换热网络优化改进及最优控制的理论和方法研究

Energy saving and emission reduction is our country's sustainable development policy. Petrochemical industry is a big energy consumer whose energy consumption is about 15% of total national energy consumption. The average energy consumption of petrochemical industry is much higher than that of the developed countries. So the potential of energy saving is great and the tasks of energy saving and emission reduction are arduous. When the conditions such as the flows and the inlet and outlet temperatures of the streams are changed, the heat exchanger networks (HENs) with a certain structure or being operated can't be optimum under the new conditions. The retrofit of HENs is how to improve such a heat exchanger network under minimum retrofit costs and optimum control to make it to be optimal and meet the technological demands. The theories and methods of optimal retrofit and control of HENs are the key scientific problems..In this project, based on the sensitivity analysis and simulation of the HENs, the operating flexibility, control loop identification, selection methods of optimal control loops and the mathematical models and methods of optimal retrofit and control of HENs are systematically studied, from which the scientific meaning is summarized. The theories and methods of optimal retrofit and control of HENs will be established, which can provide a mode for the optimal retrofit and control of other chemical processes in order to improve the level of theories and methods of chemical process optimization and optimal control.

节能减排是我国可持续发展的国策，石化行业是耗能大户，能耗约占全国总能耗的15％，石化行业的平均能耗比世界先进水平高出很多，节能潜力巨大，节能减排任务繁重。对换热网络结构已定或已在运行的换热网络，当工况发生变化，原有的换热网络不再适应变化后的操作条件，如何通过最小的改造和最佳的控制，以最少的改造投资，就使换热网络回收最大的热量或年生产费用最少，使过程物流换热后的温度达到生产工艺要求，为此所要建立的换热网络优化改进及最优控制的理论和方法是本项目拟解决的关键科学问题。.本项目从换热网络的灵敏度分析入手，与换热网络流程模拟有机结合，系统地研究换热网络操作弹性、控制回路识别、最佳控制回路选择和优化改进的数学模型和方法，抽提和总结其中的科学意义，建立换热网络优化改进及最优控制的理论和方法，以此为例，为其它化工过程的优化改进及最优控制提供一种模式，以提高化工过程优化改进及最优控制的理论方法和技术水平。

本项目系统地研究换热网络的优化改进方法和最优控制方案。从换热网络的灵敏度分析入手，建立具有任意结构换热网络灵敏度分析的通用数学模型和求解方法，计算状态变量和目标函数对决策变量和参数的灵敏度系数及灵敏度，定量分析换热网络中的状态变量、目标函数受决策变量和参数的影响情况；建立一个简单有效地计算换热网络弹性指数的数学模型，通过换热网络弹性指数的计算找出对换热网络弹性产生约束的因素；提出一个换热网络弹性分析的有效方法，以换热网络的过程模拟为基础，把灵敏度系数用于过程模拟的调节和加速收敛的过程中，该方法不但适用于凸性问题，也适用于非凸性问题的求解；基于灵敏度系数定义一个关系矩阵，根据关系矩阵提出多变量控制回路识别的方法，分析控制回路的相互影响，以确定最佳的控制方案；通过对换热网络的定性分析，提出换热网络优化改进的规则，建立换热网络优化改进及最优控制的理论模型和方法，通过最小的改造和最佳的控制，即改变换热网络中的换热器面积或传热系数，或通过在换热器加旁路来改变进入换热器的物流流量等方法，用最少的改造投资，使换热网络回收最大的热量或年生产费用最小，并使过程物流换热后的温度达到生产工艺要求，换热网络容易操作并便于控制，为化工过程优化改进及最优控制的提供必要的理论和方法，以提高化工过程优化改进及最优控制的理论方法和技术水平。