【干货】全球炼化领域优化技术现状及发展趋势

④换热网络模拟优化技术及软件

换热网络优化自上世纪60年代起作为过程设计综合的一个子问题而引起重视，许多研究者对换热网络的综合优化问题进行了深入研究并用于工程实际，取得了显著的经济效益。

换热网络优化方法主要包括夹点技术、数学规划和人工智能。其中，夹点技术是Linnhoff于1982年提出的。该技术立足于热力学第二定律，主要用于换热网络综合优化。该技术从能量回收有极限值的观点出发，通过组合温焓曲线或问题表找出能量回收的瓶颈，建立最大限度能量回收的初始网络，进行投资费用与运转费用的权衡，对网络进一步调优，得到一个最优换热网络。1986年，Linnhoff和Ahmad及Floudas等两组研究人员独立地提出了求解换热网络优化最优夹点温差的不同方法，前者称为“超目标法”（Supertargeting）；1992年，尹清华、华贲等人提出不考虑流动有效能损失及匹配单元优化可能会导致所求出的解并非真正的最优夹点温差，并详细论证了同时考虑流动有效能损失、匹配单元优化及传热强化对最优夹点温差的影响，提出了改进的优化策略；Challand等（1981年）和Clbert（1982年）提出的双最小换热温差法中，组合曲线的最小换热温差取为HRAT，用以决定外供能量值，而合成网络时，个别换热单元的换热温差取为E-MAT，且EMAT

数学规划研究方面，Grossmann等提出了混合整数非线性规划模型，减少了网络结构的复杂性；Kwok-YuenCheung等对投资费用与面积的关系进行细化研究，提出两者之间的非连续函数。

人工智能研究方面，主要开展了专家系统合成网络方法以及智能法合成换热网络方法的研究。此外，李志红等提出了人工智能和数学规划集成的方法，建立了换热网络结构和匹配单元同时优化的数学模型，并提出运用分解协调法求解该模型。

基于以上模拟优化技术，国内外开发的换热网络模拟优化软件包括：SimSci公司的HEXTRAN、Aspen公司的HX-NET、KBC公司的SuperTarget、青岛化工学院的HENSV2.0和优华技术公司的ODHEN等。

HEXTRAN是SimSci公司开发的换热器设计与网络优化软件，投入市场应用已有20余年。SuperTarget软件由Linnhoff等人开发，以夹点技术为模型基础，可进行过程、塔、界区等3方面的热集成，给出热回收的最佳经济指标和设计最有效的换热网络，以降低运营成本。HENSV2.0换热网络软件由青岛化工学院采用数据库、过程模拟、专家系统等技术开发而成，可用于换热网络最优合成、换热网络分析、换热器最优设计和换热网络流程模拟等。该软件在网络最优合成上采用人工智能法解决了一次实现最优合成的问题；在网络分析上采用线性规划法计算得到进出换热器的最佳温度，从而使热回收量最大；在换热器最优设计上采用了人工智能技术，在网络的流程模拟上采用了柔性序贯技术。优华技术公司的ODHEN是在夹点技术基础上开发的换热网络最优化合成设计工具软件，可根据技术经济参数和相应的物流、物性数据自动搜索到最优夹点温差△Tmin,opt初值，并生成夹点温差与操作费用、设备费用和总费用的关系图；可在物流线上直接存取物流数据及按最优传热温差方法进行物流匹配；可将匹配结果生成“单台换热器优化选型软件”的输入文件，对各换热单元进行优化选型。

⑤公用工程系统模拟优化技术及软件

公用工程系统优化的主要方法包括层次分解法和数学规划法。其中，“顶层分析法”（TopLevelAnalysis）先进行公用工程系统的用能诊断，寻找出全局节能的潜力所在，充分发挥公用工程系统的各种剩余热负荷（剩余蒸汽）转化途径作用，使剩余热发挥最大效益；范继宽等人提出的改进的顶层分析法，对公用工程系统剩余热的热功转化途径进行了分析和改进。Papoulias首先提出公用工程系统的混合整数非线性规划（MixedIntegerNon-linearProgramming,MINLP）模型，利用超结构来表示公用工程系统的所有备选设计，在优化过程中选择最佳流程；邱庆刚等人基于求解大型复杂MINLP模型的混合进化算法，对大型石油化工企业复杂公用工程系统的结构和参数同步优化综合的方法进行了研究；张健等人提出了一种系统化的基于动力模块的MINLP过程优化综合方法，将超结构图分解成特定的几种设备联接类型，从而将超结构图的拓扑结构转化成基于逻辑的混合整数规划模型。

目前，开发的商业化公用工程系统优化模拟优化软件主要包括：Aspen公司的AspenUtilities、KBC公司的ProSteam和OptiSteam、Shell公司的SmartUtil、美国Soteica公司的VisualMESA等。

AspenUtilities软件主要从生产运营方面对供能方和用能方进行优化和管理，包括UtilitiesPlanner（公用工程计划器）、UtilitiesOperations（公用工程运营管理器）和ECM（EnergyCostManager，能量管理成本器）3个软件工具。其中，AspenUtilitiesPlanner是基于混合整数规划和过程模拟的离线优化工具，可基于工厂运营用能数据，建立以客户模型为基础的公用工程系统严格模拟模型，对公用工程的供能生产进行离线优化；同时通过与计划和调度工具的联合使用，形成一个对应于生产计划的包括公用工程采购、生产和分配的最佳计划，帮助企业按照生产的要求来管理优化公用工程系统。AspenUtilitiesOperations是在线应用工具，通过采集有关工艺单元能量需求和公用工程设备性能的实时数据并进行数据整合，动态提出最合适的能量供应策略，通过实时优化公用工程系统的管理绩效，实现对生产过程变化的能源供应调整。

ProSteam是KBC公司开发的蒸汽动力系统模拟软件，利用Excel作为平台，内含大量工程计算模块，便于工程技术人员的使用和开发。OptiSteam则是该公司为西班牙石油公司（CEPSA）下属的Gibraltar炼厂公用工程系统开发的一套优化模型，不但能处理公用工程系统的物理复杂性，还能解决公用工程系统购销合同方面的复杂事务。该软件包含蒸汽管网、燃料、蒸汽透平、锅炉、燃气轮机和其它设备的操作及相关热动力学原理，将混合整数线性规划（MILP）技术和非线性规划（NLP）技术相结合，可以找到满足工艺要求并受物质条件和设备可用性严格制约的最低成本运行数据，具有在线和离线运行功能。该软件2003年用于Gibraltar炼厂的公用工程购销合同管理、锅炉和加热炉的燃油或燃气优化、公用工程系统可控参数筛选等，仅2003年下半年已进行了350次优化运行，模型预测平均降低操作成本3%左右。

Shell公司开发的SmartUtil软件采用经济最优化模型，用给定的能源价格以及分析设备之间的关系对公用工程相关节点进行评价和优化，可实现在满足设备生产能力约束条件下，耗费最少燃料生产所需要的水、电、汽等公用产品，降低公用工程成本。