[发明专利]在部分和完全分散环境中同步的过程和公用系统合成的方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及能量管理系统领域，尤其涉及：以同步合成低成本热电联产公用系统和过程工厂的换热器网络、蒸馏网络序列的系统、计算机程序代码、以及方法。

背景技术

许多不同种类的过程消耗多个蒸汽等级和电力以获得输出结果、或生产所需的产品或化合物。对于消耗大量蒸汽的大规模过程而言，优选地通过对采用的工厂和设备进行仔细操作、设计或重配置来优化能量的消耗。此外，在一些工业制造过程中，需要在特定的温度下为不同种类的设备和机器提供特定的材料流。这些材料流可能需要由初始或供应的温度加热或冷却至目标温度。这需要消耗蒸汽来加热特定的流和消耗(例如)水来冷却特定的流。加热或冷却特定流的能量可以由公用工厂系统获得、和/或通过可以回收潜在损耗能量的换热单元来获得以减小需要由公用工厂系统获得的能量。

在现今的大型建筑群中，燃料和动力的消耗很大，并且其公共设施、以及现场过程换热网络(HEN)和蒸馏网络的规模也很大。在化学加工现场中，与化学工厂生产加工互连的总体现场公用系统例如为化学生产过程提供热和电力。总体现场公用系统的经济表现直接影响化学加工现场的操作成本，因此发明人意识到对过程子系统和总体现场公用系统的合成的改进会显著地节约成本。

已存在两种成熟的合成公用系统(CHP)的方法。第一种方法基于工厂的热力学性能并且旨在最大化工厂的整体能量效率。一些优化技术可以被包含以作为解决方案流程的一部分。第二种方法仅采用诸如MILP和MINLP等优化方法以满足预定目标/需求。在同时在商用软件(例如Aspentech公司的Aspen Utilities Planner、曼切斯特大学的PI系的Star软件、以及KBC的ProSteam)和学术文献中采用的方法中，该任务可以设计满足给定/特定蒸汽和电力需求的公用工厂。该方法随后延伸为统计在由这种一次性的给定/特定蒸汽和电力需求至多周期的重复给定/特定蒸汽和动力需求的过程中的不确定性和扰动。

工业界(例如，过程工程部门)和学术界现在采用的最先进的方法并未系统地同时考虑蒸馏塔子系统的最好的序列、设计、操作条件和HEN合成，以及采用高保真度公用CHP细节的最好的设计条件。发明人意识到执行这种方法时，并未考虑以下两方面以获得最好的公用系统的合成：在设计HEN、大蒸馏网络序列、或小但重要的蒸馏网络序列组中的过程自由度；或采用最好的过程条件。即，发明人意识到现有技术并未意识到或采用对这种子系统、CHP、蒸馏塔、HEN、和/或剩余过程条件进行同步合成。在公用系统和关键过程系统(例如HEN和过程蒸馏网络序列)中很多潜在的自由度的组合、以及过程设计和操作条件可以对两种系统的合成进行显著的优化。

两种方法的组合如本文所展示。组合方法中任一种均不能处理对关键过程系统(例如蒸馏序列系统、HEN系统)和设施系统的同步合成，从而都都很少考虑剩余过程中例如温度、压力、回流比、冷却器之间、加热器之间、以及蒸馏塔中等等过程变化的所有的可能组合。

为了尝试“优化”在过程和公用工厂中的能量回收，现有技术通常尝试通过采用两个完全分解的优化问题来解算该合成问题，这两个优化问题分别用于化学/过程工厂、以及公用设施工厂。在大多数公司中这两个问题分别由两个不同的团队解决，这两个团队各自分属同一个公司中的独立的分散部门、或分属于两个不同的公司(一个公司在过程工厂内而另一个公司在公用工厂内)。根据这种常见的方法，过程合成团队/小组在CHP合成之前将过程蒸汽需求、过程蒸汽产生、以及设备驱动类型(马达或蒸汽)告知给公用子系统(CHP)合成团队/小组。

由此，在工业界和学术界中处理的公用系统合成问题始终为“追随者”目标问题。该过程始终首先被合成并且其过程条件被设定。随后为公用系统规定所需的蒸汽数量和质量。采用马达驱动或汽轮驱动泵/压缩机对过程液体和气体驱动的决定在公用系统合成前即完成。在过去分散式公司的管理者坚持应用这种有争议的过时的方法做决定，当时公用系统仅仅是一些锅炉并且设施中的主要资本为过程系统(即蒸馏和HEN子系统)。

但是，发明人意识到，对于新的联产、三重联产、以及甚至于四倍联产(其中出现电力和水以作为新的产品)，“引导权的改变”将会节约经济成本，“引导权的改变”使得过程系统(例如HEN和蒸馏网络)变成“跟随者”而“公用系统”变为引导者。发明人还意识到，“公用系统合成者”在其合作伙伴“过程合成者”进行合作的情况下可以提供更好地结果，尤其是如果公用系统的资金成本远高于HEN和/或蒸馏网络的资金成本。自然地，对这种公用系统合成的有效的管理可以对项目的利润率和生命周期的成功带来巨大影响。