用于热交换器网络能量效率评定和寿命改进的方法

专利名称：用于热交换器网络能量效率评定和寿命改进的方法
技术领域：
本发明大体上涉及能量回收系统的领域，且明确地说，涉及与单个和多个公用工程的能量效率评定、基础的新的和现有的热交换器网络设计以及当前和未来改进修改有关的系统、程序产品和方法。
背景技术：
为了获得输出结果或为了产生所需产品或化合物，许多不同类型的工艺消耗多个蒸汽水平和电力。对于(例如)消耗大量燃料和蒸汽的大规模工艺，优选的是通过工厂和所使用的设备的谨慎操作、设计或重新配置来优化能量的消耗。另外，在一些工业制造工艺中，需要在特定温度下将材料流的特定物流供应到不同类型的设备和机器。这些材料流可能需要从原始开始温度或供应温度加热或冷却到目标温度。这又需要消耗蒸汽来加热特定物流且消耗水(例如)来冷却特定物流。由工业制造工艺采用或消耗的总能量可(例如)通过特定材料物流相对于彼此的谨慎放置和配置来优化到全局最小水平。可能存在(例如)需要冷却的热物流放置成接近需要加热的冷物流的可能。具有需要去除的已经存在的热能(废热)的物流或需要添加热的物流可与彼此相关联以优化工艺的能量消耗。可合成热交换器网络(HEN)以提供用于利用此废热来向需要添加热的那些物流提供热的媒介。此热交换器网络可为任何新工厂中非常重要的子系统。HEN设计在其寿命期间面临高水平的操作改变。这些改变可(例如)因为原料条件和产品需求的工艺干扰和/或不确定性而为短期的，且可(例如)因为需要处理较多原材料而为长期的，所述需要保证包含HEN的设施的组件消除薄弱环节以增加其生产量。如今且自从上世纪七十年代后期以来，另一重要长期因素为能量价格以比工厂能量系统设备成本的增加速率高的速率连续上升。能量成本的此相对连续上升已促进对在设施的可达到30年或30年以上的寿命期间周期性地修改设施的HEN以增加设施的HEN废能(数量和质量)回收的需要。在这种情况下，HEN改进目标/任务为产生满足新工艺目标及其新操作约束的实际上可实施的具成本效益的HEN设计修改。发明者已认识到，可存在使现有HEN改进原始设计以实现新目标的许多可能修改。所述修改可包含以下各项中的一者或一者以上工艺操作和设计条件修改、现有HEN拓扑/结构修改，以及包含改善热转移(U)的热转移增强的现有HEN单元设计修改和参数修改等。理论上，可使用优化来解决此问题，其中目标是使现有HEN修改和工厂的工艺单元设计和操作修改的其余者的总成本减去所实现的能量成本节省减到最小。因此，发明者已认识到，具有使用或采用上文识别的所有可能自由度以增强任何工业设施的废热回收的系统工艺步骤对于世界的废热回收努力将是非常有益的，增强任何工业设施的废热回收可自动转换为工厂的能量系统的消除薄弱环节的百分比。发明者还认识到，任何工业设施具有可在现在、两年后、五年后等等使用或采用可用自由度的所有可能组合以改善任何设施的HEN的当前效率直到工厂寿命结束而不损坏较早时间进行的任何改进努力的系统工艺步骤也将非常有益。换句话说，需要使工厂拥有者能够用今天的能量价格评定并改进其HEN以获得目前能量成本节省且能够用以下方式这样做的具成本效益的方式当决策人想要在两年到三年后因为能量价格的另一上升而评定并执行另一改进以节省能量成本时，其可在不与先前改进项目中进行的动作矛盾的情况下这么做。·
因此，认识到需要使工业设施能够具有继续修改其HEN但不因系统设施不具有选项或仅具有非常昂贵/不实际和/或矛盾改进选项来能够捕获其生产设施中的更多废热的情形而受妨碍的能力的系统方法、系统和程序产品。另外，认识到需要可测试包含数学规划模型的结果的今天存在或未来的任何其它改进方法的结果且可从添加的许多单元和回收的废能角度两者评定其结果并确定HEN是否具有可在未来允许更多改进项目的健康拓扑的抽象工艺。换句话说，需要再现出于废热回收目的而具有连续工厂寿命改进能力的结构的新系统方法、系统和程序产品以用于现在的改进与看得见的未来改进。HEN改进的常规方法使用夹点技术及其修改，网络夹点技术及其增强，或数学规划技术。使用夹点设计方法及其修改的HEN改进的方法由特别定目标级继之以设计修改级组成。在特别定目标级中，假定全局At_min且将其用以设置能量目标，且接着使用格网图绘制网络。接着检查热交换器与从假定全局Δ t_min值产生的“假定为固定的”夹点的相对位置以识别跨越这个“虚构地固定的”夹点(位置)交换热的HE单元。在设计修改阶段，热交换器及其相关联的加热器/冷却器相对于虚构地固定的夹点位置半系统地/手动地重新定位，使得其不再跨越虚构地固定的夹点的位置交换热。在单独或结合数学规划模型使用夹点技术的常规的基于试探法的HEN改进方法中，在想不到/看不见未来改进项目的情况下首先选择用于“一次改进”项目的偿付周期(例如，两年)。接下来，使用与工艺夹点的位置一致的全局AT_min来从复合曲线确定待节省的所需能量和新加热或冷却负载。将现有网络绘制于称作格网图的图上，在格网图中突出显示跨越工艺夹点温度工作的单元。设计者接着使用其经验来校正违犯工艺夹点温度的情形，这依赖于这些改变将不改变夹点位置的假设。因为问题/初始化的开始是基于试探法，所以其在想不到/看不见未来改进项目的情况下进行改进解决方案。然而，使用不同开始点将可能导致完全不同的网络结构改进解决方案。因此，由于具有类似性能的许多替代设计为可能的，所以用所谓的“正确的”初始化全局AT_min值开始改进项目为强制性的。所属领域的技术人员知道，AT_min的不同值将产生不同夹点位置，不同夹点位置将导致不同网络结构。因而，如果用错误AT_min·开始，那么将获得错误结构，且进化试探法和优化技术(NLP)将不会导致最佳结果，因为从一个结构到另一结构的根本移动/改变是不可行或不可能的。尽管此改进解决方案发现是基于热力学第一定律，但其不以达到最初定义的目标的系统方式实行，而是其为突然方法(一次改进包)。也就是说，如果设计者因为一种原因或另一种原因(例如，所需要的资本和/或用于实施的时间、对其它工艺单元的影响等)而不能接受整个解决方案结构，那么将不得不拒绝所述包。这可能是麻烦的，因为针对面积和投资成本定义的目标并不严密且非常粗糙。使用基于网络夹点的方法的HEN改进的方法采用若干程序以确定网络中的通过仅利用网络公用工程路径(例如，通过添加更多HE单元表面积)的最大可能废热回收。进化方法通过反复地将每一工艺到工艺HE单元中的物流之间的AT_min最小化为零来重复网络的挤压，以产生称作不随工艺和/或结构修改而改变其位置的新“假定固定”网络夹点的事物。接着使用夹点技术的相同规则，重新定位跨越新的虚构地固定的网络夹点交换热的HE单元。商业软件当前正使用由呈LP、NLP和MILP的形式的数学规划技术补充的这些方法来选择物流匹配，优化基础设计网络中的分支流，且/或帮助找到对现有网络的最小成本拓扑修改。在使用数学规划模型和网络夹点概念的混合的网络夹点方法中，首先强迫现有网络物流使用复合曲线或数学规划模型来挤压冷复合曲线以定位所谓的网络夹点。所述方法接着使用夹点技术规则来找到拓扑修改(例如，重新定序、引入新热交换器、物流分裂等)，继之以使用NLP技术的负载/分支流的网络优化模型的采用或与使用NLP技术的负载/分支流的网络优化模型的采用交错。然而，使用夹点技术规则以找到现有HEN的拓扑修改来克服所谓的网络夹点并不严密，因为其是基于网络夹点和工艺夹点将不会因为所采取的拓扑修改而改变其位置的假设。因为假设不正确，所以拓扑修改可对彼此具有反效应到达某种程度以致其可完全否定进行未来改进项目的可能性。也就是说，使用某一改进项目可能因为其对先前项目等的反效应而变得不可能，从而使改进项目无法持续。举例来说，如果使用包含进化网络夹点方法的夹点技术概念实行当前HEN改进工艺，且接着如果在至少一次中在任何未来网络改进工艺处不同夹点位置(例如)因为工艺参数和/或结构修改而出现，且如果不同夹点位置指示需要比先前HEN改进项目中使用的最小数目的单元少的最小数目的单元，那么结果可能是浪费先前HEN改进中已经添加的HE单元中的一些。因此，发明者认识到，设施具有以下工艺将为有益的借助于所述工艺，如果改进项目的夹点因为当前和未来网络改进项目解决方案(包含对工艺参数和结构修改的改变)而改变其位置，那么这种情形将不会不利地影响网络的拓扑改进。也就是说，除了需要增强作为即将到来的网络改进项目和未来网络改进项目的部分的当前网络UA外，将不存在对物流匹配和/或先前完成的或将在未来完成的单元需要的最小数目的改变的显著影响。夹点技术方法及其修改的接受归因于存在于设计者与进化的改进解决方案之间的交互。圈内的设计者的这种存在使得其能够执行深入的成本估计，从而按需要接受或拒绝解决方案方面。其还提供可在开始改进练习之前帮助通知工厂管理者关于实行HEN改进项目的优点的粗糙定目标阶段，且其可适应改进解决方案的许多自由度，所述许多自由度 通常太昂贵以致实际上在数学规划方法(例如，使用MINLP模型)中不予考虑，尤其是对于工业大小问题。在例如SPRINT等商业软件中采纳的网络夹点方法的接受归因于其使用户能够自动搜索可能的改进动作以确定所需拓扑修改的能力。另外，通过使用数学规划模型，采用网络夹点方法的软件实行用于利用公用工程路径的固定拓扑的优化级、对现有单元的最佳负载分配以及分支流分布。其采用进化方法以使用若干数学规划模型来改进HEN，且采用网络夹点概念以引导对改进解决方案的搜索。然而，基于试探法的这种使用为粗糙的，且不严密(可重复地准确的)。尽管如先前所提到，大多数商业软件当前正使用数学规划技术以补充其它方法，但单纯数学规划技术被欠佳地接收，尤其是在工业团体中。数学规划技术通常在一级中使用MINLP或在两级中使用MILP继之以使用超结构的NLP来实行，超结构在“所有可能解决方案”中嵌有由成本相关性组成的基于成本的目标函数以识别改进解决方案。数学规划技术使用确定性搜索方法和试探法/近似搜索方法，所述试探法/近似搜索方法采用(例如)遗传算法、禁忌搜索、模拟退火算法和混合方法以找到改进问题的全局解决方案。预期如果准确地嵌入于问题超结构中，那么数学规划技术可提供“所有可能修改”的同时考虑。以下论文中提到上文这些方法蒂简· N ·蒂乔伊(Tjaan N. Tjoe)和波多·林霍佛(BodoLinnhoff), “使用夹点技术以用于工艺改进(Using pinch technology forprocess retrofit)”，化学工程(Chemical engineering),第 47 到 60 页，4 月(1986)；N·阿桑特(N. Asante)和Χ·Χ·朱(X. X. Zhu)，“用于热交换器网络改进的自动和交互方法(An automated and interactiveapproach for heat exchanger network retrofit)，，，化学工程师学会会刊(Transactions of Institution of Chemical Engineers),第 75卷，部分a，第349到360页(1997);艾米·斯里克(Amy Ciric)和克里斯托杜洛·弗洛德斯(Christodoulos Floudas), “用于改进热交换器网络的混合整数非线性规划模型(A mixed integer non-linear programming model forretrofitting heat exchangernetworks) ”，工业和工程化学研究(Industrial & EngineeringChemistry Research),第29卷，第239到251页(1990) ;T ·冈德森(Τ. Gundersen)和L ·奈斯(L. Naess)，“成本最佳热交换器网络的合成(The synthesis of cost optimal heat exchangernetworks) ”,计算机和化学工程(Computers and Chemical Engineering),第 12 卷，第 503 到 530 页(1988);凯文.C 福尔曼(Kevin C. Furman)和尼古拉斯·ν 撒尼迪(Nikolaos v. Sahinidi)，“用于 20世纪热交换器网络合成的关键评论和带注释文献目录(A criticalreview and annotatedbibliography for heat exchanger network synthesis in the 20thcentury)，，，工业和工程化学研究(Industrial & Engineering Chemistry Research),第 41 卷，第 2335到 2370 页(2002) ;R ·史密斯(R. Smith)、M ·乔布森(Μ· Jobson)和 I ·陈(I. Chen)，“热交换器网络的改进的最近发展(Recent development in the retrofit of heatexchangernetworks)，，,化学工程会干丨J (Chemical Engineering Transactions),第 18卷，第27到32页(2009) ；E 雷扎伊(E. Rezaei)和S 萨菲伊(S. Shafiei)，“通过耦合遗传算法与NLP和 ILP方法的热交换器网络改进(Heat exchanger networks retrofit by couplinggenetic algorithmwith NLP and ILP methods)，，，计算机和化学工程(computers andchemical engineering),第 33 卷，第 1451 到 1459 页，2009 年；以及 R 史密斯(R. Smith)、M ·乔布森(M. Jobson)和I ·陈(I. Chen), “热交换器网络的改进的最近发展(Recentdevelopment in the retrofit of heatexchanger networks)，，，应用热工程(AppliedThermal Engineering),第 30 卷，第 2281 到 2289 页(2010)。上文描述的现有方法中的每一者具有一些显著缺点。举例来说，在最广泛使用的夹点技术方法及其修改中，所述方法是非系统的且涉及试探法，试探法产生质量完全取决于应用这些试探法的设计者经验的解决方案-即，在确定假定最佳全局AT_min的夹点的位置时应使用全局Δ T_min。然而，当假定最佳全局Δ T_min的值改变时,夹点的位置改变，且因此，哪些HE单元跨越夹点转移热的评定也改变，从而使恰当选择为关键的。这相对于导致相同输出的工艺改变也同样适用。另外，改进作为一包式解决方案来提供，其不考虑逐步修改和未来改进项目的实用性。为了减小ATjnin而在稍后改进期间采用具有较大表面积的热交换器可导致具有跨越夹点的一个或一个以上热转移的网络。 因此，发明者已认识到，此方法并非为系统的，其需要反复，且认识到使用假定最佳全局ATjnin的夹点方法初始化为特别的，且因此，此方法可不用作工厂寿命改进的标准方法。举例来说，通过分析由网络夹点方法提供的设计，发明者还认识到网络夹点方法也可在稍后改进期间导致具有跨越夹点的一个或一个以上热转移的网络。这是因为所述方法不正确地假定工艺HEN的拓扑的改变将不会影响工艺夹点且仅产生负载网络夹点的机会的任何拓扑改变将不会增加R_max。实际上，通过详细分析，发明者已发现这两个参数均可改变。因此,此方法也不可用作工厂寿命改进的标准方法。基于数学规划的方法也具有显著缺点。举例来说，基于数学规划的方法提供极少或几乎不提供范围以供用户交互。尽管与之前相比当前利用这些方法可能解决较大问题，但当前能力仍不会达到许多工业应用中所需要的规模。HEN改进的问题在数学上视为NP困难的。因而，发明者已认识到，包含所有可能工艺设计修改，超结构中的不同类型和配置的HE单元等等不切实际且将使问题更困难、难处理以及不可能解决。另外，MINLP模型成本目标函数需要用于模型解决方案的全面数据为现实的。然而，所需的信息/数据在改进项目的初步设计阶段期间通常不可获得，尤其在典型的分散工程环境中，其中项目成本控制完全取决于严密成本计算，严密成本计算通常(如果不是总是的话)在改进项目基本工程之后进行且在不同部门(至少在大多数公司中)处执行。另外，以高逼真度假定可能可针对设施的给定平面布置图而实施的所有可能改进解决方案或在运行数学程序之前严密地开发与每一者的成本相关性(尤其是当总是存在执行指定改进修改的一个以上选项时)将不实际，也不合逻辑。因而，发明者已认识到，数学规划技术经常将导致包含跨越夹点的热交换的设计，所述设计在未来改进中将几乎不可能校正以回收额外热。因此，发明者认识到，这些方法(夹点技术、网络夹点和数学规划)中无一者可严密地评定现有网络；可在改进项目的进展之前针对解决方案对实际上可达到的废热回收和/或需要添加以实现所要能量消耗目标或其部分且系统地再现可在保证今天(在阶段一中)实施的解决方案将不会变成障碍的情况下在若干阶段中实施的解决方案或需要毁坏以用于将在未来稍后时间在阶段二、阶段三等等中实施的明天改进解决方案的单元的最小数目严密地定目标。还认识到今天存在的方法不采用工艺改变的所有可能组合以用于找到最佳HEN改进解决方案，工艺改变不仅包含HEN，而且还包含工厂设计和操作条件的其余者。对应地，认识到需要提供以上特征的用于管理工业设施的热交换器网络能量效率和改进的方法、系统和程序产品。

发明内容
考虑到上述内容，本发明的各种实施例有利地包含用于管理工业设施的热交换器网络能量效率和改进的系统、程序产品和方法，其可严密地评定现有网络，在改进项目的进展之前针对解决方案对实际上可达到的废能(热和/或功)回收和/或需要添加以实现所要能量消耗目标或其部分且系统地再现可在保证今天(在阶段一中)实施的解决方案将不会变成障碍的情况下在若干阶段中实施的解决方案或需要毁坏以用于将在未来稍后时间在阶段二、阶段三等等中实施的明天改进解决方案的单元的最小数目严密地定目标。本发明的各种实施例还包含采用若干工艺步骤的系统、程序产品和方法，借助于所述工艺步骤，如果改进项目的夹点因为当前和未来网络改进项目解决方案(包含工艺参数和结构修改)而改变其位置，那么这种情形将不会不利地影响网络的拓扑。本发明的各种实施例有利地提供引入改善的系统的用户友好程序以用于执行单个和多个公用工程、基础新工厂的HEN设计和由任何手段设计或改进的旧工厂的HEN改进项目的能量效率评定的系统、程序产品和方法。本发明的各种实施例有利地提供引入用于任何工业设施或工业设施群集的HEN寿命改进的新的进化和创新程序的系统、程序产品和方法，其使用HEN改进修改的所有可能组合以包含可能的工艺单元设计和操作条件修改。有利地，这些程序的应用可再现用于在设施的寿命期间在现在和未来实施的HEN改进项目的列表，其中对于在设施的整个时间跨度期间的所有未来改进项目，今天的改进项目不与明天和后天等等的改进项目矛盾。更具体来说，用以管理/评定用于工业设施的热交换器网络能量效率和改进的方法的实施例的实例可包含各种步骤，所述步骤包含接收指示用于工业设施的现有热交换器网络的当前热转移结构的各种输入数据的步骤。此数据可包含指示用于多个工艺物流中的每一者的操作属性的值的可能范围的多个数据点、物流之间的一组下物流特定最小温度接近边界值和上物流特定最小温度接近边界值、物流初始类型、物流匹配约束、至少一个区间全局公用工程消耗值，以及其它。根据本发明的实施例，步骤还可包含以图形方式显示现有热交换器网络的当前热转移结构。图形显示可包含识别用于热交换器网络的夹点的夹点位置温度线和指示在夹点位置线以上、以下和跨越夹点位置线的对应的一个或一个以上热工艺物流与一个或一个以上冷工艺物流之间的热转移以提供热交换器网络中的恰当和/或不恰当地跨越夹点温度交换热的每一热交换器的迅速识别的一个或一个以上连接线。所述一个或一个以上连接线中的每一者可提供跨越在相应热工艺物流-冷工艺物流组合之间延伸的夹点位置温度线的热交换的线性图形说明以增强此条件的视觉识别。独特的图形表示还可增强主要控制夹点位置、离散夹点位置和夹点位置的值的范围以及其它的工艺物流的视觉识别。步骤还可包含识别主要控制用于现有热交换器网络的夹点位置的一个或一个以上工艺物流，以及识别在减小其相应物流特定最小温度接近值后即刻对废能回收具有最高 影响的一组一个或一个以上热工艺物流。步骤还可包含接收提供定义最终废热/废能回收目的的在热交换器网络的寿命内预期的最大所要废热/废能回收目的的指示的数据，以及确定依序识别多个热交换器网络改进项目以允许(例如)由公用工程能量成本的递增增加超过资本支出的增加引起的递增废能/废热回收改善的最佳热交换器网络改进项目序列。根据示范性配置，最佳热交换器网络改进项目序列在满足当前所要废热/废能回收目的的当前热交换器网络改进项目与满足最终废热/废能回收目的的未来热交换器网络改进项目之间延伸。另外，热交换器网络改进项目序列可经配置以使得热交换器网络改进项目序列内的每一后续项目不与热交换器网络改进项目序列内的先前项目中的任一者矛盾。也就是说，根据示范性配置，确定最佳热交换器网络改进项目序列的步骤可包含基于公用工程成本的增加超过增加能量效率的资本支出的对应增加而建立与序列内的每一相应先前改进计划不冲突的多个顺序改进计划的连续体。在当前改进计划之间延伸的多个顺序改进计划的连续体可描述废热/废能回收能量效率的当前所要等级和与设施的使用寿命的结束处或附近的时间相关联的废热/废能回收能量效率的预计所要等级。确定最佳热交换器网络改进项目序列的步骤还可或替代地包含确定用于对应的多个热交换器网络改进设计变化的多个预期递增夹点位置移动的连续体，借此多个可能递增夹点位置移动与应用于多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值的递增减小相关联。连续体在与满足当前所要废热/废能回收目的的热交换器网络改进设计和满足最终所要废热/废能回收目的的热交换器网络改进设计相关联的夹点位置之间延伸，相比于当前所要废热/废能回收目的，最终所要废热/废能回收目的需要较大量的废热/废能回收，其中对应的多个热交换器网络改进设计中的每一者提供渐进较大量的废热/废能回收。确定最佳热交换器网络改进项目序列的步骤还可或替代地包含确定提供与对应的多个热交换器网络改进设计变化相关联的多个预期递增夹点位置移动的有序描述的夹点位置图。所述多个递增夹点位置移动通常由应用于多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值的递增减小产生。夹点位置移动可在与满足当前所要废热/废能回收目的的热交换器网络改进设计和满足最终所要废热/废能回收目的的热交换器网络改进设计相关联的夹点位置之间延伸，相比于当前所要废热/废能回收目的，最终所要能量回收目的需要较大量的废热/废能回收，其中与对应的热交换器网络改进设计相关联的多个递增夹点位置移动中的每一者提供渐进较大量的废热/废能回收。夹点位置图提供依序识别多个热交换器网络改进项目的热交换器网络改进项目序列以定义最佳热交换器网络改进项目序列，借此每一后续热交换器网络改进项目经配置以免与热交换器网络改进项目序列中的任何先前项目矛盾。
确定最佳热交换器网络改进项目序列的步骤还可或替代地包含接收指示一组物流特定最小温度接近值的上限和下限的最小温度接近值数据。物流特定最小温度接近值的上限通常被指派可根据现有热交换器网络的当前结构达到的值。物流特定最小温度接近值的下限通常被指派与将在用于设施的热交换器网络的使用寿命的结束时的未来日期处实行的最后改进项目相关联的下界设定，所述最后改进项目定义未来热交换器网络改进项目。另外，下界设定为例如2° F、5° F等数字，或基于HE单元技术的未来进步的某一理论最小值。步骤还可包含响应于最小温度接近值数据确定识别用于工艺条件和热交换器网络设计修改(例如，由于条件改变引起)的所有预期组合的工艺夹点位置范围的工艺夹点范围区间。根据示范性配置，步骤还可包含在构造满足所要废热/废能回收的对应的预期热交换器网络设计之前识别控制与满足废热/废能回收的所要增加的当前热交换器网络设计相关联的一个或一个以上夹点位置移动的多个工艺物流中的一者或一者以上，以及识别与一个或一个以上夹点位置移动相关联的一个或一个以上物流特定转折点温度中的每一者。这些特征可特别有利，因为其向设计者提供在扩充设计工艺的显著资源之前在记住未来改进的情况下定位最佳夹点位置且识别实现最佳夹点位置的工艺条件和/或特性的能力。根据示范性配置，步骤还可包含递增地减小应用于多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值以识别定义多个不同夹点位置的多个递增夹点位置移动以借此定义用于热交换器网络设计问题的多个热交换器网络改进设计变化。步骤还可包含确定与具有对应的不同夹点位置的多个热交换器网络改进设计变化中的每一单独者相关联的所需热交换器单元的最小数目，以及确定提供热交换器单元的最小数目的最佳夹点位置。根据示范性配置，步骤还可包含递增地减小应用于多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值以识别定义多个不同夹点位置的多个递增夹点位置移动，以及确定针对一组给定工艺条件提供最大废热/废能回收的最佳夹点位置。根据示范性配置，步骤还可包含确定某一热交换器网络设计中的所需热交换器单元的最小数目，确定使用比所需热交换器单元的最小数目少的热交换器单元对废热/废能回收的影响，确定根据某一热交换器网络设计的多个热工艺物流中的一者或一者以上与多个冷工艺物流中的一者或一者以上之间的错误匹配对废热/废能回收的影响，和/或确定热交换器单元相对于资本成本具有用于某一热交换器网络设计的并非最佳热交换器单元表面积对废热/废能回收的影响。步骤还可包含确定需要添加到某一热交换器网络设计以在现有工艺条件和物流特定最小温度接近值下达到当前废热/废能回收能力的热交换器单元的最小数目。根据示范性配置，步骤还可包含通过识别为控制用于某一热交换器网络设计的夹点位置的一个或一个以上工艺物流的工艺条件修改来移动夹点位置，以及通过识别为控制夹点位置的一个或一个以上工艺物流的最小温度接近值修改来移动夹点位置。有利地，本发明的实施例还包含用以管理用于工业设施的热交换器网络能量效率和改进的系统。。此系统的实例可包含热交换器网络分析和设计计算机，其具有处理器和耦合到处理器以将软件和数据库记录存储于其中的存储器，以及存储于属于热交换器网络分析和设计计算机的或者热交换器网络分析和设计计算机可存取的存储器(易失性或非易失性，内部或外部)中的数据库。数据库可包含各自单独地定义用于多个热工艺物流中的每一者的每一操作属性的值的可能范围的多组值和各自单独地定义用于多个冷工艺物流中的每一者的每一操作属性的值的可能范围的多组值。这些属性可包含(例如)热工艺物流中的每一者和冷工艺物流中的每一者的供应温度(Ts)的下边界值和上边界值、热工艺物流中的每一者和冷工艺物流中的每一者的目标温度(Tt)的下边界值和上边界值，和/或热工艺物流中的每一者和冷工艺物流中的每一者的热容量流动速率(FCp)的下边界值和 上边界值。属性还包含根据所接收物流条件的工业设施的各种HEN设备的资本成本，连同物流之间的一组或一组以上物流特定最小温度接近值(AT_min_i)、物流初始类型、物流匹配约束、全局公用工程消耗值[Qh]、[Qc]，其中“ □”表示区间值。属性还可包含描述至少用于每一夹点控制工艺物流/物流温度的“最小选择下温度边界和上温度边界的区”的经常称作“夹点”的夹点区的区间和/或离散位置、控制夹点位置的物流的识别、链接根据ΛΤ_min_i或工艺条件的渐进式改变定义夹点位置的一个或多个图的夹点的数据，和在每一夹点位置处为网络条件所需要的HE单元的最小数目，以及其它属性。系统还可包含存储于热交换器网络分析和设计计算机的存储器中的热交换器网络分析和设计程序产品且/或具有独立的可交付使用的热交换器网络分析和设计程序产品。根据示范性配置，程序产品提供用以在记住未来改进的情况下管理用于使用多个资源物流的工业工艺或工艺群集的热交换器网络能量效率和改进的热交换器网络的系统合成。程序产品可包含在由计算机(例如，热交换器网络分析和设计计算机)执行时致使计算机执行各种操作的指令，所述操作包含接收指示用于工业设施的现有热交换器网络的当前热转移结构的各种输入数据的操作。所述操作还可包含识别主要控制用于现有热交换器网络的夹点位置的一个或一个以上工艺物流，确定针对一组给定工艺条件提供最大废热/废能回收和/或所需热交换器单元的最小数目的最佳夹点位置，以及确定在满足当前所要废热/废能回收目的的当前热交换器网络改进项目与满足最终废热/废能回收目的的未来热交换器网络改进项目之间延伸的最佳热交换器网络改进项目序列。操作还可包含根据新且独特的图形方法以图形方式显示当前和所提议的热转移结构。操作还可包含从能量观点、待添加的单元的最小数目的观点或两个观点选择最佳夹点位置，以及计算HE单元的最小数目。操作还包含采用行进技术以在{AT_min_i}系统减小和/或工艺条件改变后即刻发现/计算严密的新改进目标，跨越夹点和公用工程违犯者进行标记，发现错误匹配并通过产生新公用工程路径来校正所述错误匹配，其包含消除因为使用比HE单元的最小数目少的HE单元和因为错误匹配产生的拓扑中损失的能量。本发明的各种实施例有利地展现(例如)在表示现有HEN的方法中、在能量消耗和单元数目定目标阶段从“能量效率”观点测试和分析现有HEN的方法中和最后在改进解决方案的系统查找中的几倍的独特性，改进解决方案的系统查找在实施上为进化的而在思维上为创新的，因为其服务工厂寿命改进能力的新颖概念而在过去改进与未来改进之间没有矛盾且不会因为物理不实用(不能进行所要结构修改)或经济不实用(更多所要改进动作变得太昂贵以致不能调整的情形)而失去继续更多改进项目的机会。本发明的各种实施例还有利地解决用于废能质量回收的单个和多个公用工程HEN的改进，且可采用工艺改变的所有可能组合以用于找到最佳热交换器网络改进解决方案，所述组合不仅包含HEN，而且还包含工厂设计和操作条件的其余者。本发明的各种实施例还有利地起作用以识别最终目的夹点/最终改进终点站且可描绘待采取以执行改进项目的路标，所述改进项目导致最佳废能回收和工厂的能量系统组件消除薄弱环节，新单元的最佳最小添加，以及两者。这些实施例使设计者能够决定达到所要能量目标所需要的单元数目和决定在从事改进项目解决方案之前执行的在能量节省与待添加的单元的数目(资本成本支出)之间的最佳权衡。如先前提到，在当前基于夹点的方法(工艺和网络)中，夹点位置将在执行修改后即刻发生改变。因此，顺序修改将可能变成冲突的且导致普通的解决方案。因此，本发明的 实施例提供针对所有可能夹点使用区间包含方法的解决方案。本发明的各种实施例还有利地促进控制夹点位置的热物流和/或冷物流的识别。对于工艺条件和HEN拓扑两者的任何成功修改，在决定任何修改之前知道所述物流可视为先验的。定位问题工艺夹点图也对完成工艺夹点区间的图片有用，尤其当不存在工艺夹点(如在阈值应用中)和仅具有公用工程夹点时和在如同CDU的情况(其中具有非工艺夹点)中。在减小其八1'_1^11」后即刻对能量回收具有最高影响的物流可通过重新匹配来定位和/或重新定位于公用工程路径上。根据本发明的各种实施例，有利地，可在工艺参数和结构修改的所有可能组合下实行HEN改进，如(例如)在2007年6月25日申请的题目为“用于能量回收系统中的定目标和最佳驱动力分布的系统、方法和程序产品(System, Method and ProgramProduct forTargeting and Optimal Driving Force Distribution in Energy RecoverySystems)”的第11/768,084号美国专利申请案(现为美国专利7，698，022)、2010年10月5日申请的题目为“用于合成考虑未来较高水平的干扰和不确定性的热交换器网络和识别用于未来改进的最佳拓扑的系统、程序产品和方法(Systems, Program Product, andMethods ForSynthesizing Heat Exchanger Networks That Account For Future HigherLevels ofDisturbances and Uncertainty and Identifying Optimal Topology ForFuture Retrofit) ”的第12/898，475号美国专利申请案以及2010年4月26日申请的题目为“用于合成热交换器网络和识别用于未来改进的最佳拓扑的系统、方法和程序产品(System,Method,andProgram Product for Synthesizing Heat Exchanger Networks andIdentifying OptimalTopology for Future Retrofit) ”的第 12/767，315号美国专利申请案中所描述。本发明的各种实施例提供优于一般来说为用于工厂寿命热交换器改进的常规方法且特别来说为夹点技术和网络夹点方法的清楚优点，尽管夹点技术和网络夹点方法向设计者提供管理结果的某一能力，但其具有显著缺点。举例来说，在网络夹点方法中使用数学规划来挤压网络并不产生关于用于找到解决方案所需要的问题的下一步骤的整体洞察，且在遭遇阈值问题和无公用工程路径的问题时不提供引导。所使用的解决方案空间不包含在内。这些方法在未知可能解决方案细节之前使用今天的粗糙成本估计且使此估计控制工厂寿命改进需要的最终形势。找到解决方案为顺序的且不提供所使用的逐步动作不与彼此冲突或从长远来看解决方案正朝着正确方向前进以获得最佳改进的保证。这些方法简单地不提供记住更多改进的改进。这些方法也不对拓扑中损失的能量(由错误匹配实践引起)定目标、对单元数目中损失的能量(由不能利用所需要的最小数目的单元引起)定目标、系统地对表面积中损失的能量决策(资本与能量权衡)定目标。这些方法也不使用行进或其它技术优化{ Δ T_min_i}设定值，同时优化工艺条件和HEN网络改进动作，识别包含在工艺和HEN条件改变的所有可能组合下的所有可能工艺夹点的工艺夹点区间，或识别或指定夹点控制物流以教导对可经得起时间测试的解决方案的搜索。这些方法也不能再现对用于寿命实施方案的正确方向的逐个修改。本发明的各种实施例有利地提供这些特征。这些方法也不提供现有HEN的一目了然的表示或利用如在本文中描述的找到改进解决方案的自由度的数目。自由度包含(例如)热交换器单元条件(整体热转移条件(U)，包含热转移增强、污垢减少等)、{AT_min_i}设定(表面积)、物流分裂比率、单元数目、物流匹配、工艺设计和操作条件，以及所有上述各者的组合。应注意，工艺设计和操作条件包含单元的操作压力、物流流动速率、所有待冷却的热物流和待加热的冷物流的供应温度和目标温度、循环回流/中间冷却器和中间加热器的存在或缺乏及其流动速率和供应温度和目标温度、柱回流比率(可通常在HEN改进项目中利用/改变的柱回流比率)，以及催化剂类型、活动和选择性、塔盘/包装效率、多级单元中的塔盘和级的数目、分离网络序列等。作为常规方法，不仅基于夹点的和网络夹点方法不能同时或依序使用所有可能自由度，或在使用所有可能自由度中的一些后即刻提供为系统的工艺，提供延伸到将视为近视的事物之后的假设，或考虑未来改进项目，这些方法也不能保证今天采取的动作将在下一改进项目中保留或今天的动作将不会变成未来动作的障碍。不经受这些限制的本发明的各种实施例可提供这些保证。因此，预期这些实施例将变得对能量效率优化团体非常有益，因为其为更多废热/废能回收开辟新途径。


为了可更详细地理解本发明的特征和优点以及将变得明显的其它内容，可通过参考在附图中说明的本发明的实施例而做出上文简短地概述的本发明的较特定描述，附图形成本说明书的一部分。然而，应注意，图式仅说明本发明的各种实施例且因此不应视为限制本发明的范围，因为其还可包含其它有效实施例。·图I为根据本发明的实施例的用于管理用于工业设施的热交换器网络(HEN)能量效率和改进的系统的一般系统架构的示意图；图2为说明根据本发明的实施例的用于管理用于工业设施的HEN能量效率和改进的步骤的示意性框流程图；图3为说明根据本发明的实施例的用于现有单个公用工程HEN的能量损失剖析的示意性框图；图4为现有HEN的示意图；图5为说明根据本发明的实施例的图4的HEN的图形表示的示意图；图6到9为说明根据本发明的实施例的评定和实验室测试的系统技术的若干部分的一组示意图；图10为说明根据本发明的实施例的用于洞察产生和定目标的系统技术的若干部 分的示意图；图11到14为说明根据本发明的实施例的不同类型的夹点跨越问题的一组示意 图；图15到24为说明根据本发明的实施例的用于找到改进解决方案的系统技术的一 组示意图；图25为根据本发明的实施例的用于图15中描述的网络的数据输入页的图形描 绘；图26为根据使用夹点技术的软件应用程序的现有HEN的示意图；图27为说明根据本发明的实施例的用于在图26的HEN上执行的寿命改进解决方 案实例的系统技术的结果的图形表示的示意图；图28为根据使用夹点技术的软件应用程序的现有HEN的示意图；图29为说明根据本发明的实施例的图28的HEN的图形表示的示意图；图30为说明根据使用夹点技术的软件应用程序的HEN的改进的图形表示的示意 图；图31为说明根据本发明的实施例的对图30的HEN的改进解决方案测试的图形表 示的示意图；图32为根据使用夹点技术的软件应用程序的现有HEN的示意图；图33到41为说明根据本发明的实施例的图32的HEN上执行的HEN改进实例的
一组示意图；图42为根据使用数学规划技术的软件应用程序的现有HEN的示意图；图43到50为说明根据本发明的实施例的图42的HEN上执行的比较HEN改进实 例的一组示意图；图51为根据使用数学规划技术的软件应用程序的现有HEN的示意图；图52到55为说明根据本发明的实施例的图51的HEN上执行的比较HEN改进实 例的一组示意图；图56为根据使用数学规划技术的软件应用程序的现有HEN的示意图；图57到66为说明根据本发明的实施例的图56的HEN上执行的比较HEN改进实 例的一组示意图；图67为说明根据本发明的实施例的用于现有多个公用工程HEN的能量损失剖析 的示意性框图；图68为说明根据本发明的实施例的多个公用工程HEN的示意图；图69为根据本发明的实施例的用于图68中描述的网络的数据输入页的图形描 绘；图70为使用总复合曲线的改进之后的能量质量目标的图形描绘；图71为使用总复合曲线的改进之后的能量质量/功损失目标的图形描绘；以及图72为根据本发明的实施例的在进一步改进以考虑多个公用工程等级之后的图 68的HEN的图形描绘。
具体实施方式
现将在下文中参看附图更全面地描述本发明，

本发明的实施例。然而，本发明可以许多不同形式体现且不应解释为限于本文中阐述的所说明实施例。而是，提供这些实施例以使得本发明将为详尽且完整的，且将向所属领域的技术人员全面地传达本发明的范围。相同数字始终指代相同元件。撇号符号(如果使用)指示替代实施例中的类似元件。
为了获得输出结果或为了生产所需产品或化合物，许多不同类型的工艺消耗多个蒸汽水平和电。对于(例如)消耗大量蒸汽的大规模工艺，优选的是在可能的情况下优化蒸汽和电力系统。在工艺变化的所有可能组合下用于废能回收的热交换器网络改进可为任何新工厂中的非常重要的子系统。然而，由能量利用成本的增加产生的今天的改进项目可能与明天的改进项目冲突，从而引起已经不执行的今天的改进项目原本将不需要的过量资本支出。
本发明的各种实施例提供可依序和/或同时实行的用于热交换器网络改进的各种新和/或改善的选项，所述选项不引起这种冲突。这些选项可包含(例如)使用行进技术且用最佳组合引导的{AT_min_i}优化以加速这种搜索，例如在题目为“用于能量回收系统中的定目标和最佳驱动力分布的系统、方法和程序产品(System，Method, and ProgramProduct for Targeting and Optimal Driving Force Distribution in Energy Recovery Systems) ”的美国专利7，698, 022中所论述。这些选项还可或替代地包含重新定序；工艺参数修改，例如改变流供应温度和/或目标温度、添加新物流、改变操作压力， 且可包含结构修改，例如利用现有公用工程路径、在相同匹配处通过插入热交换器(HE) 单元和/或通过识别并执行新匹配以使用冷物流与热物流分裂产生新公用工程路径来增加单元数目、改变/校正匹配以改变公用工程路径，包含在2010年4月26日申请的题目为“用于合成非约束和约束热交换器网络的系统、方法和程序产品(System，Method, and Program Product forSynthesizing Non-Constrained and Constrained Heat Exchanger Networks)”的第12/767,217号美国专利申请案中所论述的选项。结构修改还可或替代地包含去除在工艺夹点以上的冷却器、在工艺夹点以下的加热器和跨越工艺夹点的任何工艺热交换器单元。举例来说，NLP可用以在固定HEN的拓扑以在变化和不确定性下使用于HEN设计的总额外HEN面积最小化(其使给定HEN拓扑处的总面积最小化)之后优化分支和Q分配，如(例如)在2010年10月5日申请的题目为“用于合成考虑未来较高水平的干扰和不确定性的热交换器网络和识别用于未来改进的最佳拓扑的系统、程序产品和方法(Systems, ProgramProduct, and Methods For Synthesizing Heat Exchanger Networks That Account For FutureHigher Levels of Disturbances and Uncertainty and Identifying Optimal Topology For FutureRetrofit) ”的第 12/898，475 号美国专利申请案中所描述。应注意，HEN灵活性可因为(例如)周围温度改变、交换器中的污垢、催化剂去活化、热、质量和动量转移系数不确定性、反应动力学参数不确定性(激活能量和频率因子)、平衡常数不确定性、设备热力学效率的降级等等而提供不同的小改变/干扰和不确定性。
下文描述根据本发明的示范性实施例的各种选项。具体来说，图I说明用以管理在用于工业施舍(个别工业施舍或工业设施群集)的工艺变化的所有可能组合下的用于废能回收的热交换器网络能量效率和改进的系统30。系统30可包含热交换器网络分析和设计计算机31，其具有处理器33、耦合到处理器33以将软件和数据库记录存储于其中的存储器35;和用户接口 37，其可包含用于显示图形图像的图形显示器39，以及所属领域的技术人员已知的用以提供用户存取以操纵软件和数据库记录的用户输入装置41。应注意，计算机31可呈个人计算机的形式或呈服务多个用户接口 37的服务器或服务器群或所属领域的技术人员已知的其它配置的形式。因此，用户接口 37可直接连接到计算机31或通过网络38连接到计算机31，如所属领域的技术人员已知的。
系统30还可包含数据库43，数据库43存储于热交换器网络分析和设计计算机 31 (内部或外部的)存储器35中且具有各自单独地定义用于多个热工艺物流中的每一者的每一操作属性的值的可能范围的多组值和各自单独地定义用于多个冷工艺物流中的每一者的每一操作属性的值的可能范围的多组值。这些属性可包含(例如)热工艺物流中的每一者和冷工艺物流中的每一者的供应温度(Ts)的下边界值和上边界值、热工艺物流中的每一者和冷工艺物流中的每一者的目标温度(Tt)的下边界值和上边界值和/或热工艺物流中的每一者和冷工艺物流中的每一者的热容量流动速率(FCp)的下边界值和上边界值、 根据所接收物流条件用于工业设施的各种HEN设备的资本成本，连同物流之间的一组或一组以上物流特定最小温度接近值(Δ T_min_i)、物流初始类型、物流匹配约束、全局公用工程消耗值[Qh]、[Qc](其中“[]”表示区间值)，以及描述至少用于每一夹点控制工艺物流/ 物流温度的“最小选择下温度边界和上温度边界的区”的经常称作“夹点”的夹点区的区间和/或离散位置、控制夹点位置的物流的识别、链接根据△ T_min_i或工艺条件的渐进式改变定义夹点位置的一个或多个图的夹点的数据，和在每一夹点位置处网络条件所需要的HE 单元的最小数目，以及其它者。
系统30还可包含热交换器网络分析和设计程序产品51，其存储于热交换器网络分析和设计计算机31的存储器35中且适于提供包含分析和设计的各种独特阶段的系统工艺，所述各种独特阶段提供具有去耦进化的修改步骤的创新解决方案方法。根据系统工艺的分析和设计阶段包含“评定阶段”，其提供现有HEN预期改进的基础网络设计情况的建立且促进现有HEN的评定通过直到产生实验室测试分析报告，所述实验室测试分析报告根据新且独特的方法通过现有HEN的图形表示加以辅助而从“能量效率”观点提供测试和分析。 分析和设计阶段还包含“洞察和目标选择阶段”，其提供且实行对消耗定目标和能量选择以及确定满足能量目标所需要的HE单元的最小数目。分析和设计阶段还包含“找到解决方案阶段”，其提供用于找到在实施上进化而在思维上创新的改进解决方案的系统工艺。系统工艺服务于工厂寿命改进能力的新颖概念，而在过去改进与未来改进之间没有矛盾且不会因为不实用或更多(未来)改进动作变得太昂贵以致不能调整的情形而失去继续更多改进项目的机会。其还解决用于废能质量回收的单个和多个公用工程HEN的改进。分析和设计阶段还可包含促进数学规划技术的利用以评估HEN解决方案的“评估阶段”，以及促进实际实施策略的开发和实施的“规定阶段”。
应注意，热交换器网络分析和设计程序产品51可呈微码、程序、例程和提供多组有序操作的特定设定的符号语言的形式，所述多组有序操作控制硬件的起作用且指导其操作，如所属领域的技术人员所知道和理解的。还应注意，根据本发明的实施例，热交换器网络分析和设计程序产品51不需要全部驻留于易失性存储器中，而是可按需要根据各种方法被选择性地加载，如所属领域的技术人员所知道和理解的。
图2提供说明根据本发明的实施例的热交换器网络分析和设计程序产品51的操作和/或相关联的方法步骤的高级流程图。如框111中所展示，步骤/操作包含接收输入数据，输入数据可包含指示用于待改进的现有HEN(见(例如)图4)的多个工艺物流中的每一者的操作属性的值的可能范围的数据、物流之间的一组物流特定最小温度接近边界值 Λ T_min_i、物流初始类型、物流匹配约束、一个或一个以上区间全局公用工程消耗值[Qh]、 [Qc]、现有HEN设计结构的标记，以及用于产生改进图的物流之间的一组下物流特定最小温度接近边界值和上物流特定最小温度接近边界值{AT_min_i[L:U]}。应注意，图4说明使用通过实例提供的网络夹点方法的HEN问题的常规表示。
如框113中所展示，步骤/操作可包含根据如(例如)在图5中说明的系统新图形表示方法绘制图4中展示的现有HEN。应注意，现有条件下的网络展现额外的5丽的加热公用工程和5丽的冷却公用工程的拓扑中损失的能量。在当前工艺和{AT_min_i}条件下，不存在从工艺宿区段(夹点以上的部分)跨越到工艺源区段的热，在工艺源区段(夹点以下的部分)中不使用热公用工程，且在工艺宿区段中看见错误的冷却活动。当前网络设计使用6个HE单元。热工艺物流H3、H2和H4由工艺到工艺单元服务，Hl和H4由冷却器服务，且冷工艺物流Cl由加热器服务。
如框115中所展示，步骤/操作包含执行包含称作“实验室测试结果”的事物的系统评定。用于评定/测试的方法程序通常包含定义当前{ ATjniruil下的工艺夹点，定义工艺夹点区间，在需要时如在阈值问题应用中识别“隐含”夹点，计算每一情况下的单元的最小数目，从单元数目和能量消耗观点两者识别最佳夹点位置，以及绘制物理工艺夹点。图 6到9说明用于热物流Hl到H4中的每一者的最小接近温度值逐个减小到零({ AT_min_i} = 0.0)。{AT_min_i} = O. O的组合提供关于对能量回收具有最高影响的工艺物流的洞察以及为了获得最佳可能目标应做的事。修改的网络条件可与实际网络作比较以识别因为错误匹配实践产生的拓扑中损失的能量(匹配中损失的能量)和因为使用比HE单元的最小数目少的HE单元而产生的拓扑中损失的能量(单元的数目中损失的能量)，和面积中损失的能量/{AT_min_i}选择(资本-能量权衡)，以及工艺条件中损失的能量。应注意，图3 说明用于现有单个公用工程HEN的能量损失剖析。
拓扑中损失计算可给予设计者对所使用的实际MTjIiinjl下的HEN废热回收效率的“挤压匹配”影响，以及用于所有挤压匹配的这些匹配的网络夹点的位置。针对每一新 {AT_min_i}重复此计算再现同时用于所有挤压物流的每一新{AT_min_i}下的拓扑中损失的能量目标。所述数据提供用以隔离表面积影响、单元数目影响、工艺条件影响、用以确定错误匹配影响以及用以识别夹点区间的输入，如下文描述。
如框117、119、121、123和125中所展示，步骤/操作包含用于实行定目标和目标选择的步骤/操作。在框117处，接收来自决策人的目标选择输入，其包含决策人的所要工厂寿命改进目标。在框119、121和123处，制定所要能量目标、单元的额外最小数目目标， 和/或两者的组合。在框125处，产生并检验可能情形。执行对消耗定目标、能量选择和各种洞察的分析，所述分析包含确定满足由决策人提供的能量目标所需要的HE单元的最小数目，以及定义向决策人再现工厂寿命改进所要目标的最佳夹点位置。
通过应用AT_min_i行进技术(例如，在美国专利7，698，022中描述的行进技术)，可产生以下信息最佳Λ T_min_i值、对应能量目标、夹点区间、控制夹点位置的物流、 单元的最小数目区间和热物流MTjIiiruil值的每一组合处需要的单元的最小数目，以及可易于识别的对废热回收具有最高影响的物流。
在图10中所展示的实例中，通过应用行进技术，确定以下信息夹点区间等于 [100:145] ° F。H3定义夹点位置上界且Cl定义夹点位置下界。H3正控制夹点位置直到其 Δ T_min_H3 = 5° F为止，在那个值以下(例如，Δ T_min_H3 = 45° F)，C1控制夹点位置， 且在全局AT_min = 6° F处，问题变成阈值。单元的最小数目区间=[5:9]。对于使用实例参数的实例，使用夹点规则(使用根据本发明的实施例的公式)，在夹点以上需要的单元的最小数目为3且在夹点以下的单元的最小数目为4。因而，所使用的HE单元的总数目比所需要的单元的最小数目少一个单元，从而导致存在所使用的单元的数目中损失的能量。
如框127中所展示，步骤/操作可包含应用系统程序以找到服务现在和未来HEN 改进项目的解决方案和解决方案细节，其(例如)在记住未来改进项目的情况下一次一个步骤地执行以找到通过逐步修改最终导致所要目标的路线。另外，如框129和131中所展示，步骤/操作可包含针对Q和分支和/或额外面积优化应用非线性规划(NPL)。稍后更详细地描述各种步骤的细节。
图11说明无物流跨越夹点而延伸的情形。将需要新匹配以回收夹点以上的废加热负载(Q_h_waste)和夹点以下的废冷却负载(Q_c_waste)。在此情形中,Q_lost_heating 等于Q_l0St_C00ling。夹点以上的此废“加热负载”和夹点以下的废“冷却负载”等于0_ lost = FCph*(Ts-Tt),借此图中所展示的温度为单元特定的，其中Tt >= tp且tp > = tt (使用冷尺度温度作为参考以及现有{ Δ T_min_i})。
在此情形中，需要至少一个新HE单元。如果加热公用工程和冷却公用工程两者中节省的Q_lost*$/MMBtu未证明添加任何新单元是正确的，那么停止这段工艺。否着，工艺应接着或改为使用现有HE单元以用于匹配夹点以上的热物流负载与夹点以上的新冷物流负载或冷物流分裂。如果驱动力允许插入，那么插入与现有冷物流的新匹配，否则重新定序此冷物流上的单元以允许插入。
在FCph < = FCpc_new的情况下,冷物流和/或冷分裂应位于公用工程路径/加热器路径处且冷物流分裂ts (位于夹点处或夹点以上)小于或等于热物流Tt。如果满足这些条件，那么在夹点以上仅需要一个新匹配，否则在夹点以上将需要一个以上新匹配。如果加热公用工程和冷却公用工程两者中的Q_lost*$/MMBtu节省未证明添加一个以上单元是正确的，那么停止这段工艺。
根据示范性配置，如果Tt = tp，那么将为夹点以上的候选匹配的任何冷物流位于公用工程加热器路径上视为强制性的。如果Σ FCph也大于Σ FCpc，那么通过修改工艺条件 (物流入口温度)和/或夹点位置控制物流的AT_min_i来改变在现有网络的夹点以上的夹点处的公用工程路径或加热器负载上的驱动力分布以将夹点位置移动/修整到克服此约束的新的所要温度(tp)。如果Σ FCph小于Σ FCpc，其中公用工程路径在现有网络的夹点以下的夹点处，那么执行与上文相同的步骤。在此修改之后，检验手头的问题的类型以确定其是否仍为无跨越夹点交换热的问题或其是否已变成跨越夹点交换热的问题。
否则，将需要夹点以上的冷物流与热物流的重新匹配以具有较好公用工程路径或加热器负载，或产生新的公用工程路径或加热器负载。如果此所要冷物流匹配条件不可能， 那么分裂夹点以上的热物流负载FCph，且重复以上程序。
在夹点以下，也等于Q_lost = FCph* (Ts-Tt)的冷却负载损失应插入到位于公用工程路径/冷却器路径处的热物流，且通过改变在夹点以上使用的热物流与冷物流之间的角色来应用在夹点以上的情形中使用的相同程序。应注意，在适用(关于空间、管路、拓扑等)的情况下可再使用现有HE单元。在此情形中，两者在其匹配中在现有HE单元的热负载与候选用户方面相等。新匹配的UA应定义现有HE单元的分配连同其它工艺约束。
图12说明一个物流(冷物流)跨越夹点而延伸的情形。将需要新匹配以回收夹点以上的废加热负载(Q_h_waste)和夹点以下的废冷却负载(Q_c_waste)。在Q_lost_ heating等于Q_lost_cooling的情况下,夹点以上的此废“加热负载”和夹点以下的废“冷却负载”等于Q_lost_heating = FCph* (Ts-Tt)-FCpc* (tt_tp)。如果加热公用工程和冷却公用工程两者中节省的Q_lost*$/MMBtu未证明添加两个新单元是正确的，那么停止这段工艺。否则，使用现有单元以用于匹配夹点以上的热物流负载与夹点以上的新冷物流负载或冷物流分裂，且如果驱动力允许插入，那么插入与位于夹点处的现有冷物流的新匹配。否则，重新定序此冷物流上的单元以允许插入。在FCph < = FCpc_new的情况下,冷物流和 /或冷分裂应位于公用工程路径/加热器路径处，位于夹点处的冷物流分裂ts及其FCph_ branch 等于 Q_lost/ (Ts-Tt)。
根据示范性配置，要求对于将为夹点以上的候选匹配的任何冷物流，其应位于公用工程加热器路径上。如果Σ FCph大于Σ FCpc，其中公用工程路径在现有网络的夹点以上的夹点处，那么通过修改工艺条件(物流入口温度)和/或夹点位置控制物流的AT_min_ i来改变驱动力分布以将夹点位置移动/修整到克服此约束的新的所要温度(tp)。如果 Σ FCph小于Σ FCpc，其中公用工程路径在现有网络的夹点以下的夹点处，那么执行与上文相同的步骤。在此修改之后，检验手头的问题的类型来看(例如)其是否仍为“单个物流跨越夹点”类型的问题，或其是否已变成“两个物流跨越夹点”类型的问题。
否则，将需要夹点以上的冷物流与热物流的重新匹配以具有较好公用工程路径或加热器负载，或产生新的公用工程路径或加热器负载。如果此所要冷物流匹配条件不可能， 那么分裂夹点以上的热物流负载FCph，且重复以上程序。
在夹点以下,等于Q_lost_cooling = FCpc*(tp_ts)的冷却负载损失应连接到位于公用工程路径/冷却器路径和夹点两者处的热物流，或与来自位于夹点处的热物流的热物流分裂/分支且再次与公用工程路径匹配。应注意，在适用(关于空间、管路、拓扑等) 的情况下可再使用现有HE单元。
图13说明一个物流(例如，热物流)跨越夹点而延伸的情形。将需要新匹配以回收夹点以上的废加热负载(Q_h_waste)和夹点以下的废冷却负载(Q_c_waste)且Q_lost_ heating等于Q_lost_cooling。在此情形中，夹点以上的此废“加热负载”和夹点以下的废 “冷却负载”等于Q_lost = FCph* (Ts-Tp),其中图中所展示的温度为单元特定的,且其中tp >=tt(使用冷尺度温度作为参考以及现有{AT_min_i})。
如果加热公用工程和冷却公用工程两者中节省的Q_lost*$/MMBtu未证明添加两个新单元是正确的，那么停止这段工艺。否着，使用现有HE单元以用于匹配夹点以上的热物流负载与夹点以上的新冷物流负载或冷物流分裂。具体来说，如果驱动力允许插入，那么26插入与位于夹点处的现有冷物流的新匹配，否则重新定序此冷物流上的单元以允许插入， 借此FCph < = FCpc_new0冷物流和/或冷分裂应位于公用工程路径/加热器路径处，且冷物流分裂ts应位于夹点处。
根据示范性配置，要求对于将为夹点以上的候选匹配的任何冷物流，其应位于公用工程加热器路径上。如果Σ FCph大于Σ FCpc，其中公用工程路径在现有网络的夹点以上的夹点处，那么通过修改工艺条件(物流入口温度)和/或夹点位置控制物流的AT_min_ i来改变驱动力分布以将夹点位置移动/修整到克服此约束的新的所要温度(tp)。如果 Σ FCph小于Σ FCpc，其中公用工程路径在现有网络的夹点以下的夹点处，那么重复与上文相同的步骤。在此修改之后，检验手头的问题的类型，(例如)其是否仍为单个热物流跨越问题，或其是否已变成两个物流跨越问题。
否则，将需要夹点以上的冷物流与热物流的重新匹配以具有较好公用工程路径/ 加热器负载，或产生新的公用工程路径/加热器负载。如果此所要冷物流匹配条件不可能， 那么分裂夹点以上的热物流负载FCph，且重复以上程序。
在夹点以下，也等于Q_lost = FCph* (Ts-Tp)的冷却负载损失应插入到位于公用工程路径/冷却器路径处的热物流，且通过交换热物流与冷物流之间的在夹点以上使用的角色来应用在夹点以上的情形中使用的相同程序。应注意，在适用(关于空间、管路、拓扑等)的情况下可再使用现有HE单元。
图14说明两个物流(例如，热物流和冷物流)跨越夹点而延伸的情形。将需要新匹配以回收夹点以上的废加热负载(Q_h_waste)和夹点以下的废冷却负载(Q_c_waste)。 夹点以上的此废“加热负载”(Q_lost_heating)和夹点以下的废“冷却负载”(Q_lost_ cooling)两者等于 Q_lost = FCph* (Ts_tp)-FCpc (tt_tp)。
如果加热公用工程和冷却公用工程两者中节省的Q_lost*$/MMBtu未证明添加3 个新单元是正确的，那么停止这段工艺。否则，根据示范性配置，要求对于将为夹点以上的候选匹配的任何冷物流，其应位于公用工程加热器路径上。如果在现有网络的夹点以上的夹点处，Σ FCph大于Σ FCpc，那么通过修改工艺条件(物流入口温度)和/或夹点位置控制物流的Λ T_min_i来改变驱动力分布以将夹点位置移动/修整到克服此约束的新的所要温度(tp)。如果在现有网络的夹点以下的夹点处，EFCph小于EFCpc，那么重复如上文的程序。在此修改之后，检验手头的问题的类型以验证其是否仍为两个物流跨越问题。
否则，可需要夹点以上的冷物流与热物流的重新匹配以具有较好公用工程路径/ 加热器负载或产生新的公用工程路径/加热器负载。如果此所要冷物流匹配条件不可能， 那么分裂夹点以上的热物流负载FCph，且重复以上程序。减小来自现有HE单元的Q_lost_ heating = {FCph*(Ts_tp)-FCpc (tt_tp)}负载且分裂热物流以取得新分支FCph = Q_ lost/Ts-tp。在FCph_branch <= FCpc的夹点处匹配此分支与夹点以上的冷物流,使得此冷物流位于公用工程路径/加热器路径处。应注意，在适用(关于空间、管路、拓扑等)的情况下可再使用现有HE单元。
先前情况中提到的规则适用。在夹点以下，通过分裂冷物流部分以再现FCp_ branch,也等于 Q_lost_cooling = {FCpc* (tp-ts) -FCph (tp-Tt)}的冷却负载损失与夹点处的位于公用工程路径/冷却器路径处的热物流匹配，其中FCpc_branch = Q_lost_ cooling/ (tp-ts)ο
图15到24说明用于实施“找到解决方案”阶段的系统技术的实例。如图15中所展示，在当前条件下，热交换器中无一者跨越夹点，不使用夹点以下的热公用工程。另外， 可见H3正控制夹点位置直到其AT_min_H3 = 5为止，且在Λ T_min_H3 = 5以下(例如， AT_min_H3 = 4),Cl控制夹点。在决策人选择用于寿命改进的最佳夹点位置后，应即刻校正从问题宿到源的热流，应即刻校正工艺源区段中的热公用工程的使用，应即刻校正工艺宿区段中的冷公用工程的使用，应即刻使用最小数目的单元，且应即刻逐个减小{ Δ T_min_ i}设定值以达到所要目标。
在此实例中，如图16中所展示，为了校正拓扑中损失的能量，分裂当前夹点 (135° F)以上的Cl且将H4冷却器移动到当前夹点以下。结果为现在不存在跨越夹点的热交换或公用工程的不适当使用。然而，在用此设计改进之后的所要目标为Qh = 155，Qc = 45。额外节省可为可能的。另外，将预期随着能量成本增加，决策人将可能在今后几年或许多年之后请求更多/下一改进项目。为了为这些请求作准备，图17到23中所展示的分析包含用仍看得见的未来改进项目检查减小{AT_min_i}值的效应，所述检查通过进化步骤但参考想要达到的最佳夹点(例如，由决策人在任何改进项目之前从工艺夹点区间内选择)而执行。
举例来说，如图17中所展示，Δ T_min_Hl当前在60° F。如图18中所展示，Δ T_ min_Hl可减小到(例如)5° F以检查其效应。应注意，通过以Hl开始，工艺避免改变夹点位置。AT_min_Hl的改变导致物流移动到夹点以上。为了利用夹点以上的能量，可进一步分裂Cl且可添加额外HE单元(例如，H1-C13)。
如图19和20中所展示，可识别Λ T_min_H4且类似地将其减小到(例如)5° F以检查其效应。在旧工厂的寿命期限内使用三个顺序改进项目，如果这些修改再现由决策人先前选择的目标，那么停止。应注意，减小AT_min_H2无益处，因为根据所说明结构，其不导致废热回收的改变。这是因为在当前结构中已完全利用/交换热物流H2的全部加热负载(Q)。因此，无更多废热/废能为可能的/可用于从那个物流进一步回收。
如果决策人现在改变其想法且想要在3到5年之后推行新改进项目或其在第一项目期间未考虑未来改进项目，现在在当前技术状态方法中通常这样，那么如图21到23中所展示，其将面对起始新改进项目的问题。为了起始新改进项目，检查网络的当前状态。如果不存在夹点跨越或公用工程的不适当使用，那么可仅添加表面积和/或增强现有HE单元来回收更多废热。
举例来说，假定决策人希望稍后(例如)通过将AT_min_H3减小到5° F来将用于图21中所展示的结构的能量目标减小到Qh = 110, Qc = O。如图22中所展示,此将致使夹点(温度)移动到145° F处的新位置，从而导致在151到153 (粗线)处所展示的新跨越夹点热转移且危及在几年前的旧改进项目中(先前项目中)采取的先前动作。
如图23中所展示，为了处理此新情形且达到由决策人作出的所要能量目标，可在工艺源区中再添加三个匹配HE单元以达到所要目标。然而，此选项可能不仅变得昂贵，而且因为工厂的平面布置图约束而不切实际。
图24说明在以下情形中可具有较有利的结果根据本发明的各种实施例，决策人选择工厂寿命或寿命周期改进项目目标且在工厂寿命期间将要实施的所有改进项目之前识别最佳夹点位置(例如，145° F)。如图中说明，先前论述的有雄心的能量目标可使用较少数目个单元(例如，总共六个HE单元)获得，且因此决策人将更可能能够因为克服工厂的平面布置图约束而获得对其项目的批准。换句话说，其可继续执行改进项目而不必在中途停止。
图25说明图15中描述的网络的数据输入页，但其中如下设置结构的能量目标Qh =110，Qc = O0出于比较以说明本发明的各种实施例的益处的目的，图26说明根据使用夹点技术的商业软件应用程序的所得网络配置。值得注意的是，所述图说明使用目前技术状态应用程序，即使允许从零开始重新设计整个网络以达到所要能量回收目标，所产生的解决方案仍需要8个HE单元。
相比之下，出于说明性目的，图27展示用于寿命改进解决方案实例的系统技术的结果。根据本发明的实施例，如果决策人决定选择处于由物流Cl控制的夹点区间下端(例如，100° F线)处的夹点位置作为其改进项目历程中的终点，那么问题变成阈值，其中根据目前技术状态不存在包含圈中工程师的常规系统方法。然而，上文结合在 2009年10月30日申请的题目为“用于合成非约束和约束热交换器网络以及识别用于未来改进的最佳拓扑的系统、方法和程序产品(System, Method, and Program Product for SynthesizingNon-Constrained and Constrained Heat Exchanger Networks and Identifying OptimalTopoloy for Future Retrofit) ” 的第 61/256，754 号美国临时申请案中描述的各种工艺描述的工艺及其成果(例如)可提供图中所展示的设计。
图28说明个别工艺的简单实例的常规表示(林霍佛(Linnhoff)等人)。出于比较目的，图29说明根据本发明的实施例的表示。此改善的表示有益地帮助决策人视觉化设计错误和确定控制物流、跨越夹点热交换单元的存在等。在所说明的工业工艺中，Hl控制夹点位置且对能量回收具有最高影响。值得注意的是，通过减小“全局” AT_min从未获得 127° F处的夹点。
图30说明展示在Hl与C2之间添加新HE单元的工业工艺的另一常规表示。出于比较目的，图31说明根据本发明的实施例的表示。值得注意的是，特别全局ATmin = 19° F用以定位任意夹点且找到新废热回收目标。在此实例中，在完成HEN改进项目设计之后，改为使用全局ATmin = 15° F而不是19° F，且如图31中所展示，改进之后的网络仍展现跨越夹点的热转移。应注意，林霍佛(LinnhofT)等人实例并非系统的，需要反复，需要特别的初始化且不能用作标准工厂寿命改进方法。
下表提供根据本发明的实施例的实例的“用于改进项目解决方案查找的程序”的高级概要
权利要求
1.一种管理用于具有包括多个热工艺物流和多个冷工艺物流的多个工艺物流的工业设施的热交换器网络能量效率和改进的方法，所述方法的特征在于以下步骤 识别主要控制用于现有热交换器网络的夹点位置的一个或一个以上工艺物流； 确定针对一组给定工艺条件提供以下各项中的一者或一者以上的最佳夹点位置最大废能回收和所需热交换器单元的最小数目；以及 确定在满足当前所要废能回收目的的当前热交换器网络改进项目与满足最终废能回收目的的未来热交换器网络改进项目之间延伸的最佳热交换器网络改进项目序列。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述确定最佳热交换器网络改进项目序列的步骤包括 基于公用工程成本的增加超过增加能量效率的资本支出的对应增加而建立与所述序列内的每一相应先前改进计划不冲突的多个顺序改进计划的连续体，在当前改进计划之间延伸的所述多个顺序改进计划的所述连续体描述废能回收能量效率的当前所要等级和与所述设施的使用寿命的结束时或接近结束时的时间相关联的废能回收能量效率的预计所要等级。
3.根据权利要求I或2中任一权利要求所述的方法，其中所述确定最佳热交换器网络改进项目序列的步骤包括 确定用于对应的多个热交换器网络改进设计变化的多个预期递增夹点位置移动的连续体，所述多个可能递增夹点位置移动与应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值的递增减小相关联，所述连续体在与满足所述当前所要废能回收目的的热交换器网络改进设计和满足所述最终废能回收目的的热交换器网络改进设计相关联的夹点位置之间延伸，相比于所述当前所要废能回收目的，所述最终废能回收目的需要较大量的废能回收，所述对应的多个热交换器网络改进设计中的每一者提供渐进较大量的废能回收。
4.根据权利要求I到3中任一权利要求所述的方法，其中所述确定最佳热交换器网络改进序列的步骤包含 确定提供与对应的多个热交换器网络改进设计变化相关联的多个预期递增夹点位置移动的有序描述的夹点位置图，所述多个递增夹点位置移动由应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值的递增减小产生，所述夹点位置移动在与满足所述当前所要废能回收目的的热交换器网络改进设计和满足所述最终废能回收目的的热交换器网络改进设计相关联的夹点位置之间延伸，相比于所述当前所要废能回收目的，所述最终废能回收目的需要较大量的废能回收，与对应的热交换器网络改进设计相关联的所述多个递增夹点位置移动中的每一者提供渐进较大量的废能回收。
5.根据权利要求I到4中任一权利要求所述的方法，其中所述夹点位置图提供依序识别多个热交换器网络改进项目的热交换器网络改进项目序列以定义所述最佳热交换器网络改进项目序列，每一后续热交换器网络改进项目经配置以免与所述热交换器网络改进项目序列中的任何先前项目矛盾。
6.根据权利要求I到5中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 递增地减小应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值以识别多个递增夹点位置移动以借此定义多个热交换器网络改进设计；识别每一相应热交换器网络设计中的正跨越最佳夹点交换热的每一热工艺物流-冷工艺物流组合，所述最佳夹点定义一个或一个以上跨越夹点热交换条件； 执行以下重新匹配技术中的一者或一者以上以去除每一相应热交换器网络设计中的任何跨越夹点热交换条件将受影响热连接到不同冷工艺物流以及在所述夹点以上和以下添加额外热交换器单元； 在执行所述一个或一个以上重新匹配技术以去除每一相应热交换器网络设计中的任何跨越夹点热交换条件之后执行以下步骤中的一者或一者以上 重新匹配所述多个工艺物流中的一者或一者以上以在一个或一个以上非工艺夹点存在时考虑所述一个或一个以上非工艺夹点，以及 重新匹配所述多个工艺物流中的一者或一者以上以在多个冷冻等级存在时考虑所述多个冷冻等级；以及 分析每一相应热交换器网络设计中的所得结构以确定连续改进的可行性以借此形成所述最佳热交换器网络改进项目序列。
7.根据权利要求I到6中任一权利要求所述的方法，其进一步包括针对多个热交换器网络设计中的每一者执行以下步骤 递增地减小应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值以识别定义多个夹点位置的多个递增夹点位置移动； 识别所述相应热交换器网络设计中的跨越所述多个夹点位置中的选定一者交换热的热工艺物流-冷工艺物流组合，所述多个夹点位置定义跨越夹点热交换条件；以及 执行工艺条件操纵、最小温度接近值操纵或工艺条件操纵和最小温度接近值操纵两者以将所述夹点位置移动到完全在与所述跨越夹点热交换条件相关联的热物流和冷物流温度以上或完全在与所述跨越夹点热交换条件相关联的热物流和冷物流温度以下。
8.根据权利要求I到7中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 在构造满足所述所要废能回收的对应的预期热交换器网络设计之前，识别控制与满足废能回收的所要增加的当前热交换器网络设计相关联的一个或一个以上夹点位置移动的所述多个工艺物流中的一者或一者以上；以及 识别与所述一个或一个以上夹点位置移动相关联的一个或一个以上物流特定转折点温度中的每一者。
9.根据权利要求I到8中任一权利要求所述的方法，其中所述确定最佳热交换器网络改进项目序列的步骤包含 接收指示一组物流特定最小温度接近值的上限和下限的最小温度接近值数据，物流特定最小温度接近值的所述上限为可根据所述现有热交换器网络的当前结构达到的值，物流特定最小温度接近值的所述下限为与将在用于所述设施的所述热交换器网络的所述使用寿命的结束时的未来日期处实行的最后改进项目相关联的下界设定，所述最后改进项目定义所述未来热交换器网络改进项目；以及 响应于所述最小温度接近值数据确定，识别用于工艺条件和热交换器网络设计修改的所有预期组合的工艺夹点位置范围的工艺夹点范围区间。
10.根据权利要求I到9中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 递增地减小应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值以识别定义多个不同夹点位置的多个递增夹点位置移动以借此定义用于热交换器网络设计问题的多个热交换器网络改进设计变化； 确定与具有对应的不同夹点位置的所述多个热交换器网络改进设计变化中的每一单独者相关联的所需热交换器单元的最小数目；以及 确定提供热交换器单元的所述最小数目的最佳夹点位置。
11.根据权利要求I到10中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 递增地减小应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值以识别定义多个不同夹点位置的多个递增夹点位置移动；以及 确定针对一组给定工艺条件提供所述最大废能回收的最佳夹点位置。
12.根据权利要求I到11中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 确定某一热交换器网络设计中的所需热交换器单元的最小数目； 确定使用比所需热交换器单元的最小数目少的热交换器单元对废能回收的影响；确定根据所述某一热交换器网络设计所述多个热工艺物流中的一者或一者以上与所述多个冷工艺物流中的一者或一者以上之间的错误匹配对废能回收的所述影响；以及确定热交换器单元相对于资本成本具有对于所述某一热交换器网络设计而言并非最佳热交换器单元表面积对废能回收的所述影响。
13.根据权利要求I到12中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 确定需要添加到某一热交换器网络设计以在现有工艺条件和物流特定最小温度接近值下达到当前废能回收能力的热交换器单元的最小数目。
14.根据权利要求I到13中任一权利要求所述的方法，其进一步包括执行以下步骤中的一者或一者以上 通过对识别为控制用于某一热交换器网络设计的夹点位置的一个或一个以上工艺物流的工艺条件修改来移动所述夹点位置；以及 通过对识别为控制所述夹点位置的所述一个或一个以上工艺物流的最小温度接近值修改来移动所述夹点位置。
15.根据权利要求I到14中任一权利要求所述的方法，其进一步包括以下步骤中的一者或一者以上 当所要能量目的指示热交换器网络设计仅具有以下公用工程种类中的一者而非两者时定义隐含夹点加热公用工程和冷却公用工程；以及 识别设计增强情形，其中应用于所述现有热交换器网络且经呈现以满足最终能量回收改进目的的热交换器网络设计问题在优化分析期间变成阈值问题。
16.一种管理用于具有包括多个热工艺物流和多个冷工艺物流的多个工艺物流的工业设施的热交换器网络能量效率和改进的方法，所述方法包括接收指示用于工业设施的现有热交换器网络的当前热转移结构的数据的步骤，所述方法的特征在于 以图形方式显示所述现有热交换器网络的所述当前热转移结构，所述图形显示包含识别用于所述热交换器网络的夹点的夹点位置温度线和指示跨越所述夹点位置线的对应的一个或一个以上热工艺物流与一个或一个以上冷工艺物流之间的热转移以提供所述热交换器网络中的跨越所述夹点温度交换热的每一热交换器的容易识别的一个或一个以上连接线，所述一个或一个以上连接线中的每一者提供跨越所述夹点位置温度线且在相应热工艺物流-冷工艺物流组合之间延伸的热交换的线性图形说明； 识别主要控制用于所述现有热交换器网络的夹点位置的一个或一个以上工艺物流； 识别在减小其相应物流特定最小温度接近值后即刻对废能回收具有最高影响的一组一个或一个以上热工艺物流； 识别定义最终废能回收目的的在所述热交换器网络的寿命内预期的最大所要废能回收目的；以及 确定依序识别多个热交换器网络改进项目的最佳热交换器网络改进项目序列，所述热交换器网络改进项目序列在满足当前所要废能回收目的的当前热交换器网络改进项目与满足所述最终废能回收目的的未来热交换器网络改进项目之间延伸，所述热交换器网络改进项目序列经配置以使得所述热交换器网络改进项目序列内的每一后续项目不与所述热交换器网络改进项目序列内的先前项目中的任一者矛盾。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述确定最佳热交换器网络改进项目序列的步骤包含 确定用于对应的多个热交换器网络改进设计变化的多个预期递增夹点位置移动的连续体，所述多个可能递增夹点位置移动与应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值的递增减小相关联，所述连续体在与满足所述当前所要废能回收目的的热交换器网络改进设计和满足所述最终废能回收目的的热交换器网络改进设计相关联的夹点位置之间延伸，相比于所述当前所要废能回收目的，所述最终废能回收目的需要较大量的废能回收，所述对应的多个热交换器网络改进设计中的每一者提供渐进较大量的废能回收。
18.根据权利要求16或17中任一权利要求所述的方法，其中所述确定最佳热交换器网络改进项目序列的步骤包含 确定提供与对应的多个热交换器网络改进设计变化相关联的多个预期递增夹点位置移动的有序描述的夹点位置图，所述多个递增夹点位置移动由应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值的递增减小产生，所述夹点位置移动在与满足所述当前所要废能回收目的的热交换器网络改进设计和满足所述最终废能回收目的的热交换器网络改进设计相关联的夹点位置之间延伸，相比于所述当前所要废能回收目的，所述最终废能回收目的需要较大量的废能回收，与对应的热交换器网络改进设计相关联的所述多个递增夹点位置移动中的每一者提供渐进较大量的废能回收。
19.根据权利要求18所述的方法， 其中所述夹点位置图提供所述最佳热交换器网络改进项目序列；且 其中通过针对所述多个热工艺物流中的每一者系统地执行以下步骤来确定所述夹点位置图将所述相应个别热工艺物流的所述最小温度接近值设定为零附近或零处的最小值而所有其它者保持不变。
20.根据权利要求16到19中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 递增地减小应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值以识别多个递增夹点位置移动以借此定义多个热交换器网络改进设计； 识别每一相应热交换器网络设计中的正跨越最佳夹点交换热的每一热工艺物流-冷工艺物流组合，所述最佳夹点定义一个或一个以上跨越夹点热交换条件；执行以下重新匹配技术中的一者或一者以上以去除每一相应热交换器网络设计中的任何跨越夹点热交换条件将受影响热连接到不同冷工艺物流以及在所述夹点以上和以下添加额外热交换器单元；以及 分析每一相应热交换器网络设计中的所得结构以确定连续改进的可行性以借此形成所述最佳热交换器网络改进项目序列。
21.根据权利要求20所述的方法，其中不对具有热工艺物流最小接近温度的热工艺物流-冷工艺物流组合执行所述重新匹配的步骤，所述热工艺物流最小接近温度导致热物流供应温度至少大体等于冷物流目标温度且至少大体等于热物流和冷物流热容量流动速率。
22.根据权利要求20或21中任一权利要求所述的方法，其进一步包括在执行所述一个或一个以上重新匹配技术以去除每一相应热交换器网络设计中的任何跨越夹点热交换条件之后执行以下步骤中的一者或一者以上 重新匹配所述多个工艺物流中的一者或一者以上以在一个或一个以上非工艺夹点存在时考虑所述一个或一个以上非工艺夹点；以及 重新匹配所述多个工艺物流中的一者或一者以上以在多个冷冻等级存在时考虑所述多个冷冻等级。
23.根据权利要求16到22中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于针对多个热交换器网络设计中的每一者执行以下步骤 递增地减小应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值以识别定义多个夹点位置的多个递增夹点位置移动； 识别所述相应热交换器网络设计中的跨越所述多个夹点位置中的选定一者交换热的热工艺物流-冷工艺物流组合，所述多个夹点位置定义跨越夹点热交换条件；以及 执行工艺条件操纵、最小温度接近值操纵或工艺条件操纵和最小温度接近值操纵两者以将所述夹点位置移动到完全在与所述跨越夹点热交换条件相关联的热物流和冷物流温度以上或完全在与所述跨越夹点热交换条件相关联的热物流和冷物流温度以下。
24.根据权利要求16到23中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于针对多个热交换器网络设计中的每一者执行以下步骤 递增地减小应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值以识别定义多个夹点位置的多个递增夹点位置移动； 执行工艺条件操纵、最小温度接近值操纵或工艺条件操纵和最小温度接近值操纵两者以将当前夹点位置移动到所述多个夹点位置中的选定不同一者；以及 识别所述相应热交换器网络设计中的跨越所述多个夹点位置中的所述选定一者交换热的热工艺物流-冷工艺物流组合，所述多个夹点位置定义跨越夹点热交换条件；以及执行工艺条件操纵、最小温度接近值操纵或工艺条件操纵和最小温度接近值操纵两者以矫正所述跨越夹点热交换条件。
25.根据权利要求16到24中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 在构造满足所述所要废能回收的对应的预期热交换器网络设计之前，识别控制与满足废能回收的所要增加的当前热交换器网络设计相关联的一个或一个以上夹点位置移动的所述多个工艺物流中的一者或一者以上；以及 识别与所述一个或一个以上夹点位置移动相关联的一个或一个以上物流特定转折点温度中的每一者。
26.根据权利要求16到25中任一权利要求所述的方法，其中所述确定最佳热交换器网络改进项目序列的步骤包含 接收指示一组物流特定最小温度接近值的上限和下限的最小温度接近值数据，物流特定最小温度接近值的所述上限为可根据所述现有热交换器网络的当前结构达到的值，物流特定最小温度接近值的所述下限为与将在用于所述设施的所述热交换器网络的所述使用寿命的结束时的未来日期处实行的最后改进项目相关联的下界设定，所述最后改进项目定义所述未来热交换器网络改进项目； 系统地减小用于所述多个热工艺物流中的每一单独者的所述上限与所述下限之间的所述最小温度接近值；以及 响应于最小温度接近值的所述系统减小而确定识别工艺夹点位置范围的工艺夹点范围区间。
27.根据权利要求16到26中任一权利要求所述的方法，其中所述确定最佳热交换器网络改进项目序列的步骤包含 接收指示一组物流特定最小温度接近值的上限和下限的最小温度接近值数据，物流特定最小温度接近值的所述上限为可根据所述现有热交换器网络的当前结构达到的值，物流特定最小温度接近值的所述下限为与将在用于所述设施的所述热交换器网络的所述使用寿命的结束时的未来日期处实行的最后改进项目相关联的下界设定，所述最后改进项目定义所述未来热交换器网络改进项目；以及 响应于所述最小温度接近值数据确定，识别用于工艺条件和热交换器网络设计修改的所有预期组合的工艺夹点位置范围的工艺夹点范围区间。
28.根据权利要求16到27中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤识别其物流特定最小温度接近值调整将对废能回收不具有实质直接影响的一个或一个以上热工艺物流；以及 识别其物流特定最小温度接近值调整将不导致所述夹点位置的移动的一个或一个以上热工艺物流。
29.根据权利要求16到28中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 针对所述多个热工艺物流中的每一单独者执行以下步骤 递增地减小与其相关联的所述物流特定最小温度接近值，以及针对相关联的物流特定最小温度接近值的每一递增减小执行温度效应分析；响应于对所述多个热工艺物流中的每一者执行的所述温度效应分析，识别所述多个热工艺物流中的对废能回收问题具有最闻影响的一者；以及 在进入设计修改阶段之前，确定满足一个或一个以上所要废能回收目的的最佳最小温度接近值设定。
30.根据权利要求16到29中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 递增地减小应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值以识别定义多个不同夹点位置的多个递增夹点位置移动以借此定义用于热交换器网络设计问题的多个热交换器网络改进设计变化；确定与具有对应的不同夹点位置的所述多个热交换器网络改进设计变化中的每一单独者相关联的所需热交换器单元的最小数目；以及 确定提供热交换器单元的所述最小数目的最佳夹点位置。
31.根据权利要求16到30中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 递增地减小应用于所述多个热工艺物流中的一者或一者以上的物流特定最小温度接近值以识别定义多个不同夹点位置的多个递增夹点位置移动；以及确定针对一组给定工艺条件提供所述最大废能回收的最佳夹点位置。
32.根据权利要求16到31中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 确定某一热交换器网络设计中的所需热交换器单元的最小数目； 确定使用比所需热交换器单元的最小数目少的热交换器单元对废能回收的影响；确定根据所述某一热交换器网络设计所述多个热工艺物流中的一者或一者以上与所述多个冷工艺物流中的一者或一者以上之间的错误匹配对废能回收的所述影响；以及确定热交换器单元相对于资本成本具有对于所述某一热交换器网络设计而言并非最佳热交换器单元表面积对废能回收的所述影响。
33.根据权利要求16到32中任一权利要求所述的方法，其进一步特征在于以下步骤 确定需要添加到某一热交换器网络设计以在现有工艺条件和物流特定最小温度接近值下达到当前废能回收能力的热交换器单元的最小数目。
34.根据权利要求16到33中任一权利要求所述的方法，其进一步包括执行以下步骤中的一者或一者以上 通过对识别为控制用于某一热交换器网络设计的夹点位置的一个或一个以上工艺物流的工艺条件修改来移动所述夹点位置；以及 通过对识别为控制所述夹点位置的所述一个或一个以上工艺物流的最小温度接近值修改来移动所述夹点位置。
35.根据权利要求16到34中任一权利要求所述的方法，其进一步包括以下步骤中的一者或一者以上 当所要能量目的指示热交换器网络设计仅具有以下公用工程种类中的一者而非两者时定义隐含夹点加热公用工程和冷却公用工程；以及 识别设计增强情形，其中应用于所述现有热交换器网络且经呈现以满足最终能量回收改进目的的热交换器网络设计问题在优化分析期间变成阈值问题。
全文摘要
本发明提供用于管理/评定用于工业设施的热交换器网络能量效率和改进的方法。方法的实施例可包含执行各种步骤/操作的执行，所述步骤/操作包含用于确定在满足当前所要废能回收目的的当前热交换器网络改进项目与满足最终废能回收目的的未来热交换器网络改进项目之间延伸的最佳热交换器网络改进项目序列的步骤/操作。所述热交换器网络改进项目序列可经配置以使得所述热交换器网络改进项目序列内的每一后续项目不与所述热交换器网络改进项目序列内的先前项目中的任一者矛盾。
文档编号G06F17/50GK102939605SQ201180026273
公开日2013年2月20日 申请日期2011年4月20日 优先权日2010年4月26日
发明者马哈茂德·巴西耶·诺伦丁 申请人:沙特阿拉伯石油公司