第1章　緒論

在化工生產(chǎn)過程中，為了實現(xiàn)不同產(chǎn)品組分的分離，往往需要多種不同操作單元的協(xié)同配合。隨著設(shè)備的長期運(yùn)行，其中的一些操作單元會出現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的瓶頸，直接制約著整個系統(tǒng)產(chǎn)品的分離及能量的高效利用，通過操作條件的優(yōu)化已經(jīng)無法達(dá)到降低系統(tǒng)能耗的目標(biāo)。此時往往需要識別出系統(tǒng)的用能及分離的瓶頸，并根據(jù)瓶頸及瓶頸處操作單元的特性，采取相應(yīng)的設(shè)備改造措施，在設(shè)備改造后重新進(jìn)行設(shè)備操作條件的再優(yōu)化，其實施的基本思路如圖1.1中的路徑1所示。設(shè)備改造的措施往往費(fèi)用較高，且需要停工作業(yè)。相比之下，設(shè)備的流程重構(gòu)（結(jié)構(gòu)優(yōu)化）通過實現(xiàn)對設(shè)備流程的調(diào)整達(dá)到去瓶頸的操作，不但能避免停工作業(yè)，而且能降低設(shè)備的操作費(fèi)用。同時，對流程重構(gòu)后的系統(tǒng)的再優(yōu)化操作，能夠有效解決重構(gòu)后系統(tǒng)的操作條件最優(yōu)化的問題，其實施的基本思路如圖1.1中的路徑2所示。實現(xiàn)流程重構(gòu)與操作條件再優(yōu)化的輪換操作，能夠同時獲得去瓶頸和操作條件優(yōu)化的雙重功效，是一種有效地降低系統(tǒng)能耗的措施。路徑2的方法更加方便且易于在線操作和實現(xiàn)系統(tǒng)的周期循環(huán)優(yōu)化。

由于精餾功能的特殊性，是一項重要的分離技術(shù)，因此在整個過程工業(yè)中約占全部流體分離操作的95%^［1］。精餾塔的分離效率及節(jié)能同時受到冷凝器和再沸器等外部操作參數(shù)以及塔板的分離效率等內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響^［2～6］。傳統(tǒng)的精餾塔分析主要集中于對精餾塔節(jié)能的研究，在相同的分離指標(biāo)下使得塔頂和塔底的能量消耗最小。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高效塔板的不斷出現(xiàn)，已證實改造塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)是有效改變精餾塔分離效率的措施^［7～9］，然而這種改造操作的成本較高并且施工不便。考慮到上述諸多因素，探索在不改變精餾塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，又能提高精餾塔的用能效率的措施顯得尤為重要。精餾塔在設(shè)計之初是根據(jù)分離進(jìn)料的狀態(tài)（流量、組成等）來選擇進(jìn)料位置，其參數(shù)往往是合理的。但隨著裝置的運(yùn)行，塔內(nèi)部的結(jié)垢或者進(jìn)料組成及流量的差異，在原始的進(jìn)料位置保持不變的條件下，這樣的進(jìn)料位置就可能導(dǎo)致精餾塔內(nèi)部的傳熱/傳質(zhì)的異常，塔板的利用效率隨之下降，對于含有多股進(jìn)料的精餾塔來說，這種變化會更加明顯。例如本書所涉及的具有質(zhì)量交換的換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)——乙烯裂解過程脫甲烷塔裝置，其中傳熱單元實現(xiàn)冷熱交換，閃蒸單元實現(xiàn)粗分，而精餾塔同時完成質(zhì)量交換和能量交換，進(jìn)而實現(xiàn)輕重組分的精細(xì)分離，基本流程如圖1.2所示。如何找到這些影響精餾塔內(nèi)部傳熱/傳質(zhì)的進(jìn)料位置，尤其是對于多股進(jìn)料的精餾塔，如圖1.2中的四股進(jìn)料脫甲烷塔，并實施流程重構(gòu)對進(jìn)料位置進(jìn)行調(diào)整來降低其影響，進(jìn)而實現(xiàn)整個裝置的節(jié)能和產(chǎn)品的分離效率的提高。

從研究對象的選擇方面來說，具有質(zhì)量交換的換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是同時包含換熱網(wǎng)絡(luò)和精餾塔質(zhì)量交換單元的系統(tǒng)。換熱網(wǎng)絡(luò)的輸出會直接影響到精餾塔的進(jìn)料狀態(tài)，兩者具有很強(qiáng)的相關(guān)性，并且精餾塔的進(jìn)料狀態(tài)會嚴(yán)重影響其內(nèi)部氣相和液相的分布規(guī)律，進(jìn)而影響到后續(xù)操作單元中最終產(chǎn)品的分離。為了較為準(zhǔn)確地分析組合系統(tǒng)內(nèi)部各個單元之間的相關(guān)性及相互的影響，在對象的選擇時應(yīng)該同時包含精餾塔和換熱網(wǎng)絡(luò)，并將同時具有質(zhì)量交換和能量交換的精餾塔以及有能量交換的換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為研究對象。換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)決定了精餾塔的進(jìn)料條件，然而本書的側(cè)重點并不在于換熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造方面，而是討論在其提供的進(jìn)料條件下精餾塔進(jìn)料位置流程重構(gòu)的識別及設(shè)計問題，從精餾塔的角度去探索精餾塔系統(tǒng)的能量使用、瓶頸的識別及去瓶頸的方法，為進(jìn)料位置的在線流程重構(gòu)的實施提供理論依據(jù)。

從改造策略方面來說，與常規(guī)改造精餾塔的措施相比，在不改變精餾塔塔板結(jié)構(gòu)的前提下，研究精餾塔內(nèi)部的傳熱/傳質(zhì)機(jī)制，分析制約精餾塔能量利用的瓶頸，研究進(jìn)料位置對于內(nèi)部傳熱/傳質(zhì)的影響規(guī)律，進(jìn)而在分離負(fù)荷發(fā)生變化時，能夠為進(jìn)料位置調(diào)整的流程重構(gòu)的設(shè)計提供合理的依據(jù)。對進(jìn)料位置調(diào)整的流程重構(gòu)策略完全可以在非停車的情況下進(jìn)行，能實現(xiàn)根據(jù)需求及進(jìn)料的變化在線對系統(tǒng)內(nèi)部的流程進(jìn)行重構(gòu)操作，使得在動態(tài)調(diào)整過程中塔板的使用效率最大化，這不但有助于降低操作成本，而且能夠獲巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在精餾塔的設(shè)計之初，設(shè)計人員往往對于同一股進(jìn)料設(shè)置了多個備用的進(jìn)料位置，進(jìn)而在進(jìn)料狀態(tài)變化時，操作工可以根據(jù)需要對其實現(xiàn)進(jìn)料位置的切換。與單股進(jìn)料的精餾塔相比，多股進(jìn)料的精餾塔的進(jìn)料位置切換更加復(fù)雜。因此，在不對生產(chǎn)過程產(chǎn)生較大擾動的條件下，根據(jù)進(jìn)料的差異去實現(xiàn)進(jìn)料位置的在線流程重構(gòu)是一個需要重點研究的問題。

從最優(yōu)操作條件方面來說，經(jīng)過設(shè)備改造的系統(tǒng)，設(shè)備的穩(wěn)態(tài)工作點往往會發(fā)生改變，原始的條件不一定適合當(dāng)前新系統(tǒng)，設(shè)計人員進(jìn)而會對其再進(jìn)行操作條件的優(yōu)化，得到新系統(tǒng)的最優(yōu)操作條件，這就是常見的設(shè)備改造與操作條件再優(yōu)化的結(jié)合問題。類似地還有進(jìn)料位置調(diào)整的流程重構(gòu)問題。流程重構(gòu)是從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度去除系統(tǒng)中存在的瓶頸，但這種重構(gòu)并不能夠保證整個系統(tǒng)的操作條件最優(yōu)。重構(gòu)后系統(tǒng)仍需要進(jìn)一步的操作優(yōu)化，以獲取結(jié)構(gòu)參數(shù)變化后新系統(tǒng)的最優(yōu)操作條件。在仿真裝置上的優(yōu)化策略的實現(xiàn)對于在實際裝置上的再優(yōu)化操作是一種有效的嘗試，并且能夠消除其對正常的生產(chǎn)指標(biāo)和生產(chǎn)進(jìn)度的影響，這是一個重要的研究課題。本書將在模擬實際脫甲烷塔裝置的仿真模型上，根據(jù)流程重構(gòu)后的裝置，研究操作條件再優(yōu)化的具體實施方法及優(yōu)化問題的現(xiàn)場求解策略，為實際裝置的在線優(yōu)化及在線流程重構(gòu)的實施提供一種可行的經(jīng)驗方法。

從控制策略方面來說，根據(jù)生產(chǎn)過程的要求，生產(chǎn)過程往往包含多個生產(chǎn)指標(biāo)，其中包含參數(shù)要求較為苛刻的指標(biāo)（濃度和溫度）和符合一定的范圍即可滿足生產(chǎn)需要的寬泛指標(biāo)（液位）。對于苛刻指標(biāo)，通過控制手段即可滿足要求。對于除此之外的指標(biāo)，通過控制當(dāng)然可以滿足條件，但控制器的設(shè)定值不同導(dǎo)致了輸出變量的不同，進(jìn)而會導(dǎo)致能量的浪費(fèi)，達(dá)不到能量使用的最優(yōu)化，因此在控制苛刻變量的同時需要考慮系統(tǒng)內(nèi)部其他變量的優(yōu)化，使得整個系統(tǒng)的能量利用最優(yōu)，即采用控制與協(xié)同優(yōu)化相結(jié)合的控制方法。同時，隨著現(xiàn)代化工廠對于自控率水平要求的不斷提高，實現(xiàn)進(jìn)料位置的自動在線流程重構(gòu)中對關(guān)鍵指標(biāo)的控制也是應(yīng)該著重考慮的問題。若能夠直接進(jìn)行進(jìn)料位置的在線流程重構(gòu)，將在很大程度上解決進(jìn)料條件變化的問題，既能在保障產(chǎn)品質(zhì)量的同時降低系統(tǒng)的操作成本，又能減輕操作人員的工作負(fù)擔(dān)。

因此，本書主要研究具有質(zhì)量交換的換熱網(wǎng)絡(luò)的流程重構(gòu)設(shè)計、識別及操作條件再優(yōu)化的相關(guān)方法，并以乙烯裂解過程脫甲烷塔裝置為例，根據(jù)圖1.1實現(xiàn)流程重構(gòu)的基本思路，給出解決脫甲烷塔系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方法實施的基本框架，如圖1.3所示。

為了實現(xiàn)對所提方法的研究，首先應(yīng)對脫甲烷塔裝置進(jìn)行建模及仿真，并有效解決缺少工業(yè)裝置數(shù)據(jù)來源的限制以及對所提方法有效性的驗證問題。其次，針對脫甲烷塔裝置，對于給定的裝置進(jìn)行進(jìn)料的瓶頸識別，找到影響內(nèi)部傳熱/傳質(zhì)的進(jìn)料瓶頸，再采用進(jìn)料位置流程重構(gòu)的方法來盡可能地去除進(jìn)料瓶頸對脫甲烷塔的物料分離及能量利用的影響。重構(gòu)后的系統(tǒng)隨著設(shè)備的長期運(yùn)行會存在結(jié)垢等情況，導(dǎo)致進(jìn)料條件的改變，需要對其進(jìn)行操作條件的再優(yōu)化。

本書基于乙烯裂解過程脫甲烷塔裝置，在流程重構(gòu)的設(shè)計、識別及操作條件的再優(yōu)化研究方面主要有以下研究內(nèi)容。

①考慮到應(yīng)用實際裝置開展相關(guān)課題研究較為困難，在對脫甲烷塔裝置內(nèi)部各部分模型的特點及難點分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對整個脫甲烷塔裝置平臺的建模，并對其進(jìn)行仿真驗證。針對精餾塔內(nèi)部傳熱/傳質(zhì)的規(guī)律，提出一種精餾塔內(nèi)部傳熱/傳質(zhì)組合曲線的構(gòu)建方法，以圖示法來呈現(xiàn)精餾塔內(nèi)部異常的傳熱/傳質(zhì)的瓶頸，并將其與進(jìn)料位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)，給出進(jìn)料瓶頸的識別方法。以乙烯裂解過程中的關(guān)鍵過程多股進(jìn)料脫甲烷塔為例，采用上述方法對其進(jìn)行了進(jìn)料瓶頸分析，探索系統(tǒng)的進(jìn)料瓶頸。根據(jù)調(diào)整瓶頸進(jìn)料位置后塔內(nèi)部的傳熱/傳質(zhì)分布的變化，給出脫甲烷塔裝置調(diào)整進(jìn)料位置的流程重構(gòu)方法。脫甲烷塔裝置的仿真對比驗證了裝置平臺模型的準(zhǔn)確性。通過對脫甲烷塔裝置進(jìn)料瓶頸的識別及進(jìn)料位置的流程重構(gòu)方法的應(yīng)用，無論是對產(chǎn)品質(zhì)量的改變，還是對處理量的調(diào)整，所提方法均能有效降低多股進(jìn)料脫甲烷塔系統(tǒng)的能耗。

②針對流程重構(gòu)后多股進(jìn)料脫甲烷塔裝置操作條件的設(shè)置問題，新舊操作條件之間可能存在差異，并且新系統(tǒng)操作條件并非最優(yōu)操作條件而導(dǎo)致系統(tǒng)能量的損耗過大，因而流程重構(gòu)后需要對設(shè)備重新進(jìn)行操作條件再優(yōu)化。提出脫甲烷塔裝置的核心流程的單塔優(yōu)化和考慮進(jìn)料條件的復(fù)合塔優(yōu)化的具體實施方法。分別從單塔優(yōu)化和復(fù)合塔優(yōu)化的角度出發(fā)，采用單變量分析法尋找關(guān)于系統(tǒng)能耗的操作變量，根據(jù)系統(tǒng)的能量利用指標(biāo)分別選擇脫甲烷塔的冷量消耗及甲烷壓縮機(jī)功率作為單塔與復(fù)合塔優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，采用正交試驗的方法尋找系統(tǒng)的最優(yōu)操作變量。通過兩種方案的對比，復(fù)合塔優(yōu)化所帶來的系統(tǒng)的節(jié)能效率要比單塔優(yōu)化高，因而對系統(tǒng)進(jìn)行操作優(yōu)化應(yīng)該將復(fù)合塔系統(tǒng)作為對象進(jìn)行研究。

③多股進(jìn)料脫甲烷塔是整個裝置中的核心操作單元，其控制策略對于產(chǎn)品的分離和能耗具有重要的影響，引入過程控制與協(xié)同優(yōu)化相結(jié)合的策略來實現(xiàn)系統(tǒng)能量的合理利用。同時，針對流程重構(gòu)中的進(jìn)料位置切換的問題，又討論了進(jìn)料位置切換與控制指標(biāo)切換的控制問題。以雙入雙出系統(tǒng)為例，探討了主被控變量通過控制器實現(xiàn)目標(biāo)指標(biāo)控制，并且次要被控變量采取優(yōu)化的方法，得到在系統(tǒng)能耗最低條件下最優(yōu)的控制策略。另外，通過對進(jìn)料位置切換進(jìn)行了動態(tài)分析，并且在常規(guī)的控制策略下分析塔頂塔底的控制效果，提出了塔頂控制指標(biāo)與進(jìn)料位置切換的分步與同步控制，并對控制效果及系統(tǒng)的能耗進(jìn)行了對比分析。