差动态数学模型，得出原油换热网络中的最小温差和操作夹点对应的冷热物流；

将换热器增设旁路，从而间接地控制操作夹点温差，使之始终保持在最佳值上，进而得出最小公用工程用量。

本发明所述的原油换热网络中的最小温差为(T_h，i-T_c，i)，所述的操作夹点对应的冷热物流分别为T_c，i、T_h，i；

所述的将换热器增设路旁是指：将冷流在T_c，i上游的某台换热器增设旁路，旁路可以加在该冷流上，也可以加在与冷流换热的热流上，旁路可以跨过一台换热器也可以跨过多台换热器；同时将热流在T_h，i上游的某台换热器也增设旁路，旁路可以加在该热流上，也可以加在与该热流换热的冷流上，同样，旁路可以跨过一台换热器也可以跨过多台换热器；

通过调节所加的旁路的流量来控制T_h，i、T_c，i，从而间接地控制操作夹点温差(T_h，i-T_c，i)，使之不受操作干扰始终保持在最佳值上。

操作夹点位置由温-焓图确定；其中，在热复合曲线移动时，冷复合曲线中必须对各换热器中对应的冷流曲线作相应的移动。

所述的增设旁路是指：通过在换热网络中的适当位置增设旁路，并安装控制阀，通过控制旁路流量来控制操作夹点处冷、热物流的温度，进而控制操作夹点温差，使之在装置运行过程中始终维持在设计值附近，实时控制换热网络操作夹点最小温差的变化范围，实现操作夹点的最优化，从而最大限度地降低换热网络的公用工程用量。

所述的换热器为管壳式换热器；所述的管壳式换热器机理模型包括：对于流体微元加以分析，依据热量动态平衡方程列写壳程、管程、管外壁、管内壁的动态数学模型。

所述的换热器为蒸汽发生器；所述的蒸汽发生器机理模型包括：对于流体微元加以分析，依据热量动态平衡方程列写管程、管内壁、管外壁、蒸汽发生量的动态数学模型。

对所述的管壳式换热器建立离散化模型，即：对作为分布参数模型的换热器模型进行分段离散化，在每一段上视为集中参数模型处理，再联立得到各段的集中参数模型，继而完成求解模型的计算，包括壳程、管程、管外壁、管内壁的离散化数学模型。

对所述的蒸汽发生器建立离散化模型，即：对作为分布参数模型的蒸汽发生器模型进行分段离散化，在每一段上视为集中参数模型处理，再联立得到各段的集中参数模型，继而完成求解模型的计算，包括管程、管外壁、管内壁、蒸汽发生量的离散化数学模型。

所述的操作夹点最小温差是指：利用夹点技术设计的换热网络投入运行之后，换热网络中热流与冷流实际温差的最小值。

所述的操作夹点是指：利用夹点技术设计的换热网络投入运行之后，实际换热网络中出现热流与冷流温差的最小值的位置就是操作夹点。

本发明主要是基于换热器机理建模，动态分析换热网络中各换热器的出口温度变化情况；借鉴夹点技术原理，提出操作夹点的概念并给出操作夹点最小温差的计算方法；采取增设旁路的方法，实时控制换热网络操作夹点最小温差的变化范围，实现操作夹点的最优化，最大限度降低公用工程用量。

所述的基于换热器机理建模，动态分析换热网络中各换热器的出口温度变化情况是指：根据换热器热平衡方程和传热方程，计算得到换热器冷、热物流出口温度与该换热器冷、热物流进口温度和流量之间的动态变化关系。

本发明所指出的夹点技术的基本原理是指：换热网络中的冷、热物流在热回收过程中，存在一最小传热温差，该处即为夹点，它制约着换热网络最小的加热和冷却公用工程用量。

换热网络的设计时，最小温差ΔT_min越大，所需的总换热面积减小，换热网络设备费用降低，但公用工程费用(操作费用)却增加；最小温差ΔT_min越小，所需的总换热面积增大，换热网络设备费用增加，但公用工程费用(操作费用)降低。因此最小温差ΔT_min存在一个最佳值，该值对应的换热网络设备费用和公用工程费用(操作费用)之和为最小。

在本发明中，操作夹点可通过温-焓图得到，以如图1所示的由两股热流两股冷流组成的换热体系为例，将热复合曲线移动到ABC位置时，使得热复合曲线与冷复合曲线A′B′C′D′之间的最小温差恰好为ΔT_min，即BP为该换热网络的夹点。夹点位置表示为一个热力学限制点，这一点限制了冷热流股之间的进一步热交换，使冷热公用工程用量都达到了最小值，这时的流股间匹配是能量最优的。

根据夹点设计方法，得到该换热***具有最小公用工程的整体设计方案，如图2所示。

在本发明中，所述的提出操作夹点的概念并给出操作夹点最小温差的计算方法是指：利用夹点技术设计的换热网络投入运行之后，由于换热网络已经存在，利用温-焓图确定夹点位置时，就不能再像换热网络设计时冷热复合曲线可以任意移动，直至最小温差满足ΔT_min。此时热复合曲线移动时，冷复合曲线中必须对各换热器中对应的冷流曲线作相应的移动。即所述的温-焓图的冷热复合曲线随换热器的温度变化相应移动。

此时，所得到的最小温差Δ_min也不再是根据技术经济分析得到的最优最小温差，而是换热网络中热流与冷流实际温差的最小值，本发明定义这个冷热流实际温差的最小值为操作夹点最小温差，出现该最小温差的位置就是实际换热网络的操作夹点。操作夹点温差和操作夹点的位置可由图3所示的温-焓图绘制得到。

本方法所采取增设旁路的方法是指：通过在换热网络中的适当位置(比如在图4中E-103的冷流一侧)增设旁路，并安装控制阀，通过控制旁路流量来控制操作夹点处冷、热流的温度，间接地控制操作夹点温差，使之在装置运行过程中始终维持在设计值附近，实时控制换热网络操作夹点最小温差的变化范围，实现操作夹点的最优化，从而最大限度地降低换热网络的公用工程用量。

由前面换热网络操作夹点的定义可以看出，确定操作夹点需要换热网络中各台换热器冷、热物流的进、出口温度，但在实际的原油换热网络中，通常只测量各个换热物流的换前初温和换后终温，而在换热网络中各换热器进、出口处并不设温度测点。因此，本发明通过对换热器进行机理建模，并利用换热器机理模型搭建整个原油换热网络的仿真体系，通过仿真计算出各换热器的出入口温度，继而求算出原油换热网络的操作夹点位置。在此基础之上，采取增设旁路的控制措施，控制原油换热网路的操作夹点。

以下采用具体的实施例对本发明的方法进行说明：

(一)建立换热器动态数学模型

原油换热网络中主要由两种类型的换热器组成，一类是管壳式换热器，常用的有单管单壳、两管单壳、四管单壳和六管单壳几种，管壳换热器在原油换热网络中所占比重较大；另一类是蒸汽发生器，数量较少，但是热量回收能力强。由于这两类换热器换热机理存在较大差别，因而应分别进行机理建模。

1.管壳式换热器机理模型

针对单壳程单管程管壳式逆流换热器，流体1和流体2都没有轴向混合，没有相变，属于分布参数***。

在建立单管单壳管壳式逆流换热器动态机理数学模型之前，首先假设：

(1)流体流动接近活塞流状态；

(2)流体以及换热管比热Cp₁、Cp₂、Cp保持不变；

(3)流体以及换热管导热系数λ₁、λ₂、λ保持不变；

(4)流体粘度系数μ₁、μ₂保持不变；

(5)同一截面上各点温度相同。

为了更加精确地考察换热器的动态过程，考虑到流量对给热系数的影响，本发明将管壳程给热系数k_o，K_i表述为流量的函数。

首先列写壳程中流体1的动态方程，对于流体1取一段微元dx来加以分析，热量动态平衡方程是：(单位时间内流体1带入微元的热量)-(单位时间内流体1离开微元所带走的热量)+(单位时间内换热管外壁传给流体1微元的热量)＝流体1微元内蓄热量的变化率

根据热量动态平衡方程，可以得到壳程流体的动态模型：

$\frac{\∂T_1}{\∂t}=-\frac{m_1}{M_1}\·\frac{{\∂T}_1}{\∂x}+\frac{n{\mathrm{\πd}}_0{K}_0}{M_1{C}_{p1}}[T_{W0}-T_1]$

同样，可以得到管程、管外壁、管内壁的动态数学模型，具体如下：

管程：

$\frac{\∂T_2}{\∂t}=-\frac{m_2}{M_2}\·\frac{{\∂T}_2}{\∂x}+\frac{n{\mathrm{\πd}}_i{K}_i}{M_2{C}_{p2}}[T_2-T_{\mathrm{Wi}}]$

管外壁：

$\frac{{\∂T}_{W0}}{\∂t}=\frac{2\mathrm{n\π\λ}(T_{\mathrm{Wi}}-T_{W0})}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}-\frac{\mathrm{n\π}{d}_0{K}_0}{M_W{C}_P}[T_{W0}-T_1]$

管内壁：

$\frac{{\∂T}_{\mathrm{Wi}}}{\∂t}=\frac{-2\mathrm{n\π\λ}(T_{\mathrm{Wi}}-T_{W0})}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}+\frac{\mathrm{n\π}{d}_i{K}_i}{M_W{C}_P}\left[{T_2-T}_{\mathrm{Wi}}\right]$

上面各式中：

m₁   壳程流体1流量，kg/s

m₂   管程流体2流量，kg/s

Cp₁  壳程流体1比热，kJ/kg·K

Cp₂  管程流体2比热，kJ/kg·K

C_p   换热管比热，kJ/kg·K

K_i   管程给热系数，W/m²·K

K₀   壳程给热系数，W/m²·K

T₁   壳程流体1温度，K

T₂   管程流体2温度，KT_W0    换热管外壁温度，K

TW_i  换热管内壁温度，K

μ₁  壳程流体1的粘度，Pa·s

μ₂  管程流体2的粘度，Pa·s

λ₁  壳程流体1导热系数，W/m·K

λ₂  管程流体2导热系数，W/m·K

M₁   壳程流体1单位长度的质量，kg/m

M₂   管程流体2单位长度的质量，kg/m

M_W   换热管单位长度的质量，kg/m

n     换热管数目

d_i   换热管内径，m

d₀   换热管外径，m

同样道理，可以建立两管单壳、四管单壳、六管单壳管几种管壳式换热器的数学机理模型。

2.蒸汽发生器机理模型

原油换热网络中一般都有蒸汽发生器，通常是用常减压的某些侧线加热脱氧水产生蒸汽，由于蒸汽发生器中有相变，因而其数学模型要根据其传热机理单独建立。

针对用管程流体1加热脱氧水2产生蒸汽的蒸汽发生器，首先假设：

(1)管程流体1流动接近活塞流状态；

(2)流体1以及换热管比热Cp1、Cp保持不变；

(3)流体1以及换热管比热λ₁、λ保持不变；

(4)流体1粘度系数μ₁保持不变；平稳运行时，整个蒸汽发生器中脱氧水处于饱和状态，温度均一，等于蒸汽发生器正常运行环境下的沸点T_Water。

为了更加精确地考察蒸汽发生器的动态过程，考虑到流量对给热系数的影响，本发明将管程给热系数K_i表述为流量的函数。而壳程给热系数K_o是蒸汽发生器操作条件下的沸腾给热系数的函数。

管程流体1、管内壁的建模方法与管壳式换热器完全相同，可得：

管程：

$\frac{\∂T_1}{\∂t}=-\frac{m_1}{M_1}\·\frac{{\∂T}_1}{\∂x}+\frac{n{\mathrm{\πd}}_i{K}_i}{M_1{C}_{p1}}\left[{T_1-T}_{\mathrm{Wi}}\right]$

管内壁：

$\frac{{\∂T}_{\mathrm{Wi}}}{\∂t}=\frac{-2\mathrm{n\π\λ}(T_{\mathrm{Wi}}-T_{W0})}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}+\frac{\mathrm{n\π}{d}_i{K}_i}{M_W{C}_P}\left[{T_1-T}_{\mathrm{Wi}}\right]$

与管外壁接触的是温度均一为T_Water的脱氧水，因而管外壁的热量平衡计算如下：

管外壁：

$\frac{{\∂T}_{W0}}{\∂t}=\frac{2\mathrm{n\π\λ}(T_{\mathrm{Wi}}-T_{W0})}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}-\frac{\mathrm{n\π}{d}_0{K}_0}{M_W{C}_P}[T_{W0}-T_{\mathrm{Water}}]$

当换热器处于平稳运行状态时，可以认为热流减少的热量等于脱氧水汽化生成饱和蒸汽时所需的热量，因而可得到蒸汽发生器正常运行时的蒸汽产量模型：

蒸汽产量：

$m_{\mathrm{Steamer}}=\frac{{\mathrm{Cp}}_1(T_{1,\mathrm{in}}-T_{1,\mathrm{out}})}{H}$

上面各式中：

m₁        管程流体1流量，kg/s

Cp₁       管程流体1比热，kJ/kg·K

Cp         换热管比热，kJ/kg·K

K_i        管程给热系数，W/m²·K

K₀        壳程给热系数，W/m²·KT₁    管程流体1温度，K

T_1，in     管程流体1入口温度，K

T_1，out    管程流体1出口温度，K

T_Water     壳程脱氧水在运行条件下的沸点温度，K

T_W0       换热管外壁温度，K

T_Wi       换热管内壁温度，K

μ₁       管程流体1的粘度，Pa·s

λ₁       管程流体1导热系数，W/m·K

M₁        管程流体1单位长度的质量，kg/m

M_W        换热管单位长度的质量，kg/m

n          换热管数目

d_i        换热管内径，m

d₀        换热管外径，m

m_Steamer    蒸汽发生量，kg/s

H          脱氧水在运行条件下的汽化潜热，kJ/kg

(二)换热器模型的分段离散化

由于上述换热器、蒸汽发生器模型都是分布参数模型，为便于求算，将其进行分段离散化，在每一段上视为集中参数模型处理，再联立得到各段的集中参数模型，继而完成求解模型的计算。设将换热器分成N段，离散后模型如下：

1.管壳式换热器离散化模型

壳程

$\frac{{\∂T}_{1,n}}{\∂t}=[-\frac{m_1}{M_1\mathrm{\Δ}{x}_n}-\frac{\mathrm{n\π}{d}_0{K}_0}{M_1{C}_{p1}}]T_{1,n}+\frac{\mathrm{n\π}{d}_0{K}_0}{M_1{C}_{p1}}{T}_{W0,n}+\frac{m_1}{M_1\mathrm{\Δ}{x}_n}{T}_{1,n-1}$

管外壁

$\frac{{\∂T}_{W0,n}}{\∂t}=[-\frac{2\mathrm{n\π\λ}}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}-\frac{\mathrm{n\π}{d}_0{K}_0}{M_W{C}_p}]T_{W0,n}+\frac{\mathrm{n\π}{d}_0{K}_0}{M_W{C}_p}{T}_{1,n}+\frac{2\mathrm{n\π\λ}}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}{T}_{\mathrm{Wi},n}$ 管内壁

$\frac{{\∂T}_{\mathrm{Wi},n}}{\∂t}=[-\frac{2\mathrm{n\π\λ}}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}-\frac{\mathrm{n\π}{d}_i{K}_i}{M_W{C}_p}]T_{\mathrm{Wi},n}+\frac{\mathrm{n\π}{d}_i{K}_i}{M_W{C}_p}{T}_{2,n}+\frac{2\mathrm{n\π\λ}}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}{T}_{W0,n}$

管程

$\frac{{\∂T}_{2,n}}{\∂t}=[-\frac{m_2}{M_2\mathrm{\Δ}{x}_n}-\frac{\mathrm{n\π}{d}_i{K}_i}{M_2{C}_{p2}}]T_{2,n}+\frac{\mathrm{n\π}{d}_i{K}_i}{M_2{C}_{p2}}{T}_{\mathrm{Wi},n}+\frac{m_2}{M_2\mathrm{\Δ}{x}_n}{T}_{2,n+1}$

上面各式中：

T_1，n，T_2，n，T_W0，n，T_Wi，n，分别表示第n段流体1、流体2、管外壁和管内壁的温度，n＝1，2，3，...N；

T_1，0＝T_1，in；

T_2，N+1＝T_2，in；

Δx_n为第n段的长度，m

两管单壳、四管单壳和六管单壳管壳式换热器的离散化机理模型可以分别根据其各自的数学机理模型按相同方法离散得到。

2.蒸汽发生器离散化模型

管程

$\frac{{\∂T}_{1,n}}{\∂t}=[-\frac{m_1}{M_1\mathrm{\Δ}{x}_n}-\frac{\mathrm{n\π}{d}_i{K}_i}{M_1{C}_{p1}}]T_{1,n}+\frac{\mathrm{n\π}{d}_i{K}_i}{M_1{C}_{p1}}{T}_{\mathrm{Wi},n}+\frac{m_1}{M_1\mathrm{\Δ}{x}_n}{T}_{1,n-1}$

管内壁

$\frac{{\∂T}_{\mathrm{Wi},n}}{\∂t}=[-\frac{2\mathrm{n\π\λ}}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}-\frac{\mathrm{n\π}{d}_i{K}_i}{M_W{C}_p}]T_{\mathrm{Wi},n}+\frac{\mathrm{n\π}{d}_i{K}_i}{M_W{C}_p}{T}_{1,n}+\frac{2\mathrm{n\π\λ}}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}{T}_{W0,n}$

管外壁

$\frac{{\∂T}_{W0,n}}{\∂t}=[-\frac{2\mathrm{n\π\λ}}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}-\frac{\mathrm{n\π}{d}_0{K}_0}{M_W{C}_p}]T_{W0,n}+\frac{\mathrm{n\π}{d}_0{K}_0}{M_W{C}_p}{T}_{\mathrm{Water}}+\frac{2\mathrm{n\π\λ}}{M_W{C}_{P}1n(d_0/d_i)}{T}_{\mathrm{Wi},n}$

蒸汽发生量

$m_{\mathrm{Steamer}}=\frac{m_1{\mathrm{Cp}}_1(T_{1,\mathrm{in}}-T_{1,\mathrm{out}})}{H}$ 上面各式中：

T_1，n，，T_W0，n，T_Wi，n，分别表示第n段流体1、管外壁和管内壁的温度，

n＝1，2，3，...N；

T_1，0＝T_1，in；

T_1，out＝T_1，N

(三)建立原油换热网络仿真体系

1.建立单台换热器仿真单元

对于管壳式换热器，以冷、热两股物流的入口流量、温度作为四个输入，利用换热器离散化模型计算出换热器出口冷、热流温度，将之与冷、热流的流量一并输出，建立一个四个输入四个输出的管壳式换热器仿真单元，并在该仿真单元中设置一个参数，用来设置换热器的管程数，因此两管单壳、四管单壳和六管单壳的换热器都可以用该仿真单元仿真。对于蒸汽发生器，以管程热流体入口的流量、温度和操作压力下脱氧水的沸点为输入，利用蒸汽发生器离散化模型计算出管程流体在出口的温度、流量和蒸汽发生器的产汽量，作为输出，建立一个三输入三输出的蒸汽发生器仿真单元。利用换热网络的设计数据，通过仿真实验，调整模型部分参数，使两个仿真模型准确。

2.建立原油换热网络仿真体系

根据实际原油换热网络的框架结构，利用上述管壳式换热器和蒸汽发生器的仿真单元，连接构成原油换热网络的仿真体系，连接规则如下：

(1)换热网络中，对于物流k，流经相邻的上游换热器p和下游换热器q，则第q台换热器物流k进口温度等于第p台换热器物流k出口温度，即：T_k，i，q＝T_k，0，p；若物流k在换热器之间没有分流或汇合，则第q台换热器物流k流量等于第p台换热器物流k流量，即：m_k，i，q＝m_k，0，p。

(2)换热网络中，对于物流k，自换热器p流出后分成两路，其中一路流入换热器q，另一路流入换热器r，则换热器q、r中物流k的流入温度均为换热器p中物流k的流出温度，即：T_k，i，q＝T_k，i，r＝T_k，0，p；换热器q、r中物流k的流量之和等于换热器p中物流k的流量，即：m_k，i，q+m_k，i，r＝m_k，0，p。(3)换热网络中，两路同种物流k，分别自换热器p和换热器q流出后汇合成一路，再流入换热器r，则换热器r中物流k的流入温度为换热器p、q中物流k流出温度的加权平均值，即： $T_{k,i,r}=\frac{T_{k,0,p}{m}_{k,0,p}+T_{k,0,q}{m}_{k,0,q}}{m_{k,0,p}+m_{k,0,q}};$ 换热器r中物流k的流量为换热器p、q中物流k流量和，即m_k，i，r＝m_k，0，p+m_k，0，q。

(四)确定原油换热网络的操作夹点位置及操作夹点温差

假设根据夹点技术设计的原油换热网络中有N台换热器，其操作夹点温差动态数学模型为：

ΔT_min＝MIN(ΔT₁，ΔT₂，…，ΔT_i，…，ΔT_N))，其中ΔT_i是第i台换热器中参与换热的冷、热物流的传热温差。

根据上面的最小温差动态数学模型，利用搭建的原油换热网络仿真体系，对该换热网络进行动态仿真计算，可以得到换热网络最小温差、热公用工程以及冷公用工程的动态变化，进而确定操作夹点温差及其对应的最小公用工程用量。由于根据夹点设计法计算的公用工程用量为最小限度，因而无论是热公用工程和冷公用工程，还是总公用工程，当夹点温差变化时，生产现场实际公用工程总是大于设计时的最小公用工程。如果能够通过控制换热网络最小温差，使得实际公用工程最大限度地接近最小公用工程，则可以降低换热网络的操作费用。因此，本发明提出操作夹点控制策略，通过间接控制换热网络夹点温差来降低换热网络实际公用工程。

(五)换热网络操作夹点控制方案设计

根据夹点原理，夹点温差降低则公用工程减小，因此为降低公用工程，需要降低夹点最小温差。但是降低最小温差，所需的换热面积(设备费用)就要增大，因而最小温差存在一个最佳值。换热网络在运行过程中，由于换热网络的结构已经确定，换热网络的设备费用也就固定，如果能够控制换热网络的最小温差，使之保持在设计值而不随操作条件的干扰而发生变化，也就会使得网络的实际公用工程最大限度地接近最小公用工程。本发明通过控制夹点处冷热物流的温度，间接地控制换热网络的操作夹点温差，使之维持在最佳值，以达到减小公用工程的目的，即操作夹点控制策略，控制方案如下：根据换热网络动态机理模型求算的结果，利用最小温差动态数学模型：ΔT_min＝MIN(ΔT₁，ΔT₂，…，ΔT_i，…，ΔT_N))，求算出原油换热网络中的最小温差为(T_h，i-T_c，i)操作夹点对应的冷热物流分别T_c，i、T_h，i，因而可以将冷流在T_c，i上游的某台换热器(不一定相邻)增设旁路，旁路可以加在该冷流上，也可以加在与冷流换热的热流上，旁路可以跨过一台换热器也可以跨过多台换热器；同时将热流在T_h，i上游的某台换热器(不一定相邻)也增设旁路，旁路可以加在该热流上，也可以加在与该热流换热的冷流上，同样，旁路可以跨过一台换热器也可以跨过多台换热器。这样通过调节所加的旁路的流量来控制T_h，i、T_c，i，从而间接地控制操作夹点温差(T_h，i-T_c，i)，使之不受操作干扰始终保持在最佳值上，从而使实际运行的原油换热网络在物流换热终温满足工艺要求的基础上最大限度地接近设计状态，尽可能的提高热回收量，降低公用工程，实现节能降耗。

本发明的有益效果为：根据夹点技术原理，通过在换热网络中增设旁路并控制旁路流量的方法，来控制实际换热网络中某些物流的中间温度，继而控制实际换热网络中的操作夹点温差，使得换热网络在运行过程中始终处在最小公用工程用量的状态，达到节能降耗的目的。

可见，与现有换热网络的控制技术相比，本发明不仅控制参与换热物流的终温，而且还控制某些换热物流的中间温度，可以使换热物流的温位匹配能随实际操作条件的改变而改变，从而使得整个换热网路的热量传递始终处在最佳状态。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (9)

1、一种原油换热网络操作夹点的控制方法，其特征在于，对换热器进行机理建模，从而动态得出原油换热网络中各换热器的出口温度变化量；

如果设原油换热网络中有N台换热器，则其操作夹点最小温差动态数学模型为：ΔT_min＝MIN(ΔT₁，ΔT₂，Λ，ΔT_i，Λ，ΔT_N))，其中ΔT_i是第i台换热器中参与换热的冷、热物流的传热温差；

根据所述机理建模后所得到的结果，利用所述的操作夹点最小温差动态数学模型，得出原油换热网络中的最小温差和操作夹点对应的冷热物流；

将换热器增设旁路，从而间接地控制操作夹点温差，使之始终保持在最佳值上，进而得出最小公用工程用量；

所述的原油换热网络中最小温差为(T_h，i-T_c，i)，所述的操作夹点对应的冷热物流分别为T_c，i、T_h，i；

所述的将换热器增设旁路是指：将冷流在T_c，i上游的某台换热器增设旁路，旁路可以加在该冷流上，也可以加在与冷流换热的热流上，旁路可以跨过一台换热器也可以跨过多台换热器；同时将热流在T_h，i上游的某台换热器也增设旁路，旁路可以加在该热流上，也可以加在与该热流换热的冷流上，同样，旁路可以跨过一台换热器也可以跨过多台换热器；

通过调节所加的旁路的流量来控制T_h，i、T_c，i，从而间接地控制操作夹点温差(T_h，i-T_c，i)，使之不受操作干扰始终保持在最佳值上。

2.如权利要求1所述的原油换热网络操作夹点的控制方法，其特征在于，操作夹点位置由温-焓图确定；其中，在热复合曲线移动时，冷复合曲线中必须对各换热器中对应的冷流曲线作相应的移动。

3.如权利要求1所述的原油换热网络操作夹点的控制方法，其特征在于，所述的增设旁路是指：通过在换热网络中的适当位置增设旁路，并安装控制阀，通过控制旁路流量来控制操作夹点处冷、热物流的温度，进而控制操作夹点温差，使之在装置运行过程中始终维持在设计值附近，实时控制换热网络操作夹点最小温差的变化范围，实现操作夹点的最优化，从而最大限度地降低换热网络的公用工程用量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的换热器为管壳式换热器；所述的管壳式换热器机理模型包括：对于流体微元加以分析，依据热量动态平衡方程列写壳程、管程、管外壁、管内壁的动态数学模型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的换热器为蒸汽发生器；所述的蒸汽发生器机理模型包括：对于流体微元加以分析，依据热量动态平衡方程列写管程、管内壁、管外壁、蒸汽发生量的动态数学模型。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述的管壳式换热器建立离散化模型，即：对作为分布参数模型的换热器模型进行分段离散化，在每一段上视为集中参数模型处理，再联立得到各段的集中参数模型，继而完成求解模型的计算，包括壳程、管程、管外壁、管内壁的离散化数学模型。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述的蒸汽发生器建立离散化模型，即：对作为分布参数模型的蒸汽发生器模型进行分段离散化，在每一段上视为集中参数模型处理，再联立得到各段的集中参数模型，继而完成求解模型的计算，包括管程、管外壁、管内壁、蒸汽发生量的离散化数学模型。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的操作夹点最小温差是指：利用夹点技术设计的换热网络投入运行之后，换热网络中热流与冷流实际温差的最小值。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的操作夹点是指：利用夹点技术设计的换热网络投入运行之后，实际换热网络中出现热流与冷流温差的最小值的位置就是操作夹点。

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