陈丙珍磷化工会陈丙珍PPT课件.ppt

化工系统能量集成研究进展 陈丙珍清华大学化工系过程系统工程研究所 1 内容 概述全厂层次能量系统优化综合大规模能量系统优化关键技术结论 2 概述 在我国消耗的能源中 工业用能自1990年以来始终保持在70 左右的水平 而在我国工业用能中钢铁 有色冶金 石油化工 化工 建材等过程工业的用能79 7 即过程工业的用能占我国能源消费总量的54 4 在我国能源消费总量中所占的份额最大 因此 过程工业节能尤为重要 3 概述 我国主要工业产品单位能耗比国际先进水平高20 69 加权平均高40 左右 京都议定书 正式生效 标志着全球环境和气候变化的国际化 在我国粗放型燃烧和使用化石能源 主要是煤 石油 天然气 造成的能源环境污染问题日益突出 目前我国燃烧和使用化石燃料成排放二氧化硫2000多万吨 全国82 的城市出现不同程度的酸雨 全国酸雨区面积已近国土面积的40 4 概述 节约能源能够以较少的能源投入产生更多的经济效益 因此 能够直接减少化石能源的使用产生的二氧化硫和二氧化碳排放 过程系统节能是经济有效地解决能源环境问题的重要途径 对我国在全球环境和气候变化乃至政治 外交等方面具有深远的意义 5 概述 我国炼油化工厂节能工作过去主要着重于装置层次上的能量优化利用 对全厂层次的总能量系统则较少进行综合优化考虑 虽然有些装置的能耗已接近世界水平 但整个炼油厂的单位原油加工量的能耗还高达3 4GJ 相当于每加工1t原油就要消耗70 95kg标油 急需解决的问题 6 全厂层次能量系统优化综合 概述全厂层次能量系统优化综合大规模能量系统优化关键技术进展结论 7 能量系统优化集成 生产系统的三个子系统工艺过程子系统热回收换热子系统全厂蒸汽动力公用工程子系统后两个子系统构成能量系统 8 能量系统优化集成 三个子系统密切联系 9 能量系统优化集成 能量系统优化是指合理地设计能量的转换 逐级利用和回收系统 在满足工艺过程对动力 蒸汽 冷却 加热等各种能量需求的前提下 使企业总的能源消耗最小 设备投资费用最少 由于总能系统优化是在全厂 区域范围内合理地用能 提高全厂 区域能量利用率 因而其经济效益更为突出 10 能量系统优化综合 90年代 Linnhoff提出总组合线热集成概念将动力的发生与热能的供应有效地结合系统对外界所需的燃料及动力总消耗量最小扩展到全厂总能量系统的优化90年代 Grossmann等提出的基于逻辑的数学规划法解决复杂的大规模能量系统的优化设计问题 11 国际软件供应商PIL ProcessIntegrationLimited KBCASPENShellGlobalSolutionINVENSYS 12 全厂层次能量系统优化集成 夹点分析方法数学规划方法能量系统超结构数学模型求解方法 13 全厂总能系统集成方法 1实现各个生产过程内部的换热 2通过剩余的热流和冷流实现各个生产过程之间的换热 3建立总组合线表示公用工程系统与生产过程之间的能量关系 4建立全厂总能系统的超结构数学模型 确定锅炉操作压力夹点上用于生产装置加热的背压蒸汽的压力夹点下发生各个压力级别的蒸汽量最小传热温差 14 全厂能量系统优化集成 15 目标函数各种约束条件a 锅炉的热量平衡及对总蒸发量的限制b 加热炉的热量平衡c 各级蒸汽网的物料平衡d 各部分蒸汽流量与相变热量的关系e 预热器的热量平衡f 透平各级膨胀的能量平衡g 透平理想膨胀的等熵关系h 夹点下发生蒸汽的不等式约束i 物性数据关系 总能系统优化数学模型 16 总能系统优化数学模型 决策变量锅炉操作压力夹点上用来加热的背压蒸汽的压力夹点下发生各个压力级别的蒸汽量最小传热温差 17 总能系统优化方法 求解算法混合整数非线性规划法随机搜索法 模拟退火法 遗传算方法变量分解全局优化算法 18 全厂能量系统优化集成 全厂总能量系统优化综合框图 19 实例 某炼油厂能量系统涉及4个主要生产过程 常减压蒸馏 催化裂化 烷基化 气体分馏 该系统还需提供电9627 9kW 4 0MPa蒸汽44 2t h 1 0MPa蒸汽25 68t h要求综合一个年度费用最小的能量系统 20 实例 改造带来的效益是可观的 节省了约15 的费用 如果设计一个新的能量系统 可以用脱瓶颈的方法进一步优化设计方案 21 关键技术进展 逻辑建模及求解方法数据校正 在线优化多目标优化 22 逻辑建模 在过程设计中 为达到一定目标 经常有各种不同的途径 而每种途径又经常有不同的状态可供选择 应用混合整数非线性规划模型 可以用整数变量 通常是0 1二元变量 代表对应的流程的存在与否 用整数变量形成的方程代表流程之间相互作用 相互制约的关系 从而将所有备选的流程都集成于一个优化模型之中 优化综合实质上是一个混合整数非线性规划 MINLP 问题 23 能量系统优化超结构示意图 24 逻辑建模 优点逻辑型方法的表示方便 特别有利于大规模优化综合问题的描述 在求解逻辑MINLP模型时 没有选中的设备的方程不会出现 从而减少方程数量 防止了冗余与矛盾的方程的产生 逻辑模型中很容易加入启发性知识 工程经验 从而充分地利用已有的经验 缩小问题的求解范围 使问题的求解更加迅速 也有助于得到更加合理的结果 25 基于逻辑的MINLP模型 一般的MINLP模型是利用整数变量代表离散的选择 TurkayandGrossmann提出一种基于逻辑的MINLP模型 利用逻辑变量取代整数变量 用逻辑关系直接表示变量间的相互关系 其一般形式如下 26 当所需的机械能较小时 一般利用电动机驱动否则利用透平机直接驱动 27 基于逻辑的MINLP模型 目标函数 代数式 逻辑式 28 基于逻辑的MINLP模型 每个设备的状态方程 逻辑式 29 逻辑模型特点 30 区域能量系统集成 31 区域集成 32 计算结果 在满足京都议定书对温室气体减排要求的同时减少总成本 1 063 72 1 146 65 SO x 排放 2 5 56 047 89 57 438 54 总成本 差异 集成模型 非集成模型 7 2 SO 33 变量分解方法 在所有的MINLP模型求解算法的主问题中 都需要将0 1变量松弛为连续变量来求解 这样 0 1变量松弛以后 这些物理意义就失去了 从而对求解过程不能产生任何指导 子问题的数量会随着0 1变量的数量呈指数型上升 从而严重影响求解效率 在过程综合的模型中 0 1变量之间是相互牵制的 可行的0 1变量组的数目并不多 如果能够根据过程综合模型的超结构特征得出可行的0 1变量组 那么将大大缩小问题的求解空间 34 变量分解方法 算法的特点变量分解方法利用逻辑变量的物理意义缩小求解空间 避免了计算量随逻辑变量数目呈指数型上升的问题 NLP子问题的规模大大缩小 加快了求解速度 可以得到严格的全局最优解 避免了非线性模型可能带来的局部极值问题 算法能够有效地解决当前过程综合模型求解中遇到的非线性 离散性强 难于求解的问题 35 变量分解方法 将模型中的逻辑变量与连续变量依主次顺序先后求解 首先根据逻辑约束形成的推理图推导出可行的逻辑变量组 再根据可行组的逻辑变量值产生NLP子问题 最后用连续变量的全局优化算法求解NLP子问题 36 变量分解法实例 设备间的逻辑约束 设备方程 37 变量分解法实例 目标函数为 在该例题中 有25个连续变量 13个逻辑变量 12个逻辑约束 2个独立的逻辑变量 11个非独立的逻辑变量 11个推导型逻辑约束 1个限定型逻辑约束 38 由逻辑约束产生推理图 39 结果分析 这13个逻辑变量有8192种组合方式 但实际上可行的逻辑变量组只有32种 占0 39 两种算法相比 可以看到 本算法的迭代次数少于分支界定法 可得到全局最优解 40 优化综合后的流程图 41 工业实例 乙烯装置的能量系统 乙烯装置的能量系统综合模型由丙烯制冷循环 乙烯制冷循环和公用工程系统组成 这3个部分共同为乙烯装置提供各种温位的热源和冷源 以及各种功率的机械驱动 这3个部分并不是彼此独立的 而是彼此相关 乙烯制冷系统中 压缩机出口的气相乙烯冷剂需要由丙烯制冷系统将其冷凝成液相冷剂 丙烯 乙烯制冷系统的压缩机是由公用工程系统中的蒸汽透平机进行驱动的 42 乙烯装置能量系统综合模型 建立的综合模型包括243个逻辑变量 其中丙烯 乙烯制冷系统有76个逻辑变量 公用工程系统有167个逻辑变量 410个连续变量 其中丙烯 乙烯制冷系统有251个连续变量 公用工程系统有159个连续变量 544个约束方程 其中丙烯 乙烯制冷系统有279个约束方程 公用工程系统有265个约束方程 43 优化后的乙烯 丙烯制冷流程图 44 优化后的公用工程流程图 45 乙烯 丙烯制冷流程优化结果 46 公用工程系统优化结果 47 逻辑建模 优点逻辑型方法的表示方便 特别有利于大规模优化综合问题的描述 在求解逻辑MINLP模型时 没有选中的设备的方程不会出现 从而减少方程数量 防止了冗余与矛盾的方程的产生 逻辑模型中很容易加入启发性知识 工程经验 从而充分地利用已有的经验 缩小问题的求解范围 使问题的求解更加迅速 也有助于得到更加合理的结果 48 数据校正关键技术 1 异常数据检测与识别2 数据校正算法的稳定性 49 数据校正关键技术 异常数据 50 数据校正关键技术 利用小波函数的时频特性 揭示过程数据不同突变在小波变换下体现的不同特征 提出了异常突变的检测和识别的判据 异常数据检测与识别方法 51 实施效果 粗丙烯塔进料量 沧洲炼油厂气体分离装置 52 在线优化层次结构图 53 在线优化效益 根据PIL ProcessIntegrationLimited 报道 54 多目标优化算法 多目标优化研究热点 给出尽量完备的协商解集 Pareto解集 非劣解集 要找到所有的解对很多复杂问题来说都是十分困难的 所以可以操作的方法是找到一组能够找到的最好的解 thebestknownParetoset 评价标准 能够接近真实Pareto解集解集中的解具有分布的多样性即均匀性Pareto图形要尽量覆盖所有区域 尤其是边缘 55 多目标优化算法 逼近度量 Metric值越小越逼近真实值 均匀性度量 Metric值越小越均匀 判断所得Pareto解集优劣的两个度量函数 56 多目标优化算法 现有算法 SQP加权求和法 NSGA II 57 多目标优化算法 SQP加权求和法优点 一系列的单目标优化计算 可使用单目标优化方法 SQP 每个点的计算效率较高缺点 取不到Pareto曲线的非凸部分均匀取加权系数得到