基于全周期持续节能的换热网...窗口分析与裕量缓释优化控制_朱添宇.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期基于全周期持续节能的换热网络滑动窗口分析与裕量缓释优化控制朱添宇，孙琳，任超，罗雄麟（中国石油大学(北京)自动化系，北京 102249）摘要：换热网络是过程系统节能降耗的关键，对于给定换热网络其操作条件及生产要求等常发生变化，尤其是换热器普遍存在缓慢结垢现象，导致换热网络的运行参数偏离设计值，甚至难以满足生产操作要求。为此设计时一般留出一定的面积裕量，并通过旁路控制实现对面积裕量的在线调节。本文针对换热网络运行的全周期，以持续节能为目标，提出一种裕量缓释的优化控制方法。首先，针对换热网络整个运行周期，结合滑动窗口算法分析缓慢结垢现象与优化控制的关系，得出一种换热网络全周期持续节能的控制策略。然后，在划分的每个滑动窗口内以提高控制性能为目标，实现换热网络的在线优化控制。进而针对换热网络的全运行周期，以持续节能为目标，研究一种裕量缓释优化方法，优化求解每个窗口内可利用的换热网络面积裕量。最后，提出一种以全周期持续可控为目标的换热网络裕量缓释优化控制方法。结合实例说明采用本文提出的方法实现了全周期持续可控同时兼顾了各时间窗口内系统的动态控制性能。关键词：全周期；换热网络；滑动窗口；优化控制；裕量缓释中图分类号：TQ021.8 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1195-11Sliding window analysis and slow-release margin optimal control for heat exchanger networks based on full cycle sustainable energy savingZHU Tianyu，SUN Lin，REN Chao，LUO Xionglin(Research Institute of Automation,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)Abstract:The heat exchanger network is the key energy-saving equipment for chemical process systems.During the operation of the heat exchanger network,the production requirements and operating conditions often change,especially the phenomenon of fouling resistance in heat exchangers,which make the operation parameters of the heat exchanger network deviate from the set value and difficult to satisfy the operation requirements.The certain area margin is usually set in the design stage,and the bypass control is an important method to adjust the margin online.During the full cycle of heat exchange network operation,continuous energy conservation was taken as the optimization objective and an optimal control method of slow-release margin was presented.Firstly,according to the whole operation cycle of heat exchange network,combined with sliding window algorithm,the relationship between the fouling resistance and the optimal control was analyzed,and a control strategy of continuous energy saving in the whole cycle of heat exchange network was obtained.Then,the online optimal control of the heat exchanger 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0938收稿日期：2022-05-20；修改稿日期：2022-06-28。基金项目：中国石油大学（北京）科研基金（2462020YXZZ023）。第一作者：朱添宇（1998），男，硕士研究生，研究方向为系统工程。E-mail：。通信作者：孙琳，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为过程控制。E-mail：。引用本文：朱添宇,孙琳,任超,等.基于全周期持续节能的换热网络滑动窗口分析与裕量缓释优化控制J.化工进展,2023,42(3):1195-1205.Citation：ZHU Tianyu,SUN Lin,REN Chao,et al.Sliding window analysis and slow-release margin optimal control for heat exchanger networks based on full cycle sustainable energy savingJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1195-化工进展，2023，42（3）network was realized with improving the control performance in each sliding window.Considering the sustainable energy saving of the whole operation cycle of heat exchange network,the slow-release margin optimization method was proposed,the optimal solution of the available margin in each sliding window was obtained.Finally,a slow-release margin optimization control method for the heat exchanger network was proposed with the optimization of the continuous controllability target in the whole cycle.Results showed that the proposed method not only can realize the continuous controllability in the whole cycle but also considers the dynamic control performance of each sliding window.Keywords:full cycle;heat exchanger network;sliding window;optimal control;slow-release margin近年来，人们对能源产业中普遍存在的能耗问题越来越重视1，寻找合理的方法实现节能降耗，成为研究人员与学者关注的重点。据估计，全世界总能耗的80%以上都与传热相关2，换热器与换热网络是过程系统中主要的传热设备同时也是重要的节能单元3。换热网络在工业中的运行周期一般是3年左右4，在此期间各换热器管壁结垢热阻缓慢增大，与系统流量、温度等时变参数相比，结垢热阻因其慢时变特性，在短时间内对系统的动态响应造成的影响一般忽略不计。然而，当系统长周期运行时，结垢热阻不断增加，换热网络的传热效率逐渐降低5，系统工作点也逐渐偏离设计值，甚至无法满足工艺和操作要求。在换热网络设计阶段，考虑到操作条件变化、结垢热阻增大等因素的影响，设计人员会根据经验确定面积裕量，但这样设计的裕量往往难以满足工艺的操作要求，甚至会因裕量设计的不合理，增加投资费用，产生更严重的结垢现象6。对此，许多学者对换热网络的面积裕量设计进行了深入的研究。Zheng等7认为换热网络在实际生产过程中存在很多影响巨大的不确定情况，在裕量设计时要把这些影响因素考虑进来。Konukman等8提出面积裕量的设计问题可以转化为优化问题。Wang等9分析换热网络的结垢热阻指出面积裕量设计的大小与结垢热阻的大小有关。Shilling等10参考控制性能与经济性能，将得出的风险评估方法应用于求解裕量。文献11结合了3种常用换热网络裕量设计方法的优点，提出了一种更加完善的裕量设计方法。在换热网络裕量设计阶段的研究中，主要侧重于在稳态情况下分析操作条件的变化对换热网络的影响，而在换热网络运行的动态过程中，控制是在线调节面积裕量的重要手段12-13，其中旁路控制是应用最为广泛的一种控制方法14-15。Marselle等16为保证换热网络正常运行，阐述了弹性换热网络的概念并提出了一种合成弹性换热网络的启发式算法。Mathisen等17利用动态弹性以及启发式优化算法寻找合适旁路位置，从而满足换热网路的可控性。Uztrk和Akman18分析了满足换热网络柔性的面积裕量，同时考虑可控性以及工艺性，针对简单换热网络提出了一种旁路设计改造办法，但对于旁路数目未知以及结构比较复杂的换热网络系统而言，该方法可应用性相对较低。在考虑系统可控性之外，系统的控制性能也是学者关注的焦点 19。Luyben等20使 用 比 例 积 分 控 制（proportional integral control，PI）调节单个换热器的换热面积和流量，使系统的控制性能得到了提升。Delatore等21以提高控制效果为目标，采用设计简单的线性二次型调节器（linear quadratic regulator，LQR）对输出温度进行调节。Hernndez等22使用一种带动态干扰评估的 PI 控制器，运用奇异值分解技术（singular value decomposition，SVD），该方法较一般PI控制具有更好的控制效果。上述研究主要考虑过程系统的动态过渡过程，一般以提高动态控制性能指标为目标，但并不涉及换热网络的全周期持续可控与节能优化。在换热网络全周期运行过程中，为满足变化的生产操作要求，动态控制是在线调节面积裕量的有效手段。在换热网络的裕量设计阶段，面积裕量一般根据生产指标确定，在系统稳定运行的情况下得到，这个过程被称为稳态优化。相比于稳态优化，动态优化是在面对系统运行过程中因系统流量、温度等参数的变化对系统输出产生影响时，寻找控制变量的最优轨迹，保证系统的控制性能。在换热网络全周期运行过程中，系统还需兼顾结垢热阻这一慢时变参数的影响。在对换热网络进行动态优化控制的同时，考虑系统的慢时变过程，可以更好地实现系统的持续可控。根据结垢热阻缓慢变化的特点，可以将换热网络的全运行周期划分为多个时间窗口。滑动窗口的运行依靠流量控制，通过滑动窗口，可以将数据比较完整地记录下来23。根据已知 11962023年3月朱添宇等：基于全周期持续节能的换热网络滑动窗口分析与裕量缓释优化控制的数据用来分析窗口内所需要的未知数据，因此滑动窗口可以应用在很多领域里。杨世强等24把滑动窗口法