过程工厂中的换热器网络热回收优化的制作方法

专利名称：过程工厂中的换热器网络热回收优化的制作方法
技术领域：
本公开主要涉及过程控制系统，并且特别地涉及用于具有多个并行的换热器的炼 油厂的热回收最大化装置。
背景技术：
像在化学、石油或其它过程中使用的那些过程控制系统一样的过程控制系统一般 包括通信耦合到至少一个主机或操作员工作站的一个或多个集中式或分布式过程控制器。 过程控制器一般也经由模拟、数字或组合的模拟/数字总线来耦合到例如像现场设备这样 的过程控制和仪表设备。可以是阀门、阀门定位器、开关、变送器和传感器(例如，温度、压 力和流速传感器)的现场设备位于过程工厂环境内，并且在例如打开或关闭阀门、测量过 程参数、增加或减少流体流动等的过程中施行其功能。像符合众所周知的FOUNDATION 现 场总线(在下文中称为“现场总线”)协议或可寻址远程变送器高速通道(HART )协议的 现场设备这样的智能现场设备也可以施行通常在过程控制器中实现的控制计算、报警功能 及其它控制功能。一般位于过程工厂环境中的过程控制器接收指示由现场设备产生的或与现场设 备相关的过程测量或过程变量和/或关于现场设备的其它信息的信号，并执行控制器应 用。举例来说，控制器应用实现不同的控制模块，所述不同的控制模块进行过程控制的决 策，基于接收的信息生成控制信号，并与在像HART 和现场总线现场设备这样的现场设备 中施行的控制模块或块进行协调。过程控制器中的控制模块在通信线路或信号通道上将控 制信号发送给现场设备，以借此控制过程的运行。一般使来自于现场设备和过程控制器的信息可被像操作员工作站、维护工作站、 个人计算机、手持设备、数据历史库、报告生成器、集中式数据库等等这样的一个或多个其 它的硬件设备使用，以允许操作员或维护人员施行与过程有关的所期望的功能，所述功能 举例来说例如改变过程控制例程的设置，修改过程控制器或智能现场设备中控制模块的运 行，查看过程工厂中的过程的或特定设备的当前状态，查看由现场设备和过程控制器所生 成的警报，为了训练人员或测试过程控制软件而模拟过程的运行，以及诊断过程工厂中的 问题或硬件故障。虽然典型的过程工厂具有连接到一个或多个过程控制器的像阀门、变送器和传感 器等等这样的许多过程控制和仪表设备，但是还有许多其它也对于过程运行是必需的或与 过程运行相关的支持设备。举例来说，这些附加的设备包括在典型的工厂中的很多地方所 设置的供电设备、发电与配电设备以及像涡轮机和马达等等这样的旋转设备。虽然该附加 的设备不一定创建或使用过程变量，并且在许多情况下不受控制乃至不被耦合到过程控制 器以影响过程运行，但是该设备对过程的正常运行来说仍然是重要的，并且最终对过程的 正常运行来说是必需的。在整个炼油产业以及其它过程系统范围内，能量管理的过程控制是极重要的问 题。典型的炼油厂包括某种蒸馏系统。在蒸馏系统中，原油在蒸馏之前被传输给对原油进行加热的加热器。于是，由于原油在被蒸馏之前先被加热，所以原油炼油厂需要大量的能量 输入。因为热的原油更容易分离成其蒸馏成分，所以对原油进行加热是必需的。此外，对原 油进行加热提高许多提炼过程的效率并降低许多提炼过程的燃料消耗。因为原油被加热， 所以馏出物包含来自于蒸馏过程的显热。显热是当在产品管流(product stream)中存在 温度变化(或增或减)时传递到产品管流或从产品管流中传递出的热。该显热是潜在可回 收的能量，所述能量如果被回收和再使用则能够提高蒸馏过程的效率。因此，大部分炼油厂 包括例如换热器的某种热回收系统。在蒸馏之前，换热器将一些显热从馏出物传递到原油 流中。这样做时，换热器降低了将原油预热到预定温度所需的燃料量。由于大部分现代的炼油厂的大小和复杂度，单个的换热器不足以完成原油的完全 预热。因此，大部分现代的炼油厂包括对不同的原油流进行加热的换热器网络。然而，这些 换热器的网络没有最大化或优化对馏出物的热回收，因为随着时间的推移，换热器由于在 换热表面上积累污染的液体而运行于不同水平的传热效率。此外，大部分现代的炼油厂处理不同品质的原油，并且具有对精炼产品的不同需 要。污染液体的积累、原油的不同品质和对精炼产品的不同需要都降低了已知换热器系统 的效率。可替换地，作为次级过程的一部分，换热器可以使用必须被冷却的热的工艺液流 (process fluid streams)来对原油进行预热，从而进一步增加效率。一些工艺设计技术被 用于根据炼油厂设计准则来指定将最大化热回收的换热器。在建立炼油厂之后，过程控制 系统通常必须在给定设计和经济约束条件范围内优化炼油厂性能。有时候，对于在不同条 件下指定的原油装料速度(crude charge rate)，原油进料热回收优化器必须能够最大化 热回收。优化器常常必须是经济合理的，因为许多炼油厂相对较小，也许无法证明需要大量 的仪表和控制阀门。此外，考虑到在各种各样的炼油厂中的各种过程控制系统，优化器应该 便于实现。例如炼油厂的许多过程工厂包括设备监控和诊断程序，所述设备监控和诊断应用 举例来说例如由CSI系统提供的机器健康(Machinery Health )应用，或者用于监控、诊 断和优化各种旋转设备的运行状态的任意其它已知的应用。维护人员通常使用这些应用来 维护和监督工厂中旋转设备的性能、确定与旋转设备有关的问题以及确定何时和是否必须 修理或更换所述旋转设备。相似地，许多过程工厂包括像由例如Liebert和AS⑶公司提供 的电力控制和诊断程序，以控制和维护发电与配电设备。在过程工厂中运行像例如实时优 化器(RT0+)这样的控制优化应用以优化过程工厂的控制活动也是已知的。这种优化应用 一般使用复杂的算法和/或所述过程工厂的模型来预测如何改变输入，以在像例如利润这 样的一些期望优化变量方面优化过程工厂的运行。大部分已知的换热优化器系统使用搜索例程来查找在重新加入原油流之后最适 宜的混合温度。利用已知的系统，一个换热器的效率方面的小小变化也许不会导致混合温 度方面的大的变化，因此已知的系统不能考虑效率方面的这些小变化。然而，随着时间的推 移，效率方面的小变化可能导致大的损失。这些及其它的诊断和优化应用一般在系统范围的基础上被实现于一个或多个操 作员或维护工作站中，并且可以向操作员或维护人员提供关于过程工厂的运行状态或者过 程工厂中的装置和设备的预先配置的显示。典型的显示包括接收由过程工厂中的过程控制 器或其它设备生成的警报的报警显示、指示过程工厂中的过程控制器及其它设备的运行状态的控制显示以及指示过程工厂中的设备的运行状态的维护显示等。同样地，这些及其它 诊断应用可以允许操作员或维护人员重新调整控制回路或重新设定其它控制参数，在一个 或多个现场设备上运行测试来确定那些现场设备的当前状态，或者校准现场设备或其它设备。

发明内容
公开一种有助于过程控制系统中的热回收的系统和方法，其特定的前提是最大化 换热器网络中的热回收。特别地，只需要从每个换热器路径中收集出口温度。所述系统和 方法通过被称为增量成本均衡(ICE)的负荷配置来完成最大化。ICE基于以下概念来工作， 即如果增量成本不相等，则负荷应该从具有较高增量成本的单元(路径)转移到具有较低 增量成本的单元(路径)。因而，负荷从较高增量成本的(即，较不有效的)换热器路径转 移到较低增量成本的(即，更有效的)换热器路径。所公开的技术源自于用于计算作为负 荷的函数的效率的显式表达式或模型。所述公式考虑了在每个换热器路径的入口和出口温 度中的差值以及所述路径中的换热器的热容量。因为对于每个并行路径来说热容量和入口 温度通常是相同的，所以只需要均衡出口温度以最大化热回收。基于出口温度，可以为每个 换热器计算流速目标以均衡出口温度，并且可以实现控制以达到目标流速，借此均衡出口 温度和最大化换热器网络中的热回收。


图1是具有分布式过程控制系统和网络的过程工厂的示例性框图，包括一个或多 个操作员和维护工作站、控制器、现场设备和支持设备；图2A-2C是图1的过程工厂的一部分的示意图，举例说明了包括换热器网络的炼 油厂过程和系统，其可以根据本公开的教导来利用热回收最大化系统；图3是图1的过程工厂的一部分的示例性框图，举例说明了在位于包括换热器的 过程工厂的不同元件中的热回收最大化系统的各种组件之间的通信互连；图4是图1的过程工厂的一部分的示例性示意图，举例说明了一种壳管式换热 器；图5是图1的过程控制系统的示例性框图，举例说明了提供多个并行路径的像图 4的那些换热器一样的换热器的网络；图6是图5的过程控制系统的示例性框图，举例说明了与控制器通信的换热器的 网络；以及图7是用于在如图6中的换热器的网络中实现热回收最大化的流程图的例子。
具体实施例方式此处公开了一种在换热器的网络中实现用于优化热回收的技术的过程控制系统 体系结构和方法。现在参考图1，可以在其中实现热回收最大化系统的示例性的过程工厂10包括经 由一个或多个通信网络与支持设备互连在一起的多个控制和维护系统。过程控制系统12 可以是例如PROVOX或RS3系统或者任意其它控制系统的传统过程控制系统，其包括操作员接口 12A，所述操作员接口 12A耦合到控制器12B和输入/输出(I/O)卡12C，所述卡12C 依次耦合到例如模拟和HART 现场设备15的各种现场设备。可以是分布式过程控制系统 的过程控制系统14包括经由例如以太网总线的一种总线来耦合到一个或多个分布式控制 器14B的一个或多个操作员接口 14A。控制器14B可以是，例如，由位于德克萨斯州奥斯汀 (Austin, Texas)的爱默生过程管理(Emerson Process Management)销售的 DeltaVTM 控 制器或者任意其它期望类型的控制器。控制器14B经由I/O设备连接到一个或多个现场设 备16，所述现场设备16例如是HART 或现场总线现场设备，或者任意其它智能或非智能现 场设备，包括例如使用PROFIBUS 、WORLDFIP 、Device-Net 、AS-接口和CAN协议中 的任意一个的那些现场设备。正如已知的，现场设备16可以向控制器14B提供与过程变量 以及其它设备信息相关的模拟或数字信息。操作员接口 14A可以存储和执行可由过程控制 操作员得到的、用于控制过程的运行的工具17和19，包括例如控制优化器、诊断专家、神经 网络和调定器等。更进一步地，维护系统，例如执行上述的AMS 套件上述智能设备管理器应用和/ 或下述的监控、诊断和通信应用的计算机，可被连接到过程控制系统12和14或者连接到其 中的个别设备，以施行维护、监控和诊断活动。举例来说，维护计算机18可以经由任意期望 的通信线路或网络(包括无线或手持设备网络)连接到控制器12B和/或设备15，以与设 备15上的其它维护活动进行通信，并且在某些情况下重新配置或施行设备15上的其它维 护活动。相似地，例如AMS 套件智能设备管理器应用的维护应用可以安装在与分布式过 程控制系统14相关联的一个或多个用户接口 14A中并由其执行，以施行包括与设备16的 运行状态有关的数据收集的维护和监控功能。过程工厂10也包括例如涡轮机和马达等的各种旋转设备20，其经由某个永久或 临时通信链路(例如总线、无线通信系统或者连接到设备20以取得读数并接着被移除的手 持设备)连接到维护计算机22。维护计算机22可以存储和执行许多监控和诊断应用23以 诊断、监控和优化旋转设备20以及工厂中的其它设备的运行状态，所述监控和诊断应用23 包括市场上可买到的应用，例如由CSI(爱默生过程管理公司)提供的那些应用、以及下述 应用、模块和工具。维护人员通常使用应用23来维护和监督工厂10中设备20的性能、确 定与旋转设备20有关的问题以及确定何时和是否必须修理或更换所述设备20。有时候，外 聘顾问或服务组织可以暂时获取或测量关于旋转设备20的数据，并使用该数据来施行对 旋转设备20的分析以发觉问题、不良的性能或者影响旋转设备20的其它问题。这样的话， 运行这些分析的计算机不可经由任意通信线路连接到系统10的其余部分或者可以只是暂 时地连接。相似地，具有与工厂10相关的发电与配电设备25的发电与配电系统24经由例如 总线来连接到另一个计算机26，该计算机运行并监督工厂10中的发电与配电设备25的运 行。计算机26可以执行已知的像由例如Liebert和ASCO或其它公司提供的电力控制和诊 断应用27，以控制和维护发电与配电设备25。此外，在很多情况下，外聘顾问或服务组织可 以使用暂时获取或测量关于设备25的数据并使用该数据来施行对设备25的分析的服务程 序，以发觉问题、不良的性能或者影响设备25的其它问题。这样的话，运行这些分析的计算 机(例如计算机26)不可经由任意通信线路连接到系统10的其余部分或者可以只是暂时 地连接。
如图1中所示，计算机系统30可以实现热回收优化系统35的至少一部分，其实施 例将在下面进行更详细的描述。一般而言，热回收优化系统35可以与现场设备15和16、控 制器12B和14B、旋转设备20或其配套计算机22、发电设备25或其配套计算机26、以及过 程工厂10中的任意其它期望的装置和设备进行通信，以接收关于它们正在监控的设备或 子系统的运行的信息。特别地，热回收优化系统35可以和例如可在炼油厂中找到的、与一 个或多个换热器或热交换系统相关联的现场设备、控制器、传感器以及任意其它期望的装 置和设备进行通信。热回收优化系统35可以经由硬连线的总线45来通信连接到工厂10中 的至少一些计算机或设备中的每一个，或者可替换地，也可以经由任意其它期望的通信连 接来进行连接，所述通信连接包括，例如，无线连接、使用OPC的专用连接、以及例如依赖于 手持设备来收集数据的断续连接等。同样地，热回收优化系统35可以经由LAN或例如因特 网、电话连接等的公用连接(在图1中被举例说明为因特网连接46)来获得关于过程工厂 10中的现场装置和设备的数据，而此类数据例如由第三方服务提供者收集。进一步地，热 回收优化系统35可以通过各种技术和/或协议来通信耦合到工厂10中的计算机/设备， 所述技术和/或协议包括，例如，以太网、Modbus、HTML、XML、专有的技术/协议等。更进一 步地，热回收优化系统35可以被实现为换热器网络中的一个或多个控制器，例如用于特定 换热器的控制器，其中该控制器被通信耦合到工厂10中的计算机、设备和/或其它控制器。 因此，尽管此处描述了利用OPC来将热回收优化系统35通信耦合到工厂10中的计算机/ 设备的特定例子，但本领域普通技术人员将认识到，也能使用将热回收优化系统35耦合到 工厂10中的计算机/设备的各种其它方法。典型炼油厂中的第一单元是类似于图2A-2C中所示的原油单元，其中原油被分馏 成例如石脑油(汽油)124、煤油126、柴油128、AGO(燃油)130以及残留物(例如，润滑油 132、固体石腊134、浙青136等)等的初级产品。这在也可被称为管式炉、分馏塔或常压 (以及有时为真空)分馏塔的蒸馏器122中实现。原油被加热以便当其进入蒸馏器122时 进行闪蒸。像任意蒸馏过程一样，当一些蒸汽被冷凝并被送回为瀑布式落入蒸馏器122的 回流时，潜热被移除。上升的蒸汽(被闪蒸的原油)和落下的液体回流在蒸馏器122中混 合以产生发生于平衡级的范围之上的产品分离。由于像汽油和煤油这样的产品在塔的较高 处回收，所以补充的回流必须在下方被添加以使塔正确地运行。泵唧循环(pumparoimds) 被用于移除显热和次冷却被送回到塔中的液体以增加冷凝来产生补充的内回流的。产品不 再是热的而显热也能够被回收。闪蒸原油所需的热量被提供于装料加热器112中。通过 原油输入线路114，原油被传输到加热器112。燃料通过燃料输入线路116被传输到加热器 112，而空气通过空气输入线路118被传输到加热器112。燃料和空气在加热器112中混合 并燃烧，而由燃烧生成的热被部分地传递给原油。在加热之后，原油通过运输线路120被传 输给蒸馏器122。通过在进料进入加热器之前在进料中回收尽可能多的过程热量，能够减 少所需的燃料，节省燃料费用和与额外的燃料的燃烧相关的所产生的排放物。换热器网络 被基于设计情况来进行设计以最大化对回流冷凝器、泵唧循环交换器和产品冷却器等的热 回收。原油进料通过复杂路径中的这些各种换热器或换热器系统(标注为E-I到E-7)来 发送，在所述路径中，一些换热器将并行运行而一些将串行运行(例如，E-5A到E-5I)。这 种复杂网络的一个例子示于图2B中，具有以粗线表示的热流以及以虚线表示的冷流。为了 设计的目的，选择运行流速和温度并进行折衷以提出经济合算的换热器网络设计。在现实中，考虑到原油成分、产品规格、环境条件、换热器污垢及其它动态因素方面的变化，过程处 于准确的设计条件下通常是巧合的和不可能的。控制问题变成通过网络中不同的路径来分 配进料以从可用的过程热量中最大化热回收的一个问题。由于变化的原油进料品质和变化的精炼产品需求而引入换热系统的可变性给过 程控制和热回收系统提出了额外的问题。该可变性表现在可以用来预热原油装料的热量 上。当原油进料和/或精炼产品变化时，过程控制系统必须稳定换热过程。这种可变性可 包括可以从馏出物中获得的热的变化量以及原油进料的热的变化系数。如果可能的话，过 程控制系统还应该通过最大化原油进料中的热回收来优化换热过程。图3举例说明图1的示例性过程工厂10的一部分150，目的在于描述热回收优化 系统35可与示例性过程工厂10的一部分150中的换热器164进行通信的一种方式。虽然 图3举例说明了在热回收优化系统35和换热器164之间的通信，但应了解，相似的通信能 够发生在热回收优化系统35和与过程工厂10中的换热器相关联的其它装置和设备之间， 所述其它装置和设备包括图1和/或2中举例说明的任意装置和设备。此外，虽然此处提 供的例子可能涉及利用馏出物的热的工艺液流来加热原油流，但是热回收最大化技术也可 应用于冷却液流以及各种类型的工艺流体、固体或气体。图3中举例说明的过程工厂10的部分150包括具有一个或多个过程控制器160 的分布式过程控制系统154，所述过程控制器160通过输入/输出(I/O)卡或设备169和 170连接到一个或多个换热器164，所述输入/输出(I/O)卡或设备169和170可以是符合 任意期望的通信或控制器协议的任意期望类型的I/O设备。另外，换热器164可以符合任 意期望的公开的、专有的或其它的通信或编程协议，应了解，I/O设备169和170应该能兼 容由换热器164使用的期望的协议。虽然未详细示出，但换热器164可包括任意数量的额 外的设备，包括但不限于现场设备、HART 设备、传感器、阀门、变送器、定位器等。在任何情况下，可由像配置工程师、过程控制操作员、维护人员、工厂经理和管理 者等的工厂人员访问的一个或多个用户接口或计算机172和174(其可以是任意类型的个 人计算机、工作站等)通过通信线路或总线176被耦合到过程控制器160，所述通信线路或 总线176可以利用任意期望的硬连线的或无线的通信结构，以及利用像例如以太网协议这 样的任意期望或适当的通信协议来实现。此外，数据库178可以连接到通信总线176以作 为数据历史库运行，该数据历史库收集和存储配置信息以及在线过程变量数据、参数数据、 状态数据、和与过程工厂10中的过程控制器160和换热器164及其它现场设备相关联的其 它数据。因此，数据库178可以作为配置数据库运行以存储当前的配置，包括过程配置模块 以及下载到并存储于过程控制器160和换热器164的设备以及其它现场设备中的关于过程 控制系统154的控制配置信息。同样地，数据库178可以存储历史优化数据，包括由过程工 厂10中的换热器164 (或者更具体地，换热器164的设备)及其它现场设备收集的统计和 传感器数据、根据由换热器164 (或者更具体地，换热器164的设备)及其它现场设备收集 的过程变量而确定的统计数据、以及下面将描述的其它类型的数据。虽然过程控制器160、1/0设备169和170以及换热器164 —般位于并且分布在有 时恶劣的工厂环境范围内，但工作站172和174以及数据库178通常位于容易由操作员和 维护人员等访问的控制室、维护室或者其它较不恶劣的环境中。尽管图3中只示出了一个 换热器164，但应该理解，过程工厂10常常具有与例如图1和/或2中所示出的各种其它类型的设备联网在一起的多个换热器164。此处描述的热回收优化技术同样可以应用于任意 数量的换热器164。一般而言，过程控制器160可以存储和执行一个或多个控制器应用，所述控制器 应用利用多个不同且独立执行的控制模块或块来实现控制策略。控制模块分别可以由通常 被称为功能块的块组成，其中每个功能块是总体控制例程的一部分或子例程，并和其它功 能块(通过被称作链接的通信)一起工作，以实现过程工厂10中的过程控制回路。众所周 知，可以是面向对象编程协议中的对象的功能块一般施行输入功能、控制功能或输出功能 中的一个。举例来说，输入功能可以与变送器、传感器或其它过程参数测量设备相关联。控 制功能可以与施行PID、模糊逻辑或另一种类型的控制的控制例程相关联。此外，输出功能 可以控制例如阀门的一些设备的运行，以执行过程工厂10中的一些物理功能。当然，存在 混合及其它类型的复合功能块，例如模型预测控制器(MPCs)、优化器等。应该理解，虽然现 场总线协议和DeltaV 系统协议使用以面向对象编程协议设计和实现的控制模块和功能 块，但控制模块可以利用包括例如顺序功能块、梯形逻辑等的任意期望的控制编程方案来 进行设计，并且不局限于利用功能块或任意其它特定的程序设计技术来进行设计。如图3中所示，工作站174包括处理器174A、存储器174B和显示设备174C。存储 器174B存储热回收优化系统35，该系统可以以这样的方式被实现为一种应用，即该应用能 够在处理器174A上被实现，以通过显示器174C (或者例如打印机的任意其它显示设备)提 供信息给用户。换热器164和，特别地，连接到换热器164的设备可以包括用于存储例程的存储 器(未示出)，所述例程例如是用于实现关于由传感设备感知的一个或多个过程变量的统 计数据收集的例程和/或用于异常运行检测的例程，其将在下面进行描述。一个或多个换 热器164和/或特别是一些或所有其设备中的每一个也可以包括执行例程的处理器(未示 出)，所述例程例如是用于实现统计和传感数据收集的例程和/或用于热回收最大化或优 化的例程。统计和传感数据收集和/或热回收最大化不必由软件实现。更确切些，本领域 普通技术人员将认识到，这些系统可以由一个或多个现场设备和/或其它设备中的软件、 固件、和/或硬件的任意组合来实现。如图3中所示，换热器164的设备和/或换热器164本身(以及工厂10中可能的 一些或所有换热器)包括将在下面更详细描述的一个或多个热回收最大化块180。虽然图 3的块180被示为位于换热器164中，但该块或相似的块可以作为一个整体特定于所述换热 器网络，其中换热器网络还包括例如被可操作的耦合到热回收最大化块180的传感器和控 制阀的元件。进一步地，热回收最大化块180能够位于许多换热器164中，或者在工厂10 中的各种其它设备和装置中，在例如控制器160、I/O设备169和170或图1中所示的任意 设备的其它设备中。另外，如果工厂10或工厂的一部分150包括多于一个的换热器164，则 块180能够在换热器164的任意子集中，例如在换热器164的一个或多个设备(例如，温度 传感器、温度变送器等)中。一般而言，块180或块180的子元件从它们所位于的设备和/或从其它设备中收 集例如过程变量数据的数据。举例来说，块180可以从换热器164中的例如温度传感器、温 度变送器或其它设备的设备中收集入口原始流体温度变量和出口原始流体温度变量，或者 可以从设备的温度测量中确定入口和出口温度变量。块180也从换热器164中的例如流速传感器、流速变送器或其它设备的设备中收集流速变量，或者从设备的流速测量中确定入 口和出口流速变量。块180可以被包括在换热器164中，并可以通过阀门、传感器、变送器 或任意其它现场设备来收集数据。另外，块180或块的子元件可以处理变量数据，并为了任 意数目的理由对数据施行分析。举例来说，被示为与换热器164相关联的块180可以具有 对换热器164的若干过程变量进行分析的优化例程182，如下面所进一步解释的。参考图4，热回收最大化块180可以监控换热器164，以检查热最大化/优化是否 正在实现。虽然本领域技术人员将理解此处描述的技术可以与各种换热器类型一起使用， 但为了在本公开中描述所述技术，所提供的例子涉及壳管式类型的换热器164。壳管式类型 的换热器164可以包括壳部分270和管部分274。壳部分270可以包括入口 278、出口 284 和多个折流板286。管部分274可以包括入口 290、出口 294和被壳部分270环绕的多个管 298。在运行中，冷流体通过入口 278进入壳部分270，环绕管298，围绕折流板286流动以 造成湍流202，并继续至出口 284。同时，热流体进入入口 290，流过管298，其中湍流的冷水 吸收所述流体的热，然后热流体继续至出口 294。因此，换热器164降低热流体的温度。当 然，处理可以是逆向的，借此冷流体进入入口 290而热流体进入入口 278。入口 278、290和 出口 292、294也可以包括任意数量的用于在换热器164的运行期间测量和控制流体温度、 流动压力、流速及其它度量的现场设备(未示出)、控制器(未示出)、阀门206、泵210或其 它设备。应该理解，术语“热”和“冷”被用来在这两个流之间进行区分，而并不是一定描述 这两个流的温度。举例来说，在将原油提供给换热器以热透冷的工艺流(process stream) 的情况下，理解在换热器的冷的工艺流的出口处，原油的温度不“冷”。同样地，在冷却热的 工艺流的反向换热器中，在换热器的热的工艺流的出口处，馏出物的温度不一定是“热”的。在典型的换热器应用中，若干测量可供使用。换热器164测量的一些例子是冷流 体流速(F。)、冷流体入口温度(T。, in)、冷流体出口温度(T。,。ut)、冷流体入口压力(P。,in)、冷 流体出口压力(P。,。ut)、热流体流速(Fh)、热流体入口温度(Th, in)、热流体出口温度(Th,。ut)、 热流体入口压力(Ph, in)和热流体出口压力(Ph,。ut)。一些换热器164仅可以记录这些测量 中的几个，而其它的可以修改所述测量。被修改的测量的一个例子可以是只包括对温差的 单个测量而不是分别测量入口和出口温度。然而，对于此处描述的热回收最大化技术，每一 换热器只需要记录一个测量(即，冷流体出口温度)，并且在换热器串行位于相同的路径中 的情况下，只需要测量所述路径(通常为路径中最后的换热器)的出口温度。换热器164中的热回收最大化可以包括如上所述的一些或所有测量。热回收最大 化的一个方法可以包括监控温差。温差可以由(1)横跨换热器以直接测量温差(ΔΤ)的温 差变送器或者(2)测量在换热器或换热器路径上的入口温度Tin和出口温度T。ut的绝对温 度变送器来进行测量。因此，Δ T = Tin-Tout(公式 1)进一步地，ΔΤ可以允许热回收最大化块180在换热器164或换热器路径的热和冷 两端测量和检测Tin和T。ut值。这些温度测量的例子被示于图2C中，其中温度传感器/变 送器(标注为TOl到T17)被提供于每个换热器的输出处。热回收最大化的另一个方法可以包括监控传热或热回收(Q)。换热器中的热回收 (Q)可以利用在热端或冷端上的测量通过显式公式进行计算Q = mc · Cc · Δ Tc = mh · Ch · Δ Th (公式 2)
这里m。和mh是冷和热流体的质量-流速，Cc和Ch是冷和热流体的比热容(其在 一小范围上假定为恒定的)，ΔΤ。和Δ Th是冷和热流体的温差，且ΔΤ。= Tgut-Td1^n ATh =Th,in-Th,。ut。C。和Ch(Cp)在短的时间段内通常是恒定的，并且对于给定的应用，项C。和Ch 可以被认为是恒定的。热回收最大化也可以利用对数平均温差(LMTD)和换热器的属性来进行计算。Q = U · A · LMTD(公式 3)其中U是平均传热系数，A是换热器的传热表面面积，LMTD是对数平均温差，其被 定义为
权利要求
1.一种用于过程控制系统的换热器网络中的热回收最大化的系统，包括数据收集工具，其适于在换热器的运行期间从多个换热器中收集在线过程数据，其中 所述多个换热器包括具有多个并行路径的换热器的网络，以及其中所述在线过程数据产生 于所述多个并行路径中的冷的工艺流的出口温度，每个出口温度与经过各个路径中的一个 或多个换热器的冷的工艺流的温度有关；热回收优化模块，其被配置为基于所述在线过程数据来制定一组流的流速目标值，其 中所述流的流速目标值包括通过每个换热器以均衡所述冷的工艺流的出口温度中的每一 个的热的工艺流及冷的工艺流的预期流速；以及控制模块，其被可操作地耦合到所述热回收优化模块，其中所述控制模块被配置为，基 于从所述热回收优化模块提供给所述控制模块的该组流的流速目标值来控制所述换热器 网络的一个或多个冷的工艺流流量控制阀和所述换热器网络的一个或多个热的工艺流流 量控制阀中的至少一个，以实现对所述冷的工艺流的出口温度的均衡。
2.根据权利要求1所述的用于热回收最大化的系统，其中所述在线过程数据包括不同 的冷的工艺流的出口温度的测量。
3.根据权利要求1所述的用于热回收最大化的系统，其中所述热回收优化模块被配置 为基于所述在线过程数据来确定所述出口温度中的每一个之间的温差、以及基于所述温差 来制定所述一组流的流速目标值。
4.根据权利要求1所述的用于热回收最大化的系统，其中所述热回收优化模块被配置为基于所述在线过程数据来制定适用于所有换热器 的冷的工艺流的出口温度的目标值，其中所述冷的工艺流的出口温度的目标值包括在所述 并行路径中的每一个之间的预期的均衡的冷的工艺流的出口温度，以及其中所述热回收优化模块被配置为制定适用于每个换热器的流的流速目标值，所述制 定基于在所述冷的工艺流的出口温度的目标值和适用于所述换热器的流的流速目标值之 间的关系，其中所述关系被表达为Cp · Q/(TOUt,t - Tin )=m其中Q =所述换热器的热回收，m=适用于所述换热器的所述流的流速目标值，Cp =所述换热器的热容量，Tout,t =所述冷的工艺流的出口温度的目标值，以及Tin =所述冷的工艺流的入口温度值。
5.根据权利要求4所述的用于热回收最大化的系统，其中Cp是恒定的。
6.根据权利要求1所述的用于热回收最大化的系统，其中所述流的流速目标值是由所 述冷的工艺流的流速和所述热的工艺流的流速组成的组、所述冷的工艺流的入口温度、所 述冷的工艺流的出口温度、所述热的工艺流的入口温度和所述热的工艺流的出口温度中的 一项或多项的函数。
7.根据权利要求1所述的用于热回收最大化的系统，其中所述控制器被配置为将每个流的流速目标值与由预定的最低流速值和预定的最高流速值限定的流的流速值范围进行比较，其中所述预定的最低和最高流速值与防止损坏 所述换热器的约束条件限制有关，以及其中所述控制器被配置为调整每个流的流速目标值以将所述流的流速保持在所述流 的流速值范围内。
8.根据权利要求1所述的用于热回收最大化的系统，其中所述控制器被配置为渐增地 调整每个换热器的一个或多个流量控制阀，以实现适用于所述换热器的流的流速目标值而 无控制器引起的振荡。
9.一种优化过程控制系统中的热回收的方法，所述方法包括在换热器的运行期间从多个换热器中收集在线过程数据，其中所述多个换热器包括具 有多个并行路径的换热器的网络，以及其中所述在线过程数据产生于所述多个并行路径中 的冷的工艺流的出口温度，每个出口温度与经过各个路径中的一个或多个换热器的冷的工 艺流的温度有关；基于所述在线过程数据来制定一组流的流速目标值，其中所述流的流速目标值包括通 过每个换热器以均衡所述冷的工艺流的出口温度中的每一个的所述热的工艺流及冷的工 艺流的预期流速；以及基于从所述热回收优化模块提供给所述控制模块的所述一组流的流速目标值来控制 所述换热器网络的一个或多个冷的工艺流流量控制阀和所述换热器网络的一个或多个热 的工艺流的流量控制阀中的至少一个，以实现对所述冷的工艺流的出口温度的均衡。
10.根据权利要求9所述的优化热回收的方法，其中从多个换热器中收集在线过程数 据包括收集不同的冷的工艺流的出口温度的测量。
11.根据权利要求9所述的优化热回收的方法，其中制定一组流的流速目标值包括 基于所述在线过程数据来确定所述出口温度中的每一个之间的温差；以及 基于所述温差来制定所述一组流的流速目标值。
12.根据权利要求9所述的优化热回收的方法，其中制定一组流的流速目标值包括 基于所述在线过程数据来制定适用于所有换热器的冷的工艺流的出口温度的目标值，其中所述冷的工艺流的出口温度的目标值包括在所述并行路径中的每一个之间的预期的 均衡的冷的工艺流的出口温度，以及制定适用于每个换热器的流的流速目标值，所述制定基于在所述冷的工艺流的出口温 度的目标值和适用于所述换热器的流的流速目标值之间的关系，其中所述关系被表达为
13.根据权利要求12所述的优化热回收的方法，其中Cp是恒定的。
14.根据权利要求9所述的优化热回收的方法，其中所述流的流速目标值是由所述冷的工艺流的流速和热的工艺流的流速组成的组、所述冷的工艺流的入口温度、所述冷的工 艺流的出口温度、所述热的工艺流的入口温度和所述热的工艺流的出口温度中的一项或多 项的函数。
15.根据权利要求9所述的优化热回收的方法，其中控制所述换热器网络的一个或多 个冷的工艺流流量控制阀和所述换热器网络的一个或多个热的工艺流流量控制阀中的至 少一个包括将每个流的流速目标值与由预定的最低流速值和预定的最高流速值限定的流的流速 值范围进行比较，其中所述预定的最低和最高流速值与防止损坏所述换热器的约束条件限 制有关；以及调整每个流的流速目标值以将所述流的流速保持在所述流的流速值范围内。
16.根据权利要求9所述的优化热回收的方法，控制所述换热器网络的一个或多个冷 的工艺流流量控制阀和所述换热器网络的一个或多个热的工艺流流量控制阀中的至少一 个包括渐增地调整每个换热器的一个或多个流量控制阀，以实现适用于所述换热器的流 的流速目标值而无控制器弓I起的振荡。
17.一种多并行路径换热器系统，包括 冷的工艺流的入口；多个换热器路径，其被可操作地耦合到所述冷的工艺流的入口，每个换热器路径包括 一个或多个换热器，并且每个换热器路径被配置为沿着与所述多个换热器路径中的另一个 换热器路径的管道独立且并行的管道来接收冷的工艺流，其中所述冷的工艺流的入口包括 为每个管道所共有的冷的工艺流的入口；冷的工艺流的流量控制阀，其被可操作地耦合到所述多个管道中的每一个管道，其中 每个冷的工艺流的流量控制阀控制通过各个换热器路径的冷的工艺流的流速；热的工艺流的流量控制阀，其被可操作地耦合到每个换热器路径，其中每个热的工艺 流的流量控制阀控制经过各个换热器路径的热的工艺流的流速；温度传感设备，其被可操作地耦合到每个换热器路径的出口，其中所述温度传感设备 测量经过所述换热器路径的冷的工艺流的温度；以及控制器，其被可操作地耦合到每个温度传感设备、每个冷的工艺流流量控制阀和每个 热的工艺流流量控制阀，其中所述控制器调整每个冷的工艺流流量控制阀和每个热的工艺 流流量控制阀，以均衡经过所述多个换热器路径的冷的工艺流的温度。
18.根据权利要求17所述的多并行路径换热器系统，其中所述控制器被配置为 收集与所述多个换热器路径中的所述冷的工艺流的出口温度相关的在线过程数据， 基于所述在线过程数据来制定一组流的流速目标值，其中所述流的流速目标值包括通过每个换热器以均衡所述冷的工艺流的出口温度中的每一个的所述热的工艺流及冷的工 艺流的预期流速；以及基于所述一组流的流速目标值来调整每个冷的工艺流的流量控制阀和每个热的工艺 流的流量控制阀，以均衡经过所述多个换热器路径的冷的工艺流的温度。
19.根据权利要求18所述的多并行路径换热器系统，其中所述流的流速目标值是由所 述冷的工艺流的流速和热的工艺流的流速组成的组、所述冷的工艺流的入口温度、所述冷 的工艺流的出口温度、所述热的工艺流的入口温度和所述热的工艺流的出口温度中的一项或多项的函数。
20.一种具有计算机可执行指令的计算机可读介质，所述计算机可执行指令用于优化 在过程控制系统的多并行路径换热器系统中的热回收，所述计算机可执行指令包括用于以 下操作的指令在换热器的运行期间从多个换热器中收集在线过程数据，其中所述多个换热器包括具 有多个并行路径的换热器的网络，以及其中所述在线过程数据产生于所述多个并行路径中 的冷的工艺流的出口温度，每个出口温度与经过各个路径中的一个或多个换热器的冷的工 艺流的温度有关；基于所述在线过程数据来制定一组流的流速目标值，其中所述流的流速目标值包括通 过每个换热器以均衡所述冷的工艺流的出口温度中的每一个的所述热的工艺流及冷的工 艺流的预期流速；以及基于从所述热回收优化模块提供给所述控制模块的所述一组流的流速目标值来控制 所述换热器网络的一个或多个冷的工艺流流量控制阀和所述换热器网络的一个或多个热 的工艺流流量控制阀中的至少一个，以实现对所述冷的工艺流的出口温度的均衡。
21.根据权利要求20所述的具有计算机可执行指令的计算机可读介质，其中用于从多 个换热器中收集在线过程数据的指令包括用于收集不同的冷的工艺流的出口温度的测量 的计算机可执行指令。
22.根据权利要求20所述的具有计算机可执行指令的计算机可读介质，其中用于制定 一组流的流速目标值的指令包括用于以下操作的计算机可执行指令基于所述在线过程数据来确定所述出口温度中的每一个之间的温差；以及基于所述温差来制定所述一组流的流速目标值。
23.根据权利要求20所述的具有计算机可执行指令的计算机可读介质，其中用于制定 一组流的流速目标值的指令包括用于将一组流的流速目标值制定为由所述冷的工艺流的 流速和热的工艺流的流速组成的组、所述冷的工艺流的入口温度、所述冷的工艺流的出口 温度、所述热的工艺流的入口温度和所述热的工艺流的出口温度中的一项或多项的函数的 计算机可执行指令。
24.根据权利要求20所述的具有计算机可执行指令的计算机可读介质，其中用于控制 所述换热器网络的一个或多个冷的工艺流流量控制阀和所述换热器网络的一个或多个热 的工艺流流量控制阀中的至少一个的指令包括用于渐增地调整每个换热器的一个或多个 流量控制阀以实现适用于所述换热器的工艺流的流速目标值而无控制器引起的振荡的计 算机可执行指令。
全文摘要
本发明涉及过程工厂中的换热器网络热回收优化，公开了一种用于最大化在换热器网络中的热回收的方法和系统，包括从具有多个并行路径的换热器的网络中收集在线过程数据。所述在线过程数据生成于所述路径中的冷的工艺流的出口温度。基于所述在线过程数据来产生流的流速目标值，并且所述流的流速目标值包括通过每个换热器以均衡每个冷的工艺流的出口温度的预期流速。基于流速目标值来控制所述换热器网络的一个或多个冷的工艺流流量控制阀和所述换热器网络的一个或多个工艺流的流量控制阀，以实现对所述冷的工艺流的出口温度的均衡。
文档编号F28F7/02GK102003909SQ20101026913
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月31日 优先权日2009年8月31日
发明者L·W·希夫纳三世 申请人:费希尔-罗斯蒙特系统公司