（模式识别与智能系统专业论文）热泵精馏过程的建模与控制研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 精馏过程是流程工业里面最重要的单元操作之一，同时也消耗了大量的能源。为了 提高精馏过程能源利用的效率，人们提出了热耦合、热集成、热泵等节能措施。热泵 精馏过程回收塔项蒸汽的热量，通过压缩机压缩提高能量的品位，用于加热塔釜物料， 从而节省了塔釜加热蒸汽，达到提高能源利用效率的效果。精馏过程本身就是一个比 较复杂的多变量耦合过程，加入热泵后耦合更加严重，不稳定性增强，控制的难度变 大。此外，精馏过程加入热泵以后，系统变得的复杂，操纵变量变多。在这种情况下， 为过程确定合适的控制结构和工作条件从而达到操作优化，依靠启发式的方式进行选 择已经变得比较困难。本文在热泵精馏模型化的基础上，分析了塔顶蒸汽压缩型热泵 精馏过程的特性，并研究了过程控制与优化的一些问题。本文的主要内容可以概括如 下： 1 综述了精馏过程节能的方法和原理，重点阐述了热泵精馏过程节能的原理以及 热泵精馏过程的各种结构。阐述了复杂多变量工业对象控制结构设计的问题。 回顾和分析了热泵精馏过程设计、控制和优化方面已有的研究工作。 2 对塔顶蒸汽压缩型热泵精馏过程，建立了严格的动态机理模型，并在m 枷a b 上实现了仿真求解，分析了系统工作点随操作条件变化的偏移情况。 3 通过与传统精馏过程的比较，研究热泵精馏过程与传统精馏过程在系统稳定性， 抗干扰性等方面的差异。 4 在动态机理模型的基础上，应用自优化控制的思想，为热泵精馏过程选择了合 适的被控变量，进而确定了相应的控制结构和操作条件，在此基础上，考虑控 制系统的动态性能以扩展自优化控制的内容。 最后，总结了全文的工作，并对热泵精馏过程的建模、模型计算以及复杂多变量工 业过程的控制结构选择问题提山了看法。 关键词：热泵精馏塔建模自优化控制 浙江走学硕士学位论文 a b s t r a c t d i 鲥l l a t i o no p e r a t i o n sa r eo fg r e a ts i g i l i f i c a n c ef o rp r o c e s si n 血s n yh o w e v e r ，t h e ya l s o c o n s u m eq u i t eal o to fe n e r g y t t a d i t i o n a ld i s t i l l a t i o no p e r a t i o n sa r en o te m c i e n te n o u g ha i l d c o n s i d e r a b l ee n e r g yi sw 嬲t e di nv a i n h e a tp u m pa s s i s t c dd i s t i l l a t i o ni so n eo ft l l ee f l e c t i v e 印p m a c h e si n 仃o d u c e dt os o l v et l l i sp r o b l e m a 矗c rc o m p r e s s e d ，廿l ec o l u m nt o pv 印o rc a nb e u s e dt ov a p o r i z em a t 耐a li nm eb o t t o mo fc 0 1 u m n i nt l l i sd i s t i l l a t i o nc o l u n m ，e n e r g yi s p 1 1 n 叩e d 丘o mt h et 叩o ft l l ec o l u m n ( 1 0 wt e m p e r a t i l r e ) t ot h eb o t t o mo ft 1 1 ec o l u m n ( h i 曲 t e m p e r a t i l r e ) s oa st om a i n t a i nt l l e c t i o no fc o l u 砌h o w e v e lc o l u n l ne q u i p p e dw i t l lh e a t p u m pw i l lb em o r ec o u p l i n g 粕du 1 1 s 忸b kc o r n p 撕n gw i m 仃a d i t i o n a lc o l u f l l n 1 1 1 u s ，“g o e s m o r ed i f f i c u l tt os e l e c tp r o p e rc o n 订0 1s 协】c h l r ea i i d 叩e 阳痂唱p o i n t si nah e i l r i s t i cl n 撇e rt o m a k et l l eo p e m t i 彻0 p 由1 a 1 1 1 1t h i st h e s i s ，c o n t r 0 1a n do p t i m i z a t i o no f h e a tp 啪pa s s i s t e d d i s t 丑l a t i 伽j ss t l l d i e db a s e do nam e c h 柚i s mm o d e l t h em a i l lw o r k sa r ea sf - 0 l l o w s ： 1 c h a p t e r1d j s c u s s e ss o m ep f a c t i c a lm e l h o d su s e dt os a v e e n 前醪t h e p 矗n c i p l e 柚ds c h e m a so fh e a tp 眦1 p 嬲s i s t e dc o l u m nw i l lb ed i s c u s s e da ti e n g m a l s o ，c o n 仃d ls t 九l c n 】r ed e s i g no fc o m p l e xm u l t i - v 嘶a b l ep m c e s s e sw i l lb e i n 仃o d u c e dh e r e 。p r e v i o u sw o r ko nd e s i g n ，c o n l r o la n d 。p t i m i z a t i o no f h e a tp u m p a s s i s t e dd i s t i l l a t i o np r o c e s sw i l lb es y n t h e s i z e dt l l e r e 2 c h a p e r t2d i s c u s s e st h em o d e l i n go f v 印o rr e c o m p r e s s i o nh e a tp 啪pa s s i s t e d d i s t i l l a t i o nc o l u m ni 工lam e c h a n i s m w a y tt h e6 r s tp r i n c i p l em o d e lc a nd e s c r i b e m ed ”a m i cb e h a v i o ro ft 1 1 ec o l u m i la l s o ，t h en u m e r i cc a l c u l a t i o no ft l l em o d e l w i l lb ee x p a t i a t e dt h e r e 3 c o m p a r i n gw i t ht h e 自r a d i t i o n a ld i s t i l l a t i o nc 0 1 u m n ，s y s t e md y n 锄i cc h a r a c t e ro f t h eh e a tp u i n pa s s i s t e dc o l u m nw i nb ed i s c u s s e df l l l l y 试c h a p t e r3 s t e a d y s t a t ce x c u r s i o no fh e a tp u m pa s s i s t e dd i s t i l l a t i o np r o c e s sc a u s e db y0 p e m t i n g p o i n ts h i nw 订la l s ob ea n a l y z e dt 1 1 e r e 4 c h a p t e r4w i l l s e l e c ts e l f _ o p t i m i z i n gc o n 订o ls t m c t i l r ea i l do p e r a 廿n gp o i n tf o r t h eh e a tp u m pa s s i s t e dc 0 1 u m nb a s e do ni t sf i r s t - p r i n c i p l em o d e l a 1 s o ，d y n a m i c p e r f b m a n c ew i i lb ec o m p a r e db e t w e e nd i 丘b r e n tc o n t r o ls t m c t l l r e si no r d e rt o i i 浙江太学硕士学位论支 e ) 巾a n dt h ec o n c e p t i o no f s e l f - o p “m i z 证gc o n 扛0 1 f i n a l l y ，t h e 、o r ko ft l l i st h e s i si ss u m m a “z e d a l s o ，s o m ec o 咖e n t sa l l dp r o s p e c t sa r e m a d eo nt l l em o d e l i n 昌n u m 甜cc a l c u l a t i o na n dc o n 仃0 1s y s t e md e s i 即p m b l e m sa b d u t c o m p i e xm u l t i v a r i a b l ep r o c e s s e s k e yw o “s ：h e “p u m pa s s i s t e dc o l u m n ，m o d e l i n g ，s e l f - o p t i m i z i n gc o t r o l i i l 浙江大学硕士学位论文 致谢 值此论文即将完成之际，谨向我的导师金晓明副教授致以崇高的敬意和衷心的感 谢! 在这两年的学习研究生活中，一直得到了导师的亲切关怀和悉心指导。金老师严 谨的治学态度、敏锐的洞察力、饱满的工作热情以及对于事业孜孜不倦的追求是我一 牛学习的榜样。 衷心感谢王树青教授的关怀和指导。土老师开阔的思维和睿智达观的人生态度，经 常给予我很多扁示。 衷心感谢张建明副教授、王宁研究员、张泉灵副研究员和来国妹女士在学习和生活 上给予我的指导和帮助，你们的为人处事和对科研的严谨态度使我受益匪浅。 在我的学习科研中，师兄李奇安博士、苏成利博士、徐伟民硕士、郭超硕士、阚晓 旭硕士，师姐祝雪妹博士、陶吉利博士，同学杜鹃、吴献东、潘文斌、曾建武等给予 了很多帮助，在此表示诚挚的感谢。 感谢陈雪丽、智力、潘彩霞、付秀云、谢懿、江文德、董胜利、黄亮、张日东、黄 少锋、孙磊、李双彬以及3 1 3 房间里面的每一位同学感谢你们给我的牛活里带来了 很多快乐和回忆。 特别要感谢窜友林守锋、潘海锋、胡惊，和你们一起度过了很多快乐的日子，这些 美好时光将会永远留在我的记忆中。 我的父亲和母亲在我求学期问始终给予我最坚定的支持，他们默默地教会我做事做 人的道理，他们的宽厚和支持是我持续前进的动力。他们所给予我的是我人生最宝贵 的财富。同时感谢我的妹妹，她的关心、支持和鼓励给予了我前进的动力。 真诚的感谢关心、支持和帮助我的所有老师、朋友和亲人们! 二零零六年五月于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 2 精馏过程的节能措施 从上个世纪的7 0 年代开始，随着全球范围内能源危机的爆发和环境保护要求的提 高，节能已经成为一个越来越受人们关注的问题。从引言的介绍中可以看出，化工行 业尤其是精馏过程占据了很大的能源消耗比例。研究者们从热动力学、优化操作等角 度，对精馏过程已经进行了大量的研究，也取得了很多研究成果。 精馏过程节能的一个基本思想就是将整个精馏过程考虑为一个系统，充分利用精馏 过程的冷流和热流进行换热，减少公用工程的使用量，避免有效能的浪费，提高热力 学效率。 为了降低精馏塔的能耗，人们采取了各种措施。这些措施大体可以分为以下两类： 第一类是对精馏塔结构本身进行改造。这种做法典型的有h u a n g 等7 1 中设计的一种理 想精馏塔j h i d c ( i n t e 丌1 a jh e a t1 1 l 蜒删e dd i s t i l l a t i o nc o l u m n ) ，其结构如图1 1 所示。 该精馏塔在进料位置将精馏塔截为精馏段和提馏段两段塔，利用两塔之间的热量耦合 达到节能的效果，凼此该理想塔又称为热耦合塔川。h 咖g 和q i 拍等人8 1 研究了该精 馏塔的稳态操作问题，r i 敬a m a t s u 等在文【9 中研究了该理想精馏塔的节能特性问题。这 种方法可彻底解决精馏塔的节能问题，但是采用这种方法需要重新设计精馏塔，因而 实施难度较大。 另外一类实现精馏过程节能的方法，是在传统精馏塔的基础上，通过改造塔的外嗣 设备或者外围结构来达到提高能源利用效率的目的。这其中包括热集成精馏系统 ( h e a t i n t e g r a t c dd i s t i l l a t i o nc 0 1 u 砌s y s 衄n ) 和热泵精馏系统( h e a tp u m pa s s i s t c dd i s t i l l a t i o n c o l u 础s y s l e m ) 等。 热集成系统又称为双效精馏系统( d o u b l e e 仃e c td i s t i l i a t i o ns y s t e m ) ，其中两种主要结 构如图1 2 ( a ) ( b ) 所示。热集成系统的节能依据是l i n n h o 廿的夹点分析理论【1 0 】。通过设 置高、低压两个精馏塔的操作参数，使得两个塔工作在不同的温度条件下，这样不同 温度的物流之间就能实现有效的换热，从而达到节能的效果。 此外，热集成还可以扩展到多股物流交换的情况，即构成了换热网络【“。14 】。 第一章综述 a b c 图1 1 理想塔( i d c ) 的基本结构 b f e l 前向热鬟成撵撵靠战f 缸w s r dt 啮t c h )b 硅筻向热熊啦操作靠式嫩e 曙e m a k 瓣 图1 2 热集成示意图 熟集成是非常有效的节能方式，据报道可节约能耗5 0 。l i n 等人在文 1 6 中研 究了一种带物料回收的热集成精馏问题，在该热集成结构下，性能可以提高4 0 。祝 雪妹在文 1 7 】中详细研究了热集成精馏系统建模、优化与控制的问题。 在各种节能措施中，热泵凼其节能效果显著而受到很多国家的重视，全世界安装的 热泵达到七位数之多1 ”。此外，热泵系统易于实施，可控性优于热集成系统，是较 为理想的节能方案。 但是从目前的研究现状看，从机理建模角度对热泵精馏过程的控制、优化命题进行 研究还比较少。本文将从热泵精馏过程的机理建模入手，围绕其建模、控制问题展开 研究。 浙江大学硕士学位论文 1 3 热泵精馏过程原理 1 3 1 热泵的起源和分类 热泵的产生和发展，可以追溯到十九世纪初期卡诺的研究论文。后来开尔文爵士提 出了当时被称为“热量倍增器”的系统，这个系统就是最初的热泵系统。该系统据称 可以只用直接采暖法3 0 的能量就可以产生同样多的热量【。 热泵系统在现实生活中非常普遍，最典型的如冰箱和空调。两者的共同之处都是将 热量从低温位转移到高温位，从而达到制冷( 对低温位) 或者制热( 对高温位) 的效果。据 统计1 9 9 6 年我国空调设备的总制冷能力约为2 0 0 0 万k w ，其中热泵型机组的制冷能力 约占6 0 【2 0 】，从中可见热泵的应用非常广泛。 热泵按照工质循环方式的不j 司，可以分为机械式蒸汽压缩热泵循环，吸收式热泵循 环等”】。关于其他类型的热泵，本文不多做介绍，这里将详细介绍一下用于热泵精馏 过程的机械式热泵系统的原理。 1 3 2 热泵原理分析 热泵不是永动机，和任何机械装置一样，它的运行满足热力学定律。热泵的原理可 以概括为用少量的高品位能量( 机械能、电能) ，来获取较多的低品位能量。通过外部输 入功，热泵把低温位的热量转移到高温位。高温位获得的热量是消耗的高品位能量和 吸收的低品位能量之和，这个热量往往可以达到输入功的4 倍以上。热泵的低温热源 可以取空气、水、土壤。当高品位能源的价格较低，如使用水电、核电的时候，应用 热泵非常合适。 热泵系统主要由压缩机械与膨胀器械两部分组成，图l _ 3 表示一种闭式热泵的结构。 在该结构中，低压蒸汽( 4 ) 经过压缩机的压缩，其温度和压力都得到提高。该蒸汽在冷 凝器处向外界放热，液化并放出一部分能量。经过减压阀以后，液体( 2 ) 变成二相混合 物( 3 ) ，之后经过蒸发器从热源吸热并彻底汽化，开始新的循环。 热泵的作用可以理解为以输入能量的代价，将热量9 c 从疋温位传送到珀温位。 热泵循环过程中工作介质的压力和温度变化情况如图1 4 所示。 第一章综述 匝圃n 冷凝器，绋 图1 3 闭式热泵结构图 缩桃 热泵系统中压缩机消耗的能量，它往往比提供给热阱的能量q h 少得多。可以定 义下面两个热泵性能系数来衡量热泵系统的效率一一制冷系数c d p c 和制热系数 c o 氏，奄 御一2 争= 措 ， 御。= 告2 精 n z ， 其中： i 一物流f 的热焓。 考虑有 q = q 。+ ( 1 3 ) ( 1 1 ) ( 1 2 ) 两式相减，得到 p = p 。+ l ( 1 4 ) 在热泵精馏过程中，主要考虑的是热泵系统制热的作用，所以后面所指的热泵性能 系数所指都是c d 只，亦简记为c d 尸。 考虑压缩机为理想压缩机，压缩过程为可逆过程，则c f d p 满足下面关系： c 0 p m 。= 击= 磊 ( 1 s ) 浙江太学硕士学位论文 热泵系统的性能主要体现在c o p 指标上。c 0 尸指标越高，则消耗相同压缩功可获 得的热量越多。从( 1 5 ) 式可以看出，热源和热阱之问的温差r 越小，矗越高，则c d p 指标越大，即热泵系统工作性能越好。热泵系统一般p 值在3 5 左右 2 1 。 图1 4 热泵循环原理图 1 3 3 热泵精馏过程基本原理 上面分析了热泵的工作原理，现在讨论一下热泵与精馏过程的关系。 精馏过程是用于分离均相液体混合物的一种常见的单元操作，其分离的依据是混合 物中各种组分的挥发度不同，其基本结构和能量传递如图1 5 所示。其中的虚线代表能 量的传递。为了实现组分分离，需要采取方法使得混合液体部分汽化或者气体部分冷 凝。混合液体汽化时，气相中所含的轻组分比例将比原混合液体中增高，即气相中轻 组分纯度变高；同样，混合气体冷凝时，冷凝液中重组分浓度将比气体重组分增高， 即液体中重组分纯度变高【2 2 】。通过串连若干这样的蒸发冷凝单元，在精馏塔两端就可 以得到高纯度的分离物。 为了实现蒸发和冷凝作用，精馏塔塔顶需要加入冷却环节，从塔顶物料蒸汽移去一 部分热量，让一部分冷却液回流；而精馏塔的塔爷需要增加加热环节，以产生蒸汽。 在传统的精馏塔结构中，这两个目的都必须通过消耗公用工程才能实现塔顶用 冷却水冷却，塔釜用加热蒸汽加热。可以看到，精馏过程是一个既需要制冷，也需要 制热的过程，联系1 3 2 节热泵的工作原理，对于单塔结构而言，热泵显然是非常合适 第一章综述 的节能结构。应用热泵后的精馏过程如图1 6 所示。 从后面章节的仿真结果可以更加清楚地的看到，热泵的使用能够大大提高精馏过程 中能源的利用效率，节省能源消耗成本，提高企业的经济效益。 公用 雁工稃 ” 图1 5 精馏过程及其热量传递示意图 图1 6 使用热泵的精馏过程能量传递示意图 1 3 4 热泵精馏过程的主要形式 热泵系统与精馏过程有多种结合的方式，n u l l 在文 2 3 中分析了电力驱动热泵系统 的结构问题，给山热泵精馏塔的三种主要结构，即塔顶蒸汽压缩型、外部工质型和塔 釜液闪蒸型。这三种热泵精馏过程的结构如图1 7 ( a ) ( b ) ( c ) 所示。 图1 7 ( a ) 外部工质型热泵精馏过程 图1 7 ( b ) 塔釜液闪蒸型热泵精馏过程 机 浙江大学硕士学位论文 缩机 图1 7 ( c ) 塔顶蒸汽再压缩型热泵精馏过程 外界工质型热泵精馏，又称为辅助循环型热泵精馏。在这种结构中，塔顶的能量传 递给辅助介质，辅助介质在塔釜释放能量，用于加热汽化物料，如图1 7 ( a 】所示。这种 热泵主要适用于精馏介质有腐蚀性的情况。 塔釜液闪蒸型热泵系统，是将塔底液体通过膨胀阎膨胀到合适的压力和温度，吸收 塔顶蒸汽的热量，该类型精馏塔见1 7 。 塔顶蒸汽压缩型热泵精馏系统，用压缩机将塔顶蒸汽压缩到较高的温度，在重沸器 中冷凝，用于加热塔釜物料，从而达到能量传递的效果。该类型的热泵精馏适合塔顶、 塔底温差小的精馏过程，其结构如图1 ，7 ( c ) 所示。这种结构不需要另外的工质，实施方 便。 苯一甲苯精馏过程塔顶、塔底温差较小( 在后面的仿真将能看到) ，适合使用塔顶蒸 汽压缩型热泵精馏过程。本文的研究即是针对塔项蒸汽压缩型热泵精馏过程，但是其 中的思想可以推广到其他热泵精馏过程。 1 4 热泵精馏过程的研究现状 热泵精馏过程由于其良好的节能性能，其设计、控制和优化已经引起了研究者们的 广泛关注和研究。 过程设计 l i n n l l o t r 在文【1 0 】中提出了夹点理论，通过温一焓图的分析，可以确定热力学系统 浙江赶学硕士学位论炙 一一级压缩和二级压缩，同时评估了两种结构的稳定性，分析了塔顶压力对于经济指 标的影响，发现在优化稳态点上，每年的经济成本只相当于传统精馏塔的6 3 。 f o n y o 和n 】a l l t 在文 3 5 】中针对c 4 分离过程，对吸收式热泵系统和机械式热泵系 统进行了研究。研究结果表明机械式热泵系统相对吸收式热泵系统c o p 较高，消耗的 水也很少，但是从总成本的角度来看，吸收型热泵更具有优势。c h u n g 在文 3 6 】中分 析了具有化学反应的热泵精馏塔优化设计问题。通过建立稳态模型进行仿真，发现反 应式热泵精馏塔热效率明显高于传统的热泵精馏塔。 国内研究情况 国内的研究主要集中在结构设计和性能分析上面。 朱平，梁燕波，冯霄”1 就酒精一水精馏分离过程，提出了一种可行的节能流程一 一分割式热泵精馏，并分析了该流程的实际应用特点。在该结构下，精馏塔分为小温 差的上塔以及小回流比的下塔。上塔不需要设置辅助再沸器，而可以用下塔的常规再 沸器替代。为了解决传统燃料乙醇生产中能耗大的问题，刘宗宽，顾兆林等在文 x 第一章综述 过程的控制问题。仿真结果表明，该类型的热泵精馏过程，可以对精馏塔和热泵系统 分别考虑控制问题。 综上所述，由于节能效果良好，热泵精馏过程在设计、控制、优化等各方面的研究 都吸引了众多研究者们的关注。但由于模型相对比较复杂，目前很多关于热泵精馏过 程的控制和优化的研究都是基于一些流程模拟软件，如a s p e np l u s 【2 4 】【3 6 】【3 9 】或者 p r o c e s s 【3 2 】上进行的，而不是基于严格的动态机理模型。建立热泵精馏过程严格 的机理模型，找到平稳的操作点，仍然值得深入的研究。 热泵精馏过程的最主要的优势体现在节能上，所以很多的研究工作优化指标都以热 泵的制热系数c o p 或者节能作为主要乃至唯一的衡量标准【3 l j 【3 2 j 【3 8 】。实际上应该看 到，热泵的引入对精馏产品的组成也产生了一定的影响。而产品组成的变化，将会影 响到经济效益。为了彻底分析这个问题，需要考虑整个精馏装置的经济效益。 对热泵精馏过程控制的研究，稳定性问题已经被比较详细的讨论1 2 8 】。但在控制结 构选择方面，仍然是基于一些传统的性能指标，如r g a 、c n 等。这些指标能够保证 系统有较好的动态响应性能，但是并不能保证系统操作的优化。如何选择控制结构和 操作条件，将优化与控制相结合，在控制中实现优化，仍然是十分值得研究的问题。 1 5 复杂工业对象的自优化控制 经济效益是企业的牛命所在，为了达到最大化，流程企业对产品的产量和质量必须 有良好的控制。要达到此目的，必须具备两个条件：其一是准确的过程模型；另外一 点，流程工业的控制系统要有良好的分层结构。一个化工厂的控制系统大概可以分为 下面四层 4 5 ： l e v e l3 一产品调度层 l e v e l2 一产品数量、质量优化层 l e v e l l 一过程的动态多变量控制层 l e v e l 0 一基本的整定控制层 各个层次之问对信息的敏感度不同，较高层如产品调度层，对于市场需求信息变化 敏感，而底层如p i d 控制层对生产中的干扰变化敏感。各个控制层次之间是通过被控 变量联系起来h ”。a 1 l d o w e r l 4 5 3 曾经指出，要获得真正的经济效益，只有通过上层f l e v e l 2 ) 的动态优化，给出最佳的经济运行方案的给定值来获得。 优化控制层计算出优化方案，作为下层系统的设定值，具体有图1 8 三种实施方法。 第一章综速 状态函数c ，在系统运行过程中保持函数c ( 坼恒定。当被被控过程干扰d 变化的时候， 操纵变量自动调整系统的状态，使得系统的状态达到较优的状态，而不需要针对干扰 在l e v e l 2 级别重新执行优化”。凶此自优化控制有的时候又称为反馈优化控制。 s k o g e s t a d 在文 4 7 】中进一步澄清自优化控制的概念，提出了三种选择自优化控制结构 的方法。其中一种方法是通过逐步分析，给出自优化控制结构选择的详细步骤。 自优化控制问题的关键，是选择合适的被控变量c 使得系统达到优化。 在控制工程中，控制方案的性能评价指标很多，如n i d e r l i n k s k i 的m 指数【4 引可用 于评价系统稳定的条件；m o r 鲥弹性指数( m o m r ir e s i l i e n c e1 1 1 d e x ，m r d 反映了控制 系统处理干扰和模型不匹配等问题的能力：条件数f c m 反应了系统是否容易控制： r 6 h 反应系统耦合程度口。但是在如何选择被控变量c 使得系统保持优化这个问题上， 可以发现这些指标都不能提供帮助。 罩 赧 噬 篷 图】9 在保持设定值恒定的情况。f 的损失 被控变量c 的选择，是通过代价函数的定量计算得到的。s k o g e s t a d 选择损失函数上 作为被控变量c 的评价指标m ，三定义为 三= ，( d ) 一，。叫( d )( 1 6 ) 其中：l ，。( d ) 一在干扰d 发生时，保持c 恒定时系统的代价函数， ，。( j ) 一在干扰d 发生时，重新优化后系统的代价函数。 严格地说，评价指标应该取d 变化时损失函数的积分值，即 上= r ，。( f ) 一，。( f ) 】出= r ( “，d ( f ) ) 衍 ( 1 7 ) 浙江大学硕士学位论文 其中d m 是在【o ，t 】时问区间内变化的干扰量，l ，叫( f ) 表示保持c 恒定时，系统瞬时的 代价函数，j 。卸) ( f ) 表示在干扰俐情况下最优的系统代价函数e 其中的干扰d 可以是能源价格、产品规格、物料供应等的波动变化。由于干扰比较 多，将所有的情况一一列举不大现实也不太必要。实际的处理方法是定义一组典型的 干扰情况集合d ，寻找在集合d 下系统达到稳态时损失函数最小的被控变量c 。这是 【划为控制系统的经济性能主要是由稳态指标决定的【4 7 。 其中代价函数( c o s t f u n c t i o n ) j 可以定义为： j ( “，x ，d ，y )( 1 8 ) 其中：“一过程的输入变量， z 一过程的状态变量， d 一过程的干扰变量， v 一过程的输出变量。 而过程的状态变量x 以及过程的输出y 常常又是输入“和干扰d 的函数，即 x = x ( “，d ) y = y ( ，d ) ( 1 _ 9 ) 所以j 又可以写作 j = ，( “，石( ，d ) ，d ，y ( “，d ) )( 1 1 0 ) 图1 9 表示干扰d 变化时分别保持两组被控变量c j 、c 。恒定，系统的实际代价函数 与在于扰d 下对系统重新优化后的代价之问的关系。从图1 9 中可以看出，在干扰变化 时，保持o ，恒定所造成的损失比保持c j 。恒定的损失大。因此如果选择c ，作为被控变 量，在干扰矗发牛的时候，系统性能将优于选择。作为被控变量。自优化控制的问题 首先就是要寻找能使在干扰变化下损失最小的一组被控变量c 【4 ”。 本文给出自优化控制结构选择的一个数学描述： 绘定存隈被控变量集c c s 和有限的攥纵变量集u u q ，求得c 内的一 个子集己翻u 的一个子集d 曲双射讯竣及己的一缀设定值己。使得对干扰集合d 蠢吉，系统的损失函数l v d d ，| 可蕊，s ， ( 1 1 1 1 第一章综述 当c 斗cs 时 t ( d ) 斗m i n 其中：5 一系统状态的集合， 0 一系统所有操纵变量的集合。 ( 1 1 2 ) s k o g 。s 诅d 基于系统损失函数给出了选择被控变量c 的步骤h ”。 s t e p1 ：自由度分析， s t e p2 i 代价函数和约束， s t e d3 ：干扰选择， s t e d4 ：优化， s t e p5 ：评价候选控制变量， s t e p6 ：评价损失， s t e p7 ：选择被控变量。 本文将按照此步骤，逐步评价，为热泵精馏过程选择一个合适的控制结构和操作条 件。 1 。6 本文组织结构 本文针对1 4 节热泵精馏过程研究现状，主要研究和解决以下问题： 1 塔顶蒸汽压缩型热泵精馏过程机理模型的建立和求解。本文的研究对象是塔顶 蒸汽压缩型热泵精馏过程。其控制和优化工作都是基于精确的机理模型而展开 研究的，模型的建立是整个研究工作的核心。采用系统分治的方法，将热泵精 馏过程划分为精馏过程和热泵传热过程两个子系统并分别进行机理建模。模型 建立后，在m a na b 仿真平台上实现对杌理模型的数值求解。 2 塔顶蒸汽压缩型热泵精馏过程的是在传统的精馏过程基础上，加入热泵系统构 成。热泵系统在外部为精馏塔引入了一个快速的能量通道，这将使得热泵精馏 过程的一些特性与传统的精馏过程有所不同。此外，热泵精馏过程与传统精馏 过程相比，操纵变量和状态变量都变多。这些额外的系统变量之间的动态特性 也需予以分析。 浙江大学硕士学位论文 3 热泵精馏过程的控制策略的确定。热泵精馏过程的操纵变量和被控变量增加， 为了给精馏过程选择合适的控制策略，应用自优化控制的思想，以经济效益最 大化为优化目标，选定了热泵精馏过程的被控变量，进而确定精馏过程的控制 结构。自优化控制结构反映的是系统控制稳态后的情况，为了综合评价选定控 制结构的性能，用动态仿真的方法，分析了候选控制结构的跟踪性能和抗干扰 性能。最后选定了热泵精馏过程的控制策略。 本文共有5 章。 第一章对精馏过程的节能技术予以介绍，并对热泵精馏过程的原理和结构加以阐 述；在综述热泵精馏过程的建模、控制与优化方面的研究工作之后，介绍了自优化控 制的基本思想。 第二章介绍热泵精馏过程的建模以及仿真模型的求解问题。热泵精馏过程主要包括 精馏和热泵换热两块。为了能够建立热泵精馏过程的机理模型，一方面要对精馏过程 相当了解，另一方面要了解热力学原理，搞清压缩过程和换热过程等热力学过程。此 外热泵精馏过程的数学模型规模较大形式复杂，要获得解析解几乎不可能。此时就需 要将其程序化从而实现数值求解，才能用于分析热泵精馏过程的特性。 第三章分析了热泵精馏过程工作点随着干扰和操纵条件变化的偏移特性。对比传统 精馏过程，研究热浆精馏过程与传统精馏过程在系统稳定性，抗干扰性等方面不同的 系统特性。 第四章丰要研究热泵精馏过程的自优化控制问题。通过逐步评价的方法，基于经济 效益损失函数的评估，为热泵精馏过程选择合适的控制结构。在此基础上进一步评价 了系统抗干扰 x 第一章综述 2 0 0 l ，2 2 ( 1 2 ) ：1 9 2 2 、 4 】d i e h lm ，b o c kh g ，s c h l o d e rj p ，f i n d e i s e nr ，n a g yz ，a l g o w e rf r e a l t i m e 叩t i m i z a t i o n a n dn o n l i n e a rm o d e lp r e d i c t i v ec o n 仃0 1o fp r o c e s s e sg o v e m e db y d i f r e r e n t i a l a l g e b m i ce q u a t i o n s j j o 啪a lo f p m c e s sc o n t m l ，2 0 0 2 ，1 2 ( 4 ) ：5 7 7 - 5 8 5 5 】k 啪c a ns a p p l i c a t i o no fan o n l i n e a rl o n gm g ep r e d i c t i v e c a n 打o lt oa p a c k e d d i s m l a t i o nc 0 1 u 砌四，c h 咖e n g p r o c ，2 0 0 3 ，1 1 ( 7 ) ：7 3 3 7 6 4 6 】q i ns j ，b a 电w e uta a 虬v e yo fi n d u s m a lm o d e lp r e d i c t i v ec o n 仃o l t e c h l l o l o g y j c o n t r 0 1e n g i n e e r i n gp m c t i c e ，2 0 0 3 ，ll ( 7 ) ：7 3 3 7 6 4 7 】h u a gk j ，z h a i ld z ，n a k a i 啪m ，t a k a m a t s utm o d e l i n g 如da a l y s i so fi n t c m a l h e a ti t e g r a t e dd i s t i l l 撕o nc o l 咖s j c h i n e s ej o f c h e i n i c a le n g ，1 9 9 9 ，7 ( 1 ) ：6 7 7 6 8 】h u a n gk j ，q j 卸j x ，s t e a d y s 诅t e 叩e r a t i o na n a l y s i so fa nl d c a lh e a ti n t e g r a t e d d i s m l a t i o nc o l u 瑚 j c h i n e s ej o f c h e m e n g ，1 9 9 7 ，5 ( 4 ) ：3 2 5 3 3 6 9 】t a k 枷a t s ut ，n a k a i w am ，h u a n gk ，a k i y at ，n o d ah ，n a k a n i s h it ，a s ok s i m u l a t e d 嘶e n t e dd e v e l o p m e n to fan e wh e a t1 1 l t e 肿t e dd i s t i l l a t i o nc o l u 衄a n di t s c h a r a c t 嘶s t i c sf o re r g ys a v i n g j 】c o m p u t e r sc h e m i c a le g i n e e r i n g ，1 9 9 7 ，s u p p l ： 2 4 3 2 4 7 1 0 l i n n h o 仃b ，t o w n s e n dd w ，b 0 1 a n dd au s e rg h i d e 册p m c e s s1 m e g r a t i o f b rt h e e m c i e n tu s eo f e n e r 苫y 【m l 0 n d o n ：i i l s t i 枷o no f c h e m i c a le n g i n e e r s ，1 9 8 2 1 1 g o r a z ds ，p e t c rg a s i m p l em e m o df o rs y s t e m a t i cs y n t l l e s i so f t l l e 丌n a l l yi n t e g r a t c d d i s t i u a t i o ns e q u e n c e s j c h e m i c a le n g i n e e r 她j o 啪a l ，2 0 0 2 ，8 9 ：1 5 5 1 7 2 1 2 w h n gk f ，q i a ny ，y l l a ny ，y a opj s y n 也e s i sa n do p t i m i z a t i o no fh e a ti n t e g r a t e d d i s t i l l a t i o ns y s t e m su s i i l ga ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i 山m 【j c o i n p u t e r sa n dc h e m i c a l e n g i n e e 一g ，1 9 9 8 ，2 3 ：1 2 5 1 3 6 1 3 】荣奉光，韩方煜具有热集成精馏流程的综合一种知识与算法相结合的方法 j 青岛化工学院学报，1 9 9 8 ，1 9 ( 1 ) ：1 6 1 4 】陈中州，袁希钢，钟志军具有能量集成的非清晰精馏网络的最优综合 j 】计算 机与应用化学，1 9 9 7 ，1 4 ( 4 ) ：2 1 7 2 2 4 1 5 】e n g e l i e nh k ，l a r s s o n 一，s k o g e s t a ds i m p l e m e n t a t i o no fo p t i m a lo p e r a t i o nf o r h e a t i n t e g m t e dd i s t i l l a t i o nc 0 1 u m s j 】1 h n si c h c m e ，2 0 0 3 ，8 1 ：2 7 7 2 8 l 1 6 】l i ns w ，y uc c d e s 咖a l l dc o n 仃o lf o rr e c y c l ep l a i l t sw 曲h e a t i n t e 静a t e d ” 浙江走学硕士学位论文 s 印a r a t o r s 啊c h e m i c a le n g i n e e 血gs c i e n c e ，2 0 0 4 ，5 9 ：5 3 7 0 【1 7 】祝雪妹热集成精馏系统建模、优化与控制的若干问题研究 d 浙江大学博士毕 业论文，2 0 0 5 1 8 1 王厚才机械压缩式热泵系统设计计算与应用研究 d 大庆石油学院硕士毕业 论文2 0 0 2 1 9 m i z s e yp ，f o n y oz e n e r 科i n t e g r a t e dd i s t i l l a t i o ns y s t e md e s i g ne n h a l l c e db yh e a t p u 珂p i n g j 】d i s t i l l a t i o n 卸d a b s o i p t i o n ，1 9 9 2 ，1 c h e m e ，1 3 6 9 一1 3 7 6 2 0 李先瑞，朗四维热泵的现状和展望 j 北京节能，1 9 9 9 ，4 ：1 1 1 4 5 【2 l 】j o r s e nb ，s k o g e s t a d - s c o n t r o la n d 叩t i m a lo p e r a t i o no fs i m p l eh e a tp u i pc y c l e s e u r o p e a ns 珊p o s i 岫o nc o m p u t e ra i d e dp m c e s se n g i n e e r i n g 一15 【c ，2 0 0 5 2 2 】何潮洪，冯霄化工原理 m 科学出版社，2 0 0 1 【2 3 ) n u l lh p h e a tp 啪p si nd i s t i l l a t i o n 田c h e m e n g p m g 1 9 7 6 ，7 3 ：5 8 6 4 2 4 】r a n d cs ，c h a oy = i n d u s 砸a 1h e a tp 岣p s ：w h e r e 卸d 、v h e