用于合成无约束和受约束热交换器网络的系统、方法和程序产品

摘要

本发明提供了合成用于依照多个公用工程目标冷却多个热过程流（H1..Hn）并且加热多个冷过程流（C1..Cn）的基层热交换器网络的系统（30）、方法和程序产品（51）。示例性系统（30）包括热交换网络合成计算机（31）以及热交换网络合成程序产品（51），其被配置成通过对于无约束和非热力学约束问题应用高级过程-过程匹配方案而在不分解的情况下分析废热回收问题以便产生具有最佳数量的网络热交换器单元（211，212，221，222）的结果。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及能量回收系统领域，并且特别地涉及与合成用于过程或过程集群的热交换器网络有关的系统、程序产品和方法，所述过程或过程集群包括要冷却的多个热过程流以及要加热的多个冷过程流。

背景技术

许多不同类型的过程消耗多个蒸汽水平和电力以便获得输出结果或者产生所需的产品或化合物。对于例如消耗大量燃料蒸汽的大规模过程而言，优选的是通过使用的工厂和装备的仔细的操作、设计或重新配置而优化能耗。此外，在一些工业制造过程中，需要在特定温度下将材料流的特定流提供给不同类型的装备和机器。这些材料流可能需要从原始的起始或供应温度加热或冷却到目标温度。这进而要求消耗蒸汽以便加热特定流以及消耗水以便例如冷却特定流。

可以例如通过特定材料流相对于彼此的仔细放置和配置而将工业制造过程采用或消耗的总能量优化为全局最小水平。例如，可以存在邻近需要加热的冷流地放置需要冷却的热流的可能性。可以将具有已经存在的需要移除的热能（废热）的流或者需要添加热量的流彼此关联以便优化过程的能耗。可以合成热交换器网络以便提供一种用于利用该废热将热量提供给需要添加热量的那些流的媒介。该热交换器网络可能是任何新工厂中非常重要的子系统。

照此，热交换器网络合成问题已经在最近四十年中可论证地成为过程合成领域中研究最多的问题之一。然而，热交换器网络的系统合成被证明是挑战性的任务。在最近三十年期间，提出了并且在商业软件和/或学术界中利用了相当多数量的方法。在如下两篇著名的综述论文中引用了这些方法：T. Gundersen and L. Naess, “The Synthesis of Cost Optimal Heat Exchanger Networks,” Computers and Chemical Engineering, vol. 12, pp. 503-530 (1988)；以及Kevin C. Furman and Nikolaos V. Sahinidis, “A Critical Review and Annotated Bibliography for Heat Exchanger Network Synthesis in the 20^th Century,” Industrial Engineering & Chemistry Research vol. 41, pp. 2335-2370 (2002)。

其他的方法包括基于数学规划的方法。尽管这样的方法自八十年代末以来就存在于学术界中，但是出于若干原因它们仍然没有大规模地广泛用于工业应用中。学术界宣称这背后的原因在于：（1）尤其是对于大的问题而言，这样的方法的计算要求是大量的；并且（2）得到的解通常不能保证全局性。这两个原因可能被认为是最重要的障碍，但是也存在其他非常重要的障碍。其他显著的障碍包括这些方法的黑箱性质、关于问题经济学的假设、网络中使用的热交换器的类型（壳与管、扭曲管、板框类型等等）、需要事先知道若干公用工程（utility）类型和温度以及用于流匹配和超结构应用的“转运模型”的非包容性。转运模型的使用可以清楚地在产生网络的超结构中看到，所述网络表现出其中公用工程热交换器总是处于网络的终端的结构。然而，在其中要求设计者提前知道究竟有多少次一个流或者其分支之一正要与另一个流相遇的超结构构造中，转运模型是不适当的，因为它并不包括或者说明各种情形（诸如例如：其中允许优化过程选择要使用的公用工程类型和供应温度将是有益的那些情形；其中一个或多个流改变其身份将是有益的那些情形；以及其中一个或多个公用工程流有效地变成过程流将是有益的那些情形，等等）或者考虑包括这样的可能性对这样的流超结构的影响。

在工业中广泛用于热交换网络（HEN）的初始合成的最新技术水平的软件例如包括称为Aspen Pinch的AspenTech公司的产品、称为HX-NET（由AspenTech获取）的Hyprotech公司的产品、称为Pinch Express的KBC产品以及称为Sprint的UMIST产品，其试图通过以下方式系统地解决热交换器网络合成问题：使用公知的夹点（pinch）设计方法，接着是通过将流分裂的流分支流量和全局网络热回收最小温差（approach temperature）用作非线性规划中的优化变量而对夹点设计方法创建的初始设计进行优化的优化能力以便回收更多的废热、在热交换器之间移位负载以便移除小的单元、在单元之间重新分配负载并且优化表面面积，当然这总是处于使用夹点设计方法确定的拓扑结构的约束内。接着是优化能力方法的夹点设计方法或者方法的组合由于其非黑盒方法而在工业社会中得到普遍广泛接受。就是说，过程工程师处于热交换器网络的设计的反馈环路内，使得过程工程师可以做出可以随着设计的进展而改变的设计决策。

然而，本发明人认识到，在针对上述软件应用的近夹点和多夹点问题的所有应用中，它们各自的计算呈现（render）大于最佳数量的热交换单元。同样认识到的是，此外，使用夹点设计方法，或者使用夹点设计方法作为其初始设计的基础、接着是用于分支和负荷（duty）的优化选项的软件应用不能处理可能例如从能量、资金或者二者的角度来看呈现更好经济的特定情形/约束/机会，这意味着一些更优越的网络设计从不会使用这样的应用而被合成。例如，这样的软件应用不系统地处理或者考虑：特定于流的最小温差；其中热流与热流匹配和/或冷流与一个或多个冷流匹配的情形；或者其中热流部分地转换成冷流和/或冷流部分地转换成热流的情形。

因此，本发明人认识到需要一种改进的方法、系统或技术，其尤其是在设计阶段期间可以解决任何或所有上述优化问题，并且其可以通过在实际工厂和装备的实际设计、构造或修改之前应用系统过程而最小化废热回收的能量和资金成本。特别地，认识到在基层应用中需要一种新的方法，其在所有情况下都可以呈现这样的网络设计，该网络设计包括少于或等于使用夹点设计方法合成的网络的热交换器单元数量的交换器单元数量，即使当与当前在商业软件中针对所有类型的问题实现的热交换器负荷和分支优化选项组合时，所述所有类型的问题即包括夹点问题、具有近夹点应用的问题以及需要加热和冷却公用工程的多夹点问题和需要仅冷却或者仅加热公用工程的问题（称为阈值问题）。

更进一步，本发明人认识到，这样的目标可以通过采用一种方法、系统和程序产品来实现，其例如作为单个问题解决每个这类问题，而不是将问题分解成多个单独的问题，诸如例如由上述夹点应用尤其是针对表现出多个夹点的问题、具有近夹点应用的夹点问题和阈值问题执行的高于夹点问题、低于夹点的夹点问题以及夹点处或附近问题。在夹点设计方法执行夹点处（例如沿着在最大与最小目标和供应温度之间延伸的温度标度的中间点处）的匹配，并且在温度标度上向上移动以完成高于夹点的子问题并且然后再次在夹点处开始且在温度标度处向下移动以完成低于夹点的子问题——其可以导致通过分裂流而解决的不必要的约束并且其可以相应地导致具有过量单元的网络——的情况下，本发明人认识到，通过例如在温度标度上的最高温度或温度区间处开始并且然后从该点起自顶至底进行而在热流和具有冷流的公用工程之间执行匹配，可以在相同的温度区间处使这些流匹配（其中热流与冷流之间的温差（temperature approach）最小），这可以允许由具有最低可能供应温度的一个或多个公用工程补偿冷的需求与热的供应之间的平衡/差异。进一步认识到，这种方法可以最小化能量“质量”损失或者能量质量中的“退化”。

本发明人还认识到，不是仅仅采用流分裂以满足由问题的分解而引起的匹配的问题可行性，可以改为在用户请求时采用流分裂以便降低由于过程汇区（sink region）处特定温度区间内的热流与较低温度区间内的一个或多个冷流的不希望的匹配所引起的能量质量退化。

此外，本发明人认识到，像在夹点设计方法中的情况那样，仅仅为了推广夹点设计方法以用于处理所有类型的问题而将没有夹点约束的阈值问题作为夹点问题对待不仅是不必要的而且是轻率的，因为这样做在没有这类约束的问题中产生了受约束的情形。约束的这种不必要的添加由此使得在捣乱（factious）夹点处再次分裂流成为必要以便依照夹点设计方法规则满足该夹点处的匹配准则，这相应地导致具有过量热交换器单元的网络。因此，本发明人认识到，需要这样的方法、系统和程序产品，其在不将没有夹点/约束的这类阈值问题作为夹点问题对待的情况下解决阈值问题，并且因而可以由此将所需热交换器单元的数量降低至低于使用夹点设计方法合成的网络的热交换器单元的数量。

本发明人进一步认识到，如果依照这样的方法、系统和程序产品的热交换器网络设计也是使得该网络被配置成在未来的时间“可容易改型”以便考虑例如由于能量价格的剧烈变化而引起的意外费用和/或增长，那么这将是有益的。值得注意的是，人们不相信夹点设计方法可以在设计阶段期间采纳可改型性，因为它没有通常地或者特别地基于资金与能量成本之间的折衷来选择最佳的特定于流的最小温度集合的系统方法，并且因为它的夹点设计理念仅在使用例如目标同时为能耗和热交换器网络区域二者的“SUPERTARGET”方法来选择最佳网络全局最小温差之后开始网络的设计。即使通过使用全局最小温差重复这样的顺序理念，得到的新网络结构也将不被期望在类别上始终类似于先前的网络结构，并且因而将导致在网络调解努力中需要不适当的开销以设法形成常见结构的热交换器网络设计的统一体（continuum），所述统一体可以用来促进对满足当前用户选择的经济准则和预期潜在未来改型要求二者的物理热交换器网络结构的用户选择以及基于这样选择的设计的相应物理热交换器网络发展和分配的设施表面面积。

发明内容

鉴于以上所述，本发明的各个实施例有利地提供了改进的方法、系统和程序产品，其被配置用于依照多个公用工程能量目标冷却多个热过程流并且加热多个冷过程流的基层热交换器网络的理论的、实用的且经济的合成，以便产生具有少于或者至少不多于使用夹点设计方法合成的网络热交换器单元数量的最佳网络热交换器（热交换器单元）数量的结果，即使当与当前在商业软件中针对所有类型的问题实现的负荷和分支优化选项组合时，所述所有类型的问题即需要加热和冷却公用工程的问题（夹点问题、具有近夹点应用的问题以及具有多夹点的问题）和仅仅需要冷却或加热公用工程的问题（称为阈值问题），并且以便产生被配置成使其在未来的时间“可容易改型”以考虑例如由于能量价格的剧烈变化而引起的意外费用和/或增长的网络。

本发明的各个实施例也有利地提供了改进的方法、系统和程序产品，其可以处理/采用从能量的观点、资金的观点或者能量和资金的观点来看可以呈现更好经济的特定情形/约束/机会，诸如例如：例如被视为优化参数的特定于流的最小温差（值）ΔT_minⁱ（其中上标表示特定热流）；其中热流与一个或多个热流匹配和/或冷流与一个或多个冷流匹配的情形；或者其中热流部分地转换成冷流和/或冷流部分地转换成热流的情形，从而呈现具有最佳数量的交换器的热交换器网络。本发明的各个实施例也有利地提供了一种合成热交换器网络的改进的方法、系统和程序产品，其可以采用流分裂以便降低通过在过程汇区处将特定温度区间内的热流与较低温度区间内的一个或多个冷流匹配所造成的能量质量退化。

本发明的各个实施例也有利地提供了合成热交换器网络的改进的方法、系统和程序产品，其可以例如作为单个问题解决热交换器网络合成问题，而不是将问题分解成多个单独的问题，这可能造成通过分裂流解决的不必要的约束，其进而尤其是针对表现出多个夹点的问题、具有近夹点应用的夹点问题和阈值问题导致具有过量单元的网络。

本发明的各个实施例也有利地提供了合成热交换器网络的改进的方法、系统和程序产品，其可以例如通过在温度标度上的最高温度或温度区间处开始并且然后自顶至底进行而在热过程流和具有冷过程流的热公用工程之间执行匹配；并且在相同的温度区间处（其中热流与冷流之间的温差最小）使这些流匹配，来最小化能量“质量”损失或者能量质量中的“退化”。有利的是，这可以允许由具有最低可能供应温度的一个或多个公用工程补偿冷过程流的需求与热过程流的供应之间的平衡/差异。

本发明的各个实施例也有利地提供了合成热交换器网络的改进的方法、系统和程序产品，其可以在不将（没有一个或多个夹点约束的）这类阈值问题作为夹点问题对待的情况下解决阈值问题（仅仅需要冷却公用工程或者仅仅需要加热公用工程的问题），从而由此相对于使用夹点设计方法合成的网络的热交换器单元的数量降低了所需热交换器单元的数量。

特别地，本发明的各个实施例提供了合成基层热交换器网络的系统，该网络用于依照多个全局公用工程目标（例如公用工程能耗目标）冷却多个热过程流并且加热多个冷过程流。依照本发明的一个实施例，这种系统可以包括：热交换网络合成计算机，具有处理器和耦合到处理器的将软件和数据库记录存储于其中的存储器；以及能量建模计算机可评估的存储在存储器（易失性或非易失性、内部或外部）中的数据库。该数据库可以包括用于多个热资源流中的每一个以及用于多个冷资源流中的每一个的多个操作属性。这些操作属性可以包括例如用于热过程流中的每一个和冷过程流中的每一个的供应温度区间（Ts[L:U]）的上下边界值和/或离散供应温度（Ts）、用于热过程流中的每一个和冷过程流中的每一个的目标温度区间（Tt[L:U]）的上下边界值和/或离散目标温度（Tt）、以及用于热过程流中的每一个和冷过程流中的每一个的热容量流率区间（FCp[L:U]）的上下边界值和/或离散热容量流率（FCp）、以及相应的焓值或者最小和最大焓值，例如如果对于其他操作属性中的一个或多个提供/接收了任何范围或集合数据的话。依照该系统的实施例的一个实例，对于冷流而言，供应温度（Ts）和目标温度（Tt）可以处于实际供应和目标温度的形式，而对于热流而言，供应温度（Ts）和目标温度（Tt）可以为实际值减去用户选择的最小值。

数据也可以包括用于每个热过程流的离散的、区间的和/或双特定于流的最小温差值（ΔT_minⁱ），这些值例如单独地提供作为一个或多个特定于流的最小温差值的多个单独集合（每个与所述多个热过程流中的不同热过程流关联）和/或作为特定于流的最小温差值的组合集合。数据可以进一步包括用于所述多个热过程流中的每一个和所述多个冷过程流中的每一个的流初始类型列表。更进一步，数据可以包括一个或多个受约束过程流的列表，这些过程流由于非热力学约束（例如禁止匹配列表）而被约束匹配至少一个其他资源流。

系统也可以包括热交换网络合成程序产品，该程序产品位于单独可交付的计算机可读介质（例如DVD等等）上或者存储在热交换网络合成计算机的存储器中并且适于采用各种过程匹配方案/技术来提供接近最佳的用于优化过程的能量回收和/或最小化最重要的能量公用工程或者加热和冷却能量公用工程二者的能量公用工程要求的热交换器网络设计。热交换网络合成程序产品可以包括这样的指令，这些指令在例如由热交换网络合成计算机执行时可以使得该计算机执行各种操作，包括接收用于多个热和冷过程流中的每一个的多个操作属性，例如形成设施中的所有主要过程流的至少大部分，接收多个过程流中的每个单独过程流的至少一个最小温差值的标记，接收一个或多个非热力学流匹配约束（即禁止匹配列表）的标记，和/或接收流初始类型的标记。

操作属性可以包括用于所述多个热和冷过程流中的每一个的热容量流率、供应温度、希望的目标温度以及焓。用于所述多个资源流（例如热和/或冷过程流）中的每一个的至少一个最小温差值的标记可以包括多个离散的特定于流的最小温差值的标记，每个单独地分配给所述多个资源流的不同资源流，其中每个离散值典型地在一些热过程-冷过程匹配之间是不同的但是对于一个或多个其他匹配而言是相同的，但是也能够在所有热过程-冷过程流匹配之间是不同的、在所有热过程-冷过程流匹配之间是相同的、或者在所有热过程-热过程流匹配和/或冷过程-冷过程流匹配之间是相同的但是与热过程-冷过程流匹配不同，等等。至少一个最小温差值的标记可以同样地或者可替换地包括多个具有至少两个特定于流的最小温差值的集合的标记，所述集合例如限定特定于流的最小温差值范围，其中每个集合单独地分配给所述多个过程（例如热）流的不同过程流。所述至少一个最小温差值可以进一步同样地或者可替换地包括多个具有双流最小温差值的集合的标记，例如每个集合单独地分配给所述多个过程（例如热）流的不同过程流。注意，当采用离散特定或者离散全局最小温差值时，这些值可以通过分配函数直接地分配，或者至少初始通过输入针对分配的最小温差值预先调节的供应和/或目标温度值而间接地分配。

所述操作也可以包括：匹配多个热过程流和多个冷过程流以便获得一个或多个全局公用工程目标（例如公用工程能耗目标），以及响应于匹配所述多个热过程流和所述多个冷过程流而确定初始热交换器网络设计。所述操作也可以包括当存在时响应于确定初始热交换器网络设计而从初始设计中移除任何冗余的过程-过程热交换器，当两个或更多相同流公用工程热交换器存在时响应于确定初始热交换器网络设计而合并相同流公用工程热交换器，以及响应于以下一个或多个提供最终的热交换器网络设计：确定初始热交换器网络设计，从初始设计中移除任何存在的冗余过程-过程热交换器，以及当存在时合并所述两个或更多相同流公用工程热交换器。

依照所述程序产品的一个或多个实施例，所述匹配可以包括包含以下操作的一个或多个组合的匹配方案：在匹配具有较冷起始温度的每个其他的热过程流之前匹配具有较高起始温度的每个热过程流，当存在时将每个热过程流与具有基本上类似于对应热过程流的加热要求的冷过程流（例如彼此抵消或者以最小的质量退化抵消它们之一的流）匹配，当存在时将每个热过程流与和对应热过程流具有最大重叠的冷过程流匹配，当存在时将每个热过程流与具有基本上和对应热过程流的热容量流率相等的热容量流率FCp的冷过程流匹配，将具有高热容量流率FCp和高总体热传递系数Us的每个热（或冷）过程流与具有低热容量流率FCp和低总体热传递系数Us的冷（或热）过程流匹配，将所述多个冷过程流之一与所述多个冷过程流中的一个或多个其他的冷过程流匹配以实现一个或多个公用工程优化目标，以及将所述多个热过程流之一与所述多个热过程流中的一个或多个其他的热过程流匹配以实现一个或多个公用工程优化目标。

依照所述程序产品的一个或多个实施例，所述操作可以同样地或者可替换地包括：将流类型配对从“异类”且具有单匹配能力转换成同类且具有双匹配能力，将所述多个热过程流之一分裂成用于对应热过程流的多个热过程子流并且将所述多个热过程子流之一与冷过程流或子流匹配以便增强要匹配的流之间的热传递，将所述多个冷过程流之一分裂成用于对应冷过程流的多个冷过程子流并且将所述多个冷过程子流之一与热过程流或子流匹配以便增强要匹配的流之间的热传递，将流目标温度从用于相应过程流的希望的目标温度值切换到可替换的目标温度值以便向该流提供添加的用于处理的加热或冷却能力以实现直接通过应用至少部分地抵消由一个或多个非热力学流匹配约束所引起的低效率的可替换目标温度值而影响的一个或多个公用工程优化目标，以及在利用添加的加热或冷却能力之后将温度值返回到希望的目标温度值，和/或将流供应温度从用于相应过程流的实际供应温度值切换到可替换的供应温度值以便向该流提供添加的用于处理的加热或冷却能力以实现直接通过应用至少部分地抵消由所述一个或多个非热力学流匹配约束所引起的低效率的可替换供应温度值而影响的一个或多个公用工程优化目标，以及在利用添加的加热或冷却能力之后将温度值返回到实际的供应温度值。

依照所述程序产品的一个或多个实施例，所述操作可以同样地或者可替换地包括标识一个或多个公用工程能耗目标以及标识热交换器网络中的过程内使用的资源流的操作属性，所述操作属性影响过程中使用的热交换器单元的数量。

依照所述程序产品的一个或多个实施例，所述操作可以同样地或者可替换地包括标识适合代替高质量公用工程上的负载的至少一部分从而最小化总体公用工程成本的低质量公用工程以及响应于标识低质量公用工程而增加所需热交换器的数量。

本发明的各个实施例也包括合成用于依照多个公用工程目标冷却多个热过程流并且加热多个冷过程流的基层热交换器网络的方法。依照本发明的一个实施例，一种方法可以包括当存在时接收用于多个热过程流和多个冷过程流中的每一个的操作属性、流初始类型列表以及非热力学约束列表的步骤。该方法也包括：匹配所述多个热过程流和所述多个冷过程流以便达到一个或多个公用工程能耗目标，以及响应于匹配所述多个热过程流和所述多个冷过程流的步骤而确定初始热交换器网络设计。该方法可以进一步包括当存在时响应于确定初始热交换器网络设计的步骤而从初始设计中移除任何冗余的过程-过程热交换器，当两个或更多相同流公用工程热交换器存在时响应于确定初始热交换器网络设计的步骤而合并相同流公用工程热交换器，以及响应于以下步骤中的一个或多个提供最终的热交换器网络设计：确定初始热交换器网络设计，当存在时从初始设计中移除任何冗余的过程-过程热交换器，以及当存在时合并两个或更多相同流公用工程热交换器。

依照方法的一个或多个实施例，所述匹配可以包括包含以下步骤的至少一个、但是更典型地一个或多个组合的匹配方案：在匹配具有较冷起始温度的每个其他的热流之前匹配具有较高起始温度的每个热流，当存在时将每个热流与具有基本上类似于对应热流的加热要求的冷流（例如彼此抵消或者以最小的质量退化抵消它们之一的流）匹配，当存在时将每个热流与和对应热流具有最大重叠的冷流匹配，当存在时将每个热流与具有基本上和对应热流的热容量流率相等的热容量流率FCp的冷流匹配，将具有高（或低）热容量流率FCp和高（或低）总体热传递系数Us的每个热流与具有低（或高）热容量流率FCp和低（或高）总体热传递系数Us的冷流匹配，将所述多个冷流之一与所述多个冷流中的一个或多个其他的冷流匹配以实现一个或多个公用工程优化目标，以及将所述多个热流之一与所述多个热流中的一个或多个其他的热流匹配以实现一个或多个公用工程优化目标。

依照所述方法的一个或多个实施例，所述步骤也可以包括将流类型配对从“异类”且具有单匹配能力转换成同类且具有双匹配能力。特别地，所述步骤可以包括将所述多个热过程流的配对的流类型配对从“异类”且具有单匹配能力转换成同类且具有双匹配能力和/或将所述多个冷过程流的配对的流类型配对从“异类”且具有单匹配能力转换成同类且具有双匹配能力。

依照所述方法的一个或多个实施例，所述步骤也可以包括：将所述多个热过程流之一分裂成用于对应热过程流的多个热过程子流并且将所述多个热过程子流之一与冷过程流或子流匹配以便增强要匹配的流之间的热传递，和/或将所述多个冷过程流之一分裂成用于对应冷过程流的多个冷过程子流并且将所述多个冷过程子流之一与热过程流或子流匹配以便增强要匹配的流之间的热传递。

依照所述方法的一个或多个实施例，所述步骤也可以包括：将用于相应过程流的流目标温度从希望的目标温度值切换到可替换的目标温度值进行处理以便实现直接通过应用至少部分地抵消由一个或多个非热力学流匹配约束所引起的低效率的可替换目标温度值而影响的一个或多个公用工程优化目标，以及将相应过程流的温度值返回到希望的目标温度值；和/或将至少一个流供应温度从实际的供应温度值切换到可替换的供应温度值进行处理以便实现直接通过应用至少部分地抵消由所述一个或多个非热力学流匹配约束所引起的低效率的可替换供应温度值而影响的一个或多个公用工程优化目标，以及将相应过程流的温度值返回到实际的供应温度值。

依照所述方法的一个或多个实施例，所述步骤可以同样地或者可替换地包括标识一个或多个公用工程能耗目标以及标识过程内使用的资源流的操作属性的步骤，所述操作属性影响过程中使用的热交换器单元的数量。此外，依照所述方法的一个或多个实施例，所述步骤可以同样地或者可替换地包括：标识适合代替高质量公用工程上的负载的至少一部分从而最小化总体公用工程成本的低质量公用工程，以及响应于标识低质量公用工程的步骤而增加所需热交换器的数量。

依照本发明的另一个实施例，一种合成用于依照多个公用工程目标冷却多个热过程流并且加热多个冷过程流的基层热交换器网络的方法可以包括以下步骤：接收包括用于第一多个热过程流中的每一个和用于第一多个冷过程流中的每一个的热容量流率、供应温度和目标温度以及用于所述第一多个热过程流中的每一个的至少一个最小温差值的多个操作属性；匹配所述第一多个热流和所述第一多个冷流以便达到一个或多个公用工程能耗目标；以及响应于匹配所述多个热过程流和所述多个冷过程流的步骤而确定初始热交换器网络设计。

依照所述方法的一个实施例，用于所述第一多个热过程流中的每一个的所述至少一个最小温差值可以包括以下中的一个或多个：多个离散的特定于流的最小温差值，其单独地分配给所述第一多个热过程流中的每个单独的热过程流，由此分配给所述第一多个热过程流中的相应至少一个热过程流的特定于流的最小温差值中的至少一个与分配给所述第一多个热过程流中的相应至少一个其他热过程流的所述多个特定于流的最小温差值中的至少一个其他最小温差值；多个具有至少两个特定于流的最小温差值的集合，其限定分配给所述第一多个热过程流中的每个单独的热过程流的特定于流的最小温差值范围；以及多个具有双流最小温差值的集合，其分配给所述多个热过程流中的每个单独的热过程流。注意，当采用离散特定或者离散全局最小温差值时，这些值可以通过分配函数直接地分配，或者通过输入针对分配的最小温差值预先调节的供应和/或目标温度值而间接地分配。

此外，依照所述方法的一个实施例，所述匹配可以通过包括以下步骤的匹配方案来提供：在匹配具有较冷起始温度的所述第一多个热过程流中的每个其他的热过程流之前特别地匹配具有较高起始温度的所述第一多个热过程流中的每个热过程流，当这样存在时特别地将第二多个热过程流中的每一个与具有基本上等于对应热过程流的冷却要求的加热要求的第二多个冷过程流中的相应冷过程流匹配，当这样存在时特别地将第三多个热过程流中的每一个与和对应热过程流具有最大重叠的第三多个冷过程流中的相应冷过程流匹配，当这样存在时特别地将第四多个热过程流中的每一个与具有基本上和对应热过程流相等的热容量流率的第四多个冷过程流中的相应冷过程流匹配，以及特别地将每个具有高热容量流率和高总体热传递系数的第五多个热过程流中的每一个与每个具有低热容量流率和低总体热传递系数的第五多个冷过程流匹配。

依照本发明的另一个实施例，一种合成用于冷却多个热过程流并且加热多个冷过程流的基层热交换器网络的方法可以包括以下步骤：接收用于多个热过程流和冷过程流中的每一个的多个操作属性、一个或多个非热力学流匹配约束的列表以及可选地流初始类型列表。该方法也可以包括以下步骤：匹配所述多个热过程流和所述多个冷过程流的至少子集以便达到所述多个公用工程能耗目标，以及响应于该匹配而提供热交换器网络设计。匹配步骤可以包括包含以下步骤中的一个或多个的匹配方案：采用同类匹配以说明（克服）一个或多个非热力学流匹配约束，从而降低一个或多个公用工程消耗要求，以及采用流指定切换以便说明（克服）一个或多个非热力学流匹配约束。匹配方案也可以包括分析与在一个或多个过程流配对之间采用一个或多个缓冲器有关的一个或多个公用工程消耗要求的潜在降低，以便说明所述一个或多个非热力学流匹配约束，从而确定所述一个或多个缓冲器的采用是否将相对于同类匹配和/或流指定切换（高级消耗降低方法）的采用提供了改进，并且可以相应地包括响应于确定所述一个或多个缓冲器的采用相对于所述一个或多个高级消耗降低方法提供的消耗降低提供了一个或多个公用工程消耗降低，而在过程流中的一个或多个之间采用一个或多个缓冲器。

依照本发明的另一个实施例，一种合成用于冷却多个热过程流并且加热多个冷过程流的基层热交换器网络的方法可以包括以下步骤：接收用于多个热过程流和冷过程流中的每一个的多个操作属性、一个或多个非热力学流匹配约束的列表以及流初始类型的列表。该方法也可以包括以下步骤：将所述多个热过程流的配对的流类型配对从异类且具有单匹配能力转换成同类且具有双匹配能力，和/或将所述多个冷过程流的配对的流类型配对从异类且具有单匹配能力转换成同类且具有双匹配能力。

所述步骤可以同样地或者可替换地包括：将用于相应过程流的流目标温度从希望的目标温度值切换到可替换的目标温度值进行处理以便实现直接通过应用至少部分地抵消由一个或多个非热力学流匹配约束所引起的低效率的可替换目标温度值而影响的一个或多个公用工程优化目标，以及将相应过程流的温度值返回到希望的目标温度值；和/或将至少一个流供应温度从实际的供应温度值切换到可替换的供应温度值进行处理以便实现直接通过应用至少部分地抵消由所述一个或多个非热力学流匹配约束所引起的低效率的可替换供应温度值而影响的一个或多个公用工程优化目标，以及将相应过程流的温度值返回到实际的供应温度值。

有利的是，本发明的各个实施例包括规定在用于近夹点或多个夹点情况的热交换器网络合成的所有预期的情况下呈现比使用最新技术水平的采用夹点设计方法的软件而可能的更少数量的热交换单元。本发明的各个实施例可以有利地处理不能使用夹点设计方法系统地处理的情况，诸如例如用于采用特定于流的温差的配置的热交换器网络合成。再者，依照本发明的各个实施例并且与转运模型形成对照的是，无需公用工程的数量、类型和供应温度以便启动优化过程。这样的拓扑结构可以有利地在匹配任务期间选择，该匹配任务不仅限定过程-过程匹配，而且使用具有所需量的不同公用工程类型和水平/供应温度以及对应的用户希望的公用工程-过程最小温差（最小温差值）限定过程-公用工程匹配。

本发明的各个实施例也通过流类型的最佳操纵/利用而系统地引入了用于热交换器网络约束问题的高级解决方案，所述流类型可以对受约束热集成问题使用用于高级废热回收的新的流切换算法而在某个范围内从“异类”且具有单匹配能力转换成同类且具有双匹配能力。依照本发明的各个实施例，流身份可以用作非热力学约束问题中的优化变量，由此可以在特定温度水平下将热流切换成要加热的冷流（冷流身份）。可以在其返回到其作为热流的原始身份之前，依照其作为冷流的新身份将该流与包括也具有不同身份的那些流的一个或多个流匹配。这种方法可以用于要加热的冷流，其可以被分配为充当特定温度范围的冷流；然后切换其身份以变成要冷却的热流以便与一个或多个冷流或者冷流分支匹配，使得该流在其返回到其作为冷流的原始身份之前可以充当另一特定温度范围的热流，从而允许其达到其原始希望的目标温度。

有利的是，考虑到易于实现的未来改型，本发明的各个实施例引入了用于基层非热力学约束和热力学约束的热交换器网络合成的系统方法。本发明的这样的实施例可以有利地为设计者提供对网络合成的控制，而不强迫他/她使用如当前大多数基于数学规划的软件中采用的这样的假设，这些假设由于使用非结论性超结构计算而将合成的网络局限于特定的次等结构。本发明的各个实施例可以有利地提供用于处理工业应用中通常面临的工业规模问题的必要工具以及用于允许设计者测试他/她的用于遭受影响能耗的受约束情形的网络合成的新颖解决方案的工具，从而找到用于废热回收的高级解决方案以及在一些情况下大量的资金成本降低。

有利的是，本发明的各个实施例相对于夹点设计方法表现出能力方面的大量改进，同时仍然保持过程工程师处于设计他/她的热交换器网络的环路中。本发明的各个实施例也在概念水平上相对于夹点设计方法呈现若干改进。例如，虽然夹点设计方法不能说明或采用（1）特定于流的最小温差，（2）其中热流与另一个热流匹配和/或冷流与另一个冷流匹配的情形，以及（3）其中热流部分地转换成冷流和/或冷流部分地转换成热流的情形，但是本发明的各个实施例确实可以系统地管理这样的约束/配置简档，以便合成相对于使用现有方法而可能的改进的热交换器网络设计。此外，通过将问题作为单个问题来解决而不是像在各种夹点设计方法中所做的那样将问题分解成高于夹点问题、低于夹点问题以及夹点处或附近问题，本发明的各个实施例与使用夹点设计方法合成的网络相比可以针对相同的能量目标呈现至少更少数量的热交换单元，以及呈现促进易于实现的未来改型的网络配置。对于表现出多个夹点的问题而言、对于具有近夹点应用的夹点问题而言以及对于阈值问题而言，情况尤其如此。更进一步，这样的高级系统方法/技术有利地可以有益于无约束的、热力学约束的和非热力学约束的新工厂设计及其在能量可用性和价格的动态显著变化世界中的未来改型的热交换器网络合成和废热回收应用。

附图说明

为了可以更详细地理解其中本发明的特征和优点以及将变得清楚明白的其他特征和优点的方式，可以参照其实施例进行上面简要概述的本发明的更具体描述，这些实施例在形成本说明书一部分的附图中进行了图解说明。然而，要注意的是，附图仅仅图解说明了本发明的各个实施例并且因此不要被认为限制本发明的范围，因为本发明的范围也可以包括其他的有效实施例。

图1为依照本发明实施例的合成用于冷却多个热过程流并且加热多个冷过程流的基层热交换器网络的系统的示意性框图；

图2为图解说明依照本发明实施例的目标确定和公用工程选择中使用的温度阶距（step interval）的生成的示图；

图3为图解说明依照本发明实施例的图2的每个温度阶距下的焓变化的图表；

图4A为图解说明依照本发明实施例的焓变化与温度的函数关系的图表；

图4B为图解说明依照本发明实施例的焓变化与温度的函数关系的图表；

图5为依照本发明实施例的用于简单问题的热交换器网络合成实现的结果的示意图；

图6为图解说明依照本发明实施例的包括关于目标确定和公用工程选择中使用的温度阶距所示的过程流的工业过程的示图；

图7-9为依照夹点设计方法的用于图6中所示的工业过程的热交换器网络合成实现的结果的示意图；

图10为依照本发明实施例的用于图6中所示的工业过程的热交换器网络合成实现的结果的示意图；

图11为依照本发明实施例的包括低质量公用工程应用的图10中所示的结果的示意图；

图12为图解说明依照本发明实施例的包括关于目标确定和公用工程选择中使用的温度阶距所示的过程流的工业过程的示图；

图13为依照夹点设计方法的用于图12中所示的工业过程的热交换器网络合成实现的结果的示意图；

图14为依照本发明实施例的用于图12中所示的工业过程的热交换器网络合成实现的结果的示意图；

图15为图解说明依照本发明实施例的包括关于目标确定和公用工程选择中使用的温度阶距所示的过程流的工业过程的示图；

图16为依照夹点设计方法的用于图15中所示的工业过程的热交换器网络合成实现的结果的示意图；

图17为依照本发明实施例的用于图15中所示的工业过程的热交换器网络合成实现的结果的示意图；

图18为图解说明依照本发明实施例的包括关于目标确定和公用工程选择中使用的温度阶距所示的过程流的工业过程的示图；

图19为依照夹点设计方法的用于图18中所示的工业过程的热交换器网络合成实现的结果的示意图；

图20为依照本发明实施例的用于图18中所示的工业过程的热交换器网络合成实现的结果的示意图；

图21为图解说明依照本发明实施例的包括关于目标确定和公用工程选择中使用的温度阶距所示的过程流的工业过程的示图；

图22为依照夹点设计方法的用于图21中所示的工业过程的热交换器网络合成实现的结果的示意图；

图23-24为图解说明依照本发明实施例应用流分裂以便合成用于图21中所示的工业过程的热交换器网络的示意图；

图25为图解说明依照本发明实施例的包括关于目标确定和公用工程选择中使用的温度阶距所示的过程流的工业过程的示图；

图26为依照夹点设计方法的用于图25中所示的工业过程的热交换器网络合成实现的结果的示意图；

图27为图解说明依照本发明实施例应用流分裂以便合成用于图25中所示的工业过程的热交换器网络的示意图；

图28为图解说明依照本发明实施例的包括关于目标确定和公用工程选择中使用的温度阶距所示的过程流的非热力学约束工业过程的示图；

图29-30为图解说明依照本发明实施例应用同类冷-冷流匹配以便增强用于图28中所示的工业过程的热交换器网络的合成的示意图；

图31为图解说明依照本发明实施例的包括关于目标确定和公用工程选择中使用的温度阶距所示的过程流的非热力学约束工业过程的示图；

图32为图解说明依照本发明实施例应用同类热-热流匹配以便增强用于图31中所示的工业过程的热交换器网络的合成的示意图；

图33为图解说明依照本发明实施例的包括关于目标确定和公用工程选择中使用的温度阶距所示的过程流的非热力学约束工业过程的示图；

图34为图解说明依照本发明实施例应用热-冷流切换以便增强用于图33中所示的工业过程的热交换器网络的合成的示意图；

图35为图解说明依照本发明实施例的包括关于目标确定和公用工程选择中使用的温度阶距所示的过程流的非热力学约束工业过程的示图；

图36为图解说明依照本发明实施例应用冷-热流切换以便增强用于图35中所示的工业过程的热交换器网络的合成的示意图；

图37为依照本发明实施例的在应用冷-热流切换之前由图35中所示的工业过程所造成的热交换器网络的示意图；

图38为依照本发明实施例的在应用图36中所示的冷-热流切换之后由图35中所示的工业过程所造成的热交换器网络的示意图；

图39-43为图解说明依照本发明实施例将连续降低的最小温差值应用到相同的工业过程以便产生一系列热交换器网络的示意图，每个热交换器网络具有共同的过程-过程热交换器网络结构。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更加全面地描述本发明，附图图解说明了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应当被视为限于本文阐述的图解说明的实施例。相反地，这些实施例被提供，使得本公开将是彻底而完整的并且完全将本发明的范围传达给本领域技术人员。相似的附图标记始终表示相似的元件。撇符号（如果使用的话）表示可替换实施例中的相似元件。

如先前所指出的，可以例如通过特定材料流相对于彼此的仔细放置和配置并且通过应用热交换器网络（HEN）以便允许废热回收而将由超结构的过程采用或消耗的总能量优化为全局最小水平。然而，在基层工厂设计中以及在相应频繁的未来改型要求中，由于正在发生的资金成本与能量成本之间的折衷的变化，热交换器网络合成可能是一项主要的任务。可以将具有已经存在的需要移除的热能的流以及需要添加热量的流彼此关联以便优化过程的能耗。此外，在优化时仔细选择热流与冷流之间的最小温度差异也可能导致能耗的巨大节省。

然而，这些节省并不完全可实现，只要存在一些可能防止一些流与其他一些流匹配的约束。因此，为了最大化优化，需要考虑这样的约束。就是说，为了最大化优化，应当在设计之前的能量目标确定阶段期间或者可替换地在工厂或装备的重新配置或改装期间考虑到可能与例如腐蚀、环境原因、结垢（scaling）、泄漏问题、流相距甚远或者流处于不同的危险区和/或可操作性原因有关的非热力学约束。同样地，将高度优选的是在实际工厂和装备的实际设计、重新设计、构造或修改之前利用建模系统考虑这些优化问题。

如上面所指出的，商业软件和/或研究论文中的最新技术水平的方法描述了两种热交换器网络设计方法：带有其修改的夹点设计方法；以及基于数学规划/优化的方法，其将两个主要超结构模板用于自动化合成或者其采用优化以便仅仅优化已经使用与优化分支和热交换器负荷有关的夹点设计方法给定的（初始）结构。通过过程集成联合会产生的工业中最广泛使用的软件称为“Sprint”，其包括应用夹点设计方法接着是优化能力，该优化能力通过致力于热交换器的分支和负荷而优化（由夹点设计方法创建的）初始设计以便实现“最佳的”总成本网络。该方法由于其非黑盒方法而在工业社会中被接受，由此过程工程师处于热交换器网络的初始设计的“环路内”——即该处理工程师可以做出可以随着设计的进展而改变的设计决策。

然而，在概念水平上，依照本发明一个或多个实施例的方法、系统和程序产品的各个实施例相对于夹点设计方法有利地表现出高级能力，同时仍然保持过程工程师处于设计他/她的热交换器网络的“环路内”。例如，在夹点设计方法不能系统地处理可能导致从能量和/或资金的观点来看可以呈现更好经济的一些可能的网络结构的各种情况的场合下，本方法、系统和程序产品的各个实施例正好提供了这样的能力。这样的情况可以包括流匹配的特定组合以说明非热力学约束应用情形、其中热流与热流匹配和/或冷流与冷流匹配的特定于流的最小温差情形、以及其中热流部分地转换成冷流和/或冷流部分地转换成热流的部分流转换情形、等等。

此外，在细节水平上，一种方法、系统和程序产品的各个实施例可以有利地产生如下的热交换器网络：由于夹点设计方法的导致依照夹点和近夹点的数量分解问题的概念方法（局限），该热交换器网络对于阈值和近夹点问题而言具有比夹点设计方法更少数量的热交换器单元。对于所有其他而言，一种方法、系统和程序产品的各个实施例可以产生如下的热交换器网络：由于夹点分解理念在每个夹点处造成的低效率以及依照夹点设计方法在夹点处执行流分裂以便满足夹点设计匹配准则（甚至在其中这样的流分裂将另外没有必要的情况下）的相应要求，对于夹点问题而言所述热交换器网络与夹点设计方法相比具有更少或者相等数量的热交换器单元。

类似地，依照本发明一个或多个实施例的方法、系统和程序产品的各个实施例相对于基于数学规划/优化的方法表现出高级能力，同时仍然保持过程工程师处于设计他/她的热交换器网络的“环路内”。如先前所指出的，基于数学规划/优化的方法自八十年代末以来就存在于学术界中，但是出于若干原因仍然通常没有用在大规模的工业应用上。例如尤其是对于大的问题而言，这样的方法的计算要求可能是大量的，并且解通常不能一致地提供全局性并且频繁地仅仅呈现局部平凡解，这归因于例如：方法的黑盒性质、关于问题经济学的假设、网络中使用的热交换器的类型、需要事先知道的公用工程类型和温度、用于流匹配的转运模型的非包容性以及产生每个热交换器网络的超结构。

此外，一种方法、系统和程序产品的各个实施例可以产生这样的热交换器网络设计，这些热交换器网络设计相对于使用最新技术水平的软件产生的热交换器网络设计具有更廉价的生命周期成本，这归因于在设计阶段期间系统地考虑了网络可改型性，这在使用夹点设计方法或者基于数学规划/优化的方法时将不可获得。关于夹点设计方法，由于这样的方法例如没有用于选择最佳特定于流的最小温度集合的系统过程并且由于其夹点设计理念在选择最佳网络全局最小温差之后甚至通过使用全局最小温差重复当前的顺序理念而开始网络的设计，因而得到的新网络结构将不被期望在类别上始终类似于先前的网络结构。因而，与本发明的各个实施例所提供的开销相比，这样的采用将导致在网络调解努力中需要大量的开销。关于基于数学规划/优化的方法，由于这样的方法例如没有包括用于针对能量成本的未来变化解决使用任何现有超结构产生的设计的“可改型性”的模型（比如夹点设计方法），因而基于数学规划/优化的方法也缺乏设计表现出最小生命周期成本的系统的概念，这将需要被发展以便解决热交换器网络“可改型性”概念。

基层设计改进

图1图解说明了合成用于依照一个或多个公用工程目标冷却至少一个、但是更典型地大量热过程流并且加热至少一个、但是更典型地大量冷过程流的基层热交换器网络的示例性系统30。系统30可以包括：热交换器网络合成计算机31，具有处理器33、耦合到处理器33以便在其中存储软件和数据库记录的存储器35；以及用户接口37，可以包括用于显示图形图像的图形显示器39以及本领域技术人员已知的提供用户访问以便操纵软件和数据库记录的用户输入设备41。注意，计算机31可以处于个人计算机的形式或者处于服务多个用户接口37的一个服务器或者多个服务器的形式。因此，用户接口37可以直接地或者通过本领域技术人员已知的网络38连接到计算机31。

如本领域技术人员将理解的，系统30也可以包括存储在（内部或外部）存储器中的一个或多个表格和/或数据库43，所述存储器操作耦合到热交换器网络合成计算机31。所述一个或多个数据库43可以包括用于热过程流中的每一个的各个操作属性的一个或多个离散值或值集合/范围以及用于冷过程流中的每一个的各个操作属性的一个或多个离散值或值集合/范围。这样的操作属性可以包括例如用于热过程流中的每一个和冷过程流中的每一个的离散供应温度（Ts）和/或供应温度的上下边界值、用于热过程流中的每一个和冷过程流中的每一个的离散目标温度（Tt）和/或目标温度的上下边界值、以及用于热过程流中的每一个和冷过程流中的每一个的离散热容量流率（FCp）和/或热容量流率的上下边界值、以及相应的离散焓值或者相应的最小和最大焓值，如果对于其他操作属性中的一个或多个提供/接收了任何范围或集合数据的话。

如本领域普通技术人员将理解的，所述一个或多个表格和/或数据库43也可以包括约束流列表或表格，包括由于非热力学约束而被约束匹配至少一个其他过程流的任何非热力学约束过程流的标识，诸如例如禁止特定过程的热流#1与冷流#2匹配的指示、等等。

所述一个或多个表格和/或数据库43也可以包括针对所述多个热过程流和/或冷流中的每个单独的热程流和/或冷流所确定或分配的特定于流的最小温差值（ΔT_minⁱ），针对热过程流中的每个单独的热过程流所确定或分配的双特定于流的最小温差值（ΔT_minⁱ），和/或针对热过程流中的每个单独的热过程流所确定或分配的特定于流的最小温差值范围集合（{ΔT_minⁱ }），例如最小值或最大值或者范围区间。

注意，依照本发明的一个实施例，双流特定于流的最小温差概念是其中热流可以具有出于在不考虑热交换器区域或固定成本的情况下允许节省的总能量的量与保持的特定于流的能量的量之间的折衷而提供的两个特定于流的最小温差值的情况，这依照夹点设计方法对用户是不可获得的。双流特定于流的最小温差概念不应当与文献中描述的双温差设计方法混淆，所述双温差设计方法描述了两个温差：用于网络热回收的全局最小温差值以及用于用来在特定情况下出于节省资金而不是为了保持流质量（温度）而违反全局最小温差的特定热交换器的另一个温差。

系统30也可以包括热交换器网络合成程序产品51，该程序产品存储在热交换器网络合成计算机31的存储器35中并且适于合成这样的热交换器网络，该热交换器网络在特定情形下系统地使用高级匹配解决方案在其限定的界限内大大满足或者至少基本上满足公用工程希望的消耗，与使用夹点设计方法产生的热交换器单元数量相比具有至少相同的、但是更加典型地更少数量的热交换器单元；并且该热交换器网络在其他情形下将实现更少数量的单元和更少的公用工程消耗，以及产生在未来容易改型的网络以便对于要依照其对应热容量流率、供应和目标温度、特定于流的最小温差和/或双特定于流的最小温差并且依照需要通过有界限的目标而满足或者基本上满足的任何公用工程目标进行冷却或加热的给定过程流列表以及对于给定流匹配约束列表适应能量价格的变化。

特别地，依照本发明的一个或多个实施例，程序产品51可以用来合成用于过程或过程集群的热交换器网络（优选地，具有在未来容易改型的拓扑结构的热交换器网络），该热交换器网络响应于：接收到过程或过程集群使用的主要资源流的过程和/或公用工程系统属性值集合，接收到过程流之间的至少一个特定于流的最小温差集合，接收到流初始类型列表或表格，接收到流匹配约束列表或表格，以及接收到根据流条件确定的一个或多个公用工程消耗值而实现：确切地满足特定加热和冷却公用工程负载的至少一个公用工程目标；使用更少数量的热交换器单元的至少一个目标；在有界限的范围内满足特定加热和冷却公用工程的至少一个目标；使用加热或冷却公用工程的至少一个目标；使用更少的热公用工程消耗的至少一个目标；使用更少的冷公用工程消耗的至少一个目标；使用更少数量的热公用工程类型的至少一个目标；使用更少数量的冷公用工程类型的至少一个目标；在过程源区中具有更少退化的至少一个目标；和/或具有过程汇区的更好利用的至少一个目标。

此外，依照本发明的一个或多个实施例，程序产品51可以提供适于执行以下附加的初步步骤的系统技术：标识热交换器网络中的过程内使用的过程流的操作属性，这些操作属性影响过程的所述多个公用工程消耗或者过程中使用的热交换器单元的数量或者二者和/或上面描述的目标中的任何其他目标；指示来自用户提供的一个或多个范围的一个或多个特定属性值（在开始时或者甚至在过程的实现期间决定），所述特定属性值导致一个或多个计算的新公用工程消耗值并且可以提供对其响应而合成热交换器网络以便实现上面标识的关联目标中的一个或多个。

注意，如本领域技术人员已知和理解的，热交换器网络合成程序产品51可以处于微代码、程序、例程和符号语言的形式，其提供控制硬件发挥作用并且引导其操作的一个或多个特定有序操作集合。还注意，依照本发明的一个或多个实施例，热交换器网络合成程序产品51不必全部驻留在易失性存储器中，而是可以在必要时依照本领域技术人员已知和理解的各种方法选择性地加载。

下面的表格提供了依照本发明实施例的一个实例的热交换器网络合成算法的高度概括：

步骤1：步骤1包括接收例如由用户输入的或者存储在数据库43中的输入数据。该数据可以例如包括：用于热过程流中的每一个和冷过程流中的每一个的离散供应温度（Ts）和/或供应温度区间（Ts[L:U]）的上下边界值、用于热过程流中的每一个和冷过程流中的每一个的离散目标温度（Tt）和/或目标温度区间（Tt[L:U]）的上下边界值，以及用于热过程流中的每一个和冷过程流中的每一个的离散热容量流率（FCp）和/或热容量流率区间（FCp[L:U]）的上下边界值，以及相应的离散焓值或者相应的最小和最大焓值，如果对于其他操作属性中的一个或多个提供了任何范围或集合数据的话。依照本发明的实施例的一个实例，对于冷流而言，供应温度（Ts）和目标温度（Tt）可以处于实际供应和目标温度的形式，而对于热流而言，供应温度（Ts）和目标温度（Tt）可以为实际值减去用户选择的最小值。数据也可以包括用于每一个热过程流的离散的和/或双特定于流的最小温差值（ΔT_minⁱ）、以及由于非热力学约束（例如禁止匹配列表）而被约束匹配至少一个其他资源流的一个或多个约束过程流的列表。

步骤2：步骤2包括产生温度区间100（参见例如图2）并且将特定的最小温差值（ΔT_minⁱ）应用到热流中的每一个。图2提供了图解说明依照本发明实施例的覆盖在为其产生的连续温度区间100上的工业过程的简单实例的图表的实例，其包括四个单独的、不同的过程流H1、H2、C1、C2。过程流H1和H2为热流，而流C1和C2为冷流。在该实例中，对用于每个过程流的单独的操作属性进行建模。这些操作属性包括：在每个过程流箭头101、103、105、107的尾部所示的每个流的供应温度（Ts），在每个过程流箭头101、103、105、107的头部所示的其目标温度（Tt），以及用于每个过程流的热容量流率（FCp）。注意，为了简单起见，在图2所示的示例性图示中，仅仅使用了供应温度、目标温度和热容量流率的离散值，并且将不同的特定于流的最小温差值（ΔT_minⁱ）嵌入到热流H1和H2中。

在该图示中，为了产生温度阶距100，首先至少在概念上使用其实际数据从其起始温度到其目标温度绘制或者以其他方式表述冷流C1和C2，并且然后每个热流H1和H2按照其对应的特定于流的最小温差值（ΔT_minⁱ）（例如单独的特定于流的最小温差或者双特定于流的最小温差）向下移位以便将单独的ΔT_minⁱ值嵌入到热流H1和H2中。至少在概念上在每个流的起始和结束处绘制或者以其他方式表述线以便限定过程流箭头101、103、105、107。温度区间100如图2中所示限定，并且如下文中更详细地描述的，与（一个或多个）过程分叉温度一起计算能量目标Qh、Qc以便促进热交换器网络合成任务。例如111处所示的过程分叉温度（PBT）是过程从作为热汇变换到变成热源所在的点。注意，措词“在概念上”在本段落中用来表示当在计算机上执行（一个或多个）步骤时，用于每个流的参数被计算，但是不一定用图形显示。

步骤3和4：步骤3包括对于所有类型的问题自顶至底（最高至最低）移动地在每个温度区间101处匹配流，并且步骤4包括确定目标为公用工程作为引导并且在通过温度区间向下步进期间平衡使用公用工程的负载。图3-4B提供了用于执行公用工程消耗计算的背景框架。特别地，图3图解说明了温度阶距中的每一个处的焓变化。图4A-4B图解说明了被修改为提供各种视觉增强的修改的大复合曲线。就是说，图4A例如使用了实际温度标度而不是如文献中所描述的移位温度标度。图4B图解说明了图4A中所示的曲线，但是对于温度阶距中的每一个而言，每个加热负荷（Qh）按照“用户选择的/希望的”热公用工程-过程最小温差值（Thu）移位。这些图也有利地在水平标度上绘出了温度并且在竖直标度上绘出了焓。让温度处于水平“X”轴上而不是如文献中所描述的处于竖直轴上，实现对由于变化的过程条件和/或公用工程的选择而引起的“曲线下的面积”的增加或降低的图形估计，其与过程所需的功的量和可以从过程提取的功的量以及在给定条件下可能被过程丢失的功的量成正比。如图4A中所示，理论的丢失的功（W_lost）可以依照下式进行计算：W_lost = Q(1-T0/T)，其中Q为加热或冷却负荷，T0为外界温度，并且T为结束温度。图5示出了用于简单问题的热交换器网络合成实现的结果的示意图。

尽管上面的实例涉及简单的工业过程“问题”，但是本发明的各个实施例同样可应用于需要加热和冷却公用工程的问题（夹点问题或者具有夹点和近夹点以及多个夹点的问题）以及仅仅需要冷却公用工程或者仅仅需要加热公用工程的问题（称为阈值问题）。

在步骤3中引入自顶至底（最高至最低）执行匹配，由此例如热流可以与冷流、冷公用工程和/或另一个热流匹配，这可以依照各种热流连接，例如包括并行的、串行的、并串行的、串并行的以及（任何匹配的一个或多个单元的）旁路连接。依照本发明的各个实施例，在最高温度区间100处开始，匹配在热流与具有冷流的公用工程之间执行，并且从该顶部至底部进行。该自顶至底匹配方法与常规的夹点设计方法形成鲜明的对比，由此匹配在夹点（典型地位于温度标度上的中间位置处）处执行并且然后在温度标度上向上移动到夹点上方以便完成高于夹点子问题，并且然后再次在夹点处开始且沿着温度标度向下移动到夹点下方以便完成低于夹点子问题。自顶至底方法有利地促进在其中热流与冷流之间的温差处于最小值并且其中热的供应与冷的需求之间的平衡/差异可以由具有最低可能供应温度的公用工程补偿的相同温度区间处匹配流。这种方法可以基本上最小化热过程流和/或热公用工程中的能量“质量”损失或能量质量退化。

所述匹配步骤也可以包括匹配可以彼此抵消或者在与其他流匹配时向它们之一提供最小质量退化的流；匹配具有最大重叠或者具有相等或接近相等的热容量流率（FCp）的流；将具有高FCp和高总体热传递系数（Us）的流与具有低FCp和低热传递系数的流匹配；和/或采用流切换/部分转换、同类匹配或者包括缓冲器（如果可行的话）以便克服非热力学约束。图6-27提供了六个简单比较实例，其图解说明了在可能预期在工业中遇到的情况下与使用例如夹点设计方法、接着是优化选项而产生的热交换器单元数量相比，使用高级匹配解决方案可以如何得到更少数量的热交换器单元131。

图6提供了图解说明要在比较分析中使用的覆盖在为其产生的连续温度区间100上的工业过程的简单实例的图表。图解说明的工业过程结合了三个单独且不同的过程流H1、C1、C2，其仅仅具有用于供应温度、目标温度和热容量流率的离散值并且具有嵌入到热流H1中的10oF的最小温差值（ΔT_min）以便促进以下之间的比较：应用夹点设计方法的结果，得到具有9个热交换器的网络设计（参见图7）；应用夹点设计方法、接着是软件优化选项的结果，得到具有6个热交换器的网络设计，其中图8中所示的热交换器#2、#5和#9从图7中所示的初始设计（使用夹点设计方法而获得）中移除以便形成软件优化的最终设计（参见图9）；以及依照本发明实施例产生的结果，得到具有仅仅4个热交换器的网络设计（参见图10）。

如步骤0中所指出的，本发明的各个实施例可以在没有分解的情况下将问题作为单个问题对待，这可以导致比使用夹点设计方法而可能的情况更少数量的热交换器单元131，所述夹点设计方法将问题分解成两个问题或者有时在多过程夹点的情况下或者如在其中我们具有近夹点情形的图6中那样的近夹点情形中分解成超过两个问题。为了使用夹点设计方法解决问题，夹点设计方法要求将问题划分成3个子问题：一个介于夹点与近夹点温度之间（150-200度），一个高于200度，并且一个低于150度。为了在子问题中限定最少数量的热交换器单元131，具有软件优化的夹点设计方法规定最小数量（或者U_min）等于流（包括公用工程流）的总数量之和减去1。因此，包含两个过程流和一个公用工程流的夹点与近夹点之间（150-200度）的子问题要求至少两个热交换器单元131。包含三个过程流和一个公用工程流的高于200度的子问题要求至少三个热交换器单元131。包含一个过程流和一个公用工程流的低于200度的子问题要求至少一个热交换器单元131。就是说，使用夹点设计方法规则，所需热交换器单元131的最小总数量将为至少六个热交换器单元131。

照此，即使在其中夹点与近夹点之间的区域不要求使用公用工程流的情形中，能够由应用到问题的这种类型的网络设计方法产生的最佳设计（诸如例如图6中所示的设计）将总是呈现比依照本发明示例性实施例提供的热交换器单元数量（参见例如图9）更大数量的热交换器单元131。如先前所指出的，在夹点处分解问题并且在夹点处开始匹配过程导致以仅仅满足在夹点处匹配的准则的原因分裂的流，引起由不必要分裂的流解决的人为约束，并且因而产生具有比将在别的情况下必要的数量更大数量的热交换器单元131的网络。

此外，如先前所指出的，夹点设计方法将没有夹点/约束的阈值问题（仅仅需要冷却公用工程或者仅仅需要加热公用工程的问题）作为夹点问题对待以便推广夹点设计方法以用于处理所有类型的问题。然而，这样做不利地产生人为约束的情形，这使得在捣乱夹点处分裂流成为必要以便依照夹点设计方法规则满足夹点处的匹配准则。有益的是，本发明的各个实施例没有这样的局限，并且因而在这样的情况下应当总是呈现比依照夹点设计方法提供的热交换器单元数量更小数量的热交换器单元131。

如图10中所示，作为依照本发明的该示例性实施例的网络合成的一部分，在最高温度区间处将具有1 mmBTU/h/oF的热容量流率FCp的热流H1与也具有1 mmBTU/h/oF的热容量流率FCp的C2匹配，这提供了最大的重叠并且这作为结果而完全抵消C2。

图11提供了依照本发明实施例的图10所示的设计的修改。如图所示，冷流C1事实上被分裂以形成C11和C12，并且低质量公用工程在152处结合151处利用的高质量公用工程而被利用以便加热冷流C12，从而最小化了总体公用工程成本，但是以多一个热交换器为代价。然而，热交换器的总数（5个）仍然比接着是软件优化选项的夹点设计方法（6个）少一个热交换器。

图12图解说明了要用在比较分析中的覆盖在为其产生的连续温度区间100上的工业过程的另一个简单实例。图解说明的工业过程结合了四个单独且不同的过程流H1、H2、C1、C2，其仅仅具有用于供应温度、目标温度和热容量流率的离散值并且具有嵌入到热流H1、H2的每一个中的10℃的最小温差值（ΔT_minⁱ）以便促进以下之间的比较：应用夹点设计方法、接着是软件优化选项的结果，得到具有8个热交换器的网络设计（参见图13）；以及依照本发明实施例产生的结果，得到具有仅仅5个热交换器的网络设计（参见图14）。如图14中所示，作为依照本发明的该示例性实施例的网络合成的一部分，热流H1在最高温度区间处与C1匹配，并且H1和H2被匹配以便提供与C1的最大重叠，这对于相同的总加热和冷却负荷而言共同地导致更少数量的所需热交换器单元。

图15图解说明了覆盖在为其产生的连续温度区间100上的工业过程的另一个简单实例，其提供了阈值问题（仅仅冷却）的一个实例。图解说明的工业过程结合了四个单独且不同的过程流H1、H2、C1、C2，其仅仅具有用于供应温度、目标温度和热容量流率的离散值并且具有嵌入到热流H1、H2的每一个中的10oK的最小温差值（ΔT_minⁱ）以便促进以下之间的比较：应用夹点设计方法、接着是软件优化选项的结果，得到具有4个热交换器的网络设计（参见图16）；以及依照本发明实施例产生的结果，得到具有仅仅3个热交换器的网络设计（图17）。如图17中所示，作为依照本发明的该示例性实施例的网络合成的一部分，热流H1在最高温度区间处与具有相同热容量流率的C2匹配且完全抵消C2，并且H2在最高温度区间处与C1匹配以便提供与C1的最大重叠且完全抵消C1，这对于相同的总冷却负荷而言导致更少数量的所需热交换器单元。

图18图解说明了覆盖在为其产生的连续温度区间100上的工业过程的另一个简单实例，其提供了阈值问题（仅仅加热）的一个实例。图解说明的工业过程结合了四个单独且不同的过程流H1、H2、C1、C2，其仅仅具有用于供应温度、目标温度和热容量流率的离散值并且具有嵌入到热流H1、H2的每一个中的10oK的最小温差值（ΔT_minⁱ）以便促进以下之间的比较：应用夹点设计方法、接着是软件优化选项的结果，得到具有6个热交换器的网络设计（参见图19）；以及依照本发明实施例产生的结果，得到具有仅仅5个热交换器的网络设计（图20）。如图20中所示，作为依照本发明的该示例性实施例的网络合成的一部分，热流H1与具有相同热容量流率和完全重叠的C1匹配，导致H1的完全抵消，并且H2在最高温度区间处与C2匹配以便提供与C2的最大重叠并且在最低温度区间处与C1匹配以便最大化热交换（增强利用），这对于相同的总加热负载/负荷而言导致更少数量的所需热交换器单元。

步骤5：步骤5包括必要时分裂流以达到希望的公用工程负载和/或质量。流分裂可以例如在用户请求/选择时进行以便例如降低由于在过程汇区将特定温度区间处的热流与较低温度区间处的冷流匹配而引起的能量质量退化。该技术与夹点设计方法形成对比，由此分裂仅仅在夹点处进行以便满足问题可行性问题，即夹点处或者高于夹点区和低于夹点区的匹配准则，这是产生具有过量热交换器的网络设计的主要原因。图21-24和图25-27提供了两个单独的问题和比较网络合成以便包括依照本发明实施例的流分裂的图解说明。

如图21中所示的第一流分裂实例提供了覆盖在为其产生的连续温度区间100上的简单工业过程，其包括四个单独且不同的过程流H1、H2、C1、C2，仅仅具有用于供应温度、目标温度和热容量流率的离散值并且具有嵌入到热流H1、H2的每一个中的10oK的最小温差值（ΔT_minⁱ）以便促进以下之间的比较：应用夹点设计方法、接着是软件优化选项的结果，得到具有10个热交换器的网络设计（参见图22）；以及依照本发明实施例产生的结果，得到具有仅仅7个热交换器的网络设计（图23-24）。

作为依照本发明的示例性实施例的网络合成的一部分且如图23中也许最佳地示出的，将具有7 kW/oK的热容量流率FCp的热流H2（图22）分裂成具有3 kW/oK、2 kW/oK和2 kW/oK的热容量流率的三个单独的热流H21、H22、H23，并且将具有17 kW/oK的热容量流率FCp的冷流C2（图22）分裂成具有2 kW/oK和15 kW/oK的热容量流率的两个单独的冷流C21、C22。有益的是，流分裂允许：将H1与具有相等热容量流率的流C22匹配，H22与C21之间的完全抵消以及H23与C1之间具有相等热容量流率的最大重叠（参见图24）。

如图25中所示的第二流分裂实例提供了覆盖在为其产生的连续温度区间100上的另一个简单工业过程，其包括四个单独且不同的过程流H1、H2、C1、C2，仅仅具有用于供应温度、目标温度和热容量流率的离散值，并且具有嵌入到热流H1、H2的每一个中的10oK的最小温差值（ΔT_minⁱ）以便促进以下之间的比较：应用夹点设计方法、接着是软件优化选项的结果，得到具有7个热交换器的网络设计（参见图26）；以及依照本发明实施例产生的结果，得到具有仅仅5个热交换器的网络设计（图27）。

作为依照本发明的示例性实施例的网络合成的一部分，且如图27中也许最佳地示出的，将具有3 kW/oK的热容量流率FCp的热流H1（图25）分裂成具有1.846 kW/oK和1.154 kW/oK的热容量流率的两个单独的热流H11、H12。有益的是，流分裂允许：将C2与最高温度区间处的流H11匹配，该流H11可以完全抵消C2；以及将C1与最高温度区间处的流H12匹配，该流H12具有接近相等的热容量流率并且可以基本上抵消C1。

工业约束问题

在工业应用中，由于腐蚀、安全、环境、相距甚远、维护、可控性、启动、污垢等等，在流匹配中可能存在许多物理的非热力学约束。此外，可能存在各种与偏好有关的非热力学约束，诸如例如不希望（一个或多个）流分裂或者要求更少数量的热交换器。这样的情形通常导致更多的公用工程消耗和增加的资金成本。如先前所指出的，从公用工程消耗和热交换器单元数量的观点来看，匹配中流条件的最佳利用及其类型的操纵尤其是在遇到非热力学约束时可能对于热交换器网络合成而言非常有益。程序产品51的各个实施例包括例如依照以下过程将流从具有单匹配能力转换成具有双匹配能力的流，这可以在具有禁止匹配情况时触发。

图28-38提供了两个采用同类（热-热、冷-冷）匹配的说明性实例以及两个采用流指定切换（例如，改变或者以其他方式指定要从特定希望的值改变或者以其他方式重新分配为另一个值的热/冷过程流的（一个或多个）特定流属性，将热/冷过程流的部分的指定改变或者以其他方式分配为冷/热流的指定，以及例如将流属性值改回至最初希望的值以便实现目标值之一）的说明性实例以克服特定过程约束。

图28-30例如引入了提供第一冷流C1由第二冷流C2加热的机会以便回收热公用工程的方案，因为C1被约束与H1匹配。具体而言，图28图解说明了覆盖在为其产生的连续温度区间100上的简单非热力学约束工业过程。该图解说明的工业过程结合了三个单独且不同的过程流H1、C1、C2，其仅仅具有用于供应温度、目标温度和热容量流率的离散值，并且具有嵌入到热流H1中的10oK的最小温差值（ΔT_min）。该工业过程具有非热力学约束，由此H1被禁止与C1匹配。在不应用依照本发明一个实施例的同类“冷-冷”匹配解决方案的情况下，热公用工程负荷将为600 kW，并且冷公用工程负荷将为50 kW，因为热流H1将仅仅与冷流C2匹配。

如图29中160处也许最佳地示出的，作为依照本发明的该示例性实施例的网络合成的一部分，可以首先将具有比C1更高的供应温度的冷流C2冷却到其间的中间点，并且于是然后将其加热到希望的目标温度。特别地，如图30中也许最佳地示出的，在采用冷流C1与冷流C2之间的同类匹配时，使用10oK的冷-冷最小温差值（ΔT_min）通过在该实例中将为205oK的C1以最大可能的程度将冷流C2冷却到低于250oK供应温度。这导致这样的要求，由此冷流C2将需要比依照其原始情形将所需的更多加热公用工程以达到其目标温度。为了降低这样的要求，过分冷却的冷流（这里为冷流C2）于是可以与热流H1异类匹配。注意，同类和异类匹配步骤期间使用的ΔT_min将对结果具有影响。就是说，在同类匹配步骤中，将冷流C2冷却到205oK的温度，其为高于C1供应温度的ΔT_min希望值，从而产生低于原始情况的新C2供应温度。在异类匹配步骤中，这样的新供应温度将是在C2与H1匹配中使用的温度以便降低热公用工程需求。

如进一步图解说明的，可以采用多个高级匹配解决方案。例如，在该特定情况下，可以分裂C2以形成C21和C22，每个具有205oK的起始温度，并且每个具有1 kW/oK的热容量流率。有益的是，流分裂允许将C21与最高温度区间处的具有相等热容量流率的流H1匹配，并且可以基本上抵消H1（即只有低于205oK线的部分仍然需要通过公用工程冷却）。该配置将热公用工程要求从600 kW降低至555 kW并且将冷公用工程要求从50 kW降低至5 kW。

图31图解说明了覆盖在为其产生的连续温度区间100上的另一个简单非热力学约束工业过程。该图解说明的工业过程结合了三个单独且不同的过程流H1、H2、C1，每个过程流仅仅具有用于供应温度、目标温度和热容量流率的离散值，并且具有分别嵌入到热流H1、H2中的20oK和10oK的不同的最小温差值（ΔT_minⁱ）。该工业过程具有非热力学约束，由此H1被禁止与C1匹配。在不应用依照本发明一个实施例的同类“热-热”匹配解决方案的情况下，热公用工程负荷将为300 kW，并且冷公用工程负荷将为490 kW，因为只有具有最小重叠的热流H2将与冷流C1匹配。

如图32中所示，作为依照本发明的该示例性实施例的网络合成的一部分，可以首先将具有比H1更低的供应温度的热流H2加热到其间的中间点，并且于是然后将其冷却到希望的目标温度。特别地，使用10oK的热-热ΔT_min（等于ΔT_min^H1与ΔT_min^H2之差）通过在该实例中将为425oK的H1以最大可能的程度将热流H2加热到高于300oK供应温度。如进一步图解说明的，具有2 kW/oK的热容量流率并且现在具有425oK的起始温度的H2与也具有2 kW/oK的热容量流率并且现在具有与H2的大量重叠的C1匹配。该配置使用相同总数的热交换器将热公用工程要求从300 kW降低至50 kW并且将冷公用工程要求从490 kW降低至240 kW。

图33图解说明了覆盖在为其产生的连续温度区间100上的另一个简单非热力学约束工业过程。该图解说明的工业过程结合了三个单独且不同的过程流H1、H2、C1，每个过程流仅仅具有用于供应温度、目标温度和热容量流率的离散值，并且具有分别嵌入到热流H1、H2中的不同的最小温差值（ΔT_minⁱ）。该工业过程具有非热力学约束，由此H2被禁止与C1匹配。在不应用依照本发明一个实施例的“热-冷”流切换匹配解决方案的情况下，热公用工程负荷将为150 kW，并且冷公用工程负荷将为500 kW，因为只有热流H1将与冷流C1匹配。

如图34中所示，作为依照本发明的该示例性实施例的网络合成的一部分，可以首先将具有比H2更高的目标温度的热流H1冷却到低于其目标温度的点，并且于是然后将其加热到希望的目标温度。特别地，如171处所示，通过在该实例中将为150oK的C1以最大可能的程度将热流H1冷却到低于300oK目标温度。如进一步图解说明的，172处所示的起着具有160oK起始温度的冷流的作用（使用10oK的热-热ΔT_min）的H1的低于目标部分（H1_conv）与H2匹配。该配置使用额外150 kW的能量以便完全抵消C1并且然后从H2重新获得能量，从而使用相同数量的热交换器将热公用工程要求从150 kW降低至0 kW并且将冷公用工程要求从500 kW降低至350 kW。

图35图解说明了覆盖在为其产生的连续温度区间100上的另一个简单非热力学约束工业过程。该图解说明的工业过程结合了三个单独且不同的过程流H1、C1、C2，每个仅仅具有用于供应温度、目标温度和热容量流率的离散值，并且具有嵌入到热流H1中的10℃的最小温差值（ΔT_min）。该工业过程具有非热力学约束，由此H1被禁止与C2匹配。在不应用依照本发明一个实施例的“冷-热”流切换匹配解决方案的情况下，热公用工程负荷将为700 kW，并且冷公用工程负荷将为200 kW，因为热流H1将仅仅与冷流C1匹配。图37提供了图解说明在应用“冷-热”流切换匹配解决方案之前由图35中所示的配置产生的简单热交换器网络的绘图。

如图36中也许最佳地示出的，作为依照本发明的该示例性实施例的网络合成的一部分，可以首先将具有比C2更低的目标温度的冷流C1加热到高于其目标温度的点，并且于是然后将其冷却到希望的目标温度。特别地，通过如181处所示的在该实例中将为550℃的H1以最大可能的程度将冷流C1加热到高于350℃目标温度。如进一步图解说明的，起着182处所示的具有540℃起始温度的热流的作用（使用10℃的冷-冷ΔT_min）的C1的高于目标部分（C1_conv）与C2匹配。该配置使用额外200 kW的能量以便完全抵消H1并且然后将该过剩的能量传递到C2，因而使用相同总数的热交换器将热公用工程要求从700 kW降低至500 kW并且将冷公用工程要求从200 kW降低至0 kW。图38提供了图解说明由图36中所示的配置产生的简单热交换器网络的绘图。

依照本发明的各个实施例，运行可行性测试形式的子例程（未示出）以便确定是同类匹配、流切换还是其组合得到更好的结果。例如，可以看出，图33中所示的简单非热力学约束工业过程的热流H1与H2之间的热-热同类匹配将不是所希望的解决方案，因为和唯一冷流C1具有非热力学约束的热流H2具有比热流H1更低的供应温度。类似地，可以看出，图35中所示的简单非热力学约束工业过程的冷流C1与C2之间的冷-冷同类匹配将不是所希望的解决方案，因为和唯一热流H1具有非热力学约束的冷流C2具有和冷流C1相同的供应温度。

注意，依照本发明的各个实施例，可以单独地或者同时地采用多个高级匹配解决方案。注意，通过引用全部合并的2009年10月8日提交的题为“System, Method, and Program Product for Targeting and Identification of Optimal Process Variables in Constrained Energy Recovery Systems”的美国专利申请No. 12/575,743提供了关于对非热力学约束废热回收过程的能耗建模以便最大化过程和公用工程利用效率的进一步讨论。

还注意，依照本发明的各个实施例，同类匹配和流切换作为相对于使用本领域技术人员理解的置于约束过程流之间的缓冲流的改进而被提供。然而，取决于其可用性以及其关联的部件的资金成本影响，包括缓冲流（如果可行的话）以克服非热力学约束仍然处于本发明的各个实施例的范围内。因此，本发明的各个实施例也可以包括步骤：分析采用缓冲流的可行性以及与采用缓冲流有关的资金成本，从而确定克服非热力学约束的各种方法的总体效能。然而，在大多数情况下，应用同类匹配和流类型切换沿着资源保护和资金投资之间的折衷的统一体提供了最为成本有效的方法。

然而，缓冲流的采用并不像依照本发明各个实施例的通常只需添加新的热交换器的在特定范围内进行同类匹配和/或切换流类型中的情况那样机械上简单或者廉价。相反地，缓冲流的采用有必要构建和维护新的系统基础结构（水、热油、蒸汽等等）。有益的是，使用上面描述的同类匹配和/或流类型切换技术在其应用呈现充分的热回收的情况下提供了大量的资金成本节省。值得注意的是，即使做出采用缓冲流而不是同类匹配或流类型切换的决定，采用仅仅一个缓冲系统可能不足以完成所需目标。通常，可能需要多个缓冲系统。例如，在由此存在非常热的流和非常冷的流禁止匹配的方案中，网络设计师可能需要构建蒸汽生成系统（废热锅炉及其关联部件）和冷冻水系统二者。因而，除非可以使用一个或多个缓冲系统为加热容量和/或冷却容量提取以便克服禁止匹配情形的附加废热回收的量足以证明系统资金成本是正当的；或者除非构建缓冲流的所需材料已经到位，上面描述的依照本发明各个实施例的同类匹配和/或流类型切换技术通常将向这种类型的流禁止匹配情形提供最为成本有效的解决方案。

步骤6：步骤6包括完成或者继续处理和/或用图形向决策者显示例如作为流匹配和流分裂步骤的结果而提供的初始热交换器网络设计。依照本发明的一个实施例，可以在诸如图形用户接口39之类的图形用户接口上或者在与网络38（参见图1）通信的单独的远程计算机/计算机显示器（未示出）上显示初始热交换器网络和/或其他统计量。

步骤7：步骤7包括移除（合并）任何冗余的过程-过程热交换器单元。就是说，在相同的两个过程流之间延伸的任何热交换器单元都可以被整合成单个热交换器（如果可行的话）以便降低热交换器要求。

步骤8：类似于步骤7，步骤8包括将在相同的过程和公用工程流之间延伸的任何热交换器单元合并成单个热交换器（如果可行的话）以便降低热交换器要求。

步骤9：最后，步骤9包括基于初始设计并且基于整合/合并过程确定最终的热交换器网络设计。

用于未来改型的最佳拓扑结构的基层设计

本发明的各个实施例提供了合成用于包括要冷却的多个热过程流和要加热的多个冷过程流以及各个热和/或冷公用工程的工业过程的例如基层热交换器网络以便补充废热回收系统的系统、程序产品和方法。

下面的表格提供了产生依照本发明实施例的特别地被配置用于未来改型的热交换器网络结构的热交换器网络合成算法的高度概括：

步骤1-3：依照本发明实施例的一个实例，例如在图39-43中示出了通过依照步骤1-3使用系统方法在开始于高（“最大”）最小温差值（或者值集合）的依次降低的最小温差值ΔT_minⁱ下合成若干基层热交换器网络设计而合成用于未来改型的基层热交换器网络的步骤。就是说，图39-43中所示的示例性实现方式图解说明了逐步合成用于未来改型的基层设计的实例，包括开始于例如最高的最小温差值、接着是连续降低的最小温差值，对于每个热过程流应用连续不同（例如降低）的特定于流的最小温差值ΔT_minⁱ的集合如何可以得到一系列具有共同的网络结构、但是可能具有连续更少数量的热交换器单元的热交换器网络配置的图示，所述配置可以用来促进具有基于可能的未来不同负载要求可容易改型的拓扑结构的热交换器网络上的构造。注意，尽管该示例性配置以开始于最大温差值或者值集合为特征，但是其中一个或多个最小温差值用来开始所述分析的实施例处于本发明的范围内。

具体而言，图39提供了覆盖在为其产生的连续温度区间100上的工业过程的另一个简单实例，其包括四个单独且不同的过程流H1、H2、C1、C2，其中热流H1具有130oK（由于ΔT_minⁱ的嵌入而被示为105oK）的实际供应温度、40oK的目标温度以及40 kW/oK的热容量流率（FCp）；其中热流H2具有180oK的供应温度、80oK的目标温度以及20 kW/oK的热容量流率（FCp）；其中冷流C1具有30oK的供应温度、120oK的目标温度以及36 kW/oK的热容量流率（FCp）；并且其中冷流C2具有60oK的供应温度、100oK的目标温度以及80 kW/oK的热容量流率（FCp）。此外，为了简单起见，这两个热流H1、H2初始时被分配相同的25oK的最小温差值（ΔT_minⁱ），其嵌入到热流的温度区间100的每一个中——即，用于热流H1和H2的供应和目标温度中的每一个向下移位了与其单独的最小温差值（ΔT_minⁱ）相等的量，该量在图39中对于二者为25oK。

就是说，为了产生例如图39中所示的连续温度区间100，根据用于H1的130oK的热流供应温度和用于H1的40oK的目标温度推断25oK的?T_min^H1值，并且根据用于H2的180oK的热流供应温度和用于H2的80oK的目标温度推断25oK的?T_min^H2值以便在对应热流箭头101、103的尾部和头部分别产生用于H1的105oK、15oK以及用于H2的155oK、55oK的值。图中所示的得到的热交换器网络包括三个过程-过程热交换器201、202、203，两个冷却公用工程热交换器（或冷却器）211、212，以及两个加热公用工程热交换器（或加热器）221、222。

图40-43图解说明了关于图39标识的覆盖在单独产生的连续温度区间100上的工业过程，这些连续温度区间单独地产生以便说明用于热流H1、H2的对应连续降低分配的最小温差值，所述工业过程包括相同的过程结构（例如相同数量的过程-过程热交换器），但是具有不同的负载值（即由一个或多个过程-过程热交换器交换的不同热量）和相应的不同冷却和/或加热公用工程要求。

具体而言，图40图解说明了图39中所示的热交换器网络，其用于示例性工业过程，但是具有对于?T_min^H1和?T_min^H2使用20oK而不是25oK计算的网络负载分配值。较低的最小温差值导致用于热交换器201和202的负载/负荷要求的增加、加热器221、222所需的加热能量的降低、冷却器211所需的冷却能量的降低以及冷却器212所需的冷却能量降低至“零”（无需H2冷却器212），这导致仅仅需要三个过程-过程热交换器201、202、203、一个冷却器211和两个加热器221、222的热交换器网络。

在实践中，冷却器212（存在于图39中）（如果物理存在的话）的取消意味着，如果决策者诸如例如由于高得足以抵消任何所需资金成本的公用过程成本的显著增加而决定利用较低的?T_min^H1和?T_min^H2值集合，作为改型过程的一部分，冷却器212将被忽略或撤除，并且热流热交换器201、202将被改型（如果必要的话）以便相对于依照图39中所示的网络设计所需的负载/负荷承载附加的负载/负荷。

图41图解说明了图39和图40中所示的热交换器网络，其用于示例性工业过程，但是具有对于?T_min^H1和?T_min^H2使用15oK计算的网络负载分配值。较低的最小温差值导致用于热交换器202和203的负载/负荷要求的进一步增加、冷却器211所需的冷却能量的进一步降低、加热器222所需的加热能量的进一步降低以及加热器221所需的加热能量进一步降低至“零”（无需C1加热器221），这导致仅仅需要三个过程-过程热交换器201、202、203、一个冷却器211和一个加热器222的热交换器网络。

图42图解说明了图39-41中所示的热交换器网络，其用于示例性工业过程，但是具有对于?T_min^H1和?T_min^H2使用10oK计算的网络负载分配值。较低的最小温差值导致用于热交换器202的负载/负荷要求的更进一步增加、冷却器211所需的冷却能量的进一步降低以及加热器222所需的加热能量的进一步降低，这导致图41中所示的相同热交换器网络配置，即三个过程-过程热交换器201、202、203、一个冷却器211和一个加热器222，但是具有不同的负载分配值。

图43图解说明了图39-42中所示的热交换器网络，其用于示例性工业过程，但是具有对于?T_min^H1和?T_min^H2使用5oK计算的网络负载分配值。较低的最小温差值导致用于热交换器203的负载/负荷要求的又进一步增加、加热器222所需的加热能量的进一步降低以及冷却器211所需的冷却能量进一步降低至“零”（无需H1冷却器211），这导致仅仅需要三个过程-过程热交换器201、202、203和一个加热器222的热交换器网络。

注意，尽管被示为以5oK的增量连续降低，但是应当理解，单独的最小温差值可以以某个其他的间隔（例如1oK）降低；以对于热流H1和热流H2不同的间隔（例如对于H1为1oK并且对于H2为2oK）降低；以在连续降低的设计迭代期间至少改变一次的间隔（例如对于H1为5oK、2oK、1oK等）降低；或者以其各种组合降低。还注意，应当理解，可以对于先前描述的热力学约束的、非热力学约束的和无约束的过程系统依照各种匹配准则产生所述连续热交换器网络设计中的每一个。

有益的是，步骤2和3的结果提供了用户可选择的热交换器网络设计的统一体，其例如在以下之间延伸：（1）给热流分配在相应期望最大值集合下建立的最小温差值集合{?T_minⁱ}的热交换器网络设计，通常由于需要公用工程（加热器和冷却器）而导致最多热交换器聚集的热交换器网络设计，以及（2）给热流分配在相应期望最小值集合下建立的最小温差值集合{?T_minⁱ}的热交换器网络设计，通常由于更少需要公用工程（加热器和/或冷却器）而导致最少热交换器聚集的热交换器网络设计，但是具有通常需要更多表面面积和其他资金投资的热交换器单元。

进一步有益的是，最多热交换器聚集的热交换器网络设计可以用来标识提供必要的热和冷公用工程流以及热和冷公用工程热交换器所需的最大数量的不动产；并且最少热交换器聚集的热交换器网络设计可以用来标识改型或者以其他方式提供用于输送最大设计所需负载或者热传递要求的热交换器所需的最大量的不动产。例如，对于所有热流分配具有25oK的期望最大值的最小温差值集合{?T_minⁱ}的图39图解说明了用于该实例的具有最大数量的所需热交换器的热交换器网络设计。形成对比的是，对于所有热流分配具有5oK的期望最小值的最小温差值集合{?T_minⁱ}的图43图解说明了用于该实例的最少热交换器聚集的热交换器网络设计，该热交换器网络设计具有其最大所需热传递要求下的过程-过程热交换器。即，用于最少热交换器聚集的网络设计（图43）的过程-过程热交换器201、202、203具有分别等于2000 kW、2360 kW和1240 kW的负载，从而需要最大的热交换器表面面积，而该实例中的最多热交换器聚集的热交换器网络设计（图39）具有分别等于1900 kW、1800 kW和1080 kW的负载，从而需要最少的过程-过程热交换器表面面积，但是需要最多数量的公用工程和公用工程热交换器（加热器和冷却器）。

步骤4：步骤4包括从用户可选择的热交换器网络设计的统一体内选择满足当前经济准则的网络，所述准则诸如例如资金成本/投资与当前和预测的加热或冷却公用工程成本之间的折衷。该步骤也可以包括维持统一体内的未被选择的热交换器网络设计以便提供在能量成本与资金成本之间的折衷变化时进行未来改型的蓝图。

步骤5：步骤5适用于工业过程设施的初始构建/开发或当前改型。具体而言，步骤5包括取决于依照当前的网络设计利用和/或需要的以及依照根据更高负载的缩减的公用工程改型设计将所需的负载或成本，在工厂布局中为在未来由于预期可能增加的负载例如由于加热、冷却或者加热和冷却公用工程的成本的充分增加而将需要额外表面面积的特定热交换器保留足够的自由空间。

可选地和/或可替换地，步骤5也可以包括再次取决于依照当前的网络设计利用和/或需要的以及依照根据更低负载的增加的公用工程改型设计将所需的负载或成本，在工厂布局中为诸如例如由于加热、冷却或者加热和冷却公用工程的成本的充分降低而添加附加的公用工程连同诸如例如由于损坏或老化而替换一个或多个热交换器单元的要求而保留足够的自由空间。

出于说明的目的，假设在工厂设计期间，由于资金成本与能量成本之间的折衷而选择图40中所示的具有三个过程-过程热交换器201、202、203、一个冷却公用工程交换器211以及两个加热公用工程交换器221、222的热交换器网络。在该图示中，假设“一段时间之后（down-the-road）”，加热和冷却能量的成本遭受大量的增加，并且具有较大表面面积的热交换器的资金成本持平、降低或者仅仅最低限度的增加。由于在工厂布局的设计期间，留下了可用于使为升级过程-过程热交换器201、202和203所需的表面面积适应图43中所示的热交换器网络所需的面积的足够自由空间，因而将热交换器网络转换成图41、图42或图43中任何一个所示的热交换器网络的改型可以容易地响应于对应三个热交换器网络中的每一个的不同的（例如逐渐更高的）资金成本与不同的（例如逐渐更高的）能量公用工程节省之间的成本利益分析而做出。

在该图示中，假设图40中所示的网络要被改型以便形成图42中所示的网络。为了执行改型，在已经保留了必要的不动产之后，决策者可以容易地访问先前确定的拓扑结构以便提供所述要求和参数。在该图示中，升级热交换器202和203以便承载更多的负载/负荷并且可以忽略或撤除加热公用工程热交换器221。

重要的是指出，尽管在完全功能的系统和过程的上下文中描述了本发明的前面的实施例，但是本领域技术人员将理解：本发明和/或其方面的至少部分的机制能够以计算机可读介质的形式分布，所述介质以各种各样的形式存储用于在一个处理器、多个处理器等上执行的指令集；并且本发明的实施例同样适用，而不管用来实际实现该分布的信号承载介质的特定类型。计算机可读介质的实例包括但不限于：非易失性硬编码类型介质，诸如只读存储器（ROM）、CD-ROM和DVD-ROM或者可擦除电可编程只读存储器（EEPROM）；可记录类型介质，诸如软盘、硬盘驱动器、CD-R/RW、DVD-RAM、DVD-R/RW、DVD+R/RW、HD-DVD、记忆棒、迷你盘、激光盘、蓝光光盘、闪速驱动器和其他更新类型的存储器；以及特定类型的传输类型介质，诸如例如能够存储指令集的特定数字和模拟通信链路。这样的介质可以包含例如操作指令和先前关于程序产品51所描述的操作指令、以及依照上面描述的合成热交换器网络的方法的各种实施例的方法步骤的计算机可执行部分。

例如，例如通过热交换器网络合成计算机31可读取以便合成基层热交换器网络的计算机可读介质可以包括这样的指令，这些指令在由计算机31执行时使得计算机31执行以下操作：接收用于过程中的每个热流和冷流的操作属性数据、流初始类型的列表或其他表格以及非热力学约束的列表或其他表格；匹配热过程流和冷过程流的至少子集以便达到一个或多个全局公用工程目标（例如公用工程能耗目标）；以及响应于匹配所述多个热过程流和所述多个冷过程流的至少子集而确定初始热交换器网络设计。

所述操作也可以包括当存在时响应于确定初始热交换器网络设计而从初始设计中移除任何冗余的过程-过程热交换器，当两个或更多相同流公用工程热交换器存在时响应于确定初始热交换器网络设计而合并相同流公用工程热交换器，以及响应于以下一个或多个提供最终的热交换器网络设计：确定初始热交换器网络设计，当存在时从初始设计中移除任何冗余过程-过程热交换器，以及当存在时合并两个或更多相同流公用工程热交换器。

依照计算机可读介质的另一个实施例，所述操作可以包括：接收用于多个热过程流和冷过程流中的每一个的多个操作属性、一个或多个非热力学流匹配约束的列表以及可选地流初始类型列表，匹配所述多个热过程流和（与）所述多个冷过程流的至少子集以便达到所述多个公用工程能耗目标，以及响应于该匹配而提供热交换器网络设计。

依照计算机可读介质的另一个实施例，所述操作可以包括：使用初始最小温差值集合{?T_minⁱ}确定初始热交换器网络设计，响应于相应多个连续降低的最小温差值集合{?T_minⁱ}而确定多个附加的热交换器网络设计；以及标识多个共同结构热交换器网络设计的集合，这些共同结构热交换器网络设计具有由共同的过程-过程热交换器结构（或者共同的热交换器网络结构）形成的网络结构，其基本上与所述多个共同结构热交换器设计中的每个其他的设计的结构相同，但是在其间的负载分配方面全都不同。

所述操作也可以包括选择满足当前用户选择的经济准则的所述多个共同结构热交换器网络设计之一，从而构造满足当前用户选择的经济准则且具有可以容易地改型以便匹配所述多个共同结构热交换器网络设计中的至少一个其他的设计的、选择的物理热交换器网络，所述共同结构热交换器网络设计位于所述多个共同结构热交换器网络设计中的选择的设计与所述多个共同结构热交换器设计中的“最少”热交换器聚集的设计或者所述多个共同结构热交换器设计中的“最多”热交换器聚集的设计之间的统一体中。

本发明的各个实施例有利地具有若干显著的能力。例如，考虑到易于实现的未来改型，方法（以及系统和程序产品）的实施例引入了用于基层热交换器网络合成的系统过程以说明由于正在发生的资金成本与能量成本之间的折衷变化而引起的负载需求变化。该方法提供了保持设计者控制网络的合成，而不强迫设计者使用如当前在基于数学规划的软件中采用的这样的假设，这些假设由于使用非结论性超结构而将合成的网络局限于特定的次等结构。有益的是，该方法可以适用于工业规模问题，可以允许设计者测试他/她的用于遭受工业应用中通常面临的影响能耗的约束情形的网络合成的新颖解决方案，并且对于表现出多个夹点和具有近夹点应用的夹点的问题，针对相同的能量目标，与夹点设计方法相比可以呈现更少数量的单元。依照本发明的另一个实施例，该方法在程序产品中自动化以便促进设计工业设施中的最佳能量回收系统。从能量效率消耗和污染最小化的观点来看，相对于非使用公司，本发明实施例的各个方面的应用可以有利地向用户公司提供在设计和操作其设施方面的优势。预期的是，本发明的一个或多个实施例可以向用户提供能量效率优化方面的超出当前使用最新技术水平的工具和技术所获得的效率的估计5%的改进，这可以转化为每年在能耗方面向大的工业公司节省数千万美元以及项目资金的重大节省。

本申请要求2010年4月26日提交的题为“System, Method, and Program Product for Synthesizing Non-Constrained and Constrained Heat Exchanger Networks”美国专利申请No. 12/767,217的优先权和权益，该文献是2009年10月30日提交的题为“System, Method, and Program Product for Synthesizing Non-Constrained and Constrained Heat Exchanger Networks and Identifying Optimal Topology for Future Retrofit”的美国临时专利申请No. 61/256,754的非临时申请；并且与2009年10月8日提交的题为“System, Method, and Program Product for Targeting and Identification of Optimal Process Variables in Constrained Energy Recovery Systems”的美国专利申请No. 12/575,743；2010年4月26日提交的题为“System, Method, and Program Product for Synthesizing Non-Thermodynamically Constrained Heat Exchanger Networks”的美国专利申请No. 12/767,275，2010年4月26日提交的题为“System, Method, and Program Product for Synthesizing Heat Exchanger Networks and Identifying Optimal Topology for Future Retrofit”的美国专利申请No. 12/767,315，2010年3月11日提交的题为“System, Method and Program Product For Targeting and Optimal Driving Force Distribution in Energy Recovery Systems”的美国专利申请No.，2007年6月25日提交的题为“System, Method, and Program Product for Targeting an Optimal Driving Force Distribution in Energy Recovery Systems”的美国专利申请No. 11/768,084（现在为美国专利7,698,022）以及2006年6月23日提交的题为“Method and Program Product for Targeting and Optimal Driving Force Distribution in Energy Recovery Systems”的美国专利申请No. 60/816,234有关，这些文献中的每一篇都通过引用全部合并于此。

在附图和说明书中，公开了本发明的典型优选实施例，并且尽管采用了特定的术语，但是这些术语仅仅在描述的意义上使用并且不用于限制的目的。本发明以相当的细节特别参照这些图解说明的实施例进行了描述。本发明不要被视为限于所公开的特定形式或实施例，因为这些形式或实施例被认为是说明性的而不是限制性的。然而，将清楚的是，可以在如前面的说明书中所描述的本发明的精神和范围内做出各种修改和变化。例如，本发明的各个实施例被描述为提供过程-公用工程流匹配以便限定或选择公用工程类型和温度并且形成或选择这样的设计，由此来自在冷却热流的过程期间被加热的公用工程的冷水改变身份为变成需要冷却的新产生的热流。应当理解的是，相同的理念可以容易地例如适用于在不同压力/温度水平下产生的蒸汽冷凝。