（控制科学与工程专业论文）热集成精馏系统建模、优化与控制的若干问题研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 在石油加工工业和化学工业中，精馏是分离液相混合物十分重要的操作单 元，同时它又是一个高耗能设备。随着全球范围内能源危机的日益严重，以及市 场竞争的日益激烈，使得人们存在着无数的动机，采用新的或改进的方法和设备 来降低它的操作能耗。一方面，通过利用优化技术、先进控制技术来降低能耗， 另一方面，通过工艺上改进，如热泵循环精馏、热集成精馏等方法来降低精馏过 程的能耗。 本论文的研究对象是双塔热集成精馏系统，它是精馏过程中有效的节能操作 方式之一，节能效果可达5 0 。它的基本原理是由一个高压塔和一个低压塔来构 成一个精馏系统，高压塔的塔顶蒸汽作为低压塔的塔釜供热，以节省能耗。为了 能够达到理想的节能效果，必须对这两个塔进行合理的操作和控制，否则，反而 会影响正常的生产。但由于采用了这样的热集成操作方式，使得两个塔之间的关 联变得十分严重，给系统的操作和控制带来了很大的难度。 本论文将以分离甲醇和水二元混合液的热集成精馏系统为研究对象，展开了 机理模型的建立、模型参数估计、状态变量估计、以最小能耗为目标的动态优化 和控制的研究工作。论文主要内容包括： ( 1 ) 热集成精馏系统的动态机理模型建立方法介绍。在建立机理模型过程中， 充分考虑了每个塔板的9 个状态变量：塔板温度，塔板压力，汽、液相流量，汽、 液相浓度和持液量( h 0 1 d u p ) 的动态特性。利用w i l s o n 模型计算液相的非理想 特性。根据汽液平衡、物料平衡和能量平衡所建的机理模型是一组非线性的微分 代数方程组。为了能够使模型适合优化和控制策略研究的需要，利用三点正交配 置离散化的方法，对模型方程进行离散化，将其转化成代数方程，然后，利用牛 顿一拉夫逊方法来求解。 ( 2 ) 为了提高模型的精度和实现热集成精馏系统先进控制策略，必须解决上 述模型中的塔板效率和进料浓度等参数的在线估计问题。热集成精馏系统模型的 参数估计是一个大系统、非线性、时变的多参数估计问题，本论文提出了可调加 权系数动态优化的参数估计方法，在该方法中利用二级动态优化进行参数估计的 方法。通过对优化过程的分析，揭示了参数估计的内在特性，进一步提出了反馈 i i 摘要 控制的观点和灵敏度分析。通过引入可调加权系数，实现非线性、时变、多参数 的热集成精馏系统的参数估计，仿真结果和普通的最小二乘方法相比较，表明了 本方法的有效性。 ( 3 ) 对于热集成精馏这样的复杂系统，为了能够实现动态优化和控制，必须 对不可测状态变量进行在线的实时估计。本论文提出了优化加预估的不可测状态 变量的估计方法，进行了热集成精馏系统中的每块塔板9 个状态变量实时在线估 计。 ( 4 ) 当考虑热集成精馏系统的进料为主要干扰时，提出了在保证产品质量的 前提下，以最小能耗为目标的动态优化和控制二级策略。 最后，对全文的工作进行总结，并且提出了进一步研究的方向。 关键词：热集成精馏系统，动态机理模型，参数估计，状态估计，动态优化，控 制 浙江大学博士学位论文 i i i a b s t r a c t d i s t i l l a t i o ni sa ni m p o r 七a n ta n de n e 唱y _ i n t e n s i v es e p a r a t i o nt e c l l n i q u ef o rf l u i d m i x t u l - e si nc h e m i c a la i l dp e 呐幽锄i c a li i l d u s yw i mm ei n c r e a s i n gc o i 玎p e t i t i o ni n t h ec h e m i c a li n d u s t r ya n da ne n e r g yc r i s i si nm ew o d d ，1 0 t so fi m p m v e da p p r o a c h e s f o rd e c r e a s i n gt h eo p e r a t i o nc o s ti 1 1d i s t i l l a t i o np r o c e s sh a eb e e nd e v e l o p e d ，e g o p t i m a la n da d v a l l c e dc o n t r o lt c c l m 0 1 0 9 y n e wt e c l u l i q u e si i l c l u d i n gt 1 1 eh e a tp u m p d i s t i l l a n o n ，a n dh e a t i i n t e 酉a t e dd i s t i l l a t i o nc o l 岫ns y s t e m at w o c o l u 砌h e a t - 缸e f a l e dd l s t i l l a n o ns y s t e mi ss t i l d l e dmd e t a i ll nt h i s d i s s e r t a t i o n 5 0 e n e r g ys a v i n g sc a nb ea c h i e v e di 1 1 证】：i s d i s t i n a t i o ns y s t e mb y r 哪i n go n eo ft h ec 0 1 u m n sa tah i g h e rp r e s s u r ea i l di n t e g r a t i n gt h ec o n d e l l s e ro f t h e h j g h - p r e s s u r e ( h p ) c o l u m n 惭mt h er e b o i l e r o fm el o w _ p r e s s l l r e ( l p ) c o l u n m b e c a u s em eh e a ti 1 1 t e g 枷o nl e a d st 0s i g n i f i c a n td i 瓶c u l d e si 1 1o p e r a t i o na 1 1 dc o n t r o l d u et om es 订o n gc o u p l i n gi nm a t e r i a ia n de r l e r g yo f t h e 押oc o l u m s ，i ti sac h a l l e n g e t oo p e r a t et h i ss y s t e mc o r r c c t l ys ot l l a tm ep l a n ti so p e r a t i o n a la n dt h ee n e r g ys a v i g s a r ea c h j e v e d r h em a i l lr e s e a r c hw o ka n dc o n t n b u t i o n so ft 1 1 i sd l s s e r t a t l o na r ea sf b l l o w s ： ( 1 ) t h ed y n 蛐i cr i g o r o u sm o d e lo ft h eh e a t i n t e 铲a t e d d i s t i l l a t i o nc o i u m n s y s t e mi si n t r o d u c e dw h i c hi sb a s e d o nv a p o r l i q u i de q u i l i b r i 咄，c o m p o n e mm a t e r i a l b a l a l l c e sa n de n e r g yb a l a n c ef o re a c h 仃a y t h en o n - i d e a ll i q u i dp h a s ei sc o m p u t e db y w i l s o nm o d e l t h ec o m p o s i t i a 璐o fv a p o ra n dh q u i dp h a s e s ，、，a p o ra n d1 i q u i dn o w r a t e s ，t e r n p e r 咖r e ，p r e s s u r e ，a n dl i q u i dh o l d u p sa r em es t a t ev a r ia ：b l e si n 1 em o d e l t h er i g o r o u ss y s t e mm o d e li sas e to fn o n l i n e 盯d i f f e r e n t i a l 缸na l g e b r a 沁删i o n s ( d a e s ) w h i c ha r ed i s c r e t i z e db y 血eo r t h o g o n a lc o l l o c a t i o no n 缸i t ee i e m e l l t sw i m t 1 】r e ep o i m s t h em o d c le q u a t i o n sa r cs o l v e db yc o n v e n t i o n a ln e 、v t o n - r a p h s o n a l g o r i t h m ( 2 ) ni s c n l c i a lt oe s t i m a t et l l e 打a ye 伍c i e n c i e sa 1 1 df e e dc o m p o s i t i o nf o r i m p r o v i n gm ea c c u r a c yo fm o d e la n di m p i e n l 锄t i n go fa d v a n c e dc o n h d ls t r a t e g yf o r t h eh e a t i n t e 酬e dd i s t i i l a t 协nc o i u m ns y s t e m an e wp a r 眦e t e re s t i m a t i o na p p r o a c h i sp r o p o s e dw 1 1 i c hi sa d d r e s s e db ym m i n gw e i g h tf h t o r si nt l l el e a s t s q u a r e sd y n a m i c a b s t r a c t 印t i m i z a 垃o nm l 艇sw o r k ，f h r o u 醇8 n 癍沁so f 也es o l u t i o np f o c e d h r eo f 搬er e s u l t i n g o p 畦m i z a t i o np f o b l e m ，i t i sf o u n dm a tp a r a m e t 贸e s t i m a t i o nw i t haw e i g h t e d l e a s t s q u a r e sm e m o d i se q u i v a l e n tt oam u l t i v a r i a b l ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m t h e w 西g h t i n gf 掀o r si n 也eo _ b j e 吐i v e 自n 幽啦缸ee 驴如缸e n tt o 也ec 咖l l e rp a r a m e t e 摊 l i k e 髓yc o n 的ls y s t e ms y n 主h e s i s ， h e 锄i 裙c a nb em a d eb a s 荫o n 国eo u 印* i p 城 s e n s i t i v i t ya n a l y s i s 1 1 1 ee 脑c t i v e n e s s o ft 1 1 e p r 叩o s e da p p r o a c h i si l l u s t r a t e db y c o m p a 血gt h er e s u l t so fm i sm e t h o dw i t ht h er e s u n so ft h eg e n e r a ll e a s t 。s q u a r e s i 毡e 也o d ( 3 ) t oi m p l e m e n ti h ed y n 砌co p t 咖i z a t i o na i l dc o n 打0 ls t r a t e g y ，i “sn c c e s s a r y t oe s t i m a t et h eu 啦e a s u r a b l es t a l ev a d a b l e si n “e f y 斑n ei 越e r v 啦an g wa p p r o a c h ， w h i c hi sc 啦l e d o p t i m i z a t i o n 巾r e 越c t o rm e t h o d ，i sp r o p o s e d t oe s t f m 如也e u n m e a s 曲b l es t a t ev a r i a b l e si ns u c hal a r g e - s c a l es y s t e m t h er e s u n ss h o wt h a tt h e p r o p o s e da p 雕o a c hi s e 矗 e c t i v ef 醣r e 矗m es t a t ee s 出n a t i o no ft h en o n 硅n e a r l a 瑶e s c a l e 抽a t - i n t e g 豫t 醪击s 廿l l 戤i o n l 糕ms y s | e m - ( 4 ) t w o 一1 e v e lc o n t m ls t r a t e g yi m e 乎a t e dd y n a r m co p t i l i z a t i o na 1 1 dc o n t r o lo fa h e a t i n t e g r a t e dd i s t i l l 8 t i o 娃e o l u 芏n ns y s t e mi sp 琊p o s e d 幻m i n i m i z e 也eh e a ts 弹p l yt o h pc o l u m nw h e nt h ef & dr a t e 瓤l dc o m p o s 斑o na r ec h a n g e d ，a n dt h ep r o d u c tq u a l i t i e s a r es a t i s f i e d t h eo p t i r n i 嚣a t i o nv a r i a b l e sa r eh e a ts u p p l yt oh pc o l 嘲nr e b o i l e r ，h p c o l u m nr e 珏u xr a t e ，l pc o l u 棚雏r e n u xr a t e ，a n df e e dr a t eo f l pc o l u 嬲】。 f i n a l l ys o m ec o n c l u s i o f l sa i l d 血t l l r er e s e a r c h e sa r ed i 孙m i nt l l i sd i s s e n a t i o n 忍”d 胁蛐e 婚i n t e 乎a 专e d 垂s 爨l 蠢至o ns y s t e 毡啦p r o u sm o 出l ，p 基f 躺e t e re s t i n l a t i o n ， s t a t ee s t i m a t i o n ，d y i l 枷co p t i m i z a t i o n ，c o n 呐l 新江大学博士学位论文 v 致谢 衷心感谢导师王树青教授对本人的精心指导。王树青教授渊博的知识，丰富 的人生阅历，求实创新的科研作风，严谨踏实的治学态度，勤奋敬业的工作作风， 平易近人的长者风范对我影响至深，他的言传身教将使我终生受益。 衷心感谢德高望重的王骥程教授一直以来对我的关心和指导。 感谢先进控制研究所褚健教授、金建祥教授、荣冈教授、王宁教授、苏宏业 教授、张建明副教授、金晓明副教授、何声亮副教授、来国妹女士、李娴小姐以 及院、系的其他老师对我完成学业所给予的关心和支持。 在德国柏林工业大学进行一年的学习和合作研究期间，承蒙导师w j z n v 教 授和李浦教授热心指导与帮助，不胜感激。感谢德国d a a d 对本人赴德国合 作研究的资助。 感谢实验室的王林、何宁、蒋丽英、周韶园、谢磊、李奇安、黄海、陈庆更、 刘益剑、杨顶芳、董胜利、陈良、朱炜、赵小强、李荣雨、任佳等同学的热情帮 助和支持，尤其要感谢一起在德国学习的洪伟荣、郭敏强同学。 感谢南京师范大学电气与自动化工程学院的领导和同事的关心和支持。 感谢我的母亲、姐姐、弟弟等亲人，特别感谢爱人王志明先生、女儿王思苑 小姐，是他们的理解、关心和支持，使我能够全身心地投入到学习中。 还要感谢那些在这里没有一一提及的老师、同学和朋友。 光阴似箭，博士阶段的学习行将结束，当回首这几年的求学经历，深深地感 受到自己不仅在学业上，站在了一个新的起点，而且在人生经历上，当己将进入 不惑之年时，能够重返美丽的浙大校园，有更多机会与老师、同学交流和探讨人 生、事业。 祝雪姝 2 0 0 5 年4 月 中国杭州浙江大学 浙江大学博士学位论文 第一章综述 摘要 本章首先对流程工业中的优化技术，热集成精馏系统的控制现状 进行回顾。然后，结合热集成精馏系统的特点，介绍了热集成精馏系 统的建模、优化和控制的问题。最后，给出了本论文工作的内容。 1 1 引言 关键词：优化技术。热集成精馏系统 在石油加工工业和化学工业中，精馏是非常重要的操作单元，也是应用最早 和最广泛的分离技术之一。精馏技术对提高产品质量、降低能耗和环境保护有着 重要的意义，尤其在能耗方面，精馏塔是一个高的耗能设备。下面的一些统计数 据说明了精馏过程在能量消耗上的现状。据美国化学过程工业协会1 9 9 1 年的统 计，在石油加工工业和化学工业中，平均每年消耗相当于9 8 6 亿桶原油的能源 ( 1 桶= 0 1 5 9 立方米) ，其中，大约4 3 的能源消耗在分离过程上【1 】。在德国精 馏塔的数量则大约在7 0 0 0 到8 0 0 0 座之间 2 】，能源消耗也相当可观。 因此精馏过程操作的好坏将对企业的运行成本和经济效益产生深远的影响， 例如，菜一精馏塔塔顶产品浓度降低0 2 ，即从9 9 9 下降到9 9 7 ，那么可 节约高达1 3 5 的能量。相反，如果塔顶产品的工艺指定的浓度要求为9 9 8 ， 而实际精馏操作设定为9 9 9 ，其结果是过程需要1 0 的额外能源消耗 ( h u m p h r e y s e i b e r t ，1 9 9 2 ) 吼由此可见，如果准确地设计和控制精馏过程， 在获得合格产品的基础上，安全裕度最小，或所谓的质量卡边控制，那么就可以 达到节能的操作效果。 另一方面，由于精馏过程毕竟是一个复杂的传质、传热过程，它不仅具有严 重的非线性、分布参数、不确定及时变特性，而且各通道之间存在着强的耦合作 用。这一特点就使得精馏过程的控制并非轻而易举，它不仅要求控制系统具有良 好的控制效果，而且有较强的鲁棒性，因此常规控制难于胜任。于是人们又开始 不断地寻求新的途径，相继尝试将先进的控制技术应用到精馏控制中，并已取得 第一章综述 了可喜的成果h 】 5 】【6 】 7 。 正如欧洲化学工程协会，精馏、吸收和萃取工作组主席，牛津大学r i c h a r d d a n o n 教授这样评价目前对精馏过程技术的创新【8 】，“由于精馏过程的大规模和 巨大的能源消耗，促使人们存在着无数的动机引进新的或改进的方法和设备”。 随着全球范围的能源危机和日益高涨的环保要求，研究者从热力学、操作原理和 控制等领域提出了大量的精馏过程节能和控制的方法。 此外，在信息技术高度发达的今天，传统的流程工业仍然是一个国家经济发 展的重要支柱性基础产业。几十年来，流程工业自动化技术随着工艺和装备技术 的不断发展而提高，从初期简单的手工操作到连续工艺及负荷不断加大，对生产 稳定性要求越来越高，对控制的要求及自动化水平也越来越高，仪表使用越来越 普遍，从简单回路的闭环控制到单元装置的全面自动化，使用的控制工具也从气 动单元组合仪表、电动单元组合仪表到d c s ；控制水平也从单参数简单控制回 路到多变量复杂控制回路，先进控制系统、优化控制系统在各种场合都有成功应 用的典范”】。 随着工业规模的进一步扩大，快速反应、临界稳定工艺、能量综合平衡等工 艺的成功开发，对自动化技术提出了更高的要求。另外，激烈的市场竞争也对自 动化技术提出了新的目标与要求。同时，信息技术为流程工业自动化技术的发展 注入了新的活力。 下面在回顾流程工业中，过程优化技术的基础上，结合热集成精馏系统的特 点及建模、优化和控制的现状，提出了热集成精馏系统的模型建立、参数估计、 状态估计，以及以最小能耗为目标的动态优化和控制的问题。 1 2 流程工业中优化技术1 1 1 】【1 2 】 1 2 1 静态优化问题及求解方法 在过去的2 0 年中，过程优化已发展成为流程工业中研究和开发的重要分支。 过程优化的目的是通过系统的方法，来提高企业效益以及降低对环境的影响。工 业过程的操作和控制利用常规的直观推断的方法来进行，将会出现保守的操作策 略，从而使操作成本提高。即使利用直观推断的方法获得一个所谓“最佳的”操作 点，但由于市场的变化和操作条件的改变，这个操作点必须要经常变化。 实现过程优化的系统化方法，包含三个部分：问题描述，问题求解以及优化 结果的实施。将一个优化问题用数学公式来描述是实现过程优化的第一步。图 浙江大学博士学位论文 1 2 1 表示了一个普通的过程优化问题的基本结构。其中目标函数厂是需要最大 化( 或最小化) 的利润( 或成本) ，它反映了过程操作的好坏。等式约束g 是基 于物理、化学和热力学等定理，用于描述过程特性的模型方程。不等式约束 是 为了保持过程正常和安全操作的限制条件。这些约束变量是物理限制，它们可分 成连续变量和整形变量。在一般问题的描述中，有三种类型的连续变量，它们是 状态变量x ( 因变量) ，控制变量 ( 独立变量) 和不确定性变量t ( 随机) 。在 此，i 表示了状态变量对时间的导数。整形变量y 表示过程在结构上的可能拓扑。 图1 2 1 流程工业的优化问题描述 4第一章综述 根据不同的使用场合，上述问题具有不同的公式表示。如连续过程的操作情 况，那么过程在一个静态条件下操作，也即j = o ，过程的结构是固定的，并且 所有的参数是确定的( 也就是说，没有变量y 和e ) ，那么，就变成了非线性规 划问题n l p ( n l p ：n o n l i n e a r p r 0 盯a m m i n g p r o b l 锄) 。这就是使目标函数最大( 或 最小) 的寻找静态最佳操作点问题。 m i n ，( x ，u )( 1 2 1 ) s t g ( x ，u ) = 0( 1 2 2 ) h ( x ，u ) 0( 1 2 3 ) x m i 。x x 瑚：( 1 2 4 ) u 谢。u u 帆( 1 2 5 ) 由于它几乎是所有优化方法的基础，因此，对于过程优化而言，解决n l p 问题的理论研究是非常重要的。目前，解决n l p 最常用的方法是所谓的s q p ( s q p s e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o 咎瑚i n g ) 方法【1 3 】。但这个问题必须引起注意，在许多 过程优化问题中，因变量x 的数目或许会相当大( 例如：1 ，0 0 0 ，0 0 0 个) ，同时独 立变量的数目又是非常小( 小于1 0 0 个) ，那么r s q p ( r s q p ：r e d u c e ds q p ) 方 法的计算效益会比s q p 高，并且成功地在大系统中获得应用 1 4 i 。 混合整形非线性规划( m 玳l p ：m i x e d - i n t e g e rn o n l i n e a rp r o g 阴m m i n g ) 用于 解决由于市场变化引起的过程结构优化的问题。它通常用于大型复杂系统的综合 和设计中。然后，一个离散变量( 二进制) y 将被引入，以数学表达来描述这些 逻辑规则，那么优化问题可以用下列公式来表示： m i n 厂( x ，y ，u )( 1 2 6 ) s t g ( x ，y ，u ) = 0( 1 2 7 ) h ( x ，y ，u ) 0( 1 2 8 ) x m i n x x 一 ( 1 2 9 ) u 咖u s u 一 ( 1 2 1 0 ) 浙江大学博士学位论文 y o ，1 ( 1 2 1 1 ) 为了解决m i n l p 的问题，像b b b ：b r a c h - a n d _ b o l l l l d ) ，g b d ( g b d ： g e n e r a l i z e db e n d e r sd e c o m p o s i t i o n ) ，q “o a ：o u t e r 印p r o x i m a f i o n ) 方法和它们的混 合方法，已在许多工业过程中得到了应用【1 5 1 【1 6 】。一些过程仿真和优化商业软件 中利用了这些算法( s q p ，b b ，g b d 等等) 。g a m s ( g 渔m s ：m eg e n 盯a la l g e b m i c m o d e l i n gs y s t e m ) 是适用于非线性和混合整型优化的程序包【 】。r o m e o 是一个 适用于分离过程的在线非线性优化软件【1 8 】。g p r o m s ( 驴r o m s ：g e n e r a lp r o c e s s m o d e l i n gs ”t 锄) 和a s p e nc u s t o mm o d e l e r 【2 0 1 是两个动态仿真和优化的工 具。这些工具在工业领域，尤其是在过程的静态优化方面获得了成功的应用 【2 l 】【2 2 1 。 由于上述方法均是基于梯度的计算，它们的缺陷是当系统是非凸时，全局最 优解不能保证。因此，相应地开发了全局优化方法，并且已用在解决中小规模的 优化问题 2 3 】 2 4 】【25 1 。由于需要复杂的数学处理，这些全局优化的方法不适应于解 决大系统的动态优化问题。模拟退火法s a ( s a ：s i n m l a t e d a n n e a l i l l g ) 提供了一 种结合建模和仿真技术可行的过程优化方法【2 6 1 2 ”。它已应用在化工过程的优化 设计和综合中【2 引，并且已成功地应用于批量生产过程的优化中口9 1 。可是，众所 周知s a 的缺陷是其计算效率很低。 此外，动态优化、基于不确定条件的优化及在线实时优化是过程优化领域的 三大挑战性的问题。由于这些领域正朝着实时实现优化结果的方向发展，在过去 的几年中，这些问题的研究得到了学术晃和工程界的广泛关注。 1 2 2 动态优化问题及求解方法 在流程工业中，比如在一个石油化工企业，像生产过程的开、停工、产品和 原料的切换以及批量生产过程，都是一个动态的操作过程。此外，由于生产过程 集成度的提高，如反应糟馏和热集成精馏，使得许多连续的生产过程，一直处在 一个动态的操作状态。这样的生产过程要求处在一动态的操作方式，因此，需要 一个优化的目标函数，如最短的过渡时间、最少的副产品和最小的能耗等等。 一个普通的动态优化问题可用( 1 2 1 2 ) 式来进行描述，它由目标函数厂， 等式约束占，不等式约束 ，状态变量约束和初始条件约束，其中x 和甜分别 是状态变量和控制变量，通常它是一个大规模的非线性动态优化问题。 第一章综述 m i n ，( x ，u ) x m j n x x 吣 u 舢n u u n 龇 ( 1 2 1 2 ) ( 1 2 1 3 ) ( 1 2 1 4 ) ( 1 2 1 5 ) ( 1 2 1 6 ) x ( 0 ) 兰x o( 1 2 14 ” 利用离散化的方法，将动态优化问题转化成一个动态系统的n l p 问题。有 限元正交配置【3 0 】和打靶法口1 是常用的离散化方法。解决n l p 问题的方法通常 有下列两种：同步方法( s 妇u l t a n e o u s ) 【3 2 】 1 4 】和序贯方法( s e q u e n f i a l ) 【3 3 】。在前 者中，离散化和优化是同时进行的，因而是个大型n l p 问题；在序贯方法中， 利用模型计算级求出因变量的大小，然后在n l p 问题中只包含独立变量。它们 之间特性的简单比较见表1 2 1 。这些方法可以用以解决大系统的动态优化问题， 但真正用在像多组分精馏过程、热集成精馏过程这样的复杂系统的优化中的文献 报道并不多见。 表1 ，2 ，1 两种优化方法的比较 s i m u h a n e o u s 方法 s e q u e n t i a l 方法 n 曲规模大 ，l 、 d a e s 模型每一步需要求解 不 是 需要的初始猜测值 状态和控制变量 控制变量 在后一种方法中，具体的数值计算时，采用了优化级和模型计算级的二级结 构计算方法。在上一级的优化中，采用s q p 优化方法仅对独立交量进行优化的 计算，减少了计算变量的数目。在下一级的模型计算级中，采用牛顿一拉夫逊法 解模型方程。由于在利用s q p 进行优化计算时，每次的迭代计算中，必须要求 目标函数值以及目标函数对优化变量的梯度的数值，这两部分内容的计算可在下 级的模型计算级中实现，同时获得了所有的因变量的数值。包含优化级和模型 计算级的二级结构及计算方法如图1 2 2 所示。 浙江大学博士学位论文 优化计算级 模型计算级 图1 2 2 二级计算结构图 1 3 热集成精馏系统的建模、优化与控制现状 1 3 1 热集成精馏系统介绍 从上世纪7 0 年代以来，随着全球范围的能源危机和日益高涨的环保要求， 研究者已经从热力学、操作原理及控制技术等角度提出了大量的精馏过程的节能 方法。这些方法的主要途径是利用精馏过程的大量吸热、放热环节，通过过程集 成的方法将热源与冷源进行匹配，以达到能量的再利用，提高精馏过程的热力学 效率，从而达到节约能耗的目的。 常用的方法有【3 4 】：单塔热回收，热泵循环和热集成精馏系统( h e a t i n t e g r a t e d d i s t i l l a t i o nc o l u m ns y s t e m ) 等。热集成精馏系统又称为能量集成精馏系统 ( e n e 嬉y i n t e g r a t e dd i s m l a t i o nc o l u m ns y s t e m ) 口”。其中热集成精馏系统又可分 成两种形式：一种是双塔熟集成精馏系统，另一种内部热耦合热集成精馏【3 4 】【3 6 】 ( i t c d i c ：i n t e m a l t h e r m a l l yc o u p l e d d i s t i l l 撕o nc 0 1 岫n ) ，见图1 3 1 。也有人称热 泵精馏为热集成系统【3 ”。其中双塔热集成精馏系统又称为双效精馏系统 ( d o u b l e - e 恐c td i s t i l l a l i o ns y s t e m ) ，该操作方式是非常有效的节能方式，据报道 可节约能耗5 0 吲。由于采用了这种新型的节能操作方式，使得这些过程的操 作和控制比普通的精馏过程变得复杂和困难，因此，对于这些过程的建模、优化 和控制的研究得到了广泛的关注，前人做了许多有意义的工作，像刘兴高【3 4 1 ，黄 克谨【3 9 】等学者在内部热耦合精馏塔的优化、建模和控制中做了许多深入的研究 工作。 本论文的研究工作是针对双塔热集成精馏系统( 以下简称热集成精馏系统) 的建模、优化和控制展开的。下面简单地介绍一下此类热集成精馏系统的主要工 第一章综述 压缩机 节流阀 图1 3 1 内部热耦合精馏塔 艺和特点。该热集成精馏系统是由一个高压塔和一个低压塔两个塔组成，高压塔 的塔顶冷凝器和低压塔的塔底再沸器相关联，对低压塔塔釜供熟。在这样的系统 中，一般情况下两个塔只需要三个换热器，同时只有一个塔消耗能量，实现两个 塔的操作，以节约能耗。 双塔热集成精馏系统可有多种的操作方式，如前向( f o 州a r dm a t c h ) 的物料 和能量的集成，或者是逆向的( r e v e r s em a t c h ) 物料和能量的集成等 4 0 1 ，如图 1 3 - 2 所示。根据进料方式不同，可以操作在串连或并联进料的方式，如图1 3 3 所示，其中并联进料方式又称为s f ( s p l i tf e e d ) 双效精馏系统。本论文将对并联进 料的热集成精馏系统进行研究，也即图1 3 3 ( b ) 中所示操作方式。热集成精馏方 式除了是一种高效的节能方式以外，它还是利用双塔的压力不同( p r e s s u r es w m g ) 来分离恒沸物的一种很有意义的方法】。 从图1 _ 3 2 和图1 3 3 中可以看出，采用热集成方式的精馏系统，两个塔之间 不仅物料上关联，而且在能量上互相关联，使关联变得十分严重，给操作和控制 带来了很大的困难。最理想的操作状况是当进料流量和浓度发生变化时，及时调 整两个塔的操作条件，使它们的产量在稳态和非稳态的条件下必须保持合理的匹 配，避免补充热量和冷量。 浙江大学博士学位论文 a b c a b c a c ( a ) 前向热集成操作方式( f 0 州a r d m a t c h ) b ( b ) 逆向热集成操作方式( r e v e r s em a t c h ) 图1 3 2 两种常见的热集成方式 c 1 0 第一章综述 ( a ) 串联进料操作方式 ( b ) 并联进料操作方式 图1 3 t 3 热集成精馏系统串、并联进料方式 浙江大学博士学位论文 1 3 2 热集成精馏系统的建横、优纯和控制现状 这些有效的节能方法虽然在理论上可以提高精馏过程的热力学效率达到节 能的效果，侄对于它蜘豹控制和优化有许多的闯蘧需要解决。期予采焉了离、低 压塔的热集成操作方式，使得两个塔之间的关联变得十分的严煎，给两个塔的操 作和控制带来了很大的困难。一般对于单个塔的控制思想和策略不能简单地推广 到该系统中，更何况对控制系统设计和运行人员来说，简单的单塔精馏过程本身 是一个难予控制帮操作的对象。尽管遥过采用两个塔的热集成操作方式，能够有 效地降低糟馏过程的能耗和有着良好的应用前景，但如果两个塔的操作、控制不 合理，不仅不能达到节能的效果，而照反而会影响正常的生产。正由于上述理由， 热集成精馏系统浆控铡系统设计阕越j 阜在上遵纪的7 0 年代就得至了关注。下 面主要对双效精馏过程的建模和控制情况进行简单的回顾。 在1 9 7 6 年1 p e u s l u y b e n 4 2 谴过对丙烯和丙烷分离塔的动态仿真，最早提 出了热集成精馏系统的控割问题。薮为从理论上来说，通过热集成高压塔不霈要 冷凝器，低压塔不需要荐沸器，纯们的主要思想是通过添加辅助的再沸器和冷凝 器的方法减少两个塔之间的关联，- 提高控制效果。 l c n h o o f & m o r a r i ( 1 9 8 2 ) f 4 3 l 对分离甲醇和水的三种不同热集成工艺过程 避孳亍了研究，翔一酚惯性加缝滞霜模型来近似描述系统酶特梅，磅究发现s f 进 料的双塔热集成精馏系统的可控性最差。他们对1 姐e u s & l u y b e n 4 2 】的观点提出 了质疑，认为并没有发现引入辅助设备带来的明照效果。f r e ye ta 1 ( 1 9 8 4 ) 【4 4 】乖4 舄静态豹r g a ( r | e l 醴i v e 9 8 i n a m y ) 分拆方法，对擦制理个产菇浆四种不同控制方 案进行了比较，建议使用进料璺的比例系数作为控制变量。a 1 e 1 9 p a l a z o g i u ( 1 9 8 9 ) 利用一阶惯性加纯滞后模型，对分离甲醇和水混合物的热集 成系统的可控性进行了仿真研究，对三种不同结构的双效热集成精馏系统研究发 现了同样豹结论，采用s f 进料方式豹双塔热集成精馏系统最潍以控制。在该研 究中忽略了持汽量、系统的热损失和塔的压力降。d i n g & l u y b e n ( 1 9 9 0 ) 1 4 6 】设计 了不同的s i s o 控制器来控制低纯度和高纯度的双效精馏系统，对予分离甲苯和 二甲苯混合液孬言，商纯度盼精馁系统只毙克服很小的进料浓度的变亿。h n & y u ( 2 0 0 4 ) 【47 】主要对热繁成精馏系统的静态经济目标和动态可控性方面如何折衷 进行了研究，并且利用精确的非线性模型来检验控制系统的性能，最后结果表明 4 0 豹能糕可以节约。 上述的大部分研究工作都是基于简单的模型，而没有考虑一些重要的特性， 如流体的流体力学特性、塔压、塔板持液量、传热丽积等等，但是在实际系统中， 这些参数对系统的特性具有很大的影响。为了简化模型，在建立模型中的这些事 第一举综述 先豹假设，大多数是没有逶过实验来骏证的，因此，罄于篱化模裂豹仿寞结果砸 能会导致锚误的结论。例如k - o g g e r s b o & j o r g e n s e l l 【4 8 】详细说明了在精馏过程仿 真中，通常忽略塔压动态特性所带来的错误结论。m a n d l e re ta 1 ( 1 9 8 9 ) h ”，v e s t e r e t8 1 ( 1 9 9 2 ) 【5 0 】，g f o s se ta l 。( 1 9 9 8 ) 州运过对工业精馏过程研究指出离傈真和复 杂模型，对获得有露帮蜜弼的磺究绪架是绝对需要的。g r 。s s 髓鑫1 ( 1 9 9 8 ) 【5 lj 实 现了热集成精馏系统基于机理模型的可控性分析以及非线性动态仿真。他们提出 了这样的观点：为了能够详细了解其慕本特性，精确的模型是必不可少的。 由上面豹讨论胃戬看是，由于精确杌理摸型貔建立是一顼笈杂豹工作，毽悲， 仅仅是为了控制系统设计这样单一的鼹标，很少考虑用精确的机瑷模型来进行设 计。r o 腩l f o n t e i n ( 1 9 7 9 ) 【52 1 ，e n g e l i e ne ta i ( 2 0 0 3 ) 【3 8 】做了一项相似 菸工作，进行基于静态缀济匿标的约索羟斜闻题硪究。h 姐p a 矗( 1 9 9 6 ) 【5 3 1 提 出了一个多变量控制器，取得了满意的仿真效果。w ：e i t z & l e w i n ( 1 9 9 6 ) 【5 4 】根 据静态流程信息来推导过程动态模型，用在热集成精馏系统的可控性分析中。 r o 彘le ta 1 ( 2 0 0 0 ) 【5 5 】通过对低温热集成精馏系统分析，得出这样的结论，由 予过程变量之闻强的藕合特性，过程交遣的交亿必须缓慢进行，否粥容易出现操 作变量的饱和情况。e n g e l i e n & s k o g e s t e d ( 2 0 0 4 ) 州对图1 3 2 ( a ) 这样的热巢成 结构精馏系统进行了静态经济目标优化和控制特性研究，通过仿真计算得出这撵 的续论，在藏压塔上到熊避料流量程流出液静 t 蘧控剑，具膏较好戆控制效果。 由于它的复杂性以及诱人的节能效果，除了在热集成精馏系统的建模和控制 方面受到了关注以外，前人还开展了其它方面的研究工作，例如最短时间启动等 研究旧【5 酊。 综上掰述，早在上世纪7 0 年代就提出了熟集成精馏豹控制问题，而且人们 一直不停地在研究热集成精馏系统的控制和操作问题。但由于它的多变量、非线 性及强耦合的特性，对这犊节能方法农设计和操作上缺乏经验，比如如何选取合 适的独立交最，魏嚣有效地控制，疆碍了它的工业化应用的步伐。理论上说，热 集成方法提高了热力学效率，但往往使得精馏过程的非线性和操作变量间的耦合 关系变得更加复杂。如何避行操作优化，以及操作优化结果是否切实可行，都是 值褥研究的润蘧。由予采耀了热集成，变量之闻的关联变缛很严垂，使得实现乎 稳搡作变成了一个实际的难题。如何进一步通过枫理建模和利用模型仿真来了解 热集成精馏系统的内在特性、进行最优曩况的选择对热集成精馏系统的实际工业 应用有饕熏要的意义。 正是由于上述问题，尽管作为一种有效豹节能方式，热集成糟馏系统在上趁 纪6 0 ，7 0 年代就被提出来，但一直很难推广使用。由于能源危机和企业对经济 效益的越来越关注，相信这种新工艺会得到进一步的推广应用和重视。在我国有 浙江大学博士学位论文 一些石浊、化工企业帮磷究机稳，也开始关注和稠用这撵的操佟工艺以及它的控 制问题f 5 蛳”。 此外，随着在石油化工工业中，竞争的日益激烈和全球化，要求企业必须采 用更加灵活鲍方式来尽快组织生产，逛即：柔性搡l 乍方式，以满足市场的需要， 以提离企业的经济效益和降低消耗。这要求对企业的生产殴经济效益为目标进行 优化。那么，现有的像麓于线性模型控制及静态的优化控制技术不能满足这样的 操作目标需要。尤其是需要专门考虑其动态操作过程的批量生产和连续生产过程 中产品质最等级豹变化过程等淹蘧1 6 越。隽了实蠛这样豹捺作戮话，缀明显魂露 要一个能够描述过程动态的非线性特性的模型，基于这样的模烈开发过程的控制 策略