（化工过程机械专业论文）常压蒸馏流程模拟与优化及换热网络综合.pdf

摘要 摘要 原油常压蒸馏塔的设计及操作的好坏对于炼油企业十分重要。近 年来国内外原油蒸馏塔依靠技术进步，在装置工艺流程、节能及自动 控制等方面均有不同发展。其中以工艺过程机理模型为基础，化工工 艺模拟技术发挥了重要作用。本文采用化工模拟软件a s p e np l u s 对 某炼油厂2 5 0 万吨年常压塔进行了模拟，得到了原油蒸馏过程各塔 的操作数据，包括整个装置的物料平衡数据、消耗定额，初馏塔和常 压塔的温度分布、压力分布及气液相分布，并将模拟计算产品的实沸 点数据与标定结果进行了对比。模拟结果表明对常压塔的化工流程模 拟真实地反映了装置的运行工况。 在流程模拟的基础上，给定塔板数、原油进料流量、组分、侧线 抽取参数以及常压塔各产品恩氏蒸馏温度为约束条件，以常压塔中段 进料位置、中段循环参数、汽提蒸汽流量为优化决策变量，建立了以 年综合收益最大为目标函数的优化模型。在a s p e np l u s 平台上进行 二次开发，编写求解优化模型的f o r t r a n 程序，获得了良好的优化结 果。 从优化后流程中提取参与换热的冷热过程物流，运用夹点分析法 对换热网络进行夹点分析，得到了各冷热流体在各自温度间隔的热负 荷分布情况，绘制了组合曲线和总组合曲线。运用换热网络综合软件 h e x t r a n 求解换热网络数学模型，获得了无分流和有分流两种换热网 络。考虑到原油常压蒸馏塔的长期投资性和换热网络灵活性，选择有 北京化工大学硕士学位论文 分流换热网络。 关键词：常压塔，流程模拟，操作优化，换热网络 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e s i g na n do p e r a t i o no fd i s t i l l a t i o nc o l u m no fc r u d eo i la r e c r i t i c a lt op e t r o c h e m i c a lc o m p a n i e s i nt h er e c e n ty e a r s ，t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s ，s a v i n ge n e r g ya n da u t o m a t i cc o n t r o li nd i s t i l l a t i o no fc r u d eo i l a t t a i n h u g ed e v e l o p m e n tb yt e c h n o l o g ya d v a n c e c h e m i c a lp r o c e s s s i m u l a t i o ni sb a s e do nm e c h a n i s mo fu n i t o p e r a t i o n a n di t a d o p t s m a t h e m a t i c a lm e t h o dt os i m u l a t ec h e m i c a lt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s i nt h i s p a p e r , a t m o s p h e r i cd i s t i l l a t i o ne q u i p m e n to f2 5 m i l l i o nay e a ri s s i m u l a t e du s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ea s p e nplu s t h eo p e r a t i o nd a t ao f e v e r yc o l u m ni nc r u d eo i l d i s t i l l a t i o n p r o c e s sa r ea t t a i n e d ，i n c l u d i n g m a t e r i a lb a l a n c ed a t a ，c o n s u m er a t i o ，d i s t r i b u t i o n so ft e m p e r a t u r e ， p r e s s u r ea n dv a p o r - l i q u i dp h a s e t r u eb o i l i n gp o i n t ( t b p ) d a t ao f s i m u l a t i o n p r o d u c t a r ea l s o c o m p a r e dw i t h c a l i b r a t i o nd a t a t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r o c e s ss i m u l a t i o nr e f l e c t e dt h er e a l s i t u a t i o no ft h ea t m o s p h e r i cd i s t i l l a t i o nu n i t b a s e do nt h ef l o ws i m u l a t i o n ，t a k e nt r a yn u m b e r s ，f l o wr a t eo fc r u d e o i l ，c o m p o n e n t so fc r u d eo i l ，p a r a m e t e ro fp r o d u c t sa n da l lp r o d u c t s e n g l e rd i s t i l l a t i o nt e m p e r a t u r eo fa t m o s p h e r i c d i s t i l l a t i o nc o l u m na s c o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，t a k e nm i d f e e dl o c a t i o n so fa t m o s p h e r i cd i s t i l l a t i o n c o l u m n ，c y c l ep a r a m e t e ro fm i d d l ep a r to ft h ec o l u n m ，f l o wr a t e so f s t e a ms t r i p p i n ga so p t i m i z a t i o nd e c i s i o nv a r i a b l e s ，t a k e nm a x i m u m i 北京化工大学硕士学位论文 a n n u a ln e tp r o f i ta so b j e c t i v ef u n c t i o n ，o p t i m i z a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h em o d e li ss o l v e db yt h es e c o n dd e v e l o p m e n to ff o r t r a np r o g r a m o na s p e np l u s p l a t f o r m e x p e c t e do p t i m i z a t i o n r e s u l ti sa c h i e v e d d a t ao fc o l da n dh o ts t r e a me x t r a c t e df r o mt h eo p t i m i z a t i o nf l o w p i n c h a n a l y s i s f o rh e a t e x c h a n g e r n e t w o r ki s c o m p l e t e d d u t y d i s t r i b u t i o n so fc o l da n dh o ts t r e a m si nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ei n t e r v a l sa r e o b t a i n e d c o m p o s i t ec u r v e sa n dg r a n dc o m p o s i t ec u r v e s a r ep l o t t e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a te x c h a n g e r sn e t w o r k ( h e n ) i ss o l v e db yt h e s o f t w a r eh e x t r a n t h eh e n sw i t ha n dw i t h o u tf l o ws p l i t t i n ga r e o b t a i n e d b yc o n s i d e r a t i o no ft h el o n gp e r i o di n v e s t m e n ta n df l e x i b i l i t y o fa t m o s p h e r ed i s t i l l a t i o nc o l u m n ，h e nw i t hf l o ws p l i t t i n gi ss u g g e s t e d k e y w o r d s ：a t m o s p h e r i cd i s t i l l a t i o nc o l u m n ，p r o c e s ss i m u l a t i o n ， o p e r a t i n go p t i m i z a t i o n ，h e a te x c h a n g e rn e t w o r k s i v 符号说明 符号说明 第疗种设备的折旧率； 液相焓，j d n o l 。 气相焓，j o n o l 一 组分标记 第玎种设备的单价 年综合收益，元 相平衡常数 各产品质量流量，堙办 塔板标记 总组分数 总塔板数 第f 种化工产品的单价 各产品价格，元 泵耗电价格，元k w h 加热或冷却负荷，k w 第f 种化工产品的产量 加热或冷却负荷，杉h 第，种原料的单价 第，种原料的消耗量 第m 种公用工程的单价 第n 种设备对第m 种公用工程的消耗量 泵耗功，k w 液相组成摩尔分数 气相组成摩尔分数 吼以，厶，k m 刀m m b 只弓最只g 0 b 彬x y 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：麴互日期：赴2 ：玉： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：丝! 丕日期：丛翌： 导师签名： 军4 红 日期：丝兰璺堑：丝 第一章绪论 第一章绪论 本章简要分析了我国能源利用效率和节能水平所面临的严峻形势，阐述原油 常压蒸馏过程及其换热网络优化对于提高经济收益和节能水平的重要意义，综述 了化工过程流程模拟及离线优化技术、换热网络综合与优化技术的发展与研究现 状，提出了本文的研究内容和研究目标。 1 1 引言 能源是国民经济与社会发展的重要物质基础，它不仅关系到我国经济社会的 发展，也关系到国家能源安全和外交战略。我国的能源资源虽然丰富，但能源浪 费严重，能源利用率低下。我国大多数高耗能企业的耗电量都高于发达国家，能 源利用效率与世界先进水平相差1 0 多个百分点，单位产品能耗比发达国家高出 1 0 - - - - 4 0 ，重要用能产品比发达国家消耗高出2 5 , - - - 9 0 ，平均高4 0 以上【l j 。 近二十年来，由于国际上石油危机越演越烈，炼油工业发展也极为迅速。近 2 0 年来，我国炼油企业的节能工作取得了很大的成绩，不少装置的能耗已经接 近世界先进水平。但从整个炼油厂来看，单位原油加工量的能耗还是比世界先进 水平高出许多【2 1 。 炼油厂的常减压蒸馏塔不仅是一个非常庞杂的系统，而且投资费用巨大，流 程优化是一项艰巨的工作。流程模拟的出现能够很好地解决这一问题，它通过计 算机来模拟常减压蒸馏塔的实际运行，并在此基础上优化常减压装置的操作，使 之能处在最佳操作工况下运行，从而到达了优化效果。 在常减压蒸馏塔中，原料原油需要大量的热量来加热，而出来的产品温度又 偏高，不便于储运，需把这些产品冷却到一定温度，需要大量的冷量。因此合理 匹配冷热负荷，用温度较高的产品去加热进入系统的温度较低的物流，对于炼油 厂节能非常重要。鉴于炼油厂常减压蒸馏塔的物流温度特点，每个炼油厂都有一 套庞大的换热网络来实现全厂的冷热物流换热。通过换热网络综合设计一个最优 的换热网络对于提高节能水平也就显得极为重要【3 】。 人类社会和经济的发展对能源需求正迅速增长。以石油、天然气和煤炭为代 表的日益枯竭的不可再生能源，其价格大幅上升，产品成本中能源消耗成本也越 来越高。目前受限于新能源开发技术水平和应用市场条件下，可再生能源对整个 北京化工大学硕士学位论文 能源消费贡献率尚有待提高，节约能源就显得尤为重要。本课题拟以常压蒸馏工 艺为研究对象，运用优化和节能理论，对常压蒸馏工艺进行流程模拟和优化，实 现最优经济收益，并对常压工艺流程中的换热网络进行综合，使常压蒸馏塔达到 良好的节能效果。 1 2 课题研究的目的和意义 常减压装置中，蒸馏过程的生产方案选择是否合理、生产操作是否稳定优化、 产品质量是否良好、流程设备是否先进等，对炼油厂的整个生产来说，是一个全 局性的问题，直接影响各个后续加工过程的处理量、收率和全厂的生产均衡性、 能耗及经济效益。因此，在现有常减压蒸馏塔的基础上，如何通过改变操作条件 来实现装置最优化具有十分重要的意义。 本文的研究目的是在对常压塔工艺和数学模型研究的基础上，对常压塔进行 流程模拟，能够反映常压塔运行工况。然后选定合适的优化目标和约束条件，通 过调整操作变量对常压塔进行优化。 本文课题的意义在于： ( 1 ) 通过对常减压装置的流程模拟，能够从整个系统的角度来分析、判断 装置的工艺优劣，为工厂技术改造提供依据，找到“瓶颈 部位，并提供消除各 种瓶颈的方案。 ( 2 ) 流程模拟是操作优化的基础。只有模拟出装置的特性，才能进一步探 索优化方向，从而实现装置整体达到最优。 ( 3 ) 工艺操作规程所规定的允许变化范围通常较大，生产经常在偏离最佳 操作状态下进行，通过操作优化可以缩小工艺操作参数对最佳操作状态的偏离而 获得效益。 ( 4 )生产装置的经济效益往往受到市场价格的波动、各类产品需求量的变 化、原料组成及性质的变化等各种因素的制约，通过操作优化可以根据客观环境 的变化调整加工方案，并对生产操作工艺参数作相应调优。 ( 5 ) 在获得优化流程的基础上，提高装置节能水平具有重要的现实意义， 实现冷热流换热合理匹配，最大限度地回收能量，减少冷热公用工程量。 2 第一章绪论 1 3 流程模拟及离线优化技术意义、发展与现状 目前，从世界范围来看，炼油工业的规模和基本技术构成相对比较稳定。但 是对于具体的各项技术，例如在工艺设备、流程模拟、系统优化、先进控制、环 境保护等方面，都有了重要的进步和发展【4 1 。 1 3 1 流程模拟技术的发展与现状 化工过程流程模拟是借助计算机求解描述整个化工生产过程的数学模型，进 行物料平衡、能量平衡、化学平衡、压力平衡等计算，对过程进行估算和分析， 得到有关化工过程性能信息。经过几十年的发展，化工过程流程模拟已被化学工 程师普遍接受和采用，成为化学工程师设计新装置和分析现有装置性能、改进现 有装置操作的有力工具1 5 】。 化工流程模拟的分类如下： ( 一)从应用范围来分 从应用范围方面来看，化工流程模拟系统可分为两大类，即通用化工流程模 拟系统和专用化工流程模拟系统【6 ，7 】。二者的共同之处在于都要具备系统模型、 物性数据和解算方法这二个核心环节，下面分别进行阐述： ( 1 ) 通用化工流程模拟系统 通用化工流程模拟系统是指并非针对特定流程开发的、对不同流程均可适用 的、带有通用性的化工流程模拟系统。所谓通用性，多数是指在用来模拟涉及汽 液物流的流程范围内通用。它具有通用的、可供用户选择的各种单元操作的计算 方法，各种物理性质和热力学性质的计算方法，系统分解和收敛方法，工程费用 和操作费用的资料以及数值方法程序库等。目前的通用流程模拟系统主要是按照 处理模拟型问题的要求开发编制的，多数也兼具有处理某些设计型问题的能力。 系统中的计算机程序，通常是采用标准的高级程序设计语言( 如f o r t r a n 、c 、 c + + 语言) 编写的。其发展大致可以分为三代： 第一代c h e s s ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g s i m u l a t i o n s y s t e m ) 。它是由美国 h o u s t o n 大学于6 0 年代开发的。在1 9 7 8 年的修订版中共有1 6 种单元操作模 块、9 8 种物性数据，并具有根据流程结构自动排序的功能。对流程的限制是： c h e s s 所模拟的流程最多可包括1 0 0 个物流、5 0 个单元数、2 0 个组分，每个设 备最多可有7 个进出物流，有1 4 个设备模块，可以用于大部分工业装置的模型 化，只能做模拟计算，不可做优化。 北京化工大学硕士学位论文 第二代f l o e t r a n ( f l o w s h e e tt r a n s l a t o r ) 。由美国孟山都( m o n s a n t o ) 公 司于6 0 年代末开发的，共有3 0 种单元操作模块、1 8 0 种物料的物性数据，不能 自动排出求解顺序，可以进行费用计算和优化计算。c h e s s 和f l o w t r a n 都 不能处理固体物料。 第三代a s p e n ( a d v a n c e ds y s t e mf o rp r o c e s se n g i n e e r i n g ) 。它是美国能源部 委托麻省理工学院化工系开发的化工流程模拟软件，开发工作从1 9 7 6 年开始， 1 9 8 1 年结束，它拥有3 5 万行f o r t r a n 语句，1 5 11 全子程序和丰富的物性数据， 1 2 0 个固体物料的物性数据，除气体、液体外，还可进行固体、电解质、生物物 质的模拟、优化、成本估算和经济评价，对系统大小无限制。1 9 8 8 年美国的另 一家模拟公司s i m s c i 发布了该公司的新一代流程模拟软件p r o i i ，对p r o c e s s 作了重大改进，也属第三代流程模拟软件。 这些通用流程模拟系统主要用于化工过程开发和设计中对不同流程方案进 行快速评价和分析。 ( 2 ) 专用化工流程模拟系统 由于通用流程模拟系统所能达到的精确程度，不能满足现有生产装置的操作 优化要求，往往需要利用能提供更精确可靠的计算结果的专用流程模拟系统。专 用化工流程模拟系统是针对某特定流程专门开发的，只用于对该流程进行模拟的 目的、不具有通用性。与通用流程模拟系统相比，其具有如下特点： a ) 具有更准确可靠的物性数据。专用流程模拟系统要求有一定数量的实测 数据，并根据实测数据回归比较可靠的模型参数，或对物性估算方法作某些修正， 以保证估算物性的精度和可靠性。 b ) 要提供尽可能准确的反应器模型。专用流程模拟系统要求提供尽可能准 确的反应器模型，以准确地模拟不同操作条件下的反应结果。 c ) 采用更详尽的单元操作模型。专用流程模拟系统要求每个单元设备的模 型，都能以足够的深度考虑其中进行的物理化学过程，对过程进行的简化必须满 足要求的精度和主要研究目的。 d ) 采用根据装置操作数据确定的校正因子。化工过程中组分和流动状况的 复杂性，存在各种难以用数学关系式精确描述的因素。专用流程模拟系统的数学 模型中，往往包含一些纯经验性质的参数，即校正因子来反映以上因素的影响， 其数值根据某一特定装置的操作数据采用适当的回归程序来确定。 由于专用流程模拟系统只具有专用性，故该类系统主要由化工生产公司或工 程公司开发。随着化工软件产业的兴起和发展，也出现了由化工软件公司和化工 生产公司或工程公司合作开发的专用流程模拟系统，如a s p e n 技术公司和 k e l l o g g 公司合作开发的合成氨专用流程模拟系统。 4 第一章绪论 ( 二)从对象特性与时间的关系来分 根据模拟对象所要求的特性与时间的关系，化工流程模拟可分为稳态流程模 拟和动态流程模拟【8 ，9 j 。 ( 1 ) 稳态模拟 化工过程稳态模拟又称静态模拟或离线模拟( s t e a d y s t a t es i m u l a t i o n ， o f f - l i n es i m u l a t i o n ) 。稳态流程模拟是化工过程流程模拟研究中开发得最早、应用 最为普遍和发展得比较成熟的一种重要技术。它是根据化工过程的稳态数据，诸 如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格 以及一定的设备参数，采用适当的模拟软件，用计算机模拟实际的稳态生产过程， 得出详细的物料平衡和热量平衡，包括原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产 品的产量和质量等重要数据。简单地讲，化工过程模拟就是在计算机上“再现” 实际的生产过程，这一“再现过程并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及 能源的变动，化工模拟人员就可以在计算机上进行不同方案和工艺条件的探讨、 分析。同时，利用化工过程稳态模拟所需的成本以及完成一定研究任务所需的时 间也是任何实验研究所无法比拟的，因此已成为研究、开发、设计、挖潜改造、 节能增效、生产指导以至十企业管理等工作必不可少的工具，并且在科研和实际 生产中发挥着愈来愈大的作用。当前它主要应用于炼油、石油化工和化工领域， 在医药、农药、造纸和环保等行业也有一定的应用。随着科学技术的进步，目前 对于石油馏分和烃类物质的计算已经相当准确，模拟结果可直接用于工业装置设 计的程度。 稳态模拟实质上是一个大型非线性代数方程组的求解问题，主要有是那种求 解方法：序贯模块法、联立方程法和联立模块法 1 0 - 1 2 】。 序贯模块法是对每一个单元操作开发一个计算程序模块，该模块把出口流体 参数视为进口流体和模块参数的函数，已知进口流体的各项参数就可以计算出口 流体的各项参数。序贯模块法的基本思想是按照实际物流的物理顺序对个单元模 块依次计算，当遇到流程中有回路时进行物流断裂进行循环迭代，直至收敛。序 贯模块法的优点在于使用方便和易于通用化，计算机资源开销不大，但该方法在 处理再循环物流时、有设计规定及优化计算时，需要经过层层迭代，比较费时。 对于有设计规定约束时的稳态流程模拟，需要求解的问题可以用下式进行表示： h ( x ，d = 0 c ( x ，n = 0 ( 1 1 ) g ( x ，y ) 0 上式中，日为流程方程组，c 为设计规定约束方程组，g 为代表可调变量 边界条件不等方程组，牙和7 分别表示可调的自变量和设计规定约束。 北京化工大学硕士学位论文 联立方程法是把所有描述流程的方程包括设计规定方程都收集起来，构成 一个庞大的非线性方程组，进行一次求解，在数学上可用下式表示： f ( v ，u ) = 0 ( 卜2 ) 上式中，矿为状态变量，u 为状态独立变量。独立变量u 通常包括所有的 模块参数和进料流体变量。状态变量y 包括所有的中间流体变量、产品流体变 量、结果变量及内部变量。联立方程法的优点计算速度快，无需反复迭代。设 计规定方程和流程方程处于同等地位，优化计算时不必进行另外的迭代。但是 该方法的通用化比较困难，收敛性依赖于初值的好坏，不能确保大型非线性代 数方程组有解，一旦出错就很难找到错误所在，以往积累的大量通用通用单元 操作模块难以继承下来。从算法上看，序贯模块法和联立方程法两种方法求解 路线和特点比较如图1 1 。 设计规定方程 i 设计规定方程 i 设计规定方程 i 设计规定方程 ( a )( b ) 图1 1 稳态模拟两种方法的比较 ( a ) 序贯模块法 ( b ) 联立方程法 f i g u r e1 1t h ea n a l o g yo ft h et w om e t h o d so ft h es t e a d yf l o ws i m u l a t i o n 8 0 年代以来以上两种方法路线向融合方向发展，如联立模块法( 双层法) ， 该方法交替使用两种模型：流程水平上的简化模型和单元模块水平上的精确模 型，即用单元模块的严格模型确定其简化模型的各项系数，然后用简化模型构 成联立方程组来求解。设计规定可以在流程水平上直接处理，所以不需要像序 6 第一章绪论 贯法那样要用费时的控制回路去满足设计规定。联立模块法流程水平上只需求 解外部变量，而不像联立方程法那样要在流程水平上同时求解外部变量和内部 变量，所以存储量的要求大为减少。如图1 2 所示，严格模型就是序贯模块法 中所用的那些单元操作模型，用来得到输入输出结果，以确定简化模型中的系 数，而简化模型往往是线性方程组，可以用联立方程法一次求解，解到的流体 变量再代入严格模型去计算输入输出结果。严格模型获得新的扰动，通过计算 再次修正简化模型的系数，直到收敛为止。联立模块法在很大程度上避免了联 立方程法和序贯模块法的缺点而保留了各自的优点，比较容易实现通用化。 流股变量 图1 2 联立模块法示意图 f i g u r e1 2t w o - t i e r e ds i m u l a t a n e o u sm o d u l e m e t h o ds k e t c hm a p ( 2 ) 动态模拟 动态模拟广泛地应用于各种过程动态特性的研究。研究过程参数随时间变 化的规律，从而得到有关过程的正确设计方案或操作步骤。 动态模拟的发展较稳态模拟晚1 0 年左右，且一直沿着两个方向发展：设计 型动态模拟系统和操作培训型动态模拟系统。设计用的动态模拟系统按其结构 方法又可分为连续系统模拟语言c s s l 和具有操作单元模型库的模拟器两大类。 最近的发展趋势是：将稳态流程模拟系统扩充改进，使之有动态模拟的能力。 操作培训用的动态模拟系统的发展方向是“全厂模拟，不仅包括全部工厂流程， 而且包括公用工程辅助系统及人一机界面仿真器，不仅可以用于培训，而且可 以用于自动控制，故障诊断，局部失效等试验。 国外有关动态模拟的研究成果的报道出现于7 0 年代初期，如b o b r o w 、 p o n t o n 等人提出的d y n s y s 系统，应用于指导丁二烯抽提装置的开车，f r a n k s 、 n u t t a l 及h i m m e l b l a n 等人开发的d y f l o w 软件用于可控c s t r 反应器，以及我 国8 0 年代开发的d y s p e n 等。这些初期的动态模拟软件，处理的变量少，应用 范围较狭窄，只能对个别具体装置进行动态研究。这一时期尚未形成通用化的 动态模拟软件n 驯。 稳态模拟是在装置的所有工艺条件都不随时间变化的情况下进行的模拟， 而动态模拟是用来预测当某个干扰出现时，系统的各工艺参数如何随时间而变 7 北京化工大学硕士学位论文 化。就模拟系统构成而言，它们之间的比较如表1 1 所示。 表1 1 稳态模拟与动态模拟的比较 ! 垒垒! 竺! ：! ! 坠呈璺翌垒! 竺g y ! 旦垒! 呈曼翌! ! 垒垒! 皇! i 里竺! 型i q 翌垒坠垒垒! 旦! 坚里i 里! i 里坠! 璺堕q 翌 稳态模拟动态模拟 仅有代数方程 物料平衡用代数方程描述 能量平衡用代数方程描述 严格的热力学方法 无水利学限制 无控制器 同时有微分方程和代数方程 物料平衡用微分方程描述 能量平衡用微分方程描述 严格的热力学方法 有水利学限制 有控制器 对于稳态模拟，尽管从理论上讲，存在多种流程计算的方法，但几乎所有 的商业化软件都采用序贯法( s e q u e n t i a lm e t h o d ) 来进行流程计算。序贯法要 求每一单元过程的模型( m o d e l ) 和算法( a l g o r i t h m ) 组合在一起，构成所谓 的模块( m o d u l e ) 。计算过程按模块逐一进行。 对于动态模拟，其单元过程的模拟则仅仅是描述该过程的一组方程组。每 一单元过程中并不包括该方程组的任何解法。模型的组集方式称之为开放型式 的方程或面向方程的型式( o p e nf o r me q u a t i o n ，e q u a t i o n o r i e n t e df o r m ) 。 其特点是可以随意指定约束和变量。流程的计算是采用通用的解法软件，同时 处理所有单元的全部方程组，并联立解所有的方程。 由于动态模拟是联立解所有的方程，它的计算速度很快，但必须要求有较 好的初值，否则无法收敛。故通常都采用稳态模拟的结果作为动态模拟的初值。 1 3 2 离线优化技术的意义、发展与研究现状 在各种石油炼制过程中，包括原油的常压蒸馏、减压蒸馏、催化裂化，这些 蒸馏操作都是在大型设备中进行的，且消耗大量的能量。在生产流程已确定、生 产设备己建成的前提下，为了使得能耗低、原材料消耗少、产率高、废品少、产 量大、污染少、产品质量好和成本低廉，主要手段应是使操作条件最优。因此， 设计和操作的优化是非常重要的。 一般工业生产都有操作规程，有的还实行计算机自动控制。按一般想象，凡 是遵守操作规程或实行自动控制的生产过程，应当已是条件最优。实则不然，工 业生产实际上常常偏离优化区，原因甚多而复杂，其中主要包括： 8 第一章绪论 ( 1 ) 原料的变化或差异。许多工厂的生产技术基于过去的研究和其他同类厂 的经验，在不同程度上都有所改善。但各个工厂用的原料通常有相当大的差异， 即使是同一个厂，不同时期使用的原料也往往不同。例如：炼油厂的原料( 原油) 通常来自几个油田，而不同油田的原油成分相差很大，如果不估计原油成分对炼 油操作最优条件的影响，显然炼油生产( 特点是流程前部) 就不能达到最优。另 外，不同原油的混合炼制也存在一个混合比例( 通常称参炼比) 的优化问题，需 要确定一个最优的参炼比。原料的变化和差异对炼油操作所造成的影响，很难做 到有准确的判断，偏离最佳也就在所难免了。 ( 2 ) 生产过程缺乏数学模型。许多计算机自动控制工厂是定值控制，但设定 值是否最优，并无严格证明。当原料成分改变时，定值控制若不随之改变，则显 然不能保证最优。在我国许多原油加工厂中，原料油经常变化，常减压蒸馏等上 游工序受原料油成分影响甚大，在没有原油成分数据的条件下，显然不能得到优 化数学模型。至于原油成分变化对下游工序的影响，则更需要进一步探索研究。 ( 3 ) 前后工序的变化。某工段和前后工段相连，如果它们原来的工艺条件互 相协调，那么当前、后工段增添了设备或者工序有了革新，而该工段工艺条件仍 无变化，就造成互不适应，原来最佳点对于新工艺就不再是最优的了。 ( 4 ) 生产负荷的变化。若某装置由于原料不足而处于低负荷运行，如果仍维 持满负荷运行的条件，运行参数就会偏离最优点。反之，若某产品因市场紧俏， 使超负荷生产，也有同样的问题发生。 ( 5 ) 产品需求和市场状况的变动和差异。工业产品的规格要求、原料和产品 的价格也常有变动和差异。例如：在原油价格低廉时，炼油厂往往不十分重视收 率，而注重其他经济指标，而原油价格上涨，则原油的消耗就成为更重要的指标。 与此相关，优化要求也就不同i l4 | 。 模拟优化可以分为在线模拟优化和离线模拟优化两种【l5 1 ，本文所研究的操 作优化属于离线优化。石油化工生产装置离线调优是近十余年发展起来的，是一 种以提高现有石油化工装置生产能力、改善产品质量、降低原材料消耗和能耗的 工业应用技术。生产装置离线调优技术综合了诸如化学工程、系统工程、应用数 学和计算机科学等学科理论。它是新兴的化工系统工程的一个重要内容和十分活 跃的研究领域【l 6 。 早期流程最优化使用“黑箱法”策略，采用的是简单梯度法或直接搜索法， 由于要求目标函数对决策变量摄动产生的导数很费机时，对一个中等规模的优化 问题( 如1 0 个决策变量) ，其优化模拟计算时间相当长，只能计算小型( 如单个 单元操作) 优化问题。 到了8 0 年代，由于非线性数学规划算法的进展，流程系统的优化出现了新 9 北京化工大学硕士学位论文 的曙光。序贯二次规划法( s q p ) 及不可行路径法用于流程模拟优化取得实质性 进展1 7 1 。b e m a 和w e s t e r b e r g 先将s q p 用于联立方程法流程模拟系统，其后 j i r a p o n g p h a n 和s t a d t h e r r 将s q p 用于序贯模块法，取得了相当好的结果【1 8 】。 化工过程模拟分析的重要目标之一是工厂操作或控制的优化。其优化的前提 是：所有采集的原始数据必须经过数据的筛选及校正处理，筛除过失误差数据， 校正随机误差，使之符合物料、能量、及化学三大平衡 1 9 j 。 化工系统的最优化是在化工流程模拟的基础上发展起来的，不同的流程模拟 方法结合不同的最优化策略，就产生了不同类型的大系统最优化策略【2 0 】。 一个化工系统最优化问题可以表达为： m i n f ( c o ，x ) ( 1 - 3 ) 服从于： s ( c o ，x ，z ) = 0 ( 流程描述方程组) c ( c o ，x ，z ) = 0 ( 尺寸及成本关系式) h ( o j ，石) = 0 ( 等式设计约束) g ( c o ，x ) 0 ( 不等式设计约束) 式中m i n f ( w ，x ) 为目标函数，即在一定利润下能耗等最小，也可以表示为 m a x g ( c o ，x ) ，即一定能耗条件下，利润等最大；缈为没有给定的、可调节的设 备参数及物料参数，是决策变量，x 为流股变量，z 为内部单元变量；s ( 国，x ，z ) = 0 表示包括所有全流程各单元设备的内部物料及能量衡算方程及流程联接方程在 内的方程组；c ( c o ，x ，z ) = 0 表示设备尺寸及成本关系式；h ( c o ，x ) = 0 表示要求达到 某种设计指标的等式约束条件；g ( c o ，x ) 0 表示要求达到某种设计指标的不等式 约束条件。 对不同的化工流程进行优化采用的目标函数也不同，为使系统能尽量达到通 用，满足一般的优化要求，必须给出一个通用的目标函数，通过分析可以看出对 流程进行优化一般有四个目的： ( 1 ) 能量消耗( 或操作费用) 最小，这包括水、电、汽等的消耗； ( 2 ) 同样原材料消耗下某种产品的产量最高； ( 3 ) 产品的质量； ( 4 ) 废物产生量或废物处理费用最低。 一个化工流程若其生产成本主要以能耗为主，则优化的目的应属于第一类， 优化目标函数应是在一定产量条件下的能耗最低。如果流程的原材料消耗是决定 成本的主要因素，则优化的目的属于第二类。第三类是以产品的质量为追求目标。 第四类则是以系统产生的废物以及因产生废物而引起的废物处理费用最低为目 1 0 第一章绪论 标。 1 4 换热网络综合与优化的发展与研究现状 换热网络综合从6 0 年代起就作为过程设计综合的一个子问题而引起重视， 具有重要的理论意义和实用价值【2 1 1 。 在许多过程工业中，一些物流需要加热，而另一些物流需要冷却。合理地把 这些物流匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收能力， 尽可能地减少公用工程( 如蒸汽、冷却水等) 辅助加热和冷却负荷，无疑将提高 整个系统的能量利用率和经济性。合理有效地组织物流间的换热问题，涉及到如 何确定物流间匹配换热的结构以及相应的换热负荷分配。换热网络综合就是要确 定出具有较小或最小的设备投资费和操作费用，并满足把每个过程物流由初始温 度加热到目标温度的换热器网络。其中，设备投资费用主要与换热面积及换热设 备台数有关；而操作费用主要与公用工程消耗量有关。这三个目标因素之间的关 系如图1 3 所示。 图l - 3 影响换热网络费用的三个因素 f i g u r e1 - 3t h et h r e ef a c t o r so fa f f e c t i n gt h ec o s t s o fh e a te x c h a n g e rn e t w o r k s 近3 0 年来，换热网络综合是一个十分活跃的研究领域，许多学者对换热网 络综合问题进行了深入的研究，提出了不少综合方法，并且用于工程实际，取得 了显著的经济效益。 实现换热网络综合研究具有突破性进展的学者是r u d d 2 2 1 、h o h m a n n 及他们 的合作者。他们认为换热网络综合不仅仅是个数学问题，在综合过程中要考虑到 许多热力学问题。他们提出应该首先对系统进行热力学分析，以便从理论上确定 可以回收的最大能量、最小公用工程量和最小换热设备数，这一过程称为确定目 标。 h w a 于1 9 6 5 年第一个考虑了有多种热物流和冷物流的最佳换热结构问题， 北京化工大学硕士学位论文 他把目标函数分段线性化，然后用可分离规划求解；k e s l e r 和p a s k e r 将热物流和 冷物流分成小的热元，然后考虑小换热体或小换热体组之间的热交换，采用线性 规划求解；m a s s o 和r u d d 于1 9 6 9 年提出用探试法建立换热网络1 2 3 1 。l i n n h o f f 和 u m e d a 于1 9 7 8 和1 9 7 9 年几乎同时提出了“夹点技术”。他们首先叙述了换热网 络中的温度夹点问题，该夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收量。充分掌 握夹点处的特性，可以有效地进行换热网络的最优设计，而且该综合优化方法便 于工程技术人员掌握，并可发挥工程设计和生产实践经验的作用，更好地完成换 热网络的综合优化工作。但是夹点分析缺乏用于工程设计的严格模型，无法深入 过程的详细设计阶段，并且夹点分析分步的特点决定了它无法有效地考虑各层次 的相互作用，而且对于最小接近温差已i 。( 也称h ra 1 1 - h e a tr e c o v e r ya p p r o a c h t e m p e r a t u r e ) 的依赖更决定了它无法得到过程的最优解。尽管它有一些局限性， 但它的简单性、实用性以及在过程设计之前为过程设定优化目标的思想使其在过 程综合优化中具有重要的地位，己经成为过程优化设计的基本方法【2 4 。2 6 】。该技术 于8 0 年代初成功地用于换热网络的优化综合，而后扩大应用于包括公用工程、 反应、分离系统在内的整个过程系统，不仅用于节能，而且用于增产中解除“瓶 颈 ，减少环境污染等。这一方法的特点是运用拓扑学的概念和方法，对过程系 统做出宏观、形象地描述与处理，并己成功地用于上千个工程项目，获得了显著 的经济效益【2 。 换热网络综合方法从求解策略上可分为启发探试法和数学规划法两大类，随 着人工智能技术的发展，近年来又有一些研究者提出了换热网络综合的人工智能 方法；从各温差间关系上分可分为单温差法、双温差法和三温差法；从优化费用 目标步骤上分，根据其在优化过程中是否同时考虑图1 3 所示的三个费用目标， 又可以分为分步优化和同步优化方法。下面对这几种方法的发展状况作一扼要回 顾。 ( 一) 以求解策略分类 ( 1 ) 启发探试法 启发探试法是根据最优换热网络所需的必要条件和特征，从热力学原理及经 验知识出发规定一些设计目标和探试规则来构造网络，进行综合评价和调优，最 后找出接近最优的换热网络。在用启发探试法进行换热网络最优合成的众多方法 中，l i n n h o f f f 2 8 】等所开发的夹点技术以其较好的系统特性特别是实用性而最为引 人注目。由于夹点设计法【2 9 ，3 0 】存在着自身的缺陷：对于给定的最小传热温差，为 满足最小能耗目标，不允许能量跨越夹点，因而最小能耗的初始网络可能具有较 多的换热单元；为了得到较少投资费用的网络，需要进行能量松弛减少换热单元 数，这又要造成能量跨越夹点。因此c h a l l a n d 和c o l b e r t 提出了双温差方法【3 1 , 3 2 ， 第一章绪论 指出不应以夹点温差作为换热网络最优合成的唯一变量；f r a s e r 提出用最小热负 荷来取代a t 血作为换热网络合成的决策变量；f o n y o 和m i z s e y 考虑了物流传热 膜系数相差很大时的换热网络合成问题；t r i v e d i 等提出了对初始网络进行调优 的系统能量松弛法。 ( 2 ) 数学规划法 数学规划法是通过建立换热网络合成问题的数学模型，通过求解建立的目标 函数的最小值，从而得到最优的换热网络。一般建立的数学模型以混合整数非线 性规划( m i n l p ) 为主。可将m i n l p 概括为三个阶段： 阶段1 ：构造系统的超结构模型。该模型应包括所有可行的流程备选方案。 阶段2 ：将构造的超结构模型写成m i n l p 表达式，基本形式如下： m i n z = f ( x ，y ) 吕( x ，y ) 0 i i( 1 - 4 ) 忽( x ，j ，) = 0j d 式中：x 为n 维连续变量，x r ”，r 为实数集； y 为m 维离散变量，y o ，1 l ”； f ( x ，y ) 为目标函数，常取系统的总费用最小或总收益最大。 g (