化工系統(tǒng)能量集成研究進(jìn)展

1、化工系統(tǒng)能量集成研究進(jìn)展,陳丙珍 清華大學(xué) 化工系 過程系統(tǒng)工程研究所,內(nèi)容,概述 全廠層次能量系統(tǒng)優(yōu)化綜合 大規(guī)模能量系統(tǒng)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù) 結(jié)論,概述,在我國消耗的能源中，工業(yè)用能自1990年以來始終保持在70%左右的水平。而在我國工業(yè)用能中鋼鐵、有色冶金、石油化工、化工、建材等過程工業(yè)的用能79.7%，即過程工業(yè)的用能占我國能源消費(fèi)總量的54.4%，在我國能源消費(fèi)總量中所占的份額最大。因此，過程工業(yè)節(jié)能尤為重要。,概述,我國主要工業(yè)產(chǎn)品單位能耗比國際先進(jìn)水平高20%69%，加權(quán)平均高40%左右 京都議定書正式生效，標(biāo)志著全球環(huán)境和氣候變化的國際化。在我國粗放型燃燒和使用化石能源（主要是煤、石油

2、、天然氣）造成的能源環(huán)境污染問題日益突出。 目前我國燃燒和使用化石燃料成排放二氧化硫2000多萬噸，全國82%的城市出現(xiàn)不同程度的酸雨，全國酸雨區(qū)面積已近國土面積的40%。,概述,節(jié)約能源能夠以較少的能源投入產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益，因此，能夠直接減少化石能源的使用產(chǎn)生的二氧化硫和二氧化碳排放。 過程系統(tǒng)節(jié)能是經(jīng)濟(jì)有效地解決能源環(huán)境問題的重要途徑，對我國在全球環(huán)境和氣候變化乃至政治、外交等方面具有深遠(yuǎn)的意義。,概述,我國煉油化工廠節(jié)能工作過去主要著重于裝置層次上的能量優(yōu)化利用，對全廠層次的總能量系統(tǒng)則較少進(jìn)行綜合優(yōu)化考慮。 雖然有些裝置的能耗已接近世界水平，但整個(gè)煉油廠的單位原油加工量的能耗還高達(dá)3

3、4GJ， 相當(dāng)于每加工1t原油就要消耗7095kg標(biāo)油,急需解決的問題,全廠層次能量系統(tǒng)優(yōu)化綜合,概述 全廠層次能量系統(tǒng)優(yōu)化綜合 大規(guī)模能量系統(tǒng)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展 結(jié)論,能量系統(tǒng)優(yōu)化集成,生產(chǎn)系統(tǒng)的三個(gè)子系統(tǒng) 工藝過程子系統(tǒng) 熱回收換熱子系統(tǒng) 全廠蒸汽動(dòng)力公用工程子系統(tǒng) 后兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成能量系統(tǒng),能量系統(tǒng)優(yōu)化集成,三個(gè)子系統(tǒng)密切聯(lián)系,能量系統(tǒng)優(yōu)化集成,能量系統(tǒng)優(yōu)化是指合理地設(shè)計(jì)能量的轉(zhuǎn)換、逐級利用和回收系統(tǒng)，在滿足工藝過程對動(dòng)力、蒸汽、冷卻、加熱等各種能量需求的前提下，使企業(yè)總的能源消耗最小，設(shè)備投資費(fèi)用最少。 由于總能系統(tǒng)優(yōu)化是在全廠/區(qū)域范圍內(nèi)合理地用能，提高全廠/區(qū)域能量利用率，因而其經(jīng)濟(jì)

4、效益更為突出。,能量系統(tǒng)優(yōu)化綜合,90年代Linnhoff提出總組合線熱集成概念 將動(dòng)力的發(fā)生與熱能的供應(yīng)有效地結(jié)合 系統(tǒng)對外界所需的燃料及動(dòng)力總消耗量最小 擴(kuò)展到全廠總能量系統(tǒng)的優(yōu)化 90年代Grossmann等提出的基于邏輯的 數(shù)學(xué)規(guī)劃法 解決復(fù)雜的大規(guī)模能量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,國際軟件供應(yīng)商 PIL (Process Integration Limited) KBC ASPEN Shell Global Solution INVENSYS,全廠層次能量系統(tǒng)優(yōu)化集成,夾點(diǎn)分析方法 數(shù)學(xué)規(guī)劃方法 能量系統(tǒng)超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型 求解方法,全廠總能系統(tǒng)集成方法,1 實(shí)現(xiàn)各個(gè)生產(chǎn)過程內(nèi)部的換熱； 2 通

5、過剩余的熱流和冷流實(shí)現(xiàn)各個(gè)生產(chǎn)過程之間的換熱； 3 建立總組合線表示公用工程系統(tǒng)與生產(chǎn)過程之間的能量關(guān)系； 4 建立全廠總能系統(tǒng)的超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，確定 鍋爐操作壓力 夾點(diǎn)上用于生產(chǎn)裝置加熱的背壓蒸汽的壓力 夾點(diǎn)下發(fā)生各個(gè)壓力級別的蒸汽量 最小傳熱溫差,全廠能量系統(tǒng)優(yōu)化集成,目標(biāo)函數(shù) 各種約束條件 a.鍋爐的熱量平衡及對總蒸發(fā)量的限制 b.加熱爐的熱量平衡 c.各級蒸汽網(wǎng)的物料平衡 d.各部分蒸汽流量與相變熱量的關(guān)系 e.預(yù)熱器的熱量平衡 f.透平各級膨脹的能量平衡 g.透平理想膨脹的等熵關(guān)系 h.夾點(diǎn)下發(fā)生蒸汽的不等式約束 i.物性數(shù)據(jù)關(guān)系,總能系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,總能系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,決策變量

6、 鍋爐操作壓力 夾點(diǎn)上用來加熱的背壓蒸汽的壓力 夾點(diǎn)下發(fā)生各個(gè)壓力級別的蒸汽量 最小傳熱溫差,總能系統(tǒng)優(yōu)化方法,求解算法 混合整數(shù)非線性規(guī)劃法 隨機(jī)搜索法 ：模擬退火法，遺傳算方法 變量分解全局優(yōu)化算法,全廠能量系統(tǒng)優(yōu)化集成,全廠總能量系統(tǒng)優(yōu)化綜合框圖,實(shí)例,某煉油廠能量系統(tǒng)涉及4個(gè)主要生產(chǎn)過程：常減壓蒸餾、催化裂化、烷基化、氣體分餾。 該系統(tǒng)還需提供電9627.9kW、4.0MPa蒸汽44.2t/h、1.0 MPa蒸汽25.68t/h 要求綜合一個(gè)年度費(fèi)用最小的能量系統(tǒng),實(shí)例,改造帶來的效益是可觀的，節(jié)省了約15的費(fèi)用。 如果設(shè)計(jì)一個(gè)新的能量系統(tǒng)，可以用脫瓶頸的方法進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。,關(guān)鍵

7、技術(shù)進(jìn)展,邏輯建模及求解方法 數(shù)據(jù)校正在線優(yōu)化 多目標(biāo)優(yōu)化,邏輯建模,在過程設(shè)計(jì)中，為達(dá)到一定目標(biāo)，經(jīng)常有各種不同的途徑，而每種途徑又經(jīng)常有不同的狀態(tài)可供選擇。 應(yīng)用混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，可以用整數(shù)變量（通常是0-1二元變量）代表對應(yīng)的流程的存在與否。 用整數(shù)變量形成的方程代表流程之間相互作用、相互制約的關(guān)系，從而將所有備選的流程都集成于一個(gè)優(yōu)化模型之中。 優(yōu)化綜合實(shí)質(zhì)上是一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）問題。,能量系統(tǒng)優(yōu)化超結(jié)構(gòu)示意圖,邏輯建模,優(yōu)點(diǎn) 邏輯型方法的表示方便，特別有利于大規(guī)模優(yōu)化綜合問題的描述。在求解邏輯MINLP模型時(shí)，沒有選中的設(shè)備的方程不會(huì)出現(xiàn)，從而減少方程數(shù)量，防

8、止了冗余與矛盾的方程的產(chǎn)生。 邏輯模型中很容易加入啟發(fā)性知識（工程經(jīng)驗(yàn)），從而充分地利用已有的經(jīng)驗(yàn)，縮小問題的求解范圍，使問題的求解更加迅速，也有助于得到更加合理的結(jié)果。,基于邏輯的MINLP模型,一般的MINLP模型是利用整數(shù)變量代表離散的選擇，Turkay and Grossmann提出一種基于邏輯的MINLP模型，利用邏輯變量取代整數(shù)變量，用邏輯關(guān)系直接表示變量間的相互關(guān)系，其一般形式如下：,當(dāng)所需的機(jī)械能較小時(shí)，一般利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 否則利用透平機(jī)直接驅(qū)動(dòng),基于邏輯的MINLP模型,目標(biāo)函數(shù)： 代數(shù)式： 邏輯式：,基于邏輯的MINLP模型,每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)方程： 邏輯式：,邏輯模型特點(diǎn),區(qū)

9、域能量系統(tǒng)集成,區(qū)域集成,計(jì)算結(jié)果,在滿足京都議定書對溫室氣體減排要求的同時(shí)減少總成本!,1,063.72,1,146.65,SO,x,排放,2.5%,56,047.89,57,438.54,總成本,差異(%),集成模型,非集成模型,-,7.2%,SO,-,變量分解方法,在所有的MINLP模型求解算法的主問題中，都需要將0-1變量松弛為連續(xù)變量來求解。這樣，0-1變量松弛以后，這些物理意義就失去了，從而對求解過程不能產(chǎn)生任何指導(dǎo)。 子問題的數(shù)量會(huì)隨著0-1變量的數(shù)量呈指數(shù)型上升，從而嚴(yán)重影響求解效率。 在過程綜合的模型中，0-1變量之間是相互牽制的，可行的0-1變量組的數(shù)目并不多。 如果能夠根

10、據(jù)過程綜合模型的超結(jié)構(gòu)特征得出可行的0-1變量組，那么將大大縮小問題的求解空間。,變量分解方法,算法的特點(diǎn) 變量分解方法利用邏輯變量的物理意義縮小求解空間，避免了計(jì)算量隨邏輯變量數(shù)目呈指數(shù)型上升的問題。 NLP子問題的規(guī)模大大縮小，加快了求解速度。 可以得到嚴(yán)格的全局最優(yōu)解，避免了非線性模型可能帶來的局部極值問題。 算法能夠有效地解決當(dāng)前過程綜合模型求解中遇到的非線性、離散性強(qiáng)，難于求解的問題。,變量分解方法,將模型中的邏輯變量與連續(xù)變量依主次順序先后求解。 首先根據(jù)邏輯約束形成的推理圖推導(dǎo)出可行的邏輯變量組， 再根據(jù)可行組的邏輯變量值產(chǎn)生NLP子問題，最后用連續(xù)變量的全局優(yōu)化算法求解NLP子

11、問題。,變量分解法實(shí)例,設(shè)備間的邏輯約束,設(shè)備方程,變量分解法實(shí)例,目標(biāo)函數(shù)為： 在該例題中，有25個(gè)連續(xù)變量，13個(gè)邏輯變量，12個(gè)邏輯約束，2個(gè)獨(dú)立的邏輯變量，11個(gè)非獨(dú)立的邏輯變量，11個(gè)推導(dǎo)型邏輯約束，1個(gè)限定型邏輯約束,由邏輯約束產(chǎn)生推理圖,結(jié)果分析,這13個(gè)邏輯變量有8192種組合方式，但實(shí)際上可行的邏輯變量組只有32種，占0.39%。 兩種算法相比，可以看到，本算法的迭代次數(shù)少于分支界定法；可得到全局最優(yōu)解。,優(yōu)化綜合后的流程圖,工業(yè)實(shí)例-乙烯裝置的能量系統(tǒng),乙烯裝置的能量系統(tǒng)綜合模型 由丙烯制冷循環(huán)、乙烯制冷循環(huán)和公用工程系統(tǒng)組成。這3個(gè)部分共同為乙烯裝置提供各種溫位的熱源和冷

12、源，以及各種功率的機(jī)械驅(qū)動(dòng)。 這3個(gè)部分并不是彼此獨(dú)立的，而是彼此相關(guān)：乙烯制冷系統(tǒng)中，壓縮機(jī)出口的氣相乙烯冷劑需要由丙烯制冷系統(tǒng)將其冷凝成液相冷劑；丙烯、乙烯制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)是由公用工程系統(tǒng)中的蒸汽透平機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。,乙烯裝置能量系統(tǒng)綜合模型,建立的綜合模型包括 243個(gè)邏輯變量，其中丙烯-乙烯制冷系統(tǒng)有76個(gè)邏輯變量，公用工程系統(tǒng)有167個(gè)邏輯變量； 410個(gè)連續(xù)變量，其中丙烯-乙烯制冷系統(tǒng)有251個(gè)連續(xù)變量，公用工程系統(tǒng)有159個(gè)連續(xù)變量； 544個(gè)約束方程，其中丙烯-乙烯制冷系統(tǒng)有279個(gè)約束方程，公用工程系統(tǒng)有265個(gè)約束方程,優(yōu)化后的乙烯-丙烯制冷流程圖,優(yōu)化后的公用工程流程圖,乙

13、烯-丙烯制冷流程優(yōu)化結(jié)果,公用工程系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果,邏輯建模,優(yōu)點(diǎn) 邏輯型方法的表示方便，特別有利于大規(guī)模優(yōu)化綜合問題的描述。在求解邏輯MINLP模型時(shí)，沒有選中的設(shè)備的方程不會(huì)出現(xiàn)，從而減少方程數(shù)量，防止了冗余與矛盾的方程的產(chǎn)生。 邏輯模型中很容易加入啟發(fā)性知識（工程經(jīng)驗(yàn)），從而充分地利用已有的經(jīng)驗(yàn)，縮小問題的求解范圍，使問題的求解更加迅速，也有助于得到更加合理的結(jié)果。,數(shù)據(jù)校正關(guān)鍵技術(shù),1)異常數(shù)據(jù)檢測與識別 2)數(shù)據(jù)校正算法的穩(wěn)定性,數(shù)據(jù)校正關(guān)鍵技術(shù),異常數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)校正關(guān)鍵技術(shù),利用小波函數(shù)的時(shí)頻特性，揭示過程數(shù)據(jù)不同突變在小波變換下體現(xiàn)的不同特征，提出了異常突變的檢測和識別的判據(jù)。,異常數(shù)

14、據(jù)檢測與識別方法,實(shí)施效果,粗丙烯塔進(jìn)料量,滄洲煉油廠氣體分離裝置,在線優(yōu)化層次結(jié)構(gòu)圖,在線優(yōu)化效益,根據(jù) PIL(Process Integration Limited)報(bào)道:,多目標(biāo)優(yōu)化算法,多目標(biāo)優(yōu)化研究熱點(diǎn)：給出盡量完備的協(xié)商解集 Pareto解集(非劣解集) 要找到所有的解對很多復(fù)雜問題來說都是十分困難的，所以可以操作的方法是找到一組能夠找到的最好的解(the best known Pareto set) 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)： 能夠接近真實(shí)Pareto解集 解集中的解具有分布的多樣性即均勻性 Pareto圖形要盡量覆蓋所有區(qū)域，尤其是邊緣,多目標(biāo)優(yōu)化算法,逼近度量：Metric 值越小越逼近真實(shí)值,均勻性度量：Metric值越小越均勻,判斷所得Pareto解集優(yōu)劣的兩個(gè)度量函數(shù),多目標(biāo)優(yōu)化算法,現(xiàn)有算法,SQP加權(quán)求和法,NSGA-II,多目標(biāo)優(yōu)化算法,SQP加權(quán)求和法 優(yōu)點(diǎn)： 一系列的單目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，可使用單目標(biāo)優(yōu)化方法（SQP） 每個(gè)點(diǎn)的計(jì)算效率較高 缺點(diǎn)： 取不到Pareto曲線的非凸部分 均勻取加權(quán)系數(shù)得到的曲