化工过程系统分析与综合论文.docx

换热网络控制分析崔月会 200648003 化工0603生产过程或生产装置的性能不仅与它的结构有关，而且与其控制系统的性能密切相关。通常，一个换热网络是一个化工系统的子系统， 所以换热网络物流的供给性质，例如输入温度和流率等常常受到过程中其它因素的影响，而偏离它们的设计值。如果设计值要求保持不变或在一个给定的范围之内，当输入性质变化时，就需要一个控制系统。从前，人们较多注意的是如何设计一个最佳换热网络以获得最大的热回收量和最小的年费用，较少关注换热网络的控制性能，然而换热网络控制分析与设计对保持过程稳定运行是非常重要的。近20多年来，许多研究者对换热网络控制分析与设计方面的问题进行了深入的研究，通过对网络可控性的分析，提出了多种换热网络控制策略。本文回顾近几年来这一领域的发展。1、换热网络可控性分析换热网络综合的主要目标是得到能耗或费用最优的系统，但是这样设计的换热网络往往难以操作或控制，因此分析换热网络的可控性是十分必要的。为保证上游操作单元的安全，物流的入口流量不能作为操作变量，因而换热网络控制的主要问题就是缺乏足够的操作变量以达到控制要求。换热网络的可控性分析是保证网络始终满足操作要求并实现良好控制的基础。很多研究者基于换热网络的稳态结构对其可操作性进行分析，如Calandranis和Stephanopoulos【1】，然而对于换热网络动态控制特性的研究却相对较少。Wolf等【2】提出了单个换热器的动态模型并通过混合器模型建立了单管和多管程换热器模型，然后将各单元模型线性化，根据网络结构得到换热网络的动态模型，最终通过设置旁路实现网络的控制。Mathisen等【3-4】 将可控性定义为换热网络的动态弹性，并且基于换热网络的可控性，提出了自由度分析的方法，从而确定换热刚络的旁路数目。Hallgos等【5】对换热网络的结构稳定性进行研究。Varga等【6】基于换热网络的动态模型，求解换热网络的可控可观性。Konukman等【7】将换热网络的可控性设计作为带约束的非线性优化问题处理，通过优化求取对应的换热器面积和旁路开度。高维平等【8】2003年将网络的可控性考虑剑优化改进中，提出了通过灵敏度分析求解换热网络优化改进和控制结构的解决方法。由Mathisen等【9】对于换热网络操控的自由度分析可知，网络本身的自由度往往不能满足其操控的需要，而增设旁路可以增加网络的白由度。因而，以上对于换热网络可控性分析的方法大都涉及旁路优化设计的问题。westphalen等【10】基于对条件数(r)的分析，提出了一种确定网络可控性的方法。其中条件数y的值采用增益矩阵Gp计算得剑，条件数越小则网络的可控性越好。Rodlfo等【11】为评价换热网络的综合提出了判断网络可控性的方法以及相应的控制策略。这判断网络可控性的方法主要包括5步：控制目标，对丁一个换热网络，最重要的控制目标即为使换热物流达到目标温度的给定值或在一定范围内，从而保证装置的下游操作；选择合适的操作变量，通过采用非标准关联数列(ns一RGA)确定潜在操作变量：换热网络的柔性，当控制要求的给定值发生变化的时候，网络依然满足操作条件要求的能力称为柔性，换热网络的控制性能是保证装置操作柔性的重要因素：换热网络的干扰分析，网络中的干扰主要包括物流流量的波动和入口温度的变化；换热网络的弹性，当网络中存在干扰时其依然满足操作要求的能力，通过最大干扰范围可以求解得到网络的弹性，一般用弹性指数(RI)表示。以上两种确定网络可控性的方法建市在已知网络的动态特性的摹础上，对网络可控性的分析深入、明确，为控制策略的选择奠定了基础。2、换热网络的控制策略对于已有换热网络的优化操作和控制丰要包括控制结构的选择和在线优化算法的确定两方面内容。Westphalen等【10】指出最普通的换热网络控制系统结构包括：公用工程物流流晕控制、分流比控制以及旁路控制。并采用启发式规则得出分流比不应作为过程控制的操作变量，而旁路控制的问题之一是如何权衡网络的经济效益和控制性能，选择合适的旁路位置。因而，目前对于换热网络的优化控制策略研究主要包括两种思路：控制性能指数分析法和旁路优化控制。21控制性能指数分析法Huang和Fan等【l2】应用模糊逻辑的思想，基于知识工程的方法，制定了匹配规则，建立各物流的干扰度和控制水平表，求出网络结构的控制性能指数，然后把它加入到工艺设计目标函数中，使优化过程能沿着网络成本小和控制性能高的方向进行。但该方法得到的换热网络不是唯一的，物流数H愈多，匹配愈复杂，不利于大规模网络的合成。李志红【13】在Huang等的基础上，首先通过数学模型求解得到网络结构，然后由经验值确定具体换热网络的干扰矩阵，求得网络结构的控制性能指数，再加入工艺设计目标函数中，用改进的遗传算法进行求解，得到了换热网络的集成设计方案。这种方法中干扰矩阵的确定是由经验值得到，设计者本人的因素起很大的作用；对于干扰度、控制水平及干扰传递类型简单的分为大、中、小或高、中、低等几种类型，难以精确捕述换热网络的干扰变化和生产的动态过程；在工艺设计目标函数中加入控制性能指数项，这种方式对于控制性能的考虑仅仅局限于换热网络自身的可控性，没有考虑到未来操作过程中换热网络控制系统的控制效果和公用工程的动态变化。Karafyllis等【14】考虑的比较全面，他们基于系统的稳态和线性动态方程，分别定义了稳态和动态干扰弹性指数，但由于工业过程换热网络本身为复杂的非线性问题，用线性动态方程描述精度难以得到保证。重要的是，控制性能指数分析的方法虽然考虑了过程的控制性能，但其可调控变量只有冷、热公用工程，自由度小，不能用于换热网络的实时在线优化控制。22旁路优化控制增设旁路可以增加网络控制的自由度，旁路优化控制成为研究者解决换热网络控制问题的重要方法。Marselle等【15】提出了在温度和流量发生变化时换热网络的设计，并阐述了基于图论的控制策略。Calandranis和Stephanopoulos【16】提出一种结构和启发式的方法来设计换热网络的控制系统，它应用“监督”逻辑来选择操纵变量。Mathisen等【3】讨论了换热网络的可控性，提出设置旁路可以增加换热网络的自由度，但是并没有考虑稳态的能量消耗。Mathisen等【4】论述了基于控制的换热网络的旁路选择，提出在稳态设计中的决策可能严重限制得到控制参数或者对象的可控性，阐释了不同的控制标准如何用于可控性和旁路选择以及换热网络的合理配置，并论述了旁路设置应遵循的几条原则。konukman等【7】提出了一种最小费用的改造设计方法，利用给定的改造设计弹性表格优化换热器面积和旁路开度。Boyaci等【17】在此基础上，又提出了两种基于动态模犁的换热网络开环和闭环集中控制方案，这也是旁路优化设计中通用的两种集中控制结构，如图1所示。换热网络的开环集中控制结构如图l(a)所示。物流入口温度的波动(干扰)通过测量单元传递到优化器，基于稳态优化计算得到最优的旁路开度Uopt，结合网络的动态特性将优化结果输入控制器。其控制算法如下式所示，求解得到旁路开度的输出值u（t），其中u为在标准状况下换热网络旁路的开度。根据这一控制算法，网络输入干扰为零时，旁路的开度即初始时刻的优化结果，当网络中干扰发生变化时，各物流的目标温度和操作变量将逐渐接近其最优值。式中n为第n个被控变量达到给定值的时间，而t为系统对应的时刻。图1(b)为换热网络的闭环集中控制结构，其与开环控制结构的不同在于包括了被控变量的反馈。其基于换热网络动态模型的控制算法如下式所示。其中Tnt（t）为第n个被控变量在t时刻的实际温度，而Tnt，opt（）为当系统稳定时第n个被控变量在最优的旁路开度下的输出温度。Uztirk和Akman【l 8】提出了一种针对简单网络同时考虑了网络柔性、弹性和可控性的旁路优化改造方案。但是这种方法需要固定旁路数目，针对每种方案逐一进行计算对比，难以应用于旁路数日未知且网络结构较复杂的情况。1996年挪威学者Glemmestad等【l9】针对给定结构、换热面积及物流数据的换热网络，在稳态模型的基础上给出了一种加旁路控制的换热网络操作优化策略与方法。1999年Glemmestad等【20】又提出了换热网络操作优化策略的线性规划法。他提出了一种对固定时间间隔的换热网络旁路优化控制方案。张俊峰【21】在此基础上在操作夹点附近设置旁路，提出了一种旁路优化控制方案。目前在换热网络旁路优化控制方面，如何权衡经济效益和网络能耗两方面因素，优化求解换热网络旁路数目和位置成为研究的热点，并将成为未来亟待解决的问题。综合考虑换热网络的稳态和动态特性，从而使之在整个运行过程中始终满足操控的需要是装置节能降耗的有效方案，换热网络工艺与控制集成设计方法将成为换热网络的重要研究方向。（以上内容参考论文【22】）参考文献【1】 Calandranis J,Stephanopoulos G Structural operability analysis of heat exchanger networksJ.chem.eng,1986,64【2】 Wolf EA,Mathisen KW , Skogestad S.Dynamics and controllability of heat exchanger networksJ.Proc.of Computer Oriented Process Engineering,1991,12; 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