專利名稱：一種流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)，特別涉及流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)的分析方法。
背景技術(shù)：
換熱網(wǎng)絡(luò)作為煉油、化工等流程工業(yè)一個重要的子系統(tǒng)，用于加熱或者冷卻工藝物料以滿足生產(chǎn)工藝要求，是能量的重要集成形式。換熱介質(zhì)在換熱網(wǎng)絡(luò)中傳遞熱量。換熱介質(zhì)包括工藝物料，以及由工藝物料產(chǎn)生的中間產(chǎn)物、循環(huán)冷卻水、蒸汽等這類不是工藝物料，但起著換熱媒介物的功能的物質(zhì)。分析研究換熱網(wǎng)絡(luò)對節(jié)能降耗具有重要意義。換熱網(wǎng)絡(luò)分析與優(yōu)化方法包括夾點(diǎn)分析法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法和人工智能方法。在工程中應(yīng)用最多的是夾點(diǎn)分析法。夾點(diǎn)分析法是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，通過設(shè)定最小傳熱溫差，求解夾點(diǎn)溫度位置來優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從公用工程供給的熱量和冷量的最小化，進(jìn)而降低公用工程能源消耗。夾點(diǎn)分析是對換熱網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化的有效方法，但是工藝和設(shè)計(jì)人員固有的思路是將其用于工廠設(shè)計(jì)階段或者改造設(shè)計(jì)階段。本專利是依據(jù)流程工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，從集成計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的角度，將夾點(diǎn)分析方法與實(shí)際生產(chǎn)過程集成，形成一種高效的分析和輔助決策技術(shù)。聚類是將數(shù)據(jù)分類到不同的類或者簇這樣的一個過程，所以同一個簇中的對象有很大的相似性，而不同簇間的對象有很大的相異性。聚類分析是一種依據(jù)研究對象的特征， 對其進(jìn)行分類的統(tǒng)計(jì)分析方法。聚類分析是數(shù)據(jù)挖掘的主要任務(wù)之一，而且聚類能夠作為一個獨(dú)立的工具獲得數(shù)據(jù)的分布狀況，觀察每一簇數(shù)據(jù)的特征，集中對特定的聚簇集合作進(jìn)一步地分析。聚類分析的方法有層次聚類、合并法、分解法、樹狀圖、非層次聚類、K均值聚類法、智能聚類法等等。在設(shè)計(jì)階段，換熱網(wǎng)絡(luò)是按照生產(chǎn)工藝、處理量等因素進(jìn)行優(yōu)化。但是，在企業(yè)投產(chǎn)后，企業(yè)生產(chǎn)往往要根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品和原料供需關(guān)系、設(shè)備情況等對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整和改造，特別地，企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模會逐步擴(kuò)大，部分工藝會改動，因此企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)(比如，生產(chǎn)負(fù)荷)是變化的。在此過程中，換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)也發(fā)生相應(yīng)的改變，偏離設(shè)計(jì)時的最優(yōu)狀態(tài)，造成公用工程費(fèi)用的增加。由于這是一個漸進(jìn)的過程，企業(yè)多是在問題比較明顯的時候，組織人員核算改造投入和改造后的效益，并決定是否改造換熱系統(tǒng)。然而， 對于人工操作來說，這是一個復(fù)雜的過程，特別是由于企業(yè)的生產(chǎn)狀態(tài)是變化的，改造的效益常常難以準(zhǔn)確測定。因此，對于生產(chǎn)企業(yè)，建立一種自動的、系統(tǒng)化的換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法， 及時分析其換熱網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和能量集成情況，由此計(jì)算換熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能潛力，以便進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，來指導(dǎo)生產(chǎn)和設(shè)備改造、挖掘節(jié)能潛力，非常具有現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種流程工業(yè)的換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，將生產(chǎn)狀態(tài)的變化作為換熱網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)，計(jì)算企業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能潛力，為企業(yè)進(jìn)行節(jié)能降耗改造提供參考。
一種流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，包括以下步驟1)劃分生產(chǎn)狀態(tài)，具體包括1. 1)根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況，選擇代表生產(chǎn)狀態(tài)的工藝物料及其流量參數(shù)，選擇工藝物料的歷史數(shù)據(jù)的時間范圍，訪問存儲所述工藝物料及其流量參數(shù)流量值的歷史數(shù)據(jù)庫，以獲取該時間范圍內(nèi)用于劃分生產(chǎn)狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)集；所述工藝物料的歷史數(shù)據(jù)包含流量參數(shù)流量值；所述歷史數(shù)據(jù)庫是企業(yè)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，所述生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)包括歷史數(shù)據(jù)，每個所述歷史數(shù)據(jù)具有代表其發(fā)生時間的時間戳；所述生產(chǎn)狀態(tài)由各工藝物料及其流量參數(shù)的流量值表征；將所述歷史數(shù)據(jù)集內(nèi)時間戳相同或相近的所述工藝物料的歷史數(shù)據(jù)分組，每組為一數(shù)據(jù)元，每個所述數(shù)據(jù)元具有時間戳；所述歷史數(shù)據(jù)集是代表生產(chǎn)狀態(tài)的各工藝物料的歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集合；1. 2)通過聚類分析算法，將歷史數(shù)據(jù)集劃分為多個歷史數(shù)據(jù)子集，每個歷史數(shù)據(jù)子集代表一種生產(chǎn)狀態(tài)，所述歷史數(shù)據(jù)子集包括至少一個所述數(shù)據(jù)元；2)計(jì)算和繪制換熱網(wǎng)絡(luò)溫焓圖，具體包括如下步驟2. 1)通過所述歷史數(shù)據(jù)子集中各所述數(shù)據(jù)元的時間戳，訪問所述歷史數(shù)據(jù)庫，獲取換熱網(wǎng)絡(luò)中各換熱介質(zhì)的歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況賦予各個換熱器的換熱介質(zhì)的冷熱流屬性；所述換熱介質(zhì)包括工藝物料、工藝物料產(chǎn)生的中間產(chǎn)物、和/或循環(huán)冷卻水、和/或蒸汽；所述換熱介質(zhì)的歷史數(shù)據(jù)包括入口溫度、出口溫度和各換熱介質(zhì)的流量；2. 2)按所述冷熱流屬性將換熱介質(zhì)分為冷流和熱流，根據(jù)換熱介質(zhì)的入口溫度和出口溫度，分別統(tǒng)計(jì)冷流的溫度變化區(qū)間和熱流的溫度變化區(qū)間；2. 3)分別計(jì)算冷流和熱流在步驟2. 2)中各溫度變化區(qū)間端點(diǎn)溫度對應(yīng)的焓值，2. 4)根據(jù)冷流和熱流的溫度變化區(qū)間及其相應(yīng)端點(diǎn)溫度的焓值在溫焓圖上繪制各點(diǎn)，然后將冷流溫度變化區(qū)間的各點(diǎn)和熱流溫度變化區(qū)間的各點(diǎn)分別連接，從而繪制得到換熱網(wǎng)絡(luò)的溫焓圖；3)換熱網(wǎng)絡(luò)分析3. 1)在換熱網(wǎng)絡(luò)溫焓圖中獲取某生產(chǎn)狀態(tài)下?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際消耗的公用工程加熱量Hbh和公用工程冷卻量Hb。；所述的生產(chǎn)狀態(tài)下?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際消耗的公用工程加熱量是指在溫焓圖中，冷流曲線在橫坐標(biāo)的投影未與熱流曲線重合的線段的投影長度所對應(yīng)的焓值；所述的生產(chǎn)狀態(tài)下?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際消耗的公用工程冷卻量是指在溫焓圖中，熱流曲線在橫坐標(biāo)的投影未與冷流曲線重合的線段的投影長度所對應(yīng)的焓值；3. 2)計(jì)算出改造后換熱網(wǎng)絡(luò)消耗的公用工程加熱量Hah和公用工程冷卻量Ha。；所述改造后換熱網(wǎng)絡(luò)消耗的公用工程加熱量和公用工程冷卻量是指將來可能進(jìn)行的改造之后預(yù)計(jì)的公用工程加熱量和公用工程冷卻量；3. 3)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)改造的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，得到換熱網(wǎng)絡(luò)在該生產(chǎn)狀態(tài)下的節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)價值3. 4)按照步驟3. 1)至步驟3. 3)計(jì)算換熱網(wǎng)絡(luò)在各生產(chǎn)狀態(tài)下的節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)價值。在步驟1. 2)之前還可以包括步驟1. la)對于多個工藝物料的情況，以一種工藝物料的歷史數(shù)據(jù)的時間戳為基準(zhǔn)，將各工藝物料的、與此基準(zhǔn)的時間戳相同或距離此基準(zhǔn)的時間戳最近的所述工藝物料的歷史數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)元，所述工藝物料的歷史數(shù)據(jù)按照不同的時間戳分為多個數(shù)據(jù)元，組成歷史數(shù)據(jù)集。步驟1. 2)的聚類分析算法可以為K均值算法，具體步驟如下(1)采用最大最小距離法確定兩個初始聚類中心Zl和Z2 ；(2)采用K均值算法對歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行劃分得到兩個子集Xl和X2，重新計(jì)算聚類中心代替Zl和Z2，計(jì)算聚類評價指標(biāo)BDI
權(quán)利要求
1. 一種流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，包括以下步驟1)劃分生產(chǎn)狀態(tài)，具體包括1.1)根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況，選擇代表生產(chǎn)狀態(tài)的工藝物料及其流量參數(shù)，選擇工藝物料的歷史數(shù)據(jù)的時間范圍，訪問存儲所述工藝物料及其流量參數(shù)流量值的歷史數(shù)據(jù)庫， 以獲取該時間范圍內(nèi)用于劃分生產(chǎn)狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)集；所述工藝物料的歷史數(shù)據(jù)包含流量參數(shù)流量值；所述歷史數(shù)據(jù)庫是企業(yè)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，所述生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)包括歷史數(shù)據(jù)，每個所述歷史數(shù)據(jù)具有代表其發(fā)生時間的時間戳；所述生產(chǎn)狀態(tài)由各工藝物料及其流量參數(shù)的流量值表征；將所述歷史數(shù)據(jù)集內(nèi)時間戳相同或相近的所述工藝物料的歷史數(shù)據(jù)分組，每組為一數(shù)據(jù)元，每個所述數(shù)據(jù)元具有時間戳；所述歷史數(shù)據(jù)集是代表生產(chǎn)狀態(tài)的各工藝物料的歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集合；1.2)通過聚類分析算法，將歷史數(shù)據(jù)集劃分為多個歷史數(shù)據(jù)子集，每個歷史數(shù)據(jù)子集代表一種生產(chǎn)狀態(tài)，所述歷史數(shù)據(jù)子集包括至少一個所述數(shù)據(jù)元；2)計(jì)算和繪制換熱網(wǎng)絡(luò)溫焓圖，具體包括如下步驟2.1)通過所述歷史數(shù)據(jù)子集中各所述數(shù)據(jù)元的時間戳，訪問所述歷史數(shù)據(jù)庫，獲取換熱網(wǎng)絡(luò)中各換熱介質(zhì)的歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況賦予各個換熱器的換熱介質(zhì)的冷熱流屬性；所述換熱介質(zhì)包括工藝物料、工藝物料產(chǎn)生的中間產(chǎn)物、和/或循環(huán)冷卻水、和/或蒸汽；所述換熱介質(zhì)的歷史數(shù)據(jù)包括入口溫度、出口溫度和各換熱介質(zhì)的流量；2. 2)按所述冷熱流屬性將換熱介質(zhì)分為冷流和熱流，根據(jù)換熱介質(zhì)的入口溫度和出口溫度，分別統(tǒng)計(jì)冷流的溫度變化區(qū)間和熱流的溫度變化區(qū)間；2.3)分別計(jì)算冷流和熱流在步驟2.幻中各溫度變化區(qū)間端點(diǎn)溫度對應(yīng)的焓值，2.4)根據(jù)冷流和熱流的溫度變化區(qū)間及其相應(yīng)端點(diǎn)溫度的焓值在溫焓圖上繪制各點(diǎn)， 然后將冷流溫度變化區(qū)間的各點(diǎn)和熱流溫度變化區(qū)間的各點(diǎn)分別連接，從而繪制得到換熱網(wǎng)絡(luò)的溫焓圖；3)換熱網(wǎng)絡(luò)分析3.1)在換熱網(wǎng)絡(luò)溫焓圖中獲取某生產(chǎn)狀態(tài)下?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際消耗的公用工程加熱量Hbh 和公用工程冷卻量Hb。；所述的生產(chǎn)狀態(tài)下?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際消耗的公用工程加熱量是指在溫焓圖中，冷流曲線在橫坐標(biāo)的投影未與熱流曲線重合的線段的投影長度所對應(yīng)的焓值；所述的生產(chǎn)狀態(tài)下?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際消耗的公用工程冷卻量是指在溫焓圖中，熱流曲線在橫坐標(biāo)的投影未與冷流曲線重合的線段的投影長度所對應(yīng)的焓值；3. 2)計(jì)算出改造后換熱網(wǎng)絡(luò)消耗的公用工程加熱量Hah和公用工程冷卻量Ha。；所述改造后換熱網(wǎng)絡(luò)消耗的公用工程加熱量和公用工程冷卻量是指將來可能進(jìn)行的改造之后預(yù)計(jì)的公用工程加熱量和公用工程冷卻量；3. 3)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)改造的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，得到換熱網(wǎng)絡(luò)在該生產(chǎn)狀態(tài)下的節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)價值3. 4)按照步驟3. 1)至步驟3. 3)計(jì)算換熱網(wǎng)絡(luò)在各生產(chǎn)狀態(tài)下的節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)價值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，其特征在于，在步驟1. 2)之前還包括步驟1. la)對于多個工藝物料的情況，以一種工藝物料的歷史數(shù)據(jù)的時間戳為基準(zhǔn)，將各工藝物料的、與此基準(zhǔn)的時間戳相同或距離此基準(zhǔn)的時間戳最近的所述工藝物料的歷史數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)元，所述工藝物料的歷史數(shù)據(jù)按照不同的時間戳分為多個數(shù)據(jù)元，組成歷史數(shù)據(jù)集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，其特征在于，步驟1.2)的聚類分析算法為K均值算法，具體步驟如下(1)采用最大最小距離法確定兩個初始聚類中心Zl和Z2；(2)采用K均值算法對歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行劃分得到兩個子集Xl和X2，重新計(jì)算聚類中心代替Zl和Z2，計(jì)算聚類評價指標(biāo)BDI
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，其特征在于，在步驟 2. 1)后還包括步驟2. la):對具有不同時間戳的各換熱器的換熱介質(zhì)的入口溫度、出口溫度和換熱介質(zhì)流量的歷史數(shù)據(jù)分別作算術(shù)平均得到入口平均溫度、出口平均溫度和換熱介質(zhì)平均流量，用以代表該生產(chǎn)狀態(tài)下該換熱介質(zhì)的入口溫度、出口溫度和換熱介質(zhì)流量；步驟2. 2)中的入口溫度包括入口平均溫度，出口溫度包括出口平均溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，其特征在于，所述Hbh 和Hb。分別代表改造前換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際消耗的單位時間公用工程加熱量和單位時間公用工程冷卻量；所述Hah和Ha。分別代表計(jì)算得到的改造后換熱網(wǎng)絡(luò)消耗的單位時間公用工程加熱量和單位時間公用工程冷卻量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，其特征在于，在步驟3.2)中，設(shè)定最小傳熱溫差，使用夾點(diǎn)分析方法計(jì)算該生產(chǎn)狀態(tài)下夾點(diǎn)溫度位置、改造后換熱網(wǎng)絡(luò)消耗的最小公用工程加熱量Hah和最小公用工程冷卻量Ha。。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，其特征在于，在步驟1. 2)之后還包括步驟1. 3)將所述歷史數(shù)據(jù)子集的數(shù)據(jù)元的數(shù)量和所述歷史數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)元的數(shù)量進(jìn)行比較，所述比較值反映所述歷史數(shù)據(jù)子集對應(yīng)的生產(chǎn)狀態(tài)在總的生產(chǎn)時間中的長短，稱為生產(chǎn)狀態(tài)時間占比；在步驟3. 4)之后還包括步驟3. 在計(jì)算完換熱網(wǎng)絡(luò)在所有生產(chǎn)狀態(tài)下的節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)價值后，基于所述節(jié)能潛力，以各個生產(chǎn)狀態(tài)時間占比為權(quán)重，確定一段時間內(nèi)各種生產(chǎn)狀態(tài)的節(jié)能總量對比關(guān)系，和/或輸出分析結(jié)果，提供各生產(chǎn)狀態(tài)下的一段時間內(nèi)，總的節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)價值，和/或最優(yōu)節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)價值，和/或生產(chǎn)建議。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，其特征在于，在步驟·2.2)中，如果換熱介質(zhì)溫度變化區(qū)間有重迭，則將溫度變化區(qū)間分拆為沒有重迭的溫度變化區(qū)間并記錄各溫度變化區(qū)間內(nèi)換熱介質(zhì)的構(gòu)成；和/或在步驟2. 3)中，通過熱量計(jì)算得到所述各溫度變化區(qū)間的端點(diǎn)溫度對應(yīng)的焓值，計(jì)算所述熱量的公式為Q = ( Σ Cp) XFXT ；其中，Q為熱量，F(xiàn)為流量，T為溫度，Σ Cp 為溫度變化區(qū)間內(nèi)所包含的換熱介質(zhì)的定壓比熱容之和。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，其特征在于，步驟3.3)還包括設(shè)定公用工程單位加熱費(fèi)用和公用工程單位冷卻費(fèi)用，計(jì)算換熱網(wǎng)絡(luò)改造前后的運(yùn)行費(fèi)用，通過下式得到換熱網(wǎng)絡(luò)在該生產(chǎn)狀態(tài)下的節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)價值
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的流程工業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，其特征在于，上述步驟的最后還包括在計(jì)算完換熱網(wǎng)絡(luò)在所有生產(chǎn)狀態(tài)下的節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)價值后，輸出分析結(jié)果，提供所有生產(chǎn)狀態(tài)下的節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)價值和/或最優(yōu)節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)價值和/ 或生產(chǎn)建議。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種流程工業(yè)的換熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，包括1)劃分生產(chǎn)狀態(tài)；2)計(jì)算和繪制換熱網(wǎng)絡(luò)溫焓圖；3)換熱網(wǎng)絡(luò)分析等步驟。將生產(chǎn)狀態(tài)的變化作為換熱網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)，計(jì)算企業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能潛力，為企業(yè)進(jìn)行節(jié)能降耗改造提供參考。
文檔編號G06Q10/00GK102446299SQ20111020175
公開日2012年5月9日 申請日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
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