专利名称：新型换热网络柔性运行的控制方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种换热网络的控制方法及其装置，具体涉及一种新型换热网络柔性运行的控制方法及其装置。
背景技术：
换热网络广泛应用在石油化工、能源动力等领域，其运行的高效性、合理性直接关系到工业系统的整体性能。在实际过程中，换热网络常常受到各种扰动的影响，使得实际运行工况偏离设计工况，导致运行性能的大幅度迁移和运行费用的大幅攀升。工况恶劣时，换热网络的运行无法满足实际需要。因此，采用合适的控制措施，使得换热网络的运行始终满足工艺要求且维持较低的运行费用，具有重要意义。
以往换热网络主要通过调节公用工程实现物流出口参数的调节，保证目标流体出口参数的稳定。这种控制方法未能从换热网络内部着手抑制扰动，导致在扰动频繁或扰动大的情形下，公用工程费用的急剧增加。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种新型换热网络柔性运行的控制方法及其装置，通过设置敏感流体旁路以及采用旁通调节的控制方法，以提高换热网络整体的自身调节能力，减少热和冷公用工程的消耗量，节约能源、提高运行效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案 一种新型换热网络柔性运行的控制方法，包括以下步骤 1)识别换热网络中的敏感流体，并在所述敏感流体上设置旁路调节装置； 2)获取入口处敏感流体的温度和流量参数； 3)根据该温度和流量参数的变化和预先设定换热网络的结构信息，求解最佳旁路开度； 4)根据求解的最佳旁路开度调节旁路调节装置的开度。
进一步地，所述步骤1)中，所述敏感流体的识别依次包括以下步骤 A)得到设计工况下换热网络的结构参数、流体参数和换热器参数； B)将换热网络的参数信息化，利用换热网络稳态模拟技术实现换热网络的模拟； C)变动换热网络中流体的入口参数，利用模拟获得流体出口参数，给定不同的入口参数，获得相应的出口参数响应曲线； D)根据工艺允许的区间，分析出口参数响应曲线，获得换热网络的柔性特性； E)若某个流体的柔性区间小于某一值，该流体即为敏感流体。
进一步地，在所述步骤3)中，根据换热网络结构参数和实时测量到的流体参数，利用蒙特卡罗随机抽样技术得到换热网络初始旁路开度，然后利用最速下降法获得最佳旁路开度。
本发明还提供一种新型换热网络柔性运行控制装置，包括 由一个或多个换热器组成的换热网络，每个换热器的包括第一流体管路和第二流体管路，所述第一流体管路的入口处和第二流体管路的入口处均分别设有流量传感器和温度传感器，所述换热网络中的敏感流体管路的入口处设有旁路，敏感流体管路的出口处设有一个电动三通阀，所述旁路均分别与对应的敏感流体管路的电动三通阀相连通，所述电动三通阀的控制端以及流量传感器、温度传感器与一控制计算机相连接，所述控制计算机根据获取的流量和温度信息，结合预先设定换热网络的结构信息，执行最佳旁路开度计算，根据计算结果调节所述电动三通阀的开度。
进一步地，所述温度探测器和流量探测器与所述控制计算机5之间还依次连接有模拟多路开关和A/D转换器。
进一步地，所述控制计算机与所述模拟多路开关相连接。
进一步地，在所述电动三通阀的控制端与所述控制计算机之间还连接有D/A转换器。
本发明与以往的换热网络控制系统相比，具有如下有益效果 A、本发明结构紧凑、成本较低、应用方便，而以往的换热网络控制系统常采用复杂的控制系统，结构复杂，投资成本高； B、在换热网络数值模拟的基础上，通过优化程序得到了合适的旁路调节量，控制的实现只需调节电动三通阀的开度，不增加额外的控制成本，且可降低网络的运行费用； C、在控制速度上，换热网络的运行优化程序获得的最佳旁路调节参数只需几秒，因此从工业控制的角度而言，完全能满足控制的速度要求；并且换热网络数值模拟可获得较高的求解精度，因此获得的旁路调节参数精度高，从而保证了控制的精度。本发明可广泛应用于化工、石油、能源动力等场合。
图1是本发明新型换热网络柔性运行控制装置实施例的结构示意图； 图2是本发明新型换热网络柔性运行控制装置中单个换热器的旁路调节控制示意图。
标号说明 10、20、30换热器7、17、27、37温度传感器 11、12、21、22、31、32电动三通阀50控制计算机 3、13、23、33流体入口处 51模拟多路开关 4、14、24、34流体出口处 52A/D转换器 5、15、25、35公用工程 53D/A转换器 6、16、26、36流量传感器
具体实施例方式 实施例一 一种新型换热网络柔性运行的控制方法， 1)识别换热网络中的敏感流体，并在所述敏感流体上设置旁路调节装置； 2)获取入口处敏感流体的温度和流量参数； 3)根据该温度和流量参数的变化和预先设定换热网络的结构信息，求解最佳旁路开度； 4)根据求解的最佳旁路开度调节旁路调节装置的开度。
目前，换热网络的稳态模拟技术较为成熟，本发明直接利用现有换热网络的稳态模拟技术实现换热网络的模拟。其中典型的换热网络中单个换热器的计算模型如下 tho-tci-δthi+δtco＝0(1) Rtho-tci-Rthi+tco＝0(2) 其中 S＝(1-Xh)WhCph(4) 上式中t代表温度，W代表流量，C代表比热容，K代表换热器换热系数，X代表旁路开度(为0时关闭旁路；为1时关闭主路，全部旁流)，A代表换热器换热面积，下标h代表热流体、c代表冷流体、p代表定压、i代表流体进口、o代表流体出口。
由上式可知知道换热器进出口的任意两个温度，即可求得另外两个温度。例如 设流体的物性Cp与温度t的关系为函数f(t) 流体换热后，与旁路出来的那部分流体混合后的流体温度t′ho和t′co。求解方程为
迭代求解方程(7)和(8)即可获得t′ho和t′co。其中φ为冷流体出口温度求解函数，Φ为热流体出口温度求解函数，R为热流体主路热容流率和冷流体主路热容流率的比值，S为热流体主路的热容流率。
针对实际的换热网络，利用上述换热器的数学求解模型，通过流程模拟实现换热网络的求解，即可预知扰动发生后换热网络中流体的出口参数，为换热网络的柔性特性识别和控制奠定基础。
本发明利用现有的换热网络稳态模拟技术得到不同入口参数作用下流体出口参数的性能曲线。其中，在所述步骤1)中，所述敏感流体的识别依次包括以下步骤 A、可利用设计图纸等获取设计工况下换热网络的结构参数、流体参数和换热器参数； B、将换热网络的参数信息化，利用现有的换热网络稳态模拟技术实现换热网络的模拟； C、变动换热网络中流体的入口参数，利用模拟获得流体出口参数，给定不同的入口参数，获得相应的出口参数响应曲线； D、根据工艺允许的区间，分析出口参数响应曲线，获得换热网络的柔性特性； E、若某个流体的柔性区间小于某一值，该流体即为敏感流体。
其中，在所述步骤3)中，根据换热网络结构参数和实时测量到的流体参数，利用蒙特卡罗随机抽样技术得到换热网络初始旁路开度，然后利用最速下降法获得最佳旁路开度。
为了获得换热网络最佳的旁路开度，取换热网络的年运行费用为目标函数，即公用工程的费用F1。目标函数为 minf＝minF(F1)(9) 其中 上式中Nc代表单位冷公用工程费用；Nh代表单位热公用工程费用；qcu代表冷公用工程量；qhu代表热公用工程量；t代表年运行时间。
利用蒙特卡罗随机抽样技术获得
上均匀分布的随机变量，这些随机变量代表旁路开度，0代表关闭，1代表全开。采用乘同余法来产生一系列的伪随机数，迭代公式为 xn+1＝mod(λxn，M)(11) rn+1＝xnM-1(12) 其中，λ是乘因子，M是模数，x为旁路开度。第一式称作以M为模数的同余式，即以M除λxn后得到的余数记为xn+1。当给定了一个初值x0，计算出的r1，r2，…即为在
上均匀分布的随机数。将这些随机数作为旁路初始开度。
最速下降法的迭代公式为 x(i+1)＝x(i)+λid(i)(13) 其中 利用上述求解公式，可获得最佳的旁路开度。式(13)-(14)中i是迭代次数，x是旁路开度，λi是迭代最优步长，d是迭代下降方向。
本实施例中，根据换热网络结构参数和实时测量到的流体参数，利用蒙特卡罗随机抽样技术得到换热网络初始旁路开度，然后利用最速下降法获得最佳旁路开度。由于蒙特卡罗随机抽样可扩大解的搜索域，在综合最速下降法，总能获得全局最优解，即最佳的旁路开度。当扰动足够使得换热网络运行性能降低时，及时发出旁路开度调节指令，通过旁路调节及时改善换热网络的性能，保证换热网络中流体出口参数，运行性能始终控制在最佳范围。
实施例二 如图1、2所示，一种新型换热网络柔性运行控制装置，包括 包括由一个或多个换热器10、20、30组成的换热网络，每个换热器的包括第一流体管路和第二流体管路，所述第一流体管路的入口处3、23和第二流体管路的入口处13、33均分别设有流量传感器6、16、26、36和温度传感器7、17、27、37，所述换热网络中的敏感流体管路的入口处设有旁路，敏感流体管路的出口处设有电动三通阀11、12、21、22、31、32，以及一个旁路(换热网络中具体的旁路数目通过柔性识别确定)，所述旁路均分别与对应的敏感流体管路的电动三通阀相连通11、12、21、22、31、32相连通，所述电动三通阀11、12、21、22、31、32的控制端以及流量传感器6、16、26、36、温度传感器7、17、27、37与一控制计算机50相连接。
其中，换热网络中单个换热器的旁路调节模型如图2。
其中，公用工程5、15、25、35分别连接于电动三通阀31、12、21、32之后的第一流体管路或第二流体管路上。
本发明通过调节所述电动三通阀11、12、21、22、31、32的开度，从而改变干路流体与旁通流体之间的调节比例，实现对目标流体的控制。整个控制过程中，通过流量传感器6、16、26、36和温度传感器7、17、27、37探测到扰动大小和形式，结合预先设定换热网络的结构信息，通过控制计算机50执行实施例一中的最佳旁路开度计算，根据计算结果调节所述电动三通阀11、12、21、22、31、32的开度，实现目标流体出口温度的控制。
其中，所述温度探测器7、17、27、37和流量探测器6、16、26、36即可采用模拟的也可以采用数字的，本实施例中采用模拟的温度探测器7、17、27、37和流量探测器6、16、26、36。并且在所述温度探测器7、17、27、37和流量探测器6、16、26、36与所述控制计算机5之间还依次连接有模拟多路开关51和A/D转换器52。所述模拟多路开关51用于所述温度探测器7、17、27、37和流量探测器6、16、26、36的开关控制。所述A/D转换器3用于取得的温度和流量模拟信号转换为数字信号送入所述控制计算机50。
其中，所述控制计算机50与所述模拟多路开关51相连接，所述控制计算机50通过该连接控制所述模拟多路开关51的开与关。
其中，在所述电动三通阀11、12、21、22、31、32的控制端与所述控制计算机50之间还连接有D/A转换器53，用于将所述控制计算机50输出的数字信号转换为模拟信号，以控制所述电动三通阀11、12、21、22、31、32的最佳旁通开度。
其中，所述换热器1可以是管壳式，板翅式等各种类型的换热器。
其中，温度探测器7、17、27、37可采用热电偶、铂电阻等类型的探测器。
其中，所述流量探测器6、16、26、36可采用涡轮流量计、或孔板流量计等。
其中，所述控制计算机50可采用PLC控制器、单片机、微型计算机等，其作为换热网络柔性运行控制器的核心，主要功能为数据的输入输出、旁路调节量计算等功能，计算包括换热网络模拟计算、旁路调节优化计算和旁路调节控制计算等。
其中，所述多路模拟开关51和A/D转换器52可根据所需的精度和速度选用通用器件，构成模拟输入通道，在所述控制计算机50的控制下，实现对换热网络中流体入口的温度和流量等参数的巡回检测，通过A/D转换成数据量传输到所述控制计算机50。
其中，所述D/A转换器53可根据所需的精度和速度选用通用D/A芯片，输出标准的电流信号(4～20mA或0～10V)或电压信号(0～10V或其它可选范围)，用于提供流体旁路调节的执行机构即所述电动三通阀11、12、21、22、31、32的信号，实现旁路调节。
权利要求
1.一种新型换热网络柔性运行的控制方法，其特征在于包括以下步骤
1)识别换热网络中的敏感流体，并在所述敏感流体上设置旁路调节装置；
2)获取入口处敏感流体的温度和流量参数；
3)根据该温度和流量参数的变化和预先设定换热网络的结构信息，求解最佳旁路开度；
4)根据求解的最佳旁路开度调节旁路调节装置的开度。
2.根据权利要求1所述的新型换热网络柔性运行的控制方法，其特征在于所述步骤1)中，所述敏感流体的识别依次包括以下步骤
A、得到设计工况下换热网络的结构参数、流体参数和换热器参数；
B、将换热网络的参数信息化，利用换热网络稳态模拟技术实现换热网络的模拟；
C、变动换热网络中流体的入口参数，利用模拟获得流体出口参数，给定不同的入口参数，获得相应的出口参数响应曲线；
D、根据工艺允许的区间，分析出口参数响应曲线，获得换热网络的柔性特性；
E、若某个流体的柔性区间小于某一值，该流体即为敏感流体。
3.根据权利要求1或2所述的新型换热网络柔性运行的控制方法，其特征在于在所述步骤3)中，根据换热网络结构参数和实时测量到的流体参数，利用蒙特卡罗随机抽样技术得到换热网络初始旁路开度，然后利用最速下降法获得最佳旁路开度。
4.根据权利要求3所述的新型换热网络柔性运行的控制方法，其特征在于利用蒙特卡罗随机抽样技术得到换热网络初始旁路开度具体为利用蒙特卡罗随机抽样技术获得
上均匀分布的随机变量，该随机变量代表旁路开度，采用乘同余法来产生一系列的伪随机数，迭代公式为
xn+1＝mod(λxn，M)
rn+1＝xnM-1
其中，λ是乘因子，M是模数，当给定了一个初值x0，计算出的r1，r2，...即为在
上均匀分布的随机数，将这些随机数作为旁路初始开度。
5.根据权利要求4所述的新型换热网络柔性运行的控制方法，其特征在于利用最速下降法获得最佳旁路开度具体为
根据最速下降法的迭代公式
x(i+1)＝x(i)+λid(i)
其中
利用上述求解公式，获得最佳的旁路开度。
6.一种新型换热网络柔性运行控制装置，其特征在于包括由一个或多个换热器组成的换热网络，每个换热器的包括第一流体管路和第二流体管路，所述第一流体管路的入口处和第二流体管路的入口处均分别设有流量传感器和温度传感器，所述换热网络中的敏感流体管路的入口处设有旁路，敏感流体管路的出口处设有一个电动三通阀，所述旁路均分别与对应的敏感流体管路的电动三通阀相连通，所述电动三通阀的控制端以及流量传感器、温度传感器与一控制计算机相连接，所述控制计算机根据获取的流量和温度信息，结合预先设定换热网络的结构信息，执行最佳旁路开度计算，根据计算结果调节所述电动三通阀的开度。
7.根据权利要求6所述的新型换热网络柔性运行控制装置，其特征在于所述温度探测器和流量探测器与所述控制计算机5之间还依次连接有模拟多路开关和A/D转换器。
8.根据权利要求7所述的新型换热网络柔性运行控制装置，其特征在于所述控制计算机与所述模拟多路开关相连接。
9.根据权利要求6至8中任一权利要求所述的新型换热网络柔性运行控制装置，其特征在于在所述电动三通阀的控制端与所述控制计算机之间还连接有D/A转换器。
全文摘要
新型换热网络柔性运行的控制方法及其装置，所述方法包括，识别换热网络中的敏感流体，并在所述敏感流体上设置旁路调节装置；获取入口处敏感流体的温度和流量参数；根据该温度和流量参数的变化和预先设定换热网络的结构信息，求解最佳旁路开度；根据求解的最佳旁路开度调节旁路调节装置的开度。本发明提高了换热网络整体的自身调节能力，减少了热和冷公用工程的消耗量，实现了节约能源、提高了运行效率。
文档编号F28F27/00GK101718504SQ200910199268
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者王金阳, 倪锦, 姜慧, 崔国民, 胡向柏 申请人:上海理工大学