DE102010035964A1

DE102010035964A1 - Optimierung der Wärmerückgewinnung in einem Wärmetauschnetzwerk in einer verfahrenstechnischen Anlage

Info

Publication number: DE102010035964A1
Application number: DE102010035964A
Authority: DE
Inventors: Louis W. Austin Heavner III
Original assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Current assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2011-03-03
Also published as: GB2473132A; JP2011054163A; CN102003909B; GB201014261D0; GB2473132B; US20110054703A1; US8452459B2; JP5701543B2; CN102003909A

Abstract

Ein Verfahren und ein System zur Maximierung der Wärmerückgewinnung in einem Wärmetauschnetzwerk umfassen das Erfassen von Online-Prozessdaten von einem Netz von Wärmetauschern mit mehreren parallelen Pfaden. Die Online-Prozessdaten werden aus Austrittstemperaturen der kühlen Prozessströme der Pfade erfasst.
Stromdurchflussratenzielwerte werden basierend auf den Online-Prozessdaten entwickelt und umfassen vorgesehene Durchflussraten durch jeden Wärmetauscher, um jede der Austrittstemperaturen der kühlen Prozessströme auszugleichen. Ein oder mehrere Ventile zum Regeln des Durchflusses der kühlen Ströme des Wärmetauschernetzwerks und ein oder mehrere Ventile zum Regeln des Durchflusses der heißen Prozessströme des Wärmetauschernetzwerks werden basierend auf den Durchflussratenzielwerten gesteuert, um einen Ausgleich der Austrittstemperaturen der kühlen Prozessströme zu bewirken.

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Offenbarung
Die Offenbarung betrifft im Allgemeinen Prozesssteuersysteme und insbesondere Wärmerückgewinnungsmaximierer für Ölraffinerien mit mehreren parallelen Wärmetauschern.
Verwandte Technik
Prozesssteuersysteme, wie sie in Chemie-, Erdöl- oder anderen Prozessen verwendet werden, umfassen normalerweise eine oder mehrere zentrale oder dezentrale Prozesssteuerungen, die mit wenigstens einer Host- oder Bediener-Workstation kommunikativ verbunden sind. Die Prozesssteuerungen sind über analoge, digitale oder kombinierte Analog-Digital-Busse normalerweise auch mit Prozesssteuer- und -messgeräten wie beispielsweise Feldgeräten verbunden. Feldgeräte, bei denen es sich um Ventile, Ventilpositionierer, Schalter, Transmitter und Sensoren (z. B. Temperatur-, Duck- und Durchflusssensoren) handeln kann, sind innerhalb der Umgebung einer verfahrenstechnischen Anlage angeordnet und führen innerhalb des Prozesses solche Funktionen wie beispielsweise das Öffnen und Schließen von Ventilen, Messen von Prozessparametern, Erhöhen oder Verringern von Durchflüssen usw. aus. Intelligente Feldgeräte wie beispielsweise Feldgeräte, die dem allgemein bekannten FOUNDATIONT^TM Fieldbus (im Folgenden ”Fieldbus”)-Protokoll oder dem Highway Addressable Remote Transmitter (HART^®)-Protokoll entsprechen, können auch Steuerungsberechnungen, Alarmfunktionen und andere Steuerfunktionen ausführen, die üblicherweise in der Prozesssteuerung implementiert sind.
Die Prozesssteuerungen, die normalerweise innerhalb der Umgebung einer verfahrenstechnischen Anlage angeordnet sind, empfangen Signale, die von den Feldgeräten vorgenommene Prozessmessungen oder den Feldgeräten zugeordnete Prozessvariable und/oder sonstige Informationen in Bezug auf die Feldgeräte anzeigen, und führen Steuerungsanwendungen aus. Die Steuerungsanwendungen implementieren zum Beispiel verschiedene Steuermodule, die Prozesssteuerungsentscheidungen treffen, erzeugen auf den empfangenen Informationen basierte Steuersignale und stimmen sich mit den Steuermodulen oder -blöcken ab, die in den Feldgeräten wie beispielsweise HART^®- und Fieldbus-Feldgeräten ausgeführt werden. Die Steuermodule in den Prozesssteuerungen senden die Steuersignale über die Kommunikationsleitungen oder Signalpfade an die Feldgeräte, um dadurch den Prozessbetrieb zu steuern.
Die Informationen von den Feldgeräten und den Prozesssteuerungen werden normalerweise einer oder mehreren Hardwarevorrichtungen wie beispielsweise Bediener-Workstations, Wartungs-Workstations, Personalcomputern, handgeführten Vorrichtungen, Data-Historians, Reportgeneratoren, zentralen Datenbanken usw. zur Verfügungen gestellt, um das Bedienungs- oder Wartungspersonal zu befähigen, gewünschte Funktionen in Bezug auf den Prozess auszuführen, wie beispielsweise das Ändern von Einstellungen der Prozesssteuerroutine, Modifizieren der Funktionsweise der Steuermodule in den Prozesssteuerungen oder den Feldgeräten, Anzeigen des aktuellen Zustand des Prozesses oder von bestimmten Vorrichtungen in der verfahrenstechnischen Anlage, Anzeigen von Alarmen, die durch die Feldgeräte und Prozesssteuerungen erzeugt werden, Simulieren des Prozessbetriebs zur Schulung von Personal oder Prüfung der Prozesssteuerungssoftware sowie Diagnostizieren von Problemen oder Hardware-Fehlern in der verfahrenstechnischen Anlage.
Obwohl eine typische verfahrenstechnische Anlage viele Prozesssteuer- und -messgeräte wie beispielsweise Ventile, Transmitter, Sensoren usw. aufweist, die an eine oder mehrere Prozesssteuerungen angeschlossen sind, gibt es noch viele weitere Unterstützungsvorrichtungen, die ebenfalls für den Prozessbetrieb oder im Zusammenhang damit erforderlich sind. Diese Zusatzvorrichtungen umfassen zum Beispiel Einrichtungen zur Energieversorgung, -erzeugung und -verteilung sowie drehende Einrichtungen wie beispielsweise Turbinen, Motoren usw., die in einer typischen Anlage an zahlreichen Stellen angeordnet sind. Obwohl diese Zusatzeinrichtungen nicht unbedingt Prozessvariable erzeugen oder verwenden und in vielen Fällen von keiner Prozesssteuerung gesteuert werden oder nicht einmal mit einer Prozesssteuerung verbunden sind, um den Prozessbetrieb zu beeinflussen, sind diese Einrichtungen dennoch wichtig für den korrekten Prozessbetrieb und letztendlich notwendig dafür.
Die Prozesssteuerung der Energieverwaltung ist von entscheidender Bedeutung für die gesamte Ölraffinerie-Industrie sowie andere Prozesssysteme. Typische Ölraffinerien umfassen ein Destillationssystem irgendeiner Art. Im Destillationssystem wird Rohöl zu einer Heizvorrichtung befördert, welche das Rohöl vor der Destillation erhitzt. Infolgedessen benötigen Rohölraffinerien einen großen Energieaufwand, da das Rohöl vor dem Destillieren erhitzt wird. Das Erhitzen des Rohöls ist notwendig, da sich heißes Rohöl leichter in seine destillierten Komponenten trennt. Außerdem erhöht das Erhitzen des Rohöls den Wirkungsgrad und verringert den Brennstoffverbrauch vieler Raffinationsprozesse. Da das Rohöl erhitzt wird, enthalten die Destillationsprodukte sensible Wärme aus dem Destillationsprozess. Sensible Wärme ist die Wärme, die bei einer Temperaturänderung (entweder einem Anstieg oder Abfall) im Strom auf den oder aus dem Produktstrom übertragen wird. Diese sensible Wärme ist potenziell nutzbare Energie, die, wenn genutzt und wiederverwendet, die Effizienz des Destillationsprozesses fördern könnte. Daher umfassen die meisten Ölraffinerien irgendeine Art eines Wärmerückgewinnungssystems wie zum Beispiel Wärmetauscher. Wärmetauscher übertragen einen Teil der sensiblen Wärme von den Destillationsprodukten auf den Rohölstrom vor der Destillation. Dadurch verringert der Wärmetauscher die Brennstoffmenge, die zum Vorheizen des Rohöls auf eine vorbestimmte Temperatur benötigt wird.
Aufgrund der Größe und Komplexität der meisten modernen Ölraffinerien reicht ein einziger Wärmetauscher nicht aus, um ein vollständiges Vorheizen des Rohöls zu erreichen. Daher umfassen die meisten Ölraffinerien ein Netzwerk von Wärmetauschern, die verschiedene Rohölströme erhitzen. Diese Wärmetauschernetzwerke maximieren oder optimieren jedoch die Wärmerückgewinnung aus den Destillationsprodukten nicht, da die Wärmetauscher mit der Zeit infolge der Bildung von Flüssigkeitsablagerungen auf den Oberflächen der Wärmetauscher mit verschiedenen Wärmeübertragungswirkungsgraden arbeiten.
Außerdem verarbeiten die meisten modernen Ölraffinerien Rohöl unterschiedlicher Qualität und haben einen wechselnden Bedarf an Raffinaten. Die Bildung von Flüssigkeitsablagerungen, die unterschiedliche Rohölqualität und der wechselnde Bedarf an Raffinaten setzen jeweils den Wirkungsgrad von bekannten Wärmetauschersystemen herab. Alternativ können die Wärmetauscher heiße Prozessflüssigkeitsströme, die gekühlt werden müssen, als Teil eines sekundären Prozesses verwenden, um das Rohöl vorzuheizen und den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen. Es werden einige Prozessdesigntechniken verwendet, um die Wärmetauscher zu bestimmen, welche die Wärmerückgewinnung gemäß den Kriterien des Raffineriedesigns maximieren. Nach dem Bau der Raffinerie muss das Prozesssteuersystem im Allgemeinen die Leistungsfähigkeit der Raffinerie im Rahmen gegebener technischer und wirtschaftlicher Beschränkungen optimieren. In einigen Fällen muss der Optimierer der Wärmerückgewinnung aus der Rohölbeschickung imstande sein, die Wärmerückgewinnung für eine spezifizierte Rohöleinsatzrate unter wechselnden Bedingungen zu maximieren. Der Optimierer muss oft von angemessener Wirtschaftlichkeit sein, da viele Raffinerien verhältnismäßig klein sind und eine große Anzahl an Instrumenten und Regelventilen nicht rechtfertigen können. Außerdem sollte der Optimierer angesichts der Vielfalt der Prozesssteuersysteme in den verschiedenen Raffinerien leicht zu implementieren sein.
Viele verfahrenstechnische Anlagen wie beispielsweise Ölraffinerien umfassen Geräteüberwachungs- und -diagnoseanwendungen, wie beispielsweise die von CSI Systems bereitgestellte Anwendung Machinery Health^®, oder beliebige andere bekannte Anwendungen, die den Betriebszustand verschiedener drehender Einrichtungen überwachen, diagnostizieren und optimieren. Das Wartungspersonal verwendet diese Anwendungen üblicherweise zur Wartung und Überwachung der Leistung von drehenden Einrichtungen in der Anlage, um Probleme bei den Dreheinrichtungen festzustellen und zu bestimmen, warm und ob die drehenden Einrichtungen repariert oder ersetzt werden müssen. Ähnlich umfassen viele verfahrenstechnische Anlagen Energiesteuerungs- und -diagnoseanwendungen, wie sie beispielsweise von den Unternehmen Liebert und ASCO bereitgestellt werden, um die Einrichtungen zur Energieerzeugung und -verteilung zu steuern und zu warten. Außerdem ist das Ausführen von Steuerungsoptimierungsanwendungen, wie beispielsweise Echtzeit-Optimierern (RTO+), in einer verfahrenstechnischen Anlage zur Optimierung der Steuerungstätigkeiten der verfahrenstechnischen Anlage bekannt. Diese Optimierungsanwendungen verwenden normalerweise komplexe Algorithmen und/oder Modelle der verfahrenstechnischen Anlage, um vorherzusagen, wie viele Vorgaben geändert werden können, um den Betrieb der verfahrenstechnischen Anlage in Bezug auf gewisse gewünschte Optimierungsvariable wie beispielsweise Profit zu optimieren.
Die meisten bekannten Wärmetauschoptimierersysteme verwenden eine Suchroutine zum Ermitteln einer optimalen Mischtemperatur nach der Wiedervereinigung der Rohölströme. Bei den bekannten Systemen führen geringfügige Änderungen des Wirkungsgrads eines Wärmetauschers möglicherweise zu keiner großen Änderung der Mischtemperatur, weshalb die bekannten Systeme diese geringfügigen Änderungen des Wirkungsgrads nicht berücksichtigen können. Geringfügige Änderungen des Wirkungsgrads können jedoch mit der Zeit zu großen Verlusten führen.
Diese und andere Diagnose- und Optimierungsanwendungen sind normalerweise auf einer systemübergreifenden Basis in einer oder mehreren der Bedienungs- oder Wartungs-Workstations implementiert und können dem Bedienungs- oder Wartungspersonal vorkonfigurierte Anzeigen in Bezug auf den Betriebszustand der verfahrenstechnischen Anlage oder der Vor- und Einrichtungen innerhalb der verfahrenstechnischen Anlage zur Verfügung stellen. Typische Anzeigen umfassen Alarmanzeigen, welche Alarme empfangen, die von den Prozesssteuerungen oder anderen Vorrichtung innerhalb der verfahrenstechnischen Anlage erzeugt werden, Kontrollanzeigen, welche den Betriebszustand der Prozessteuerungen und anderer Vorrichtungen innerhalb der verfahrenstechnischen Anlage anzeigen, Wartungsanzeigen, welche den Betriebszustand der Vorrichtungen innerhalb der verfahrenstechnischen Anlage anzeigen, usw. Gleichermaßen können diese und andere Diagnoseanwendungen das Bedienungs- oder Wartungspersonal in die Lage versetzen, einen Regelkreis neu abzustimmen oder andere Steuerungsparameter zurückzusetzen, einen Test an einem oder mehreren Feldgeräten durchzuführen, um den aktuellen Status dieser Feldgeräte zu bestimmen, oder Feldgeräte oder andere Einrichtungen zu kalibrieren.
KURZDARSTELLUNG
Es werden ein System und ein Verfahren zum Ermöglichen von Wärmerückgewinnung in einem Prozesssteuersystem mit der ausdrücklichen Prämisse des Maximierens der Wärmerückgewinnung in einem Wärmetauchernetzwerk offenbart. Insbesondere braucht nur die Austrittstemperatur von jedem Wärmetauscherpfad erfasst zu werden. Das System und das Verfahren erreichen die Maximierung durch eine als Mehrkostenausgleich (ICE für engl. Incremental Cost Equalization) bekannte Ladungszuweisung. Der Mehrkostenausgleich (ICE) funktioniert nach dem Prinzip, dass, wenn die Mehrkosten nicht gleich sind, die Ladung dann von der Einheit (Pfad) mit den höheren Mehrkosten zur Einheit (Pfad) mit den niedrigeren Mehrkosten verschoben werden sollte. Entsprechend wird die Ladung von einem Wärmetauscherpfad mit höheren Mehrkosten (d. h. niedrigerer Wirkungsgrad) zu einem Wärmetauscherpfad mit niedrigeren Mehrkosten (d. h. höherer Wirkungsgrad) verschoben. Die offenbarte Technik ist von einem expliziten Ausdruck oder Modell zur Berechnung des Wirkungsgrads als eine Funktion der Ladung abgeleitet. Die Gleichung berücksichtigt die Differenz der Eintritts- und Austrittstemperaturen jedes Wärmetauscherpfads und der Wärmekapazitäten der (des) Wärmetauscher(s) auf dem Pfad. Da die Wärmekapazitäten und Eintrittstemperaturen im Allgemeinen für jeden parallelen Pfad gleich sind, brauchen nur die Austrittstemperaturen ausgeglichen zu werden, um die Wärmerückgewinnung zu maximieren. Auf der Basis der Austrittstemperaturen können Durchflussratenziele für jeden Wärmetauscher zum Ausgleichen der Austrittstemperaturen berechnet und Steuervorgänge zum Erreichen der Zieldurchflussraten durchgeführt werden, um dadurch die Austrittstemperaturen auszugleichen und die Wärmerückgewinnung im Wärmetauschernetz zu maximieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm einer verfahrenstechnischen Anlage mit einem verteilten Prozesssteuersystem und -netzwerk, das eine oder mehrere Bedienungs- und Wartungs-Workstations, Steuerungen, Feldgeräte und Unterstützungseinrichtungen umfasst;
2A bis 2C sind schematische Darstellungen eines Abschnitts der verfahrenstechnischen Anlage von 1, die einen Prozess und ein System zur Ölraffination mit Wärmetauschernetzwerken, die ein System zur Wärmerückgewinnungsmaximierung gemäß den Lehren der Offenbarung verwenden können, veranschaulichen;
3 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Abschnitts der verfahrenstechnischen Anlage von 1, das die Kommunikationsverbindungen zwischen verschiedenen Komponenten eines Systems zur Wärmerückgewinnungsmaximierung darstellt, die in verschiedenen Elementen der verfahrenstechnischen Anlage mit einem Wärmetauscher angeordnet sind;
4 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines Abschnitts der verfahrenstechnischen Anlage von 1, die einen Mantelrohrwärmetauscher veranschaulicht;
5 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Prozesssteuersystems von 1, das ein Netzwerk von Wärmetauschern wie jene von 4 darstellt, die mehrere parallele Pfade bereitstellen;
6 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Prozesssteuersystems von 5, welches das Wärmetauschernetzwerk in Kommunikation mit einer Steuerung darstellt; und
7 ist ein Beispiel eines Ablaufdiagramms zur Wärmerückgewinnungsmaximierung in einem Wärmetauschernetzwerk wie in 6.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin werden eine Prozesssteuersystemarchitektur und ein Prozessteuerungsverfahren offenbart, die eine Technik zur Optimierung der Wärmerückgewinnung in einem Wärmetauschernetzwerk implementieren.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 umfasst eine beispielhafte verarbeitungstechnische Anlage 10, in der ein System zur Wärmerückgewinnungsmaximierung implementiert werden kann, eine Anzahl von Steuer- und Wartungssystemen, die zusammen mit Unterstützungseinrichtungen über ein oder mehrere Kommunikationsnetzwerke miteinander verbunden sind. Das Prozesssteuersystem 12 kann ein herkömmliches Prozesssteuersystem, wie beispielsweise ein PROVOX- oder RS3-System, oder ein beliebiges anderes Steuersystem sein, das eine Bedienerschnittstelle 12A umfasst, die mit einer Steuerung 12B und Eingangs-/Ausgangs (I/O)-Karten 12C verbunden ist, die ihrerseits mit verschiedenen Feldgeräten, wie beispielsweise analogen und HART^®-Feldgeräten 15, verbunden sind. Das Prozesssteuersystem 14, das ein verteiltes Prozesssteuersystem sein kann, umfasst eine oder mehrere Bedienerschnittstellen 14A, die über einen Bus, wie beispielsweise einen Ethernet-Bus, mit einer oder mehreren verteilten Steuerungen 14B verbunden sind. Bei den Steuerungen 14B kann es sich zum Beispiel um DeltaV^TM-Steuerungen, die von Emerson Process Management in Austin, Texas, vertrieben werden, oder beliebige andere gewünschte Steuerungstypen handeln. Die Steuerungen 14B sind über I/O-Vorrichtungen mit einem oder mehreren Feldgeräten 16, wie beispielsweise HART^®- oder Fieldbus-Feldgeräten, oder beliebigen anderen intelligenten oder nicht intelligenten Feldgeräten verbunden, die zum Beispiel solche umfassen, die ein beliebiges der PROFIBUS^®-, WORLDFIP^®-, Device-Net^®-, AS-Interface- und CAN-Protokolle verwenden. Die Feldgeräte 16 können bekanntlich die Steuerungen 14B mit analogen oder digitalen Informationen in Bezug auf Prozessvariable sowie andere Geräteinformationen versorgen. Die Bedienerschnittstellen 14A können Tools 17, 19 speichern und ausführen, die dem Prozesssteuerungsbediener zum Steuern des Prozessbetriebs zur Verfügung stehen und zum Beispiel Steuerungs-Optimierer, Diagnose-Experten, neuronale Netzwerke, Tuner usw. umfassen.
Ferner können Wartungssysteme wie beispielsweise Computer, welche die vorstehend beschriebene AMS^TM Suite: Intelligent Device Manager-Anwendung und/oder die nachstehend beschriebenen Überwachungs-, Diagnose- und Kommunikationsanwendungen ausführen, mit den Steuerungen 12 und 14 oder den einzelnen Vorrichtungen darin verbunden sein, um Wartungs-, Überwachungs- und Diagnosetätigkeiten durchzuführen. Zum Beispiel kann ein Wartungscomputer 18 über beliebige gewünschte Kommunikationsleitungen oder -netzwerke (einschließlich Drahtlos- oder Handgeräte-Netzwerke) mit der Steuerung 12B und/oder den Geräten 15 verbunden sein, um mit den Geräten 15 zu kommunizieren und in einigen Fällen diese neu zu konfigurieren oder andere Wartungstätigkeiten daran durchzuführen. Ähnlich können Wartungsanwendungen, wie beispielsweise die AMS^TM Suite: Intelligent Device Manager-Anwendung, in einer oder mehreren der dem verteilten Prozesssteuerungssystem 14 zugeordneten Benutzerschnittstellen 14A installiert sein und durch dieselbe(n) ausgeführt werden, um Wartungs- und Überwachungsfunktionen, einschließlich der Datenerfassung in Bezug auf den Betriebsstatus der Geräte 16, auszuführen.
Die verfahrenstechnische Anlage 10 kann auch verschiedene drehende Einrichtungen 20, wie beispielsweise Turbinen, Motoren usw., umfassen, die über eine ständige oder zeitweilige Kommunikationsverbindung (wie beispielsweise einen Bus, ein drahtloses Kommunikationssystem oder handgeführte Vorrichtungen, die zum Ablesen von Messwerten an die Einrichtungen 20 angeschlossen und dann entfernt werden) mit einem Wartungscomputer 22 verbunden sind. Der Wartungscomputer 22 kann eine beliebige Anzahl von Überwachungs- und Diagnoseanwendungen 23, einschließlich im Handel erhältlicher Anwendungen, wie sie beispielsweise von CSI (einem Unternehmen von Emerson Process Management) bereitgestellt werden, sowie die nachfolgend beschriebenen Anwendungen, Module und Tools speichern und ausführen, um den Betriebszustand der drehenden Einrichtungen 20 und anderer Einrichtungen in der Anlage zu diagnostizieren, zu überwachen und zu optimieren. Das Wartungspersonal verwendet die Anwendungen 23 üblicherweise zur Wartung und Überwachung der Leistung der Einrichtungen 20 in der Anlage 10, um Probleme bei den drehenden Einrichtungen 20 festzustellen und zu bestimmen, warm und ob die drehenden Einrichtungen 20 repariert oder ersetzt werden missen. In einigen Fällen können zeitweilig externe Fachberater und Service-Organisationen Daten in Bezug auf die drehenden Einrichtungen 20 erfassen oder messen und diese Daten zur Durchführung von Analysen für die drehenden Einrichtungen 20 verwenden, um Probleme, schlechte Leistung oder andere die drehenden Einrichtungen 20 betreffenden Mängel zu erkennen. In diesen Fällen ist der Computer, der die Analysen ausführt, möglicherweise nicht oder nur zeitweilig über eine beliebige Kommunikationsleitung mit dem restlichen System 10 verbunden.
Ähnlich ist ein der Anlage 10 zugeordnetes Energieerzeugungs- und – verteilungssystem 24 mit Energieerzeugungs- und -verteilungseinrichtungen 25 zum Beispiel über einen Bus an einen anderen Computer 26 angeschlossen, der den Betrieb der Energieerzeugungs- und – verteilungseinrichtungen 25 innerhalb der Anlage 10 leitet und überwacht. Der Computer 26 kann bekannte Energiesteuerungs- und -diagnoseanwendungen 27, wie sie zum Beispiel von Liebert und ASCO oder anderen Unternehmen bereitgestellt werden, ausführen, um die Energieerzeugungs- und -verteilungseinrichtungen 25 zu steuern und zu warten. Auch hier können in vielen Fällen externe Berater oder Serviceorganisationen Service-Awendungen verwenden, die zeitweilig Daten in Bezug auf die Einrichtungen 25 erfassen oder messen und diese Daten zur Durchführung von Analysen für die Einrichtungen 25 verwenden, um Probleme, schlechte Leistung oder andere die Einrichtungen 25 betreffende Mängel zu erkennen. In diesen Fällen sind die Computer (wie beispielsweise der Computer 26), welche die Analysen ausführen, möglicherweise nicht oder nur zeitweilig über eine beliebige Kommunikationsleitung mit dem restlichen System 10 verbunden.
Wie in 1 dargestellt, kann ein Computersystem 30 wenigstens einen Teil eines Wärmerückgewinnungsoptimierungssystems 35 implementieren, dessen Ausführungsformen im Folgenden ausführlicher beschrieben werden. Im Allgemeinen kann das Wärmerückgewinnungsoptimierungssystem 35 mit den Feldgeräten 15, 16, den Steuerungen 12B, 14B, den drehenden Einrichtungen 20 oder ihrem Unterstützungscomputer 22, den Energieerzeugungseinrichtungen 25 oder ihrem Unterstützungscomputer und beliebigen anderen gewünschten Vor- und Einrichtungen innerhalb der verfahrenstechnischen Anlage 10 kommunizieren, um Informationen in Bezug auf den Betrieb der von ihnen überwachten Vorrichtungen oder Subsysteme zu empfangen. Insbesondere kann das Wärmerückgewinnungsoptimierungssystem 35 mit Feldgeräten, Steuerungen, Sensoren und beliebigen anderen gewünschten Vor- und Einrichtungen kommunizieren, die einem oder mehreren Wärmetauschern oder Wärmetauschsystemen zugeordnet sind, wie sie zum Beispiel in Ölraffinerien zu finden sind. Das Wärmerückgewinnungsoptimierungssystem 35 kann über einen drahtgebundenen Bus 45 mit jedem von wenigstens einigen der Computer oder Vorrichtungen innerhalb der Anlage 10 kommunikativ verbunden sein, oder es kann alternativ über beliebige andere gewünschte Kommunikationsverbindungen verbunden sein, die zum Beispiel drahtlose Verbindungen, dedizierte Verbindungen, die OPC verwenden, diskontinuierliche Verbindungen wie beispielsweise jene, die zum Erfassen von Daten auf handgeführten Vorrichtungen angewiesen sind, usw. umfassen. Gleichermaßen kann das Wärmerückgewinnungsoptimierungssystem 35 Daten in Bezug auf die Feldgeräte und Einrichtungen innerhalb der Anlage 10 über ein LAN oder eine öffentliche Verbindung, wie beispielsweise das Internet, eine Telefonverbindung usw., erhalten (in 1 als eine Internetverbindung 46 dargestellt), wobei diese Daten zum Beispiel von einem Dritt-Diensteanbieter erfasst werden. Außerdem kann das Wärmerückgewinnungsoptimierungssystem 35 über eine Vielfalt von Techniken und/oder Protokollen, die zum Beispiel Ethernet, Modbus, HTML, XML, proprietäre Techniken/Protokolle usw. umfassen, mit Computern/Vorrichtungen in der Anlage 10 kommunikativ verbunden sein. Ferner kann das Wärmerückgewinnungsoptimierungssystem 35 als eine oder mehrere Steuerungen des Wärmetauschernetzwerks implementiert sein, wie beispielsweise als eine Steuerung für einen bestimmten Wärmetauscher, wobei die Steuerung mit Computern, Vorrichtungen und/oder anderen Steuerungen in der Anlage 10 kommunikativ verbunden ist. Für einen Durchschnittsfachmann ist demnach zu erkennen, dass, obwohl hierin bestimmte Beispiele beschrieben werden, die OPC zum Verbinden des Wärmerückgewinnungsoptimierungssystems 35 mit Computern/Vorrichtungen in der Anlage 10 verwenden, ebenso eine Vielfalt von anderen Verfahren zur Verbindung des Wärmerückgewinnungsoptimierungssystems 35 mit Computern/Vorrichtungen in der Anlage 10 verwendet werden kann.
Die erste Einheit in einer typischen Ölraffinerie ist die Rohöleinheit, ähnlich der in 2A bis 2C dargestellten, wo das Rohöl in Primärprodukte wie beispielsweise Naphtha (Benzin) 124, Kerosin 126, Diesel 128, AGO (Heizöl) 130, Rückstandsprodukte (z. B. Schmieröl 132, Paraffinwachs 134, Asphalt 136 usw.) und andere fraktioniert wird. Dies wird in einer Destilliervorrichtung 122 erreicht, die auch als Röhrenofen, Fraktionator oder atmosphärischer (und manchmal Vakuum-)Fraktionator bezeichnet werden kann. Das Rohöl wird erhitzt, so dass es beim Eintreten in die Destilliervorrichtung 122 aufflammt. Wie bei jedem Destillationsprozess wird latente Wärme entfernt, da ein Teil der Dämpfe kondensiert und als Rückfluss, der die Destilliervorrichtung 122 kaskadenartig hinabläuft, zurückgeführt wird. Die aufsteigenden Dampfe (aufgeflammtes Rohöl) und der abfallende Rückfluss vermischen sich in der Destilliervorrichtung 112, um eine Produkttrennung herbeizuführen, die über eine Reihe von Gleichgewichtsphasen erfolgt. Da Produkte, wie beispielsweise Benzin und Kerosin, höher in der Säule abgezogen werden, muss unten zusätzlicher Rückfluss hinzugefügt werden, damit die Säule korrekt funktioniert. Pumpumläufe werden verwendet, um sensible Wärme und Unterkühlflüssigkeit zu entfernen, die in die Säule zur Steigerung der Kondensation zurückgeführt wird, um zusätzlichen inneren Rückfluss zu erzeugen. Die Produkte werden heiß entfernt, und die sensible Wärme kann ebenfalls zurückgewonnen werden. Die Wärme, die zum Aufflammen des Rohöls erforderlich ist, wird in einem Einsatzofen 112 bereitgestellt. Rohöl wird durch eine Rohölzufuhrleitung 114 in den Ofen 112 befördert. Brennstoff wird durch eine Brennstoffzufuhrleitung 116 in den Ofen 112 befördert, und Luft wird durch eine Luftzufuhrleitung 118 in den Ofen 112 befördert. Der Brennstoff und die Luft werden im Ofen 112 gemischt und verbrannt, und die durch die Verbrennung erzeugte Wärme wird teilweise auf das Rohöl übertragen. Nach dem Erhitzen wird das Rohöl durch eine Transportleitung 120 zur Destilliervorrichtung 122 befördert. Der erforderliche Brennstoff kann reduziert werden, und es können sowohl die Brennstoffkosten als auch die in Verbindung mit der Verbrennung des zusätzlichen Brennstoffs resultierenden Emissionen reduziert werden, indem so viel Prozesswärme als möglich in der Beschickung zurückgewonnen wird, bevor die Beschickung in den Ofen eintritt. Wärmetauschnetzwerke werden auf der Basis eines Designfalles konzipiert, um die Wärmerückgewinnung aus Rückflusskondensatoren, Pumpumlauf-Wärmetauschern, Produktkühlern usw. zu maximieren. Das Rohöl wird auf einem komplexen Pfad, auf dem einige Wärmetauscher parallel und einige in Reihe arbeiten (z. B. E-5A bis E-5I), durch diese verschiedenen Wärmetauscher oder Wärmetauschersysteme (Bezugszeichen E-1 bis E-7) geleitet. Ein Beispiel solch eines komplexen Netzwerks ist in 2B veranschaulicht, wobei die heißen Ströme in fettgedruckten Linien und die kühlen Ströme in gestrichelten Linien dargestellt sind. Zu Auslegungszwecken werden Betriebsdurchflussraten und Betriebstemperaturen gewählt und Kompromisse eingegangen, um zu einem kostenwirksamen Design für das Wärmetauschernetzwerk zu entwickeln. In Wirklichkeit ist es aufgrund von Änderungen von Rohölzusammensetzungen, Produktspezifikationen, Umgebungsbedingungen, Wärmetauscherablagerungen und anderen dynamischen Faktoren im Allgemeinen zufällig und unwahrscheinlich, dass der Prozess die genauen Designbedingungen aufweist. Das Steuerungsproblem wird zu einem Problem der Zuweisung der Zufuhr durch die verschiedenen Pfade im Netzwerk, um die Wärmerückgewinnung aus der verfügbaren Prozesswärme zu maximieren.
Die Variabilität, die in das Wärmetauschsystem infolge der unterschiedlichen Qualität der Rohölbeschickung und des wechselnden Raffinatbedarfs eingeführt wird, stellt ein zusätzliches Problem für die Prozesssteuer- und Wärmerückgewinnungssysteme dar. Diese Variabilität zeigt sich in der Wärmemenge, die zum Vorheizen des Rohöleinsatzes verfügbar ist. Ein Prozesssteuersystem muss den Wärmetauschprozess stabilisieren, da die Rohölbeschickung und/oder die Raffinate variieren. Diese Variabilität kann eine sich ändernde Menge der aus den Destillationsprodukten verfügbaren Wärme und einen sich ändernden Wärmekoeffizienten der Rohölbeschickung umfassen. Wenn möglich, sollte das Prozesssteuersystem den Wärmetauschprozess auch durch Maximieren der Wärmerückgewinnung in der Rohölbeschickung optimieren.
3 veranschaulicht einen Abschnitt 150 der beispielhaften verfahrenstechnischen Anlage 10 von 1 zum Zwecke der Beschreibung einer Art und Weise, in der das Wärmerückgewinnungsoptimierungssystem 35 mit einem Wärmetauscher 164 im Abschnitt 150 der beispielhaften verfahrenstechnischen Anlage 10 kommunizieren kann. Es versteht sich von selbst, dass, obwohl 3 Kommunikationen zwischen dem Wärmerückgewinnungsoptimierungssystem 35 und dem Wärmetauscher 164 darstellt, ähnliche Kommunikationen zwischen dem Wärmerückgewinnungsoptimierungssystem 35 und anderen Vor- und Einrichtungen stattfinden können, die dem Wärmetauscher innerhalb der verfahrenstechnischen Anlage zugeordnet sind, einschließlich beliebiger anderer Vor- und Einrichtungen, die in 1 und/oder 2 dargestellt sind. Obwohl die hierin bereitgestellten Beispiele das Erhitzen von Rohölströmen unter Verwendung von heißen Prozessflüssigkeitsströmen destillierter Produkte betreffen können, können die Wärmerückgewinnungsmaximierungstechniken auch auf kühle Flüssigkeitsströme sowie auf verschiedene Typen von Prozessflüssigkeiten, -feststoffen oder -gasen angewendet werden.
Der Abschnitt 150 der in 3 dargestellten verfahrenstechnischen Anlage 10 umfasst ein verteiltes Prozesssteuersystem 154 mit einer oder mehreren Prozesssteuerungen 160, die über Eingangs-/Ausgangs (I/O)-Karten oder -Vorrichtungen 169 und 170, bei denen es sich um beliebige gewünschte Typen von I/O-Vorrichtungen handeln kann, die beliebigen gewünschten Kommunikations- oder Steuerungsprotokollen entsprechen, mit einem oder mehreren Wärmetauschern 164 verbunden sind. Außerdem kann der Wärmetauscher 164 beliebigen gewünschten offenen, proprietären oder anderen Kommunikations- oder Programmierungsprotokollen entsprechen, wobei es sich von selbst versteht, dass die I/O-Vorrichtungen 169 und 170 mit dem gewünschten Protokoll, das durch den Wärmetauscher 164 verwendet wird, kompatibel sein sollten. Obwohl nicht im Einzelnen dargestellt, kann der Wärmetauscher 164 eine beliebige Anzahl von zusätzlichen Vorrichtungen umfassen, die, ohne darauf beschränkt zu sein, Feldgeräte, HART^®-Vorrichtungen, Sensoren, Ventile, Transmitter, Positionierer usw. umfassen.
Auf jeden Fall sind eine oder mehrere Benutzerschnittstellen oder Computer 172 und 174 (welche Personalcomputer, Workstations usw. beliebigen Typs sein können), zu welchen das Anlagenpersonal, wie beispielsweise Konfigurationstechniker, Prozesssteuerungsbediener, Wartungspersonal, Leiter der Anlage, Aufsichtspersonen usw. Zugang haben, mit den Prozessteuerungen über eine Kommunikationsleitung oder einen Kommunikationsbus 176 verbunden, der unter Verwendung beliebiger gewünschter drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationsstrukturen implementiert sein kann, und unter Verwendung beliebiger gewünschter oder geeigneter Kommunikationsprotokolle, wie beispielsweise eines Ethernet-Protokolls, implementiert sein kann. Außerdem kann eine Datenbank 178 an den Kommunikationsbus 176 angeschlossen sein, um als Data-Historian zu fungieren, der Konfigurationsinformationen sowie Online-Prozessvariablendaten, Parameterdaten, Statusdaten und andere mit den Prozesssteuerungen 160 und dem Wärmetauscher 164 sowie anderen Feldgeräten innerhalb der verfahrenstechnischen Anlage 10 assoziierten Daten erfasst und speichert. Demnach kann die Datenbank 178 als eine Konfigurationsdatenbank fungieren, um die aktuelle Konfiguration, einschließlich Prozesskonfigurationsmodulen, sowie Steuerungskonfigurationsinformationen für das Prozesssteuersystem 154 zu speichern, wie sie auf die Prozesssteuerungen 160 und die Vorrichtungen des Wärmetauschers 164 sowie andere Feldgeräte heruntergeladen wurden und in denselben gespeichert sind. Gleichermaßen kann die Datenbank 178 Optimierungs-Altdaten speichern, die statistische und Sensordaten, die durch den Wärmetauscher 164 (oder, genauer gesagt, die Vorrichtungen des Wärmetauschers 164) und andere Feldgeräte innerhalb der verfahrenstechnischen Anlage 10 erfasst wurden, statistische Daten, die aus den Prozessvariablen bestimmt werden, die durch den Wärmetauscher 164 (oder, genauer gesagt, die Vorrichtungen des Wärmetauschers 164) und andere Feldgeräte erfasst wurden, und andere Datentypen umfassen, die im Folgenden beschrieben werden.
Obwohl die Prozesssteuerungen 160, die I/O-Vorrichtungen 169 und 170 sowie der Wärmetauscher 164 sich normalerweise innerhalb der manchmal rauen Anlagenumgebung befinden und überall darin verteilt sind, sind die Workstations 172 und 174 sowie die Datenbank 178 üblicherweise in Kontrollräumen, Wartungsräumen oder anderen weniger rauen Umgebungen angeordnet, zu welchen Bedienungs- und Wartungspersonal usw. leicht Zugang hat. Es versteht sich von selbst, dass, obwohl in 3 nur ein Wärmetauscher 164 dargestellt ist, eine verfahrenstechnische Anlage 10 oft mehrere Wärmetauscher 164 aufweist, die zusammen mit verschiedenen anderen Einrichtungstypen, wie den in 1 und/oder 2 dargestellten, miteinander vernetzt sind. Die hierin beschriebenen Techniken zur Wärmerückgewinnungsoptimierung können ebenso auf beliebige einer Anzahl von Wärmetauschern 164 angewendet werden.
Im Allgemeinen können die Prozesssteuerungen 160 eine oder mehrere Steuerungsanwendungen speichern und ausführen, welche Steuerungsstrategien unter Verwendung einer Anzahl von verschiedenen, unabhängig ausgeführten Steuermodulen oder -blöcken implementieren. Die Steuermodule können jeweils aus sogenannten Funktionsblöcken bestehen, wobei jeder Funktionsblock ein Teil oder eine Subroutine einer Gesamtsteuerroutine ist und mit anderen Funktionsblöcken (über Verbindungen, die Links genannt werden) zusammenwirkt, um Prozessregelkreise innerhalb der verfahrenstechnischen Anlage 10 zu implementieren. Wie allgemein bekannt ist, führen Funktionsblöcke, die Objekte in einem objektorientierten Programmierprotokoll sein können, normalerweise eine von einer Eingangsfunktion, einer Steuerfunktion oder einer Ausgangsfunktion aus. Zum Beispiel kann eine Eingangsfunktion einem Transmitter, einem Sensor oder einem anderen Prozessparametermessgerät zugeordnet sein. Eine Steuerfunktion kann einer Steuerroutine zugeordnet sein, die PID-, Fuzzy-Logik- oder einen anderen Typ von Steuerung ausführt. Außerdem kann eine Ausgangsfunktion den Betrieb irgendeiner Vorrichtung wie beispielsweise eines Ventils steuern, um eine bestimmte physische Funktion innerhalb der verfahrenstechnischen Anlage 10 auszuführen. Selbstverständlich gibt es hybride und andere Typen von komplexen Funktionsblöcken, wie beispielsweise modellprädiktive Steuerungen (MPC), Optimierer usw. Es versteht sich von selbst, dass, obwohl Fieldbus-Protokolle und das DeltaV^TM-Systemprotokoll Steuermodule und Funktionsblöcke verwenden, die in einem objektorientierten Programmierprotokoll entworfen und implementiert sind, die Steuermodule unter Verwendung beliebiger gewünschter Steuerungsprogrammierschemata entworfen sein können, die zum Beispiel sequenzielle Funktionsblöcke, Kontaktplan usw. umfassen und nicht darauf beschränkt sind, unter Verwendung von Funktionsblöcken oder einer beliebigen anderen bestimmten Programmiertechnik entworfen zu sein.
Wie in 3 dargestellt, umfasst die Workstation 174 einen Prozessor 174A, einen Speicher 174B und eine Anzeigevorrichtung 174C. Der Speicher 174B speichert das Wärmerückgewinnungsoptimierungssystem 35, das als eine Anwendung derart implementiert sein kann, dass diese Anwendung auf dem Prozessor 174A implementiert werden kann, um einen Benutzer über die Anzeige 174C (oder eine beliebige andere Anzeigevorrichtung, wie beispielsweise einen Drucker) mit Informationen zu versorgen.
Der Wärmetauscher 164 und insbesondere die Vorrichtungen, die an den Wärmetauscher 164 angeschlossen sind, können einen Speicher (nicht dargestellt) zum Speichern von Routinen umfassen, wie beispielsweise Routinen zum Implementieren einer Erfassung von statistischen Daten in Bezug auf eine oder mehrere Prozessvariablen, die durch Messwertgeber und/oder Routinen zur Erkennung anomalen Betriebs gemessen werden, die nachstehend beschrieben werden. Jeder von einem oder mehreren der Wärmetauscher 164 und/oder einige oder alle der Vorrichtungen davon im Konkreten können auch einen Prozessor (nicht dargestellt) umfassen, der Routinen, wie beispielsweise Routinen zum Implementieren einer Erfassung von statistischen und sensorischen Daten und/oder Routinen zur Maximierung oder Optimierung der Wärmerückgewinnung ausführt. Die Erfassung statistischer und sensorischer Daten und/oder die Wärmerückgewinnungsmaximierung braucht nicht durch Software implementiert zu sein. Vielmehr ist für einen Durchschnittsfachmann zu erkennen, dass solche Systeme durch beliebige Kombinationen von Software, Firmware und/oder Hardware in einem oder mehreren Feldgeräten und/oder anderen Vorrichtungen implementiert werden können.
Wie in 3 dargestellt, umfassen die Vorrichtungen des Wärmetauschers 164 und/oder der Wärmetauscher 164 selbst (und möglicherweise einige oder alle Wärmetauscher in einer Anlage 10) einen oder mehrere Wärmerückgewinnungsmaximierungsblöcke 180, die im Folgenden näher beschrieben werden. Obwohl der Block 180 in 3 so dargestellt ist, dass er im Wärmetauscher 164 angeordnet ist, kann dieser oder ein ähnlicher Block spezifisch für das Wärmetauschernetzwerk als Ganzes sein, wobei das Wärmetauschernetz weitere Elemente wie beispielsweise Sensoren und Regelventile umfasst, die mit dem Wärmerückgewinnungsoptimierungsblock 180 funktionsfähig verbunden sind. Außerdem könnte der Wärmerückgewinnungsoptimierungsblock 180 in einer beliebigen Anzahl von Wärmetauschern 164 oder in verschiedenen anderen Ein- und Vorrichtungen in der Anlage 10, in anderen Vorrichtungen, wie beispielsweise der Steuerung 160, den I/O-Vorrichtungen 169, 170, oder beliebigen der in 1 dargestellten Vorrichtungen angeordnet sein. Wenn die Anlage 10 oder ein Abschnitt 150 der Anlage mehr als einen Wärmetauscher 164 umfasst, könnte der Block 180 außerdem in einem beliebigen Untergerät des Wärmetauschers 164 angeordnet sein, wie beispielsweise in einer oder mehreren Vorrichtungen des Wärmetauschers 164 (z. B. Temperatursensor, Temperaturgeber usw.).
Im Allgemeinen erfassen der Block 180 oder Teilelemente des Blocks 180 Daten, wie beispielsweise Prozessvariablendaten, von der Vorrichtung, in welcher sie angeordnet sind, und/oder von anderen Vorrichtungen. Zum Beispiel kann der Block 180 eine Eintrittsflüssigkeitstemperatur-Rohvariable und eine Austrittsflüssigkeitstemperatur-Rohvariable von Vorrichtungen im Wärmetauscher 164 wie beispielsweise einem Temperatursensor, einem Temperaturgeber oder anderen Vorrichtungen erfassen, oder er kann die Eintritts- und Austrittstemperaturvariablen aus Temperaturmessungen von den Vorrichtungen bestimmen. Der Block 180 kann auch Durchflussraten-Rohvariable von Vorrichtungen im Wärmetauscher 164 wie beispielsweise einem Durchflusssensor, einem Temperaturgeber oder anderen Vorrichtungen erfassen, und er kann die Eintritts- und Austrittstemperaturvariablen aus Temperaturmessungen von den Vorrichtungen bestimmen. Der Block 180 kann im Wärmetauscher 164 enthalten sein, und er kann Daten durch Ventile, Sensoren, Transmitter oder beliebige andere Feldgeräte erfassen. Außerdem können der Block 180 oder Teilelemente des Blocks die Variablendaten verarbeiten und aus einer beliebigen Anzahl von Gründen eine Analyse an den Daten durchführen. Zum Beispiel kann der Block 180, der so dargestellt ist, dass er dem Wärmetauscher 164 zugeordnet ist, eine Optimierungsroutine 182 aufweisen, die mehrere Prozessvariable des Wärmetauschers 164 analysiert, wie im Folgenden näher erläutert wird.
Unter Bezugnahme auf 4 kann der Wärmerückgewinnungsmaximierungsblock 180 den Wärmetauscher 164 überwachen, um zu prüfen, ob eine Wärmemaximierung/-Optimierung erreicht wird. Obwohl für Fachleute zu erkennen ist, dass die hierin beschriebenen Techniken bei einer Vielzahl von Wärmetauschertypen verwendet werden können, betrifft das bereitgestellte Beispiel zum Zwecke der Beschreibung der Techniken in dieser Offenbarung einen Mantelrohrwärmetauscher 164. Ein Mantelrohrwärmetauscher 164 kann einen Mantelabschnitt 270 und einen Rohrabschnitt 274 umfassen. Der Mantelabschnitt 270 kann einen Einlass 278, einen Auslass 284 und eine Anzahl von Ablenkplatten 286 umfassen. Der Rohrabschnitt 274 kann einen Einlass 290, einen Auslass 294 und eine Anzahl von Rohren 298 umfassen, die vom Mantelabschnitt 270 umgeben sind. In Betrieb tritt kühle Flüssigkeit durch den Einlass 278 in den Mantelabschnitt 270 ein, umgibt die Rohre 298 und fließt um die Ablenkplatten 286, um Turbulenz 202 zu erzeugen, und weiter zum Auslass 284.
Gleichzeitig tritt heiße Flüssigkeit in den Einlass 290 ein und fließt durch die Rohre 298, wo das wirbelnde Kühlwasser die Wärme der Flüssigkeit absorbiert, und weiter zum Auslass 294. Auf diese Weise senkt der Wärmetauscher 164 die Temperatur der heißen Flüssigkeit. Selbstverständlich kann der Prozess auch umgekehrt werden, wobei eine kühle Flüssigkeit in den Einlass 290 eintritt und heiße Flüssigkeit in den Einlass 278 eintritt. Die Einlässe 278, 290 und die Auslässe 292, 294 können außerdem eine beliebige Anzahl von Feldgeräten (nicht dargestellt), Steuerungen (nicht dargestellt), Ventilen 206, Pumpen 210 oder anderen Vorrichtungen umfassen, welche die Flüssigkeitstemperatur, den Fließdruck, die Durchflussrate oder andere Messwerte während des Betriebs des Wärmetauschers 164 messen und steuern. Es versteht sich von selbst, dass die Begriffe „heiß” und „kühl” verwendet werden, um zwischen den beiden Strömen zu differenzieren, ohne unbedingt die Temperaturen der beiden Ströme beschreiben zu müssen. Es versteht es sich zum Beispiel von selbst, dass, wenn Rohöl dem Wärmetauscher zum Erhitzen durch den kühlen Prozessstrom zugeführt wird, die Temperatur des Rohöls am Wärmetauscherauslass für den kühlen Prozessstrom nicht „kühl” ist. Gleichermaßen ist in einem umgekehrten Wärmetauscher zum Kühlen des heißen Prozessstroms die Temperatur des Destillationsprodukts am Wärmetauscherauslass für den heißen Prozessstrom nicht unbedingt „heiß”.
In einer typischen Wärmetauscheranwendung können mehrere Messungen verfügbar sein. Einige Beispiele von Messungen am Wärmetauscher 164 sind Durchflussrate der kühlen Flüssigkeit (F_c), Eintrittstemperatur der kühlen Flüssigkeit (T_c,in), Austrittstemperatur der kühlen Flüssigkeit (T_c,out), Eintrittsdruck der kühlen Flüssigkeit (P_c,in), Austrittsdruck der kühlen Flüssigkeit (P_c,out), Durchflussrate der heißen Flüssigkeit (F_h), Eintrittstemperatur der heißen Flüssigkeit (T_h,in), Austrittstemperatur der heißen Flüssigkeit (T_h,out), Eintrittsdruck der heißen Flüssigkeit (P_h,in), und Austrittsdruck der heißen Flüssigkeit (P_h,out). Einige Wärmetauscher 164 erfassen möglicherweise nur einige dieser Messgrößen, während andere die Messungen möglicherweise modifizieren. Ein Beispiel für eine modifizierte Messung kann sein, nur eine einzige Messung der Differenztemperatur anstelle getrennter Eintritts- und Austrittstemperaturen zu berücksichtigen. Für die hierin beschriebene Technik zur Wärmerückgewinnungsmaximierung braucht nur eine einzige Messung (nämlich die Austrittstemperatur der kühlen Flüssigkeit) pro Wärmetauscher erfasst zu werden und, wenn die Wärmetauscher auf demselben Pfad in Reihe angeordnet sind, braucht nur die Austrittstemperatur für den Pfad (im Allgemeinen den letzten Wärmetauscher auf dem Pfad) gemessen zu werden.
Die Wärmerückgewinnungsmaximierung in einem Wärmetauscher 164 kann einige oder alle der zuvor beschriebenen Messungen umfassen. Ein Verfahren zur Wärmerückgewinnungsmaximierung kann das Überwachen der Differenztemperatur umfassen. Die Differenztemperatur kann durch (1) einen Differenztemperaturgeber zum direkten Messen der Differenztemperatur (ΔT) über den Wärmetauscher oder (2) Absoluttemperaturgeber zum Messen der Eintrittstemperatur T_in und der Austrittstemperatur am Wärmetauscher oder Wärmetauscherpfad gemessen werden. Demnach gilt ΔT = T_in – T_out (Gl. 1).
Außerdem kann die ΔT einem Wärmerückgewinnungsmaximierungsblock 180 sowohl an der heißen als auch an der kühlen Seite des Wärmetauschers 164 oder des Wärmetauscherpfads die Messung und Erfassung der Werte T_in und T_out ermöglichen. Beispiele für diese Temperaturmessungen sind in 2C dargestellt, wobei Temperatursensoren/-geber (Bezugszeichen T01 bis T17) am Ausgang jedes Wärmetauschers vorgesehen sind.
Ein anderes Verfahren zur Wärmerückgewinnungsmaximierung kann ein Überwachen der Wärmeübertragung oder Wärmerückgewinnung (Q) umfassen. Die Wärmerückgewinnung (Q) im Wärmetauscher kann durch eine explizite Formel unter Verwendung von Messungen entweder auf der heißen Seite oder der kühlen Seite berechnet werden: Q = m_c·C_C·ΔT_C = m_h·C_h·ΔT_H (G1.2) wobei m_C und m_h Massendurchflussraten der kühlen und heißen Flüssigkeiten sind, C_c und C_h die spezifischen Wärmekapazitäten der kühlen und heißen Flüssigkeiten sind (die über einen kleinen Bereich als konstant angenommen werden) und ΔT_c und ΔT_h die Temperaturdifferenzen der kühlen und heißen Flüssigkeiten bei ΔT_c = T_c,out – T_c,in und ΔT_h = T_h,in – T_h,out sind. C_c und C_h (C_p) sind im Allgemeinen für kurze Zeitspannen konstant, und für eine bestimmte Anwendung können C_c und C_h als konstant angesehen werden.
Die Wärmerückgewinnungsmaximierung kann auch unter Verwendung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz (LMTD) und von Eigenschaften des Wärmetauschers berechnet werden. Q = U·A·LMTD (G1.3) wobei U der mittlere Wärmeübertragungskoeffizient ist, A die Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers ist und LMTD die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz definiert als
ist, wobei für einen Parallel- oder Gleichstromwärmetauscher Δt₁ = t_h,in – t_c,in, Δt₂ = t_h,out – t_c,out (Gl. 5) und für einen Gegenstromwärmetauscher Δt₁ = t_h,in – t_c,out, Δt₂ = t_h,out – t_c,in (Gl. 6) gilt. Obwohl A von Gl. 3 aus der Produktliteratur erhalten werden kann, kann U analytisch schwer zu bestimmen sein. U und A können jedoch zusammen als eine einzige Variable, die allgemeine Gesamtwärmeübertragungsrate, genommen werden.
5 stellt schematisch eine Ölraffinerie 300 dar, die einen Raffinationsprozess 310, wie beispielsweise ein thermisches Krackverfahren und/oder Destillation, umfasst und mehrere Wärmetauscher 164, einschließlich der Blöcke 180, implementieren kann, um ein Wärmetauschernetzwerk mit mehreren Pfaden zum Vorheizen des Rohöls vor seinem Eintritt in den Ofen 112 bereitzustellen. Eine Rohölzufuhrleitung 312 befördert das Rohöl zur Raffinerie 300. Obwohl das Netzwerk so dargestellt ist, dass es einen einzigen Wärmetauscher 164 auf jedem Pfad aufweist, kann das Rohöl durch eine Reihe von Wärmetauschern 164 vorgeheizt werden, die auf parallelen Pfaden angeordnet sind, wovon ein Beispiel im Folgenden genauer dargestellt wird. Nach dem Vorheizen wird das Rohöl durch eine Zwischenleitung 31 zum Raffinationsprozess befördert (der den Ofen 112 von 2A bis 2C umfassen kann). Nachdem Raffinationsprozess halten die Raffinate, wie beispielsweise Destillationsprodukte, sensible Wärme aus dem Vorheizprozess und dem Raffinationsprozess zurück. Diese Raffinate werden durch eine Übertragungsleitung 318 zu den Wärmetauschern 164 zurückbefördert, wo ein Teil der sensiblen Wärme von den Raffinaten auf das ankommende Rohöl übertragen wird. Nach dem Umlauf durch die Wärmetauscher 164 werden die Raffinate zur weiteren Verarbeitung und/oder zum Verkauf durch einen Prozessflüssigkeitsausgang 320 befördert.
6 stellt schematisch ein Wärmerückgewinnungsmaximierersystem 300 mit parallelem Pfad dar, das in 5 im Feld mit dem Bezugszeichen 322 enthalten ist und das als ein vereinfachtes Beispiel eines Wärmetauschernetzes im Vergleich zu jenen bereitgestellt wird, die in 2B und 2C dargestellt sind. In diesem Beispiel sind die Wärmetauscher auf mehreren parallelen Pfaden in Reihe vorgesehen. Für Fachleute ist zu erkennen, dass verschiedene Wärmetauschernetze mit verschiedenen Anzahlen von parallelen Pfaden und verschiedenen Anzahlen von Wärmetauschern auf jedem Reihenpfad bereitgestellt werden können, die einen komplexen Pfad mit parallelen und Reihenanordnungen bereitstellen können. Jede Wärmetauscherzufuhrleitung 312 umfasst ein Regelventil 330. Die Regelventile 330 regeln den Durchfluss des Rohöls durch den Wärmetauscher 164. Jedes Regelventil 330 ist funktionsfähig mit einer Steuerung 332 verbunden, welche die Regelventile öffnet und schließt, um eine gewünschte Durchflussrate des Rohöls durch jeden Wärmetauscher 164 einzustellen. Jedem Wärmetauscherpfad nachgelagert befindet sich ein Temperaturmesswertgeber 334, wie beispielsweise ein Thermometer oder Thermostat. Der Temperaturmesswertgeber 334 misst eine Temperatur des Rohöls, das aus jedem Wärmetauscher 164 austritt, oder im Falle einer Reihe von Wärmetauschern 164 auf einem Pfad misst sie die Temperatur des Rohöls, das aus dem letzten Wärmetauscher 164 auf dem Pfad austritt. Die Temperaturmesswertgeber 334 senden die Temperaturinformationen an die Steuerung 332. Jeder Wärmetauscher 164 umfasst auch ein Raffinatdurchflussregelventil. Das Prozessflüssigkeitsregelventil 336 regelt die Durchflussrate der Raffinate durch den Wärmetauscher 164. Die Steuerung 332 steuert jedes Regelventil 330, 336 unabhängig voneinander und stellt jedes Regelventil 330, 336 auf der Basis eines jeweiligen Temperaturmesswerts des Rohöls ein, das aus jedem Wärmetauscher 164 austritt.
Infolge von Wirkungsgradunterschieden zwischen den Wärmetauschern 164, die mit der Zeit auftreten, optimiert die Steuerung 332 die Wärmerückgewinnung durch ein Ausgleichen von Rohöldurchflussraten in die Wärmetauscher 164 gemäß dem Wirkungsgrad jedes Wärmetauschers. Die Steuerung 332 erhält eine optimale Wärmerückgewinnung über ein breites Spektrum von Bedingungen wie beispielsweise wechselnden Durchflussraten, wechselnden Rohöleingangstemperaturen und unterschiedlicher Rohölqualität aufrecht. Die Steuerung erreicht die Maximierung durch eine als Mehrkostenausgleich (ICE für engl. Incremental Cost Equalization) bekannte Ladungszuweisung. Die Optimierung funktioniert nach dem Prinzip, dass, wenn die Mehrkosten nicht gleich sind, die Ladung dann von der Einheit (Pfad) mit den höheren Mehrkosten zur Einheit (Pfad) mit den niedrigeren Mehrkosten verschoben werden sollte. Demgemäß verschiebt die Steuerung 332 beim ICE Ladungen von einem Wärmetauscher 164 mit höheren Mehrkosten (d. h. niedrigerer Wirkungsgrad) zu einem Wärmetauscher 164 mit niedrigeren Mehrkosten (d. h. höherer Wirkungsgrad).
Obwohl einige frühere Ladungszuweisungen ein Verfahren zum Berechnen der Kosten als eine Funktion der Ladung verwendeten, gab es weder einen expliziten Ausdruck noch ein explizites Modell für die Berechnung des Wirkungsgrads als eine Funktion der Ladung. Stattdessen wurden frühere Ladungszuweisungsausdrücke oder – modelle empirisch entwickelt und an ein kubisches Polynom angepasst und in Bezug auf Ladung differenziert, um ein explizites Mehrkostenmodell zu erhalten. Der Wärmetauscherwirkungsgrad kann ähnlich wie in Gl. 2 ausgedrückt werden, die eine explizite Funktion ist, welche die Wärmerückgewinnung für jeden Pfad als eine Funktion der Beschickung (auch als Ladung bezeichnet) beschreibt. Durch Differenzieren der Gl. 2 in Bezug auf die Beschickung können die Mehrkosten für ein Mehrfachparallelpfad- oder Mehrfachwärmetauschersystem zum Vorheizen von Rohöl wie jenes, das in 5 und 6 dargestellt ist, durch I.C. = δQ / δmC_p(T_Out – T_In) (Gl. 7) bestimmt werden. Da C_p und T_In für jeden parallelen Pfad identisch sind, braucht die Steuerung 332 nur T_Out auszugleichen, um die Wärmerückgewinnung zu maximieren. Unter Bezugnahme auf 2C ist zum Beispiel T01 = T02, T03 = T04, T05 = T06 = T07, T08 = T09 = T10 = T11, T12 = T13, T14 = T15, T16 = T17 und F01 = Endtemperatur in der Zwischenleitung 316. Prozessbeschränkungen können jedoch in einigen Fällen den Ausgleich von Ausgangstemperaturen verbieten. Wie bei vielen Optimierern sollten Beschränkungen für minimale und maximale Durchflüsse und Temperaturen sowohl auf der Rohöl-(„kühlen”) Seite als auch auf der „heißen” Seite durchgeführt werden. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 164 minimale und/oder maximale Durchflussraten erfordern, um Schäden am Wärmetauscher 164 zu verhindern. Die Steuerung 332 beachtet derartige Grenzen, wenn sie versucht, die Ausgangstemperaturen auszugleichen, indem sie sicherstellt, dass die einzelnen Durchflussraten innerhalb des Bereichs bleiben, der durch die minimalen und maximalen Durchflussraten definiert ist. Außerdem kann die Steuerung 332 eine Dämpfungsroutine umfassen, um ein Übersteuern und/oder steuerungsinduzierte Schwankungen der Austrittstemperaturen zu verhindern, die den nachgelagerten Raffinationsprozess kompliziert machen können. Demgemäß kann eine Routine, die im Folgenden näher beschrieben wird, entwickelt werden, um die Ausgangstemperaturen jedes Wärmetauschers 164 oder Wärmetauscherpfads zu überwachen und die Durchflussraten entsprechend einzustellen, um die Ausgangstemperaturen jedes Wärmetauschers 164 oder Wärmetauscherpfads nach Bedarf auszugleichen.
Im Vergleich zu bekannten Optimierersystemen ist das offenbarte Wärmerückgewinnungsmaximierersystem 300 empfindlicher und wirksamer, da das System 300 die Ausgangstemperatur für jeden Wärmetauscher 164 oder Wärmetauscherpfad misst und dadurch einen höheren Gesamtwirkungsgrad der Wärmerückgewinnung erzielt. Die meisten anderen Optimierer verwenden eine „Suchroutine” zum Ermitteln der optimalen Mischtemperatur nach der Wiedervereinigung der Rohölströme (z. B. in der Zwischenleitung 316). Die Dynamik einer typischen Raffinerie ist jedoch derart, dass kleine Änderungen möglicherweise nicht zu einer deutlichen Änderung der Mischtemperatur führen, die eine Verbesserung oder Verschlechterung der Wärmerückgewinnung anzeigt, und eine größere Änderung führt zu einer Grenzzyklisierung. Andererseits benötigt der vorstehende beschriebene und nachstehend ausführlicher erörterte Ansatz nicht unbedingt Informationen darüber, was auf der „heißen” Seite geschieht, und er braucht nicht darauf zu warten, dass sich eine Änderung durch das System verbreitet, bevor eine Lösung identifiziert wird. Das heißt, die Differenzen der Austrittstemperaturen jedes parallelen Pfades können verwendet werden, um die Wärmerückgewinnung im System zu optimieren, wie Gl. 6 und 7 zeigen, statt warten zu müssen, bis eine Änderung irgendwo im System (z. B. in der Zwischenleitung 316 oder später im Prozess) eintritt, die signifikant genug ist, um eine Ineffizienz der Wärmerückgewinnung anzuzeigen.
7 veranschaulicht ein Beispiel eine Logikroutine 400, die zum Beispiel durch die Steuerung 332 von 6 als Teil der Optimierungsroutine 182 im Block 180 angewendet werden kann. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Logikroutine 400 in beliebigen Teilen des Prozesssteuersystems implementiert werden kann und die Implementierung in der Steuerung 332 nur als Beispiel dient. Die Logikroutine 400 kann auch als Teil eines Modells des Wärmetauschers 164, des Wärmetauschernetzes, des Abschnitts 150 der verfahrenstechnischen Anlage 10, des Destillationssystems 100, des Prozesssteuersystem usw. implementiert sein. Entsprechend kann die Logikroutine 400 als Teil einer größeren Prozesssteuerroutine implementiert sein.
Unter Bezugnahme auf die Routine 400 kann die Steuerung 332 zum Ausgleichen der Ausgangstemperaturen T_Out unter den parallelen Pfaden und Optimieren der Wärmerückgewinnung bei Block 460 Messwerte der Ausgangstemperatur T_Out von den Temperaturmessvorrichtungen 334 (6) in den Ausgangsströmen jedes Wärmetauschers 164 oder Wärmetauscherpfads (6) erhalten. Ähnlich der zuvor erörterten Differenztemperatur (ΔT) können Differenz-Ausgangstemperaturen durch (1) einen Differenztemperaturgeber zum direkten Messen der Differenztemperatur (ΔT_Out) über die Wärmetauscher 164 oder Wärmetauscherpfade oder (2) Absoluttemperaturgeber zum Messen der Austrittstemperatur T_out an jedem Wärmetauscher oder Wärmetauscherpfad gemessen werden. Die Routine 400 von 7 stellt den letzteren Fall dar, in welchem die Steuerung 332 bei Block 462 die Differenzen zwischen den Ausgangstemperaturmesswerten jedes parallelen Pfades oder Wärmetauschers 164 berechnet.
Bei Schritt 464 berechnet die Steuerung 332 die Durchflussraten, die für jeden Wärmetauscher (und in weiterer Folge jeden Wärmetauscherpfad über Durchflusssteuerungen/-werte FC, von welchen einige durch Temperatursteuerungen TC gesteuert werden) erforderlich sind und die Ausgangstemperaturen ausgleichen. Es sollte sich von selbst verstehen, dass, wie zum Beispiel in Gl. 2 und 7 dargestellt, eine Beziehung zwischen der Durchflussrate m und der Austrittstemperatur T_out besteht und dass die Einstellung der Durchflussrate m eine Änderung der Austrittstemperatur T_out bewirkt.
Wie jedoch bereits erwähnt, können Prozessbeschränkungen für die minimalen und/oder maximalen Durchflüssen vorgesehen werden, um Schäden an den Wärmetauschern 164 zu verhindern. Demgemäß kann die Steuerung 332 diese Durchflussratengrenzen beachten und die Durchflussraten für jeden Wärmetauscher 164 innerhalb der durch die minimalen und maximalen Durchflussraten vordefinierten halten. Zum Beispiel vergleicht die Steuerung 332 bei Block 466 die berechneten Durchflussraten mit vorgegebenen minimalen und maximalen Durchflussraten. Wenn die berechnete Durchflussrate außerhalb der Beschränkungsparameter (d. h. des durch die minimalen und maximalen Durchflussraten festgesetzten Bereichs) fällt, dann erhöht oder verringert die Steuerung 332 bei Block 468 die berechneten Durchflussraten, so dass die berechneten Durchflussraten zwischen den vorgegebenen minimale und maximalen Durchflussraten bleiben. Sobald die berechneten Durchflussraten nach Erfordernis festgelegt und so eingestellt sind, dass sie innerhalb der erforderlichen minimalen und maximalen Durchflussratenbeschränkungen bleiben, sendet die Steuerung 332 Signale an die Regelventile (330, 336 in 6), um die jeweiligen Durchflussraten durch die jeweiligen Wärmetauscher 164 (oder Wärmetauscherpfade) einzustellen, wodurch eine Optimierung der Wärmerückgewinnung im System bewirkt wird.
Wie bereits erwähnt, kann die Steuerung 332 eine Dämpfungsroutine umfassen, um eine Übersteuerung und/oder steuerungsinduzierte Schwankungen der Austrittstemperaturen zu verhindern. Insbesondere sollte die Optimierungsroutine langsam und inkrementell reagieren, um die Schaffung einer zusätzlichen Variabilität im Prozess zu verhindern. Eine zusätzliche Variabilität oder Schwankung im nachgelagerten Raffinationsprozess kann zusätzliche Probleme verursachen, die mit Regelungen auf der ”heißen” Seite des Prozesses (d. h. dem nachgelagerten Raffinationsprozess) nicht leicht abgeschwächt werden können. Demgemäß kann die Steuerung 332 bei Block 472 zum Verhindern einer Übersteuerung eine Dämpfungsroutine, wie beispielsweise eine Verzögerung, ausführen. Die Dämpfungsroutine kann eine Verzögerung von einigen Sekunden bis mehrere Minuten umfassen, bevor die Steuerung die Schritte 460 bis 470 das nächste Mal wieder ausführt.
Die zuvor beschriebenen Beispiele, welche die Wärmerückgewinnungsmaximierung in einem Wärmetauschernetzwerk umfassen, werden mit der Einsicht offenbart, dass die Umsetzung der offenbarten Systeme, Verfahren und Techniken nicht auf solche Kontexte beschränkt ist. Vielmehr sind die offenbarten Systeme, Verfahren und Techniken sehr gut geeignet zur Verwendung mit beliebigen Diagnosesystemen, Anwendungen, Routinen, Techniken oder Prozeduren, einschließlich solcher mit einem anderen Organisationsaufbau, einer anderen Komponentenanordnung oder einer anderen Sammlung von einzelnen Teilen, Einheiten, Komponenten oder Elementen, die zur Überwachung, Datenerfassung usw. zur Auswahl stehen. Andere Diagnosesysteme, Anwendungen usw., welche die in der Diagnose verwendeten Prozessparameter spezifizieren, können ebenfalls entwickelt werden oder die Vorteile der hierin beschriebenen Systeme, Verfahren und Techniken nutzen. Diese individuelle Spezifikation der Parameter kann dann verwendet werden, um die damit assoziierten Prozessdaten zu ermitteln, zu überwachen und zu speichern. Außerdem brauchen die offenbarten Systeme, Verfahren und Techniken nicht nur in Verbindung mit Diagnoseaspekten eines Prozesssteuersystems verwendet zu werden, insbesondere wenn diese Aspekte noch zu entwickeln oder in den frühen Entwicklungsphasen sind. Die offenbarten Systeme, Verfahren und Techniken sind vielmehr seht gut geeignet zur Verwendung mit beliebigen Elementen oder Aspekten eines Prozesssteuersystems, einer verfahrenstechnischen Anlage oder einem Prozesssteuerungsnetzwerk usw.
Die hierin beschriebenen Verfahren, Prozesse, Prozeduren und Techniken können unter Verwendung beliebiger Hardware-, Firmware- und Softwarekombinationen implementiert werden. Demnach können die hierin beschriebenen Systeme und Techniken nach Wunsch in einem standardmäßigen Universalprozessor oder unter Verwendung speziell entwickelter Hardware oder Firmware implementiert werden. Bei Softwareimplementierung kann die Software in einem beliebigen computerlesbaren Speicher gespeichert werden, wie beispielsweise auf einem Magnetplattenspeicher, einer Bildspeicherplatte oder einem anderen Speichermedium, in einem RAM- oder ROM- oder Flash-Speicher von Computer, Prozessoren, I/O-Vorrichtungen, Feldgeräten, Schnittstellenvorrichtungen usw. Gleichermaßen kann die Software einem Benutzer oder einem Prozesssteuersystem über beliebige bekannte oder gewünschte Übergabeverfahren, wie zum Beispiel auf einer computerlesbaren Diskette oder einem anderen transportfähigen Computerspeichermechanismus, oder über Kommunikationsmedien zur Verfügung gestellt werden. Kommunikationsmedien enthalten normalerweise computerlesbare Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodule oder andere Daten in einem modulierten Datensignal, wie beispielsweise einer Trägerwelle, oder anderen Transportmechanismen. Der Begriff „moduliertes Datensignal” bezieht sich auf ein Signal, das eine oder mehrere seiner Charakteristiken so festgelegt oder geändert aufweist, dass Informationen im Signal codiert werden. Kommunikationsmedien umfassen als Beispiel und ohne Einschränkung drahtgebundene Medien, wie beispielsweise eine drahtgebundene Netz- oder direkt verdrahtete Verbindung, oder drahtlose Medien, wie beispielsweise akustische, Hochfrequenz-, Infrarot- und andere drahtlose Medien. Auf diese Weise kann die Software einem Benutzer oder einem Prozesssteuersystem über einen Kommunikationskanal, wie beispielsweise eine Telefonleitung, das Internet usw. (die als Dasselbe wie das Bereitstellen dieser Software über ein transportfähiges Speichermedium oder austauschbar damit anzusehen sind), zur Verfügung gestellt werden.
Für Durchschnittsfachleute ist zu erkennen, dass, obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele beschrieben wurde, welche die lediglich veranschaulichen und keineswegs einschränken sollen, Änderungen, Hinzufügungen und/oder Streichungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Rahmen der Erfindung abzuweichen.

Claims

System zur Wärmerückgewinnungsmaximierung in einem Wärmetauschnetzwerk eines Prozesssteuersystems, umfassend: ein Datenerfassungstool, das so ausgelegt ist, dass es Online-Prozessdaten von einer Mehrzahl von Wärmetauschern während des Betriebs der Wärmetauscher erfasst, wobei die Mehrzahl von Wärmetauschern ein Netzwerk von Wärmetauschern mit mehreren parallelen Pfaden umfasst, und wobei die Online-Prozessdaten aus Austrittstemperaturen von kühlen Prozessströmen der mehreren parallelen Pfade erzeugt werden, und jede Austrittstemperatur der Temperatur eines kühlen Prozessstroms entspricht, der durch einen oder mehrere Wärmetauscher auf dem jeweiligen Pfad durchgeführt wurde; ein Wärmerückgewinnungsoptimierungsmodul, das so konfiguriert ist, dass es einen Satz von Stromdurchflussratenzielwerten basierend auf den Online-Prozessdaten entwickelt, wobei die Stromdurchflussratenzielwerte vorgesehene Durchflussraten des heißen Prozessstroms und des kühlen Prozessstroms durch jeden Wärmetauscher umfassen, um jede der Austrittstemperaturen der kühlen Prozessströme auszugleichen; und ein Steuermodul, das mit dem Wärmerückgewinnungsoptimierungsmodul funktionsfähig verbunden ist, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, dass es wenigstens eines von einem oder mehreren Ventilen zum Regeln des Durchflusses der kühlen Ströme des Wärmetauschernetzwerks und einem oder mehreren Ventilen zum Regeln des Durchflusses der heißen Prozessströme des Wärmetauschernetzwerks basierend auf dem Satz von Stromdurchflussratenzielwerten, die dem Steuermodul vom Wärmerückgewinnungsoptimierungsmodul zur Verfügung gestellt werden, steuert, um einen Ausgleich der Austrittstemperaturen der kühlen Prozessströme zu bewirken.
System zur Wärmerückgewinnungsmaximierung nach Anspruch 1, wobei die Online-Prozessdaten eine Messung von Differenz-Austrittstemperaturen der kühlen Prozessströme umfassen.
System zur Wärmertückgewinnungsmaximierung nach Anspruch 1, wobei das Wärmerückgewinnungsoptimierungsmodul so konfiguriert ist, dass es eine Temperaturdifferenz zwischen jeder der Austrittstemperaturen basierend auf den Online-Prozessdaten bestimmt und den Satz von Stromdurchflussratenzielwerten basierend auf der Temperaturdifferenz entwickelt.
System zur Wärmerückgewinnungsmaximierung nach Anspruch 1, wobei das Wärmerückgewinnungsoptimierungsmodul so konfiguriert ist, dass es einen Austrittstemperaturzielwert der kühlen Prozessströme für alle der Wärmetauscher basierend auf den Online-Prozessdaten entwickelt, wobei der Austrittstemperaturzielwert der kühlen Prozessströme eine vorgesehene ausgeglichene Austrittstemperatur der kühlen Prozessströme zwischen jedem der parallelen Pfade umfasst, und wobei das Wärmerückgewinnungsoptimierungsmodul so konfiguriert ist, dass es den Stromdurchflussratenzielwert für jeden Wärmetauscher basierend auf einer Beziehung zwischen dem Austrittstemperaturzielwert des kühlen Prozessstroms und dem Stromdurchflussratenzielwert für den Wärmetauscher entwickelt, wobei die Beziehung ausgedrückt wird als:
wobei Q = Wärmerückgewinnung des Wärmetauschers, m = der Stromdurchflussratenzielwert für den Wärmetauscher, C_p = die Wärmekapazität des Wärmetauschers, T_out,t = der Austrittstemperaturzielwert des kühlen Prozessstroms, und T_in = der Eintrittstemperaturwert des kühlen Prozessstroms. wobei C_p insbesondere konstant ist.
System zur Wärmerückgewinnungsmaximierung nach Anspruch 1, wobei der Stromdurchflussratenzielwert eine Funktion einer oder mehrerer der Gruppe bestehend aus der Durchflussrate des kühlen Prozessstroms und der Durchflussrate des heißen Prozessstroms, der Eintrittstemperatur des kühlen Prozessstroms, der Austrittstemperatur des kühlen Prozessstroms, der Eintrittstemperatur des heißen Prozessstroms und der Austrittstemperatur des heißen Prozessstroms ist.
System zur Wärmerückgewinnungsmaximierung nach Anspruch 1, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie jeden Stromdurchflussratenzielwert mit einem Bereich von Stromdurchflussratenwerten vergleicht, der durch einen vorbestimmten minimalen Durchflussratenwert und einen vorbestimmten maximalen Durchflussratenwert definiert ist, wobei die vorbestimmten minimalen und maximalen Durchflussratenwerte Beschränkungsgrenzen entsprechen, um Schäden am Wärmetauscher zu verhindern, und wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie jeden Stromdurchflussratenzielwert einstellt, um die Stromdurchflussrate innerhalb des Bereichs von Stromdurchflussratenwerten zu halten.
System zur Wärmerückgewinnungsmaximierung nach Anspruch 1, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie ein oder mehrere Durchflussregelventile jedes Wärmetauschers inkrementell einstellt, um den Stromdurchflussratenzielwert für den Wärmetauscher ohne steuerungsinduzierte Schwankungen zu bewirken.
Verfahren zur Optimierung der Wärmerückgewinnung in einem Prozesssteuersystem, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen von Online-Prozessdaten von einer Mehrzahl von Wärmetauschern während des Betriebs der Wärmetauscher, wobei die Mehrzahl von Wärmetauschern ein Netzwerk von Wärmetauschern mit mehreren parallelen Pfaden umfasst, und wobei die Online-Prozessdaten aus Austrittstemperaturen von kühlen Prozessströmen der mehreren parallelen Pfade erzeugt werden, und jede Austrittstemperatur der Temperatur eines kühlen Prozessstroms entspricht, der durch einen oder mehrere Wärmetauscher auf dem jeweiligen Pfad durchgeführt wurde; Entwickeln eines Satzes von Stromdurchflussratenzielwerten basierend auf den Online-Prozessdaten, wobei die Stromdurchflussratenzielwerte vorgesehene Durchflussraten des heißen Prozessstroms und des kühlen Prozessstroms durch jeden Wärmetauscher umfassen, um jede der Austrittstemperaturen der kühlen Prozessströme auszugleichen; und Steuern wenigstens eines von einem oder mehreren Ventilen zum Regeln des Durchflusses der kühlen Ströme des Wärmetauschernetzwerks und einem oder mehreren Prozessstromdurchflussregelventilen des Wärmetauschernetzwerks basierend auf dem Satz von Stromdurchflussratenzielwerten, die dem Steuermodul vom Wärmerückgewinnungsoptimierungsmodul zur Verfügung gestellt werden, um einen Ausgleich der Austrittstemperaturen der kühlen Prozessströme zu bewirken.
Verfahren zur Wärmerückgewinnungsoptimierung nach Anspruch 8, wobei das Erfassen von Online-Prozessdaten ein Erfassen von Messungen von Differenz-Austrittstemperaturen der kühlen Prozessströme umfasst.
Verfahren zur Wärmerückgewinnungsoptimierung nach Anspruch 8, wobei das Entwickeln eines Satzes von Stromdurchflussratenzielwerten umfasst: Bestimmen einer Temperaturdifferenz zwischen jeder der Austrittstemperaturen basierend auf den Online-Prozessdaten; und Entwickeln des Satzes von Stromdurchflussratenzielwerten basierend auf der Temperaturdifferenz.
Verfahren zur Wärmerückgewinnungsoptimierung nach Anspruch 8, wobei das Entwickeln eines Satzes von Stromdurchflussratenzielwerten umfasst: Entwickeln eines Austrittstemperaturzielwerts der kühlen Prozessströme für alle der Wärmetauscher basierend auf den Online-Prozessdaten, wobei der Austrittstemperaturzielwert der kühlen Prozessströme eine vorgesehene ausgeglichene Austrittstemperatur der kühlen Prozessströme zwischen jedem der parallelen Pfade umfasst, und Entwickeln des Stromdurchflussratenzielwerts für jeden Wärmetauscher basierend auf einer Beziehung zwischen dem Austrittstemperaturzielwert des kühlen Prozessstroms und dem Stromdurchflussratenzielwert für den Wärmetauscher, wobei die Beziehung ausgedrückt wird als:
wobei Q = Wärmerückgewinnung des Wärmetauschers, m = der Stromdurchflussratenzielwert für den Wärmetauscher, C_p = die Wärmekapazität des Wärmetauschers, T_out,t = der Austrittstemperaturzielwert des kühlen Prozessstroms, und T_in = der Eintrittstemperaturwert des kühlen Prozessstroms, wobei C_p insbesondere konstant ist.
Verfahren zur Wärmerückgewinnungsoptimierung nach Anspruch 8, wobei der Stromdurchflussratenzielwert eine Funktion einer oder mehrerer der Gruppe bestehend aus der Durchflussrate des kühlen Prozessstroms und der Durchflussrate des heißen Prozessstroms, der Eintrittstemperatur des kühlen Prozessstroms, der Austrittstemperatur des kühlen Prozessstroms, der Eintrittstemperatur des heißen Prozessstroms und der Austrittstemperatur des heißen Prozessstroms ist.
Verfahren zur Wärmerückgewinnungsoptimierung nach Anspruch 8, wobei das Steuern wenigstens eines von einem oder mehreren Ventilen zum Regeln des Durchflusses der kühlen Ströme des Wärmetauschernetzes und einem oder mehreren Prozessstromdurchflussregelventilen des Wärmetauschernetzes umfasst: Vergleichen jedes Stromdurchflussratenzielwerts mit einem Bereich von Stromdurchflussratenzielwerten, der durch einen vorbestimmten minimalen Durchflussratenwert und einen vorbestimmten maximalen Durchflussratenwert definiert ist, wobei die vorbestimmten minimalen und maximalen Durchflussratenwerte Beschränkungsgrenzen entsprechen, um Schäden am Wärmetauscher zu verhindern; und Einstellen jedes Stromdurchflussratenzielwerts, um die Stromdurchflussrate innerhalb des Bereichs von Stromdurchflussratenwerten zu halten.
Verfahren zur Wärmerückgewinnungsoptimierung nach Anspruch 8, wobei das Steuern wenigstens eines von einem oder mehreren Ventilen zum Regeln des Durchflusses von kühlen Strömen des Wärmetauschernetzes und einem oder mehreren Prozessstromdurchflussregelventilen des Wärmetauschernetzes ein inkrementelles Einstellen eines oder mehrerer Durchflussregelventile jedes Wärmetauschers umfasst, um den Stromdurchflussratenzielwert für den Wärmetauscher ohne steuerungsinduzierte Schwankungen zu bewirken.
Wärmetauschersystem mit mehreren parallelen Pfaden, umfassend: einen Einlass für kühlen Prozessstrom; eine Mehrzahl von Wärmetauscherpfaden, die mit dem Einlass des kühlen Prozessstroms funktionsfähig verbunden sind, jeweils einen oder mehrere Wärmetauscher umfassen und jeweils so konfiguriert sind, dass sie kühlen Prozessstrom entlang einer Leitung empfangen, die unabhängig von und parallel zu einer Leitung für einen anderen der Mehrzahl von Wärmetauschern ist, wobei der Einlass des kühlen Prozessstroms einen Einlass des kühlen Prozessstroms umfasst, der jeder Leitung gemein ist; ein Ventil zum Regeln des Durchflusses des kühlen Prozessstroms, das funktionsfähig mit jeder der Mehrzahl von Leitungen verbunden ist, wobei jedes Ventil zum Regeln des Durchflusses des kühlen Prozessstroms eine Durchflussrate des kühlen Prozessstroms durch den jeweiligen Wärmetauscherpfad regelt; ein Ventil zum Regeln des Durchflusses des heißen Prozessstroms, das mit jedem Wärmetauscherpfad funktionsfähig verbunden ist, wobei jedes Ventil zum Regeln des Durchflusses des heißen Prozessstroms eine Durchflussrate des heißen Prozessstroms durch den jeweiligen Wärmetauscherpfad regelt; eine Temperaturmesswertgeber, der funktionsfähig mit einem Auslass jedes Wärmetauscherpfads verbunden ist, wobei der Temperaturmesswertgeber die Temperatur eines kühlem Prozessstroms misst, der durch den Wärmetauscherpfad durchgeführt wurde; und eine Steuerung, die mit jedem Temperaturmesswertgeber, jedem Ventil zum Regeln des Durchflusses der kühlen Prozessströme und jedem Ventil zum Regeln des Durchflusses der heißen Prozessströme funktionsfähig verbunden ist, wobei die Steuerung jedes Ventil zum Regeln des Durchflusses der kühlen Prozessströme und jedes Ventil zum Regeln des Durchflusses der heißen Prozessströme einstellt, um die Temperatur des kühlen Prozessstroms auszugleichen, der durch die Mehrzahl von Wärmetauscherpfaden durchgeführt wurde.
Wärmetauschersystem mit mehreren parallelen Pfaden nach Anspruch 15, wobei die Steuerung konfiguriert ist zum: Erfassen von Online-Prozessdaten in Bezug auf die Austrittstemperaturen der kühlen Prozessströme der Mehrzahl von Wärmetauscherpfaden, Entwickeln eines Satzes von Stromdurchflussratenzielwerten basierend auf den Online-Prozessdaten, wobei die Stromdurchflussratenzielwerte vorgesehene Durchflussraten des heißen Prozessstroms und des kühlen Prozessstroms durch jeden Wärmetauscher umfassen, um jede der Austrittstemperaturen der kühlen Prozessströme auszugleichen; und Einstellen jedes Ventils zum Regeln des Durchflusses der kühlen Prozessströme und jedem Ventil zum Regeln des Durchflusses der heißen Prozessströme basierend auf dem Satz von Stromdurchflussratenzielwerten, um die Temperatur des kühlen Prozessstroms auszugleichen, der durch die Mehrzahl von Wärmetauscherpfaden durchgeführt wurde.
Wärmetauschersystem mit mehreren parallelen Pfaden nach Anspruch 16, wobei der Stromdurchflussratenzielwert eine Funktion einer oder mehrerer der Gruppe bestehend aus der Durchflussrate des kühlen Prozessstroms und der Durchflussrate des heißen Prozessstroms, der Eintrittstemperatur des kühlen Prozessstroms, der Austrittstemperatur des kühlen Prozessstroms, der Eintrittstemperatur des heißen Prozessstroms und der Austrittstemperatur des heißen Prozessstroms ist.
Computerlesbares Medium mit computerausführbaren Anweisungen zum Optimieren der Wärmerückgewinnung in einem Wärmerückgewinnungssystem mit mehreren parallelen Pfaden eines Prozesssteuersystems, wobei die computerausführbaren Anweisungen Anweisungen umfassen zum Ausführen der Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
Computerlesbares Medium mit computerausführbaren Anweisungen nach Anspruch 18, wobei die Anweisungen zum Entwickeln eines Satzes von Stromdurchflussratenzielwerten computerausführbare Anweisungen zum Entwickeln eines Satzes von Stromdurchflussratenzielwerten als eine Funktion einer oder mehrerer der Gruppe bestehend aus der Durchflussrate des kühlen Prozessstroms und der Durchflussrate des heißen Prozessstroms, der Eintrittstemperatur des kühlen Prozessstroms, der Austrittstemperatur des kühlen Prozessstroms, der Eintrittstemperatur des heißen Prozessstroms und der Austrittstemperatur des heißen Prozessstroms umfassen.
Computerlesbares Medium mit computerausführbaren Anweisungen nach Anspruch 18, wobei die Anweisungen zum Steuern wenigstens eines von einem oder mehreren Ventilen zum Regeln des Durchflusses von kühlen Strömen des Wärmetauschernetzes und einem oder mehreren Ventilen zum Regeln des Durchflusses der heißen Prozessströme des Wärmetauschernetzes computerausführbare Anweisungen zum inkrementellen Einstellen eines oder mehrerer Durchflussregelventile jedes Wärmetauschers umfassen, um den Stromdurchflussratenzielwert für den Wärmetauscher ohne steuerungsinduzierte Schwankungen zu bewirken.