催化裂化装置裕量评价与瓶颈分析

考虑实际过程中存在着各种不确定因素,在化工过程设计时有必要对设计变量留出足够的裕量,使操作点位于过程约束边界内。基于过程稳态最优设计的一阶灵敏度分析,设计变量的局部裕量造成过程有效约束存在边界距离,操作变量进行操作优化所能获得的最大潜在经济效益是由有效约束的边界距离决定的。因此,采用操作优化得到的装置潜在经济效益可以用于对装置总体裕量进行评价。以催化裂化装置为主要研究对象,采用操作优化的方法计算装置的潜在经济效益,以此对装置的总体裕量进行评价。考虑过程的动态变化过程,结合动态优化的方法,利用稳态优化的经济效益和动态优化的经济效益对装置的总体裕量进行划分,分清保证操作控制可实现性的控制裕量和可以提升装置潜在经济效益的工艺裕量。通过分析各设计变量的局部裕量对装置总体裕量的影响确定设计瓶颈的所在,找到消除设计瓶颈的途径。     

慢时变化工过程裕量释放机制分析

化工过程普遍存在慢时变特性,在一个运行周期内慢时变参数的变化造成化工装置性能逐渐下降。为此,过程设计时需要按照慢时变参数可能的“最坏”影响对设计变量留出足够的设计裕量,在一个运行周期内通过操作逐渐释放,补偿慢时变参数的不利影响,且理想操作是保证到运行周期结束时化工装置性能恰好达到过程约束边界。本文对慢时变过程设计裕量的释放机制进行了分析,考虑含慢时变参数的全周期操作优化通用动态模型,通过最优控制的极小值原理求解该优化问题,建立了最优裕量释放轨迹和慢时变参数变化曲线之间的联系,从而证明最优裕量释放只与慢时变化工过程的运行周期有关。以乙炔加氢反应器为例验证了该裕量释放机制,对于慢时变化工过程,设定的运行周期越短,设计裕量释放越快,仅能获得较高的短期经济效益;反之,设定较长的运行周期,设计裕量缓慢释放,能获得更高的长期经济效益。     

化工过程总体裕量与控制性能的权衡优化

化工过程的总体裕量可以用操作优化的经济效益进行评价,根据稳态优化和动态优化的经济效益可进一步划分为服务于操作控制的控制裕量和表征过程可实现经济效益的工艺裕量,二者都与化工过程的控制性能有关。针对具有一定裕量的化工过程进行多目标动态优化,优化目标分别为操作点的经济效益与动态过程中的控制性能指标,采用0-1变量描述控制结构,将控制结构和控制器参数也作为优化变量进行混合整数动态优化,采用Constrained NSGA-Ⅱ算法求解非劣解集,根据非劣解集分析总体工艺裕量、总体控制裕量与控制性能指标的关系。通过催化裂化装置的实例分析发现,对于具有一定裕量的化工过程,控制性能越高,所需的总体控制裕量越多,表征操作优化可实现经济效益的总体工艺裕量越少,只有通过对总体控制裕量和总体工艺裕量进行权衡,才能找到兼顾工艺要求和控制性能的工艺操作点和控制设计方案。     

化工过程总体裕量与控制性能的权衡优化

化工过程的总体裕量可以用操作优化的经济效益进行评价,根据稳态优化和动态优化的经济效益可进一步划分为服务于操作控制的控制裕量和表征过程可实现经济效益的工艺裕量,二者都与化工过程的控制性能有关。针对具有一定裕量的化工过程进行多目标动态优化,优化目标分别为操作点的经济效益与动态过程中的控制性能指标,采用0-1变量描述控制结构,将控制结构和控制器参数也作为优化变量进行混合整数动态优化,采用Constrained NSGA-Ⅱ算法求解非劣解集,根据非劣解集分析总体工艺裕量、总体控制裕量与控制性能指标的关系。通过催化裂化装置的实例分析发现,对于具有一定裕量的化工过程,控制性能越高,所需的总体控制裕量越多,表征操作优化可实现经济效益的总体工艺裕量越少,只有通过对总体控制裕量和总体工艺裕量进行权衡,才能找到兼顾工艺要求和控制性能的工艺操作点和控制设计方案。     

基于动态优化的催化裂化装置再生器裕量分析与控制设计（Ⅰ）动态优化的数学描述

从操作和控制的角度,通过动态优化的方法求解催化裂化装置再生器的工艺裕量与控制设计。该动态优化问题的数学描述包括催化裂化装置反应-再生系统和配套控制系统的动态模型、多回路PID控制器结构模型、过程不确定性模型、稳态起始点约束、生产要求和操作约束及目标函数等。该优化问题是一个带有0-1变量约束的多目标混合整数动态优化问题,具有分别描述控制性能指标和工艺指标的两个不相关目标函数。对两个优化目标进行折中处理,可以使设计结果既能满足工艺要求,又能实现良好的自动控制。     

基于动态优化的催化裂化装置再生器裕量分析与控制设计(Ⅱ) 求解方法与结果分析

用动态优化的方法求解催化裂化装置再生器的工艺裕量与控制设计。对于该多目标混合整数动态优化问题,通过ε-约束法处理多目标优化问题,将控制性能目标函数转化为控制性能约束;通过将0-1变量松弛化、引入附加等式约束求解混合整数动态优化问题。求解得到非劣解集,绘制关于控制性能指标和工艺指标的关系曲线,发现系统对控制器性能的要求愈高,所需要的裕量应愈大。由此进行折中处理,从而找到兼顾工艺要求和控制性能的催化裂化装置再生器优化设计方案。     

化工过程非方瘦系统的串级控制系统结构设计

化工过程一般为多变量系统，其中输出变量个数多于输入变量个数的非方多变量系统称为瘦系统，现有的非方系统控制结构设计一般采用方形化处理方法，只能形成一个输入变量与一个输出变量配对的单回路控制，要么作为工艺控制指标的重要变量不能成为被控变量，要么次要变量未纳入反馈控制，无法满足控制要求。本文介绍了非方系统的平均频域相对增益阵，对瘦系统进行了变量配对分析，提出了一种瘦系统串级控制系统结构设计方法。这种方法在不添加输入变量的同时有效利用了所有的输出变量反馈，使系统反馈信息更完备，构造了重要变量与次要变量结合的串级控制系统。最后通过实例分析说明了瘦系统的串级控制系统结构设计方法不仅能够得到合理的变量配对，而且系统控制性能良好，尤其在进行干扰抑制的过程中体现出了快速性和高效性。     

基于闭环耦合度的大系统常规PID控制回路的投用规则

化工过程全流程为具有高维输入输出的多变量大系统,内部存在一定程度的耦合作用,因此其底层常规PID控制系统的设计、投用和整定也必然与整个系统的耦合程度有关。首先,提出了闭环相对增益和耦合度的概念,分析闭环相对增益在理想控制条件下与开环相对增益的等效性,发现闭环控制回路的反馈作用引起操纵变量和被控变量的关联,由此加剧整个系统的耦合程度,因此闭环控制回路并非投用得越多越好。然后,提出了基于闭环耦合度的化工过程大系统常规PID控制回路的投用规则,根据被控过程开环相对增益阵确定控制回路变量配对和投用顺序,依次投用各控制回路并计算控制回路的耦合度,当耦合度超过阈值时停止剩余控制回路的投用。最后,以典型多变量TE过程为例验证了该投用规则的有效性。     

化工过程的自优化控制:原理、发展与应用展望

自优化控制(SOC)是一种通过选择被控变量实现化工过程实时优化的控制系统设计方法,具有控制结构简单、优化效果好等优点,近年来得到了快速发展。详细阐述了SOC的基本工作原理及其在过程控制系统中的定位与作用,对其发展历程和研究现状进行了系统性的总结,主要包括:被控变量求解方法、变量筛选快速算法、可变约束集问题、间歇过程SOC方法和混合实时优化策略等内容。最后,全面回顾了现阶段SOC在化工过程中的应用案例,并从理论和实践角度对其未来发展方向进行展望。     

分批补料反应过程的非固定终端经济优化控制

针对批次生产周期不确定问题,提出一种非固定终端的经济优化控制方法。首先采用经济模型预测控制方法,用收益最大化的经济型目标函数代替终端约束,并将批次生产周期纳入被优化变量,建立动态经济优化问题,并通过对每个控制变量进行有差异的参数化,将动态优化问题转化为非线性规划（NLP）问题;然后使用内点罚函数法求解含非线性约束的优化问题,得到的最优控制序列和最佳批次生产周期,可将不确定扰动带来的损失降低到最小。其次采用非固定预测时域的滚动时域控制方法,不仅提高多变量系统的协同控制能力,而且根据实时预测终端产品产量不断优化更新关键操纵变量的控制分段函数的分割数及控制序列,从而可灵活优化操纵变量和操作时间的轨迹。最后在苯胺加氢过程上进行了批次优化控制性能测试,测试结果表明,非固定终端的经济优化控制从批次的总生产效益角度来优化每个批次生产的操作条件,实现批次反应过程生产时间与经济效益的最优化管理。     

Nonlinear robust optimization for process design

A novel robust optimization framework is proposed to address general nonlinear problems in process design. Local linearization is taken with respect to the uncertain parameters around multiple realizations of the uncertainty, and an iterative algorithm is implemented to solve the problem. Furthermore, the proposed methodology can handle different categories of problems according to the complexity of the problems. First, inequality‐only constrained optimization problem as studied in most existing robust optimization methods can be addressed. Second, the proposed framework can deal with problems with equality constraint associated with uncertain parameters. In the final case, we investigate problems with operation variables which can be adjusted according to the realizations of uncertainty. A local affinely adjustable decision rule is adopted for the operation variables (i.e., an affine function of the uncertain parameter). Different applications corresponding to different classes of problems are used to demonstrate the effectiveness of the proposed nonlinear robust optimization framework. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 64: 481–494, 2018     

Release mechanism analysis of design margin for slowly-time-varying chemical processes

Slowly-time-varying characteristics are common in chemical processes, and the changes of slowly-time-varying parameters in an operating cycle gradually decrease the performance of chemical process. So, enough margins must be added for design variables during the phase of process design according to the possible worst-case influence of slowly-time-varying parameters. The design margins will be released gradually compensating the worse influence of slowly-time-varying parameters in an operating cycle. It can be called as a perfect operation that the operating point is on the boundary of process constraints when an operating cycle is ending. In this paper, the margin release mechanism of slowly-time-varying chemical processes is analyzed. Based on the universal dynamic model containing slowly-time-varying parameters, the full cycle operation optimization is solved by minimum principle of optimal control. It is found that the optimal margin release trajectory is related to the curve of slowly-time-varying parameter, ensuring that the optimal margin release is only dependent on the operating cycle. This mechanism is verified by the example of acetylene hydrogenation reactor. For slowly-time-varying chemical processes, the shorter the operating cycle is set, the faster the design margin is released, the higher temporary economic benefit is obtained; otherwise, the longer the operating cycle is set, the more integrated economic benefit is accomplished.     

化工过程综合问题MINLP算法中整型变量的连续化

化工过程系统综合问题需要同时考虑设备结构参数和工艺操作参数,一般用整型变量表示设备的取舍,用连续变量表示操作参数,这就构成一个流程的超结构,在数学形式表现为一个混合整型非线性规划（MINLP）问题。混合整型非线性规划问题的求解成为化工过程综合优化的关键。今根据超结构中整型变量的特征,提出整型变量连续化处理的思路,将MINLP问题简化为NLP问题,然后采用罚函数法求解。最后将该算法运用于加氢脱烷基化（HDA）过程综合的实例研究,结果表明该算法克服了传统方法在处理整型变量时出现的麻烦,为有效快速地进行化工过程综合优化问题提供了一种新的途径。     

基于分解算法的功热交换网络多目标优化

功热网络设计问题指在流程设计中对变压和换热过程进行耦合优化设计的问题,以此来提高整体系统的能效并降低成本。前人工作中一般采用数学规划法对功热网络建模优化。然而,由于存在变压过程和换热器面积计算的非线性约束,以及换热匹配的二元变量,整体模型往往是一个高度非凸的混合整数非线性规划模型,难以求解。本文提出一种高效的功热网络优化方法。模型中分别用透平压缩机和换热器实现功热网络中轴功和热的交换。求解过程采用分解算法,主问题中用随机算法对关键变量优化,功和热两个子网络问题中用确定性算法求解。目标函数考虑了经济和环境影响。案例测试对比了不同优化目标得到的结果以及多目标Pareto曲线,验证了所提出方法的高效性。     

催化裂化装置反再系统动态模拟精细化与控制系统“工艺优先”配对设计

催化裂化是目前炼油厂中的核心加工工艺,其反应-再生系统是一个多变量紧密耦合的复杂系统,动态模拟和控制系统设计难度较大。目前,催化裂化装置在进行动态建模时设置了大量假设条件,与实际状况存在诸多不符,另外当前的控制回路配对方法未考虑工艺要求,也不适用于催化裂化这样的开环不稳定系统。基于以上原因,以已建立的反应-再生系统数学模型为基础,建立精细化动态模型,对反应器和再生器模型进行真实逼近,不再忽略气相动态变化,将原模型中气相对时间的导数项恢复,通过离散化的分布参数系统模型,对离散化模型中每段提升管和烧焦罐的时变变量加入时滞。仿真结果表明,精细化动态模型更加接近实际化工生产过程。根据上述模型搭建仿真平台,通过对不稳定的反再系统进行工艺优先的控制系统设计,首先根据化工工艺设计控制回路保证系统的稳定性,然后基于相对增益阵方法设计剩余变量配对,在降低了高维系统设计复杂度的同时保证了生产过程安全。设计结果表明,对于催化裂化装置反再系统,基于工艺特性完成控制回路配对后,剩余变量无须再添加多余的控制回路就能保证控制系统的稳定性和适当的控制性能。     

设计余量对运行优化和化学过程控制性能的影响简

Operation optimization is an effective method to explore potential economic benefits for existing plants. The m.aximum potential benefit from operationoptimization is determined by the distances between current operating point and process constraints, which is related to the margins of design variables. Because of various ciisturbances in chemical processes, some distances must be reserved for fluctuations of process variables and the optimum operating point is not on some process constraints. Thus the benefit of steady-state optimization can not be fully achied（ed while that of dynamic optimization can be really achieved. In this study, the steady-state optimizationand dynamic optimization are used, and the potential benefit-is divided into achievable benefit for profit and unachievable benefit for control. The fluid catalytic cracking unit （FCCU） is used for case study. With the analysis on how the margins of design variables influence the economic benefit and control performance, the bottlenecks of process design are found and appropriate control structure can be selected.