柔性换热器网络综合与先进控制集成理论和方法研究

As a considerable approach of chemical enterprises at energy utilization improving, heat exchanger network synthesis and optimization is always an important issue in Chemical System Engineering research field. In this project, efficient analysis method and coupling integration strategy will be studied with respect to the flexibility and control problems of heat exchanger networks. First of all is to develop the methods of flexibility analysis and flexible synthesis. To obtain flexibility index, a new method, which can be used for non-convex problem with high calculation efficiency, will be built based on indiscriminate search optimization strategy, to evaluate the ability of networks to resist fluctuation. On its basis, the problem of heat exchanger network synthesis will be discussed, and the dynamic flexibility and the analysis method will also be studied in this project. Second, the control structure selection rules and controllability-criterions of heat exchanger networks is going to be established based on the minimization principle of interaction between control loops. The dynamic flexibility and control scheme are decoupling-designed, and the simultaneous integration of flexible heat exchanger networks and control schemes will be realized via the proposed embedded strategy. This method is supposed to increase the dynamic behavior of designed heat exchanger network while reducing the computational complexity of synthesis. Through the above research, this project will reveal the coupling integration rules between flexible heat exchanger network synthesis and advanced control strategy. The proposed methods are able to provide theoretical foundation and technical support for practice.

换热器网络的综合与优化是化工企业提高能源利用率的重要方法，是化工系统工程学研究的重点内容之一。本项目旨在针对换热器网络的柔性综合与过程控制问题提出高效的分析方法和耦合集成策略。首先，开展换热器网络的柔性分析与柔性综合研究。采用无差别搜索的优化策略建立能够解决非凸问题且求解效率高的柔性指数计算方法，用于评价网络的抗波动能力；并基于此方法探讨柔性换热器网络的综合策略，创新性地提出换热器网络动态柔性的分析方法。然后，基于控制回路间相互作用最小原则，创建换热器网络控制结构选择规则和可控性评价判据；将动态柔性与控制问题进行解耦设计，并基于嵌入式策略实现柔性换热器网络综合与控制策略的同步集成，用于解决目前换热器网络动态性能差、求解计算复杂等问题。通过本项目研究揭示换热器网络柔性综合与先进控制的耦合集成规律，为实际应用奠定理论基础和技术方法。

换热器网络综合是提高系统能量利用、实现节能减排的关键技术手段。但在过程不确定性下确保换热器网络安全、可靠操作的工业需求为传统综合方法提出诸多挑战。为此，本研究开展柔性和可控性换热器网络同步综合研究，考察时变扰动对换热器网络动态行为的影响，提出动态柔性综合以及双层控制结构设计方法，并以此为基础重点开展动态柔性换热器网络综合与先进控制同步集成方法研究。首先，本项目建立启发式规则辨识扰动传播，并定量分析旁路开度对流股出口温度的影响，据此建立混合整数非线性规划模型，求解得到含有最优旁路开度和位置的换热器网络，为后续工作打下坚实基础。而由于传统研究中过度设计造成的结构和换热面积冗余，以及未考虑时变扰动和换热器网络动态特性导致无法确保整段操作时间内操作可行性和优化性能。本项目松弛原本固定的流股出口温度，提出动态柔性换热器网络综合方法，在多扰动场景下辨识换热器网络的动态柔性瓶颈以明确其广义临界操作点，建立滚动优化策略。并且基于操纵变量配对与控制回路对换热器网络可控性的协同作用，提出双层控制结构设计方法，有效地改善换热器网络的可控性。最后，在之前的研究基础上，本项目建立动态柔性换热器网络综合和先进控制同步集成方法，充分考虑流股出口温度的变化范围，并将连续操作时间分割成若干个离散时刻，逐一进行动态柔性换热器网络综合。引入离散模型预测控制器来调节流股出口温度并优化动态柔性综合中关键变量。算例结果表明所设计换热器网络具备容纳多扰动能力、优越的经济性能以及控制性能，并能够确保企业利润及安全生产，符合石化等大型企业的未来发展需求。.本研究按期完成了项目的研究计划、研究内容，达到了预期的研究目标，完成了预期的研究成果。发表的文章数目比原计划多，质量高，共发表相关论文40余篇。人才培养方面，从事相关研究工作的博士毕业3名、硕士毕业8名。总之，该项目达到了原计划书中的各项指标。