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化工过程工况迁移控制

黄冬  
【摘要】:化工过程系统的主要特点在于流程复杂、生产条件多变以及能耗巨大等。在生产条件多变的背景下,大范围的工况变化时有发生,而且由于流程复杂,常规的过程控制难以实现工况的平稳过渡。工况迁移是指大范围的工况变化过程,工况迁移控制就是针对该过程所采用的控制方式。本文从动态建模、工况点稳态优化、工况点之间的动态控制三个方面系统地讨论了化工过程工况迁移问题。本文首先提出气液相混合精馏塔的全动态建模方法,并对某实际裂解制乙烯装置中的乙烯精馏塔进行了建模及仿真。传统精馏塔动态建模方法中,仅讨论了塔板上的液相动态过程,而忽略了降液管和板间气相空间的动态过程。本文通过机理分析,考虑降液管的液相滞留量和气相空间的气相滞留量,建立了精馏塔的完整动态数学模型,并将该建模方法应用于乙烯精馏塔,仿真结果验证了全动态建模方法的合理性。接下来,针对乙烯精馏塔工况迁移问题,讨论稳态工况点的优化,即根据生产条件的变化来优化目标工况点的位置。稳态优化所依赖的稳态模型是动态模型的特殊形式。本文从后续生产过程的经济效益和工况迁移过程的可操作性两个方面来讨论目标工况点的影响。具体来说,从乙烯装置整体考虑,引入循环能效系数,将经济效益量化为系统总能耗,同时将可操作性量化为气液相负荷的变化量。在此基础上构建了经济效益和可操作性的均衡优化模型,并提出变量约束法求解多目标优化问题,得到了稳态优化问题的非劣解集,在非劣解集中折衷选择最优解,即最优稳态工况。在工况点稳态优化的基础上,接下来讨论工况点之间的动态迁移控制问题。首先需要明确工况迁移控制的目标,即在满足生产指标的前提下以最简单可靠的方式完成当前工况到目标工况的迁移。本文从以下方面一步步对动态迁移过程的控制进行了深入讨论:(1)讨论了生产过程中的两种控制策略,即常规控制策略和动态优化策略。首先讨论了常规控制策略下控制结构调整对控制性能的影响,从侧面说明了讨论以动态优化为代表的工况迁移控制的必要性。针对动态优化策略,考虑到化工过程对象状态变量数较多的特点,采用控制向量参数化方法将动态优化问题转化为混合整数非线性规划问题,并在计算能力受限的条件下,通过整型变量和实型变量轮转优化的方式逼近最优解,即最优迁移轨迹。(2)考虑常规控制策略与动态优化策略的协调问题,讨论了动态优化的结构调整方案。优化结构调整就是在不改变原始常规控制结构的前提下,将常规控制与过程对象构成的整体作为优化对象,常规控制单元的输入作为优化变量。优化结构调整避免了动态优化策略实施过程中对基本控制系统结构的改变。另外,引入等效滤波器的概念,直观地体现了优化结构调整前后的差异性,说明优化结构调整对迁移过程控制性能的积极影响。同时分析了等效滤波器参数对最优控制性能的影响,为进一步提高控制性能提供了一种有效途径。(3)考虑常规控制策略与动态优化策略的选择问题,提出了迁移控制方案的选择判定准则。在生产条件发生变化时,有必要迅速判断其引起的工况变化程度是否超出常规控制策略的可调范围,若超出,则采用以动态优化为代表的工况迁移控制策略,反之,则无需改进控制策略。本文引入满足一定性质的中间变量,来估计常规控制策略下的控制性能,即针对不同的迁移过程,通过计算中间变量来预估生产指标的变化,从而针对性地选择控制策略。最后,总结了本文主要研究内容,并对未来可能开展的工作进行了展望。


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