化工过程系统分析与综合论文.docx

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1、换热网络控制分析崔月会200648003化工0603生产过程或生产装置的性能不仅与它的结构有关，而且与其控制系统的性能密切相关。通常，一个换热网络是一个化工系统的子系统，所以换热网络物流的供给性质，例如输入温度和流率等常常受到过程中其它因素的影响，而偏离它们的设计值。如果设计值要求保持不变或在一个给定的范围之内，当输入性质变化时，就需要一个控制系统。从前，人们较多注意的是如何设计一个最佳换热网络以获得最大的热回收量和最小的年费用，较少关注换热网络的控制性能，然而换热网络控制分析与设计对保持过程稳定运行是非常重要的。近20多年来，许多研究者对换热网络控制分析与设计方面的问题进行了深入的研

2、究，通过对网络可控性的分析，提出了多种换热网络控制策略。本文回顾近几年来这一领域的发展。1、换热网络可控性分析换热网络综合的主要目标是得到能耗或费用最优的系统，但是这样设计的换热网络往往难以操作或控制，因此分析换热网络的可控性是十分必要的。为保证上游操作单元的安全，物流的入口流量不能作为操作变量，因而换热网络控制的主要问题就是缺乏足够的操作变量以达到控制要求。换热网络的可控性分析是保证网络始终满足操作要求并实现良好控制的基础。很多研究者基于换热网络的稳态结构对其可操作性进行分析，如Calandranis和Stephanopoulos【1】，然而对于换热网络动态控制特性的研究却相对较少。

3、Wolf等【2】提出了单个换热器的动态模型并通过混合器模型建立了单管和多管程换热器模型，然后将各单元模型线性化，根据网络结构得到换热网络的动态模型，最终通过设置旁路实现网络的控制。Mathisen等【3-4】将可控性定义为换热网络的动态弹性，并且基于换热网络的可控性，提出了自由度分析的方法，从而确定换热刚络的旁路数目。Hallgos等【5】对换热网络的结构稳定性进行研究。Varga等【6】基于换热网络的动态模型，求解换热网络的可控可观性。Konukman等【7】将换热网络的可控性设计作为带约束的非线性优化问题处理，通过优化求取对应的换热器面积和旁路开度。高维平等【8】2003年将网络的

4、可控性考虑剑优化改进中，提出了通过灵敏度分析求解换热网络优化改进和控制结构的解决方法。由Mathisen等【9】对于换热网络操控的自由度分析可知，网络本身的自由度往往不能满足其操控的需要，而增设旁路可以增加网络的白由度。因而，以上对于换热网络可控性分析的方法大都涉及旁路优化设计的问题。westphalen等【10】基于对条件数(r)的分析，提出了一种确定网络可控性的方法。其中条件数y的值采用增益矩阵Gp计算得剑，条件数越小则网络的可控性越好。Rodlfo等【11】为评价换热网络的综合提出了判断网络可控性的方法以及相应的控制策略。这判断网络可控性的方法主要包括5步：①控制目标，对丁一个换

5、热网络，最重要的控制目标即为使换热物流达到目标温度的给定值或在一定范围内，从而保证装置的下游操作；②选择合适的操作变量，通过采用非标准关联数列(ns一RGA)确定潜在操作变量：③换热网络的柔性，当控制要求的给定值发生变化的时候，网络依然满足操作条件要求的能力称为柔性，换热网络的控制性能是保证装置操作柔性的重要因素：④换热网络的干扰分析，网络中的干扰主要包括物流流量的波动和入口温度的变化；⑤换热网络的弹性，当网络中存在干扰时其依然满足操作要求的能力，通过最大干扰范围可以求解得到网络的弹性，一般用弹性指数(RI)表示。以上两种确定网络可控性的方法建市在已知网络的动态特性的摹础上，对网络可控

6、性的分析深入、明确，为控制策略的选择奠定了基础。2、换热网络的控制策略对于已有换热网络的优化操作和控制丰要包括控制结构的选择和在线优化算法的确定两方面内容。Westphalen等【10】指出最普通的换热网络控制系统结构包括：公用工程物流流晕控制、分流比控制以及旁路控制。并采用启发式规则得出分流比不应作为过程控制的操作变量，而旁路控制的问题之一是如何权衡网络的经济效益和控制性能，选择合适的旁路位置。因而，目前对于换热网络的优化控制策略研究主要包括两种思路：控制性能指数分析法和旁路优化控制。2．1控制性能指数分析法Huang和Fan等【l2】应用模糊逻辑的思想，基于知识工程的方法，制定了匹

7、配规则，建立各物流的干扰度和控制水平表，求出网络结构的控制性能指数，然后把它加入到工艺设计目标函数中，使优化过程能沿着网络成本小和控制性能高的方向进行。但该方法得到的换热网络不是唯一的，物流数H愈多，匹配愈复杂，不利于大规模网络的合成。李志红【13】在Huang等的基础上，首先通过数学模型求解得到网络结构，然后由经验值确定具体换热网络的干扰矩阵，求得网络结构的控制性能指数，再加入工艺设计目标函数中，用改进的遗传算法进行求解，得到了换热网络的集成