基于能量流结构的过程扩产与能量综合集成建模与优化研究

随着经济的快速发展以及对资源高效利用的要求，过程扩产的同时集成考虑能量系统优化，以有效实现过程节能减排，意义重大。本项目研究在过程扩产时，依据能量流结构模型，分解复杂过程系统，简化扩产瓶颈分析改进过程。根据过程瓶颈所在的子系统，探索导致瓶颈产生的关键参数及瓶颈在各子系统间相互转换的规律，归纳过程脱瓶颈规则。以此建立过程系统脱瓶颈的超结构模型，研究模型中物料流和能量流相互影响和转换的数学关系，基于火用经济学理论，形成过程扩产和能量综合集成的数学模型，结合过程系统经验知识，开发模型求解方法策略。通过研究指导实际工业过程的扩产节能改造，修正及完善所提出的过程扩产与能量综合集成建模与优化方法。项目重点分析过程系统物料流和能量流的内在关系，从能量流的角度研究扩产过程中系统脱瓶颈的方法策略，发展过程系统优化理论和方法，为过程扩产与能量综合集成优化提供理论支持，实现过程工业扩产的物料和能量同时优化目标。

随着经济的快速发展以及对资源高效利用的迫切要求，过程扩产的同时集成考虑能量系统优化，以有效实现过程节能减排，意义重大。本课题以高能耗的过程工业作为研究对象，通过三年持续的课题研究，运用（火用）经济学分析和数学规划方法，取得了以下研究成果：.（1）复杂分馏系统扩产改进策略研究。基于水力学原理，研究了可定量确定系统最大扩产潜力率的方法，提出了最大扩产潜力率的量化指标；建立了相应扩产方案的知识库和开发了扩产措施有效性的评价方法；并提出了分馏系统扩产改进策略。.（2）基于（火用）分析与（火用）经济学的分馏系统节能潜力评价指标。通过分析分馏系统能量利用的本质与极端效率状态，结合可避免（火用）损与可避免投资费用等概念，提出了分馏系统可避免（火用）损与可避免投资费用的计算方法，发展了基于可避免（火用）损与可避免投资费用的分馏系统（火用）分析与（火用）经济学评价方法。.（3）基于CGCC的分馏塔能量综合优化策略改进。针对传统分馏塔总复合曲线（CGCC）实施分馏系统能量优化改进中存在的问题，分别对简单分馏塔、复杂分馏塔CGCC的构建方法、基于CGCC的分馏系统能量优化改进策略进行了研究。.（4）分馏系统扩产与能量集成优化研究。针对分馏系统扩产与能量优化集成的问题，分析了二者的关联逻辑关系，通过年度总费用与工程经济目标函数的整合，提出了过程系统同时考虑扩产和能量优化的再设计目标函数；给出了基于单位原料年度总费用约束的分馏系统扩产与能量优化集成方案合理性判据；发展了基于知识、经验和启发式规则的分馏系统扩产与能量优化集成策略。.(5) 基于物料流的工艺过程(装置)间热集成研究。基于夹点技术构建涉及热进出料物流的温焓线和工艺装置的总组合曲线，通过反转并平移热进出料物流的温焓线确定最高的热出料温度，提出了双层混合整数线性规划模型框架，以上下游装置总的热公用工程和冷公用工程最小化，以及全局的蒸汽产量最大化为目标。规划模型框架的第一层给定了公用工程需求目标，第二层则确定最大的蒸汽产量，同时考虑不同压力等级蒸汽对热量需求的差别优化蒸汽生产参数。