面向工程系统运行优化的建模方法和关键技术

Optimal control for engineering systems must rely on the accurate description of the process characteristics. Since the overall behavior of the systems is affected by the material transformation on the different time and space scale together with hierarchical structure, it shows complex features such as time-varying, nonlinearity, strongly coupled, multiple steady states and etc., which brings great challenges to modeling. The project will study on the common modeling theory and methods dealing with the problem of multiple modeling complexities, such as varying raw materials, complex mechanism, diverse product features, which will take ethylene and polyolefin production process as typical objects for study. The main research points are reaction and mass transfer mechanism integrated multi-scale modeling, data/knowledge and mechanism based hybrid intelligent modeling of industry process, energy and mass coupled and orderly utilized modeling, and the overall performance oriented plant-wide model assessment and correction method. Via establishing the accurate model which can well characterized the actual industry process, the relationship between high efficiency, energy saving, emission reduction of the mass transformation process and the overall system operation state is revealed, which provide the reliable model basis for the design, regulation and operation optimization of of engineering systems.

工程系统运行过程的优化调控必须依赖对过程特性的准确描述，但其运行过程的整体行为受系统内不同时、空尺度物质转化过程和多层次结构的影响，呈现时变、非线性、强耦合、多定态等复杂特征，其过程模型化面临极大挑战。本项目将针对化工过程存在的原料多变、机理复杂、产品特性多样等多重建模复杂性，以乙烯及其聚烯烃产品生产过程为典型对象，开展共性建模理论和方法的研究，包括：融合反应与传质过程机理的多尺度建模、基于数据/知识与机理的工业过程混合智能建模、工业过程能量与质量耦合梯级利用的耦合建模以及面向全流程整体性能指标的模型评估与协调修正方法等，通过建立能够准确表征工业过程实际运行特性的模型，揭示系统整体运行状态与物质转化过程的高效、节能、减排的关联关系，为工程系统的设计、调控与运行优化提供可靠模型基础。

本项目从工程系统运行过程优化调控的迫切需求出发，重点以乙烯、聚烯烃装置为对象，围绕化工过程多重建模复杂性等问题，提出了：（1）复杂反应与传递过程机理表征与建模方法，包括针对复杂的燃烧反应和辐射过程，提出了炉膛CFD/炉管自由基反应的耦合建模方法，建立了不同辐射模型对裂解炉关键性能参数和运行周期影响的耦合模型；提出了耦合乙烯聚合过程模型与结构-性能关系模型的多尺度建模方法，可准确预测聚乙烯的分子量分布和短支链分布。（2）工业过程混合智能建模与系统特征行为动态校正方法，包括针对工业过程结构复杂、参数众多且相互关联，过程数据具有多模态、高维等特点，且模型随着过程特性变化而失效的问题，提出了基于迁移学习的不同工况下反应收率的快速建模方法；提出了结合广义动态模糊神经网络GDFNN模型和Flory解析式的烯烃聚合过程分子量分布的建模与模型在线校正方法，实现了模型的在线更新。（3）能质耦合传递过程全流程建模与系统行为描述方法，包括针对乙烯装置涉及的变量多、工况迁移影响因素多、不同耗能设备能量转化与反应及热集成高度耦合的问题，提出了近似机理和数据驱动融合的建模方法，建立了结构简单、准确度高的多抽汽蒸汽轮机动力系统模型；提出了不同能量转化过程的映射机制和耦合方法，实现了乙烯装置设备、单元、过程不同层次以及反应、传递耦合的全流程集成建模。相关研究工作已应用于上海石化70万吨/年乙烯装置、大庆石化60 万吨/年乙烯装置、燕山石化70万吨/年乙烯装置以及上海石化25万吨/年聚乙烯装置的优化配置与高效利用中，有效降低了生产过程能耗，提高了原料资源的利用率。