面向过程能量集成的多尺度耦合建模及作用机制研究

The highly effective energy savings in petrochemical and chemical industries are very important for energy conversion and sustainable development. Process systems are multiscale and multilevel, and getting an insight into the multiscale coupled modeling and the interaction mechanisms between multiscale levels is important to improve the efficiency of process energy integration. Multiscale concept is introduced, and macroscale is divided into sub-macroscale and pan-macroscale. An energy optimization model is then presented for the pan-macroscale. Marginal value and graphical technology based on pinch analysis are proposed to identify the bottlenecks in the mesoscale and sub-macroscale, and the corresponding energy models are formulated. The strategy of selecting coupling parameters and variables are exploited, and the multiscale coupled model for process energy integration is then set up. The effluence of coupling parameters and variables, the external conditions and objectives, the internal operation conditions on the coupled model and the solution results are analyzed to draw the law of the bottleneck changing with the factors mentioned above, and the interaction mechanism between scales are revealed. The multiscale coupled model and interaction mechanism between scales will expand the theoretical basis and engineering application of process energy integration.

石化、化工等高耗能工业的高效节能对促进能源节约和可持续发展具有重要意义。这些典型的过程系统具有多尺度和多层次的特点，揭示尺度间的作用机制和开发多尺度耦合模型对提高过程能量集成优化效率显得尤为重要。 本项目在多尺度概念基础上，首先将宏尺度划分为子宏尺度和泛宏尺度，并建立泛宏尺度的能量优化模型；然后采用边际价格分析和基于夹点分析的图形学方法，开发中尺度和子宏尺度瓶颈辨识策略，建立瓶颈位置的能量流模型；接着研究尺度间耦合参数和变量的选择策略，建立多尺度耦合模型；最后分析耦合参数和变量、系统外部条件或目标、系统内操作参数等因素变化对耦合模型及求解结果的影响，探索子宏尺度和中尺度瓶颈位置因上述条件改变的变化规律，获取过程能量集成中的尺度间作用机制。研究建立的多尺度耦合模型和揭示的作用机制，将有助于深化过程能量集成的理论基础和工程应用。

石化、化工等高耗能工业的高效节能对促进能源节约和可持续发展具有重要意义。这些典型的过程系统具有多尺度和多层次的特点，开发多尺度耦合模型和掌握尺度间的作用机制对提高过程能量系统集成优化效率显得尤为重要。.课题在多尺度概念基础上，首先将过程系统工程层次划分为中尺度、子宏尺度和泛宏尺度，并建立泛宏尺度的能量优化模型；开发了中尺度和子宏尺度瓶颈辨识策略，建立瓶颈位置的能量流模型；研究了尺度间耦合参数和变量的选择策略，建立了多尺度耦合模型；分析了耦合参数和变量、系统外部条件或目标、系统内操作参数等因素变化对耦合模型及求解结果的影响，探索了子宏尺度和中尺度瓶颈位置因上述条件改变的变化规律，揭示了过程能量集成中的尺度间作用机制。.课题团队在高耗能工业过程系统工程层次建立的多尺度耦合模型及揭示的尺度间作用机制，应用于甲苯歧化工艺装置和延迟焦化装置，实现精馏序列与换热网络的跨尺度集成优化，装置节能超过10%。在泛尺度层面，研究了物料流和能量流(包括蒸汽、低温热等)的跨尺度集成建模和优化策略，系统能耗显著降低。在炼化工业成功应用后，研究成果进一步应用到天然气处理过程，在分子层面建立了粗天然气从原料到终端产品全流程的物料流和能量流跨尺度建模，并实现了天然气精制过程的全局优化。.课题在过程系统工程层次建立的多尺度耦合模型和揭示的尺度间作用机制及其在石化和天然气工业的应用，深化了过程能量系统集成的理论基础和工程应用。