水冷式复叠制冷系统的在线动态模拟与优化

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1020

化工进展 ›› 2023, Vol. 42 ›› Issue (S1): 124-132.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1020

水冷式复叠制冷系统的在线动态模拟与优化

张瑞杰¹(), 刘志林¹, 王俊文¹(), 张玮¹, 韩德求², 李婷², 邹雄²

^1.太原理工大学化学工程与技术学院，山西太原 030024
^2.黄河三角洲京博化工研究院有限公司过程工程研究所，山东滨州 256505

收稿日期:2023-06-20 修回日期:2023-09-22 出版日期:2023-10-25 发布日期:2023-11-30
通讯作者: 王俊文
作者简介:张瑞杰（1997—），男，硕士研究生，研究方向为化工过程系统工程。E-mail：zhangruijie187@gmail.com。
基金资助:
2021年山西省教育厅研究生教学改革项目(2021YJG054);2022年教育部产学合作协同育人项目(221004650101701)

On-line dynamic simulation and optimization of water-cooled cascade refrigeration system

ZHANG Ruijie¹(), LIU Zhilin¹, WANG Junwen¹(), ZHANG Wei¹, HAN Deqiu², LI Ting², ZOU Xiong²

^1.Institute of Chemical Engineering and Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030000, Shanxi, China
^2.Process Engineering Research Institute, Yellow River Delta Jingbo Chemical Research Institute Co. , Ltd. , Binzhou 256600, Shandong, China

Received:2023-06-20 Revised:2023-09-22 Online:2023-10-25 Published:2023-11-30
Contact: WANG Junwen

摘要/Abstract

摘要：

针对某装置的乙烯-丙烯复叠式制冷系统和循环水冷却系统耦合而成的复杂换热系统（水冷式复叠制冷系统），使用Unisim建立了严格的动态机理模型，并利用OPC技术实现了现场数据的实时获取，从而建立了在线动态模拟系统。通过在线动态模拟实现了模型与现场装置的同步跟随，在线动态模型可反映现场装置的当前运行状态，从而得到了一个高精度的数字孪生模型。此外，为解决系统能耗高的问题，以系统总功耗最小为目标函数，循环上水温度为决策变量，进行了全局模拟优化。其中，对于风机功率的计算，通过利用工厂一年的历史数据回归得到了风机功率的预测模型，从而解决了优化过程中功率计算的问题。最后，将优化结果在数字孪生模型进行了在线验证计算，并预测了优化效果。优化后系统总计节省功耗772.69MW，合计每年节省费用56.4万元，为企业带来了显著的经济效益。

关键词: 在线动态模拟, 复叠式制冷, 节能优化, 数字孪生

Abstract:

A rigorous dynamic mechanism model was established using Unisim for a complex heat exchange system (water cooled cascade refrigeration system) coupled with an ethylene propylene cascade refrigeration system and a circulating water cooling system in a certain device. Real time acquisition of on-site data was achieved using OPC technology, resulting in the establishment of an online dynamic simulation system. Through online dynamic simulation, synchronous tracking between the model and the on-site device was achieved. The online dynamic model can reflect the current operating status of the on-site device, thus obtaining a high-precision digital twin model. In addition, to address the issue of high system energy consumption, a global simulation optimization was conducted with the objective function of minimizing total system power consumption and the decision variable of circulating water temperature. Among them, for the calculation of fan power, a prediction model for fan power was obtained through regression using one year's historical data of the factory, thus solving the problem of power calculation in the optimization process. Finally, the optimization results were validated and calculated online in the digital twin model, and the optimization effect was predicted. After optimization, the system saved a total of 772.69MW in power consumption, with a total annual cost savings of 564000CNY, bringing significant economic benefits to the enterprise.

Key words: on-line dynamic simulation, cascade refrigeration, energy saving optimization, digital twin

中图分类号:

TQ021.8

张瑞杰, 刘志林, 王俊文, 张玮, 韩德求, 李婷, 邹雄. 水冷式复叠制冷系统的在线动态模拟与优化[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 124-132.

ZHANG Ruijie, LIU Zhilin, WANG Junwen, ZHANG Wei, HAN Deqiu, LI Ting, ZOU Xiong. On-line dynamic simulation and optimization of water-cooled cascade refrigeration system[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2023, 42(S1): 124-132.

图/表 11

参考文献 20

1	宁静红, 原昆朋. 三级复叠制冷系统自然工质组的性能对比[J]. 化学工程, 2021, 49(6): 36-40.
	NING Jinghong, YUAN Kunpeng. Performance comparison of natural refrigerant groups in three-stage cascade refrigeration system[J]. Chemical Engineering (China), 2021, 49(6): 36-40.
2	谢娜, 刘金平, 许雄文, 等. 乙烯深冷分离中变温冷却过程制冷系统的设计与优化[J]. 化工学报, 2013, 64(10): 3590-3598.
	XIE Na, LIU Jinping, XU Xiongwen, et al. Design and optimization of refrigeration separation system for variable-temperature cooling process in ethylene cryogenic separation process[J]. CIESC Journal, 2013, 64(10): 3590-3598.
3	李亚军, 尹华. 乙烯深冷分离工艺中LNG冷能的利用[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2009, 37(3): 62-66.
	LI Yajun, YIN Hua. Utilization of cryogenic energy of LNG in ethylene cryogenic separation process[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2009, 37(3): 62-66.
4	黄可锋, 冯霄. 乙烯装置制冷系统的用能分析[J]. 石油化工, 2007, 36(9): 940-943.
	HUANG Kefeng, FENG Xiao. Energy analysis of refrigeration system of ethylene unit[J]. Petrochemical Technology, 2007, 36(9): 940-943.
5	贾兆年, 高海见. 丙烷脱氢制丙烯低温分离工艺分析[J]. 化学工程, 2011, 39(7): 93-97.
	JIA Zhaonian, GAO Haijian. Analysis of low temperature recovery unit in propane dehydrogenation to propylene process[J]. Chemical Engineering (China), 2011, 39(7): 93-97.
6	张婷婷, 李亚军. 丁基橡胶生产工艺中LNG冷能的利用[J]. 低温工程, 2010(3): 46-51.
	ZHANG Tingting, LI Yajun. Usage of LNG cold energy in butyl rubber production process[J]. Cryogenics, 2010(3): 46-51.
7	陈茂春, 丁文有. 液化天然气冷能在丁基橡胶装置上的利用[J]. 石油化工, 2015, 44(1): 95-102.
	CHEN Maochun, DING Wenyou. Utilizing cold energy in liquefied natural gas for butyl rubber plant[J]. Petrochemical Technology, 2015, 44(1): 95-102.
8	韩军仕. LNG冷能在丁基橡胶项目中的应用[J]. 上海化工, 2015, 40(5): 16-19.
	HAN Junshi. Application of LNG cold energy in butyl rubber item[J]. Shanghai Chemical Industry, 2015, 40(5): 16-19.
9	张普洋, 李风雷. 回热器位置对复叠式压缩制冷系统性能的影响[J]. 低温与超导, 2021, 49(5): 71-76.
	ZHANG Puyang, LI Fenglei. Effect of the regenerator position on the performance of compression cascade refrigeration system[J]. Cryogenics & Superconductivity, 2021, 49(5): 71-76.
10	刘江学, 刘智勇, 陈晓慧, 等. 中间温度对复叠式制冷系统影响的㶲分析[J]. 真空与低温, 2023, 29(2): 194-199.
	LIU Jiangxue, LIU Zhiyong, CHEN Xiaohui, et al. Exergy analysis of influence of intermediate temperature on cascade refrigeration system[J]. Vacuum and Cryogenics, 2023, 29(2): 194-199.
11	孙浩迪. 单制冷剂复叠式制冷系统变负荷运行特性分析[D]. 天津: 天津商业大学, 2022.
	SUN Haodi. Analysis of variable load operation characteristics of single refrigerant cascade refrigeration system[D]. Tianjin: Tianjin University of Commerce, 2022.
12	秦海良, 黄鹏鸿. 丙烯制冷系统模拟优化[J]. 乙烯工业, 2019, 31(1): 19-22, 5.
	QIN Hailiang, HUANG Penghong. Simulation and optimization of propylene refrigeration system[J]. Ethylene Industry, 2019, 31(1): 19-22, 5.
13	张小锋, 湛世辉, 冯霄. 乙烯分离与复叠制冷系统用能的综合优化[J]. 化工进展, 2015, 34(12): 4191-4197.
	ZHANG Xiaofeng, ZHAN Shihui, FENG Xiao. Integrated optimization of ethylene separation process and cascade refrigeration system[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2015, 34(12): 4191-4197.
14	FÁBREGA F M, ROSSI J S, D'ANGELO J V H. Exergetic analysis of the refrigeration system in ethylene and propylene production process[J]. Energy, 2010, 35(3): 1224-1231.
15	谢娜. 乙烯深冷分离中混合工质制冷系统研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2014.
	XIE Na. The study on the mixed refrigerant process for ethylene cryogenic separation[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2014.
16	尤成宏, 付裕. 抚顺乙烯装置HRS深冷分离技术研究[J]. 乙烯工业, 2015, 27(1): 38-42, 6.
	YOU Chenghong, FU Yu. Study on hrs cryogenic separation technology applied in Fushun ethylene plant[J]. Ethylene Industry, 2015, 27(1): 38-42, 6.
17	田峻, 李琰, 廖丽华, 等. 乙烯装置深冷分离系统的优化研究[J]. 石油石化绿色低碳, 2019, 4(5): 22-28.
	TIAN Jun, LI Yan, LIAO Lihua, et al. Optimization of chilling separate system in ethylene plant[J]. Green Petroleum & Petrochemicals, 2019, 4(5): 22-28.
18	盛在行. 二元制冷技术在乙烯装置中的应用[J]. 化工进展, 2002, 21(9): 663-667.
	SHENG Zaihang. Technology of binary refrigeration applied to ethylene plant[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2002, 21(9): 663-667.
19	贾世阳, 苏兴, 葛林, 等. 干气制乙苯反应器自适应在线操作实时动态模拟[J]. 计算机与应用化学, 2010, 27(7): 865-870.
	JIA Shiyang, SU Xing, GE Lin, et al. Real-time dynamic simulation of adaptive on-line operation of dry gas-to-ethylbenzene reactor[J]. Computers and Applied Chemistry, 2010, 27(7): 865-870.
20	刘智安, 赵巨东, 刘建国. 工业循环冷却水处理[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2017.
	LIU Zhian, ZHAO Judong, LIU Jianguo. Industrial circulating cooling water treatment[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2017.

控制点	平均绝对误差	平均相对误差	最大绝对误差	最大相对误差
级间闪蒸罐A液位	0.22	0.58	0.56	1.11
级间闪蒸罐B液位	0.34	0.76	0.72	1.32
级间闪蒸罐C液位	0.50	0.90	0.9	1.15
级间闪蒸罐E液位	0.25	0.51	0.77	0.92

控制点	平均绝对误差	平均相对误差	最大绝对误差	最大相对误差
级间闪蒸罐A液位	0.22	0.58	0.56	1.11
级间闪蒸罐B液位	0.34	0.76	0.72	1.32
级间闪蒸罐C液位	0.50	0.90	0.9	1.15
级间闪蒸罐E液位	0.25	0.51	0.77	0.92

非控制点	平均绝对误差	平均相对误差/%	最大绝对误差	最大相对误差%
级间闪蒸罐A温度	0.23	1.30	1.54	2.21
级间闪蒸罐D温度	0.21	0.32	1.33	1.77
丙烯压缩机一段入口温度	0.15	0.38	0.92	0.56
丙烯压缩机一段出口温度	0.32	1.03	1.64	1.93

非控制点	平均绝对误差	平均相对误差/%	最大绝对误差	最大相对误差%
级间闪蒸罐A温度	0.23	1.30	1.54	2.21
级间闪蒸罐D温度	0.21	0.32	1.33	1.77
丙烯压缩机一段入口温度	0.15	0.38	0.92	0.56
丙烯压缩机一段出口温度	0.32	1.03	1.64	1.93

月份	初始值/℃	最优值/℃
1	20.1	8.1
2	19.4	9.4
3	15.6	14.6
11	19.6	14.7
12	17.4	10.5

水冷式复叠制冷系统的在线动态模拟与优化

On-line dynamic simulation and optimization of water-cooled cascade refrigeration system

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图/表 11

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月份	原总功耗/MW	新总功耗/MW	节省功耗/MW	节省费用/万元
1	5812.19	5577.83	234.36	17.11
2	5596.64	5377.12	219.52	16.02
3	5664.32	5597.98	66.34	4.84
11	6089.40	6000.30	89.10	6.50
12	5819.01	5655.64	163.37	11.93

[1]	索寒生, 贾梦达, 宋光, 刘东庆. 数字孪生技术助力石化智能工厂[J]. 化工进展, 2023, 42(7): 3365-3373.
[2]	汪东, 于品华, 陈斌, 肖昂, 陈锋, 江洋洋. 环己酮生产中的环己烷三效精馏节能优化[J]. 化工进展, 2023, 42(5): 2245-2251.
[3]	王子宗, 索寒生, 赵学良, 闫雅琨. 数字孪生智能乙烯工厂工业互联网平台的设计与构建[J]. 化工进展, 2023, 42(10): 5029-5036.
[4]	王子宗, 高立兵, 索寒生. 未来石化智能工厂顶层设计：现状、对比及展望[J]. 化工进展, 2022, 41(7): 3387-3401.
[5]	高立兵, 吕中原, 索寒生, 刘晓遇. 石油化工流程模拟软件现状与发展趋势[J]. 化工进展, 2021, 40(S2): 1-14.
[6]	车景华, 王子健. 热泵精馏在柴油加氢装置与干气提浓装置热联合上的应用分析[J]. 化工进展, 2021, 40(S1): 27-31.
[7]	余斌, 朱伟佳. 石化行业数字孪生技术的应用探索[J]. 化工进展, 2019, 38(s1): 278-281.
[8]	李群生, 王亚茹, 文放. 乙醇-水体系分离提纯过程新技术的研究[J]. 化工进展, 2015, 34(12): 4179-4184.