过程工厂中的换热器网络热回收优化

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。

说明书

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^TM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ASCO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(RTO+)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。

附图说明

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PROFIBUSWORLDFIPDevice-NetAS-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^TM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^TM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、沥青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(pumparounds)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-1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、I/O设备169和170以及换热器164一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^TM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_c)、冷流体入口温度(T_c，in)、冷流体出口温度(T_c，out)、冷流体入口压力(P_c，in)、冷流体出口压力(P_c，out)、热流体流速(F_h)、热流体入口温度(T_h，in)、热流体出口温度(T_h，out)、热流体入口压力(P_h，in)和热流体出口压力(P_h，out)。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(ΔT)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T_in和出口温度T_out的绝对温度变送器来进行测量。因此，

ΔT＝T_in-T_out               (公式1)

进一步地，ΔT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T_in和T_out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T01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＝m_c·C_c·ΔT_c＝m_h·C_h·ΔT_h  (公式2)

这里m_c和m_h是冷和热流体的质量-流速，C_c和C_h是冷和热流体的比热容(其在一小范围上假定为恒定的)，ΔT_c和ΔT_h是冷和热流体的温差，且ΔT_c＝T_c，out-T_c，in和ΔT_h＝T_h，in-T_h，out。C_c和C_h(C_p)在短的时间段内通常是恒定的，并且对于给定的应用，项C_c和C_h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：

$\mathrm{LMTD}=\frac{\Delta t_1-\Delta t_2}{\ln (\Delta t_1/\Delta t_2)}$(公式4)

其中，对于并流式或者同流式换热器：

Δt₁＝t_h，in-t_c，in，Δt₂＝t_h，out-t_c，out    (公式5)

而对于逆流式换热器：

Δt₁＝t_h，in-t_c，out，Δt₂＝t_h，out-t_c，in    (公式6)

尽管公式3中的A可以从产品资料文件中获得，但U可能难以通过分析确定。然而，U和A可以合起来作为单个变量，综合的总传热速率。

图5示意性地表示包括例如热裂化和/或蒸馏的提炼过程310的炼油厂300，其可以实现多个包括块180的换热器164，以提供具有用于在原油进入加热器112之前将其预热的多个路径的换热器网络。原油输入线路312将原油传输到炼油厂300。尽管所述网络被示为在每个路径中具有单个的换热器164，但可以通过在并行的路径中布置的一系列换热器164来预热原油，其例子在下面进行更详细的示出。在预热以后，原油通过中间线路316被传输给提炼过程(其可以包括图2A-2C的加热器112)。在提炼过程之后，例如馏出物的精炼产品保持着来源于预热过程和提炼过程的显热。这些精炼产品通过传输线路318被传输回换热器164，其中一些显热被从精炼产品传递到进入的原油。在通过换热器164进行循环之后，精炼产品被传输穿过工艺流体输出320以用于进一步的处理和/或销售。

图6示意性地表示在图5中被标记为322的方框中所包括的并行路径热回收最大化装置系统300，并被提供为相比于图2B和2C中所表示的那些换热器网络的简化换热器网络例子。在该例子中，在多个并行路径中串行提供多个换热器。本领域技术人员将认识到可以提供包括不同数目的并行路径，以及在每个串行路径中不同数目的换热器的不同换热器网络，其可以提供具有并行和串行布置的复杂路径。每个换热器输入线路312包括控制阀330。控制阀330调节通过换热器164的原油流量。每个控制阀330可操作地连接到控制器332，该控制器332打开和关闭控制阀以设置通过每个换热器164的原油的期望流速。每个换热器路径的下游是例如温度计或恒温器的温度传感设备334。温度传感设备334测量流出每个换热器164的原油的温度，或者对路径中的一系列换热器164来说，测量流出所述路径中最后的换热器164的原油温度。温度传感设备334将温度信息发送到控制器332。每个换热器164也包括精炼产品流量控制阀336。精炼产品流量控制阀336控制通过换热器164的精炼产品的流速。控制器332相互独立地控制每个控制阀330和336，并且基于流出每个换热器164的原油的各自的温度读数来调整每个控制阀330和336。

由于随着时间的推移而出现的换热器164之间的效率差异，控制器332通过根据每个换热器的效率来平衡进入换热器164中的原油流速来优化热回收。控制器332在例如变化的流速、变化的原油输入温度和变化的原油质量的状况的广泛范围内维持最佳热回收。控制器通过被称为增量成本均衡(ICE)的负荷配置来完成最大化。优化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)。相应地，在ICE中，控制器332将负荷从较高增量成本的(即，较不有效的)换热器164转移到较低增量成本的(即，更有效的)换热器164。

虽然一些以前的负荷配置使用了用于把成本计算为负荷的函数的方法，但是不存在用于把效率计算为负荷的函数的显式表达式或模型。相反，以前的负荷配置表达式或模型是以经验为主开发的且拟合成三次多项式，并且关于负荷求导以获得增量成本的显式模型。然而，换热器效率可以类似于上面如公式2所给定的来进行表达，公式2是将每个路径的热回收描述为进料(也被称为负荷)的函数的显函数。通过关于进料对公式2求导，例如图5和6中所示的用于预热原油的多个并行路径或多个换热器系统的增量成本可以通过下面的公式来确定：

$I.C.=\frac{\mathrm{\delta q}}{\mathrm{\delta m}}{C}_p(T_{\mathrm{Out}}-T_{\mathrm{In}})$(公式7)

因为对于每个并行路径来说C_p和T_In是相等的，所以控制器332只需要均衡T_out以最大化热回收。举例来说，参考图2C，T01＝T02、T03＝T04、T05＝T06＝T07、T08＝T09＝T10＝T11、T12＝T13、T14＝T15、T16＝T17、而F01＝中间线路316中的最终温度。然而，在一些情况下，过程约束条件会禁止均衡输出温度。正如许多优化器的情况一样，应该实施对原油(“冷”)端和“热”端上的最低和最高流量和温度的约束条件。举例来说，换热器164也许需要最低和/或最高流速以防止对换热器164的损害。当试图均衡输出温度时，控制器332通过确保个别的流速保持在由最低和最高流速限定的范围之内来遵守这种限制。此外，控制器332可以包括阻尼例程以防止可能会使下游提炼过程复杂化的、出口温度中的过度控制和/或控制器引起的振荡。相应地，可以开发在下面进一步描述的例程，以监控每个换热器164或换热器路径的输出温度，并相应地调整流速以按需均衡每个换热器164或换热器路径的输出温度。

与已知的优化器系统相比，所公开的热回收最大化装置系统300更灵敏且更有效，因为系统300测量和调整每个换热器164或换热器路径的输出温度，从而实现热回收的更高的总体效率。在重新加入所述流之后(例如，在中间线316中)，大部分其它的优化器使用“搜索例程”来查找最佳混合温度。然而，典型炼油厂的动态(dynamics)使得小的变化可能不会导致指示热回收的改进或恶化的混合温度方面的明显变化，而较大的变化导致极限环(limit cycling)。另一方面，上述的并在下面进一步描述的方法不一定需要任何关于在“热”端发生了什么的信息，并且在确定解决方案之前不必等候通过系统传送的变化。也就是说，每个并行路径的出口温度中的差异可被用于优化系统中的热回收，如公式6和公式7所示，而不必等候足以指示热回收中的低效率的变化在系统中的其它地方(例如，在中间线路316中或在过程中晚些时候)发生。

图7示出逻辑例程400的例子，其可以例如被图6的控制器332用作块180中的优化例程182的一部分。然而，应该理解，逻辑例程400可被实现于过程控制系统的任何部分中，并且控制器332中的实现仅仅是举例而已。逻辑例程400也可以被实现为换热器164、换热器网络、过程工厂10的一部分150、蒸馏系统100、过程控制系统等的模型的一部分。同样地，逻辑例程400可以被实现为更大的过程控制例程的一部分。

参考例程400，在块460，为了在并行路径之中均衡输出温度T_out并优化热回收，控制器332可以从每个换热器164或换热器路径(图6)的输出流中的温度传感设备334(图6)中获取输出温度T_out读数。类似于上面讨论的温差(ΔT)，输出温差可以由(1)横跨换热器164或换热器路径以直接测量温差(ΔT_out)的温差变送器或者(2)测量在每个换热器或每个换热器路径上的出口温度T_out的绝对温度变送器来进行测量。图7的例程400展示后者的情况，其中在块462中，控制器332计算在每个并行路径或换热器164的输出温度读数之间的差。

在步骤464，控制器332计算将均衡输出温度的每个换热器(以及，推而广之，通过其中一些由温度控制器TC控制的流控制器/阀门FC的每个换热器路径)所需的流速。举例来说，如公式2和公式7中所示，应该理解，在流速m和出口温度T_out之间存在关系，并且流速m的调整将引起在出口温度T_out方面的变化。

然而，如上所述，可以提供对于最低和/或最高流量的过程约束条件以免损坏换热器164。相应地，控制器332可以遵守这些流速限制并将每个换热器164的流速维持在由最低和最高流速预先限定的范围内。举例来说，在块466，控制器332比较计算出的流速与预设的最低和最高流速。如果计算出的流速超出约束条件参数的范围(即，由最低和最高流速设置的范围)，则接着在块468，控制器332增加或减小计算出的流速，以使计算出的流速仍然在预设的最低和最高流速之间。一旦计算出的流速根据需要已被确定，并根据需要已被调整为在最低和最高流速约束条件的范围内，则控制器332可以发送信号给控制阀(图6中的330、336)，以设置通过各个换热器164(或换热器路径)的各自流速，借此来实现系统中热回收的优化。

同样如上面所讨论的，控制器332可以包括阻尼例程，以防止出口温度中的过度控制和/或控制器引起的振荡。特别是，优化例程应该慢慢地和逐渐地起作用，以便防止在过程中造成额外的可变性。下游的提炼过程中的额外可变性或振荡可能引起额外的问题，这些问题不能在过程的“热”端(即，下游的提炼过程)借助于控制被容易地减轻。相应地，在块472，控制器332可以执行例如延迟的阻尼例程以防止过度控制。阻尼例程可以在控制器接下来重新执行步骤460-470之前包括从几秒到几分钟的任意长度的延迟。

上面描述的涉及在换热器网络中热回收最大化的例子是带着这样的理解而公开的，即所公开的系统、方法和技术的实施不局限于这种上下文。相反地，所公开的系统、方法和技术非常适合与任意诊断系统、应用、例程、技术或规程一起使用，包括具有不同的组织机构、组件布置或者离散部件、单元、组件或项的其它集合的、有能力选择监控和数据收集等的那些诊断系统、应用、例程、技术或规程。指定在诊断中使用的过程参数的其它诊断系统和应用等也可以基于此处描述的系统、方法和技术来进行开发，或者要不然受益于此处描述的系统、方法和技术。对这些参数的此类个别的指定可用于定位、监控和存储与此相关的过程数据。此外，所公开的系统、方法和技术不必仅仅结合过程控制系统的诊断方面来使用，特别是当这种方面还有待于开发或处于开发的初期时。相反地，所公开的系统、方法和技术非常适合与过程控制系统、过程工厂或过程控制网络等的任意元件或方面一起使用。

此处描述的方法、过程、规程和技术可以利用硬件、固件和软件的任意组合来实现。因此，根据需要，此处描述的系统和技术可以在标准的多功能处理器中实现或利用特别设计的硬件或固件来实现。当以软件来实现时，软件可以存储在任意计算机可读存储器中，例如存储在磁盘、激光盘或其它存储介质上以及存储在计算机、处理器、I/O设备、现场设备或接口设备等的RAM或ROM或闪存中。同样地，软件可以通过任意已知或期望的配送方法来配送给用户或过程控制系统，包括，举例来说，在计算机可读磁盘或其它便携式计算机存储机制上进行配送或通过通信介质进行配送。通信介质一般在例如载波或其它传送机制的调制数据信号中包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据。术语“调制数据信号”是指一种信号，其具有以在该信号中对信息编码的方式被设置或改变的一个或多个特征。通过举例而不是限制的方式，通信介质包括例如有线网或直接连线的连接的有线介质以及例如声音、射频、红外线及其它无线介质的无线介质。因此，软件可以通过例如电话线和因特网等的通信信道(其被视为与通过便携式存储介质来提供这种软件相同或可互换)来配送给用户或过程控制系统。

因此，虽然本发明已经参考旨在只是说明性的而非限制本发明的具体例子进行了描述，但对本领域普通技术人员来说显而易见的是，可以不脱离本发明的精神和范围而对所公开的实施例进行改变、添加或删除。