以源阱耦合为契机的过程系统多目标改造策略与建模优化研究

In order to adapt the continuous change of crude and product market and satisfy the stricter environmental protection, process retrofits in petrochemical and natural gas energy-intensive enterprises are routine behaviors. How to increase the utilization efficiency of existing resources and retrofit with lower cost are significant factors for the sustainable development of those enterprises..The concepts of source and sink based on thermodynamics are expanded in this project. The excess resources in the retrofit of process systems are termed as sources, and the deficits or bottlenecks in the retrofit of process systems are termed as sinks. New aided parameters are structured base on process models, and then the method to identify sources and sinks is established. The characteristic functions of source and sink objects are presented. The strategy and object set of source-sink coupling are investigated through minimizing the aided parameters. The mechanism of sources and sinks coupling is then revealed. A multi-objective and mixed integer nonlinear programming optimization model framework is established considering retrofit cost, production capacity, energy performance and emission. The convexity of discontinuous, nonlinear and nonconvex constraints is investigated, and a solution strategy is presented to obtain the pareto-optimal solution results based on ε - constraints. Finally, the common rule of sources and sinks coupling for process system retrofits is extracted. This research can strengthen the theoretical foundation of process system engineering and guide the retrofit and design of process industries.

为了适应不断变化的产品和原料市场，满足日趋苛刻的环保要求，石化和天然气等高耗能工业的过程改造已经是一种常态行为。如何合理高效地利用现有资源，以更低成本达到改造的目的是企业可持续发展的关键因素之一。.本课题延伸基于热力学的“源”和“阱”的概念，将过程系统改造中任何资源富余的地方称之为“源”，任何构成改造瓶颈的地方称之为“阱”；基于过程模型构造辅助参量，建立源阱辨识方法，研发源阱对象的特征函数；通过辅助参量最小化，研究源阱耦合匹配策略并建立源阱对象集，揭示源阱耦合机制。在此基础上，构建包括改造成本、产能、能效和排放的多目标混合整数非线性规划模型框架，研究非连续、非线性和非凸约束的凸化方法，基于ε - 约束方法(ε - constraint method)开发多目标优化模型的求解策略，获取帕累托优化解，进而发现过程系统改造中源阱耦合的共性规律，深化过程系统工程的理论基础，指导流程工业改造和设计。

在碳达峰、碳中和以及经济、能源、环境全面可持续发展的战略目标和要求下，石化和天然气等高耗能流程工业的总加工流程正在进行快速巨大的变革。合理高效利用现有资源，以最低代价实现过程系统的优化改造，是企业可持续发展的关键。本项目以石化和天然气等工业系统为主要研究对象，以源阱耦合为契机进行多目标优化改造，为高效利用石化能源系统中存在的余能和低品位能源，提出考虑能量回收利用、能源转换、集中式制冷供冷及能量输送管道网络的多目标数学模型，用于能源系统的可持续改造设计；针对萃取精馏等高能耗工艺流程，通过源阱分析，提出能够显著降低工艺能耗的新工艺，并优化新工艺的操作参数；对高耗能汽油吸收−稳定工艺过程强化进行研究，提出新的评估补充吸收剂性能的指标，强化补充吸收剂的组分，同时加入闪蒸罐简化现有工艺；针对石化能源系统中存在的诸多不确定性，构建石化企业可持续能源系统多目标优化改造模型，开发基于ε约束方法的模型求解策略，实现能源系统改造成本与碳排放的最优化；针对天然气气源组成和气阱需求的不确定性，建立非理想状态的天然气管道网络不确定性优化模型，并提出“back-off”约束实现模型的鲁棒性；还进一步研究了考虑气体互换性的新型天然气管道网络动态优化控制模型，提出启发式的调节罚参数方法减少模型病态化；针对天然气精炼和利用过程的能量集成，使用全局分析方法对工业园区中的CO2处理工艺、公用工程系统、跨厂的换热集成形成以优化改造TAC为目标的模型；研究结果表明，提出的石化等过程能源系统集成建模和多目标优化求解策略可为流程工业过程系统扩容提质和节能减排改造提供理论指导，指导企业最优化利用生产资源，节能降耗和减少碳排放。