大型空分装备变负荷过程实时优化方法研究

Cryogenic air separation units (ASU) provide large-volume and high-purity products of oxygen, nitrogen, and argon. Automatic load change technique can greatly help ASU in energy saving and emission reduction. As a typical complex separation process with the large-scale, high-purity, and thermo-coupling features, the dynamic modeling and real-time optimization of the load change process of ASUs are also a changelling task. In this project, the equation oriented (EO) modelling will be studied for the load change process.A completely simultaneous model will be founded by intergrating the EO-based thermodynamic model and unit models. Reduced order method will be proposed for the typical units to benefit the online application.Large scale algorithm will be developed for the dynamic optimization. Coordinations of operation and scheduling among different ASUs will be also addressed.The developed methodology will be useful for load change systems in industrial applications.

变负荷是适应频繁用户需求变化而经常调整产品结构与设备负荷的综合技术。研究大型空分装备变负荷优化技术可以降低单位产品耗电量，提高节能降耗减排能力，对行业可持续发展具有重要意义。空分装置具有高纯度、热耦合、大规模和变负荷等特征，实时动态优化可以有效在线指导空分过程变负荷操作及联合装置调度协调。本项目从空分装置变负荷操作面临的技术难题出发，提取化工过程变负荷运行优化的共性科学问题，集中研究面向实时变负荷优化的全联立模型化问题、变负荷动态优化方法的可靠性与实时性问题，以及多装置变负荷过程动态优化与生产调度一体化描述问题，形成适于快速计算的低温精馏空分过程的全联立方程模型化方法，开发适宜于大范围变负荷过程动态优化的自动收敛算法，实现联合装置的协调变负荷优化方法。通过本项目的应用基础方法研究，将形成对变负荷过程具有一定普适性的实时优化方法，为进一步的工业技术开发提供理论指导。

低温精馏空分装置是具有高纯度、热耦合、大规模等特征的复杂流程，本项目针对空分装置的变负荷过程进行建模与求解算法研究。首先，对全流程实现联立方程法求解做了大量工作。利用工程数据，通过面向联立方程求解的PR方程修正形式，对空气N2-O2-Ar三元体系气液的热力学平衡进行参数估计。对包括精馏塔和多股流换热器在内的多个单元操作建立降维的简化模型，开发适宜于大范围变负荷过程动态优化的回溯同伦自动收敛算法，加入了导数预测项加速收敛。研究了面向联合装置的协调变负荷优化与调度，建立基于Resource Task Network (RTN)的调度超结构。采用异构并行算法，利用Quesada Grossmann’s (QG) 算法和禁忌算法(Tabu search,TS)求解MINLP。对空分实时动态优化命题，项目对常微分方程的参数可辨识性进行了研究。最后，本项目采用联立方程模式求解了空分热耦合和变负荷特征下的参数估计、过程分析命题。结果表明，本项目的技术在收敛性方面要由于传统的商业软件，可为进一步的工业技术开发提供理论指导。