孫琳，楊明達(dá)，羅雄麟

（中國石油大學(xué)(北京)自動(dòng)化系，北京102249）

近年來，能源型生產(chǎn)的工業(yè)日益受到重視[1]，節(jié)約能源是解決當(dāng)前能源問題的重要途徑。據(jù)估計(jì)，目前世界范圍內(nèi)對(duì)能源的利用中，80%以上涉及傳熱過程[2]，這表明利用節(jié)能優(yōu)化方法對(duì)換熱器或換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到節(jié)能的目的是必要的。換熱網(wǎng)絡(luò)是連接工業(yè)過程和公用工程系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)[3]，一般是包含多個(gè)流股、多個(gè)換熱器以及各個(gè)流股間多次換熱的復(fù)雜、大時(shí)滯系統(tǒng)，因此涉及難以持續(xù)節(jié)能和控制的問題。

對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行裕量設(shè)計(jì)可以增加操作空間，合理的裕量設(shè)計(jì)能極大地提高換熱網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的投資費(fèi)用影響很大，運(yùn)行周期長的換熱網(wǎng)絡(luò)考慮裕量尤為重要。裕量設(shè)計(jì)目前可以分為定性分析和定量計(jì)算兩個(gè)方向，都有較多的研究成果。在定性分析上，Zheng 等[4]指出換熱網(wǎng)絡(luò)裕量設(shè)計(jì)需要考慮實(shí)際生產(chǎn)和操作中的不確定參數(shù)，滿足生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上確保換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)最優(yōu)。王傳芳等[5]指出換熱器設(shè)計(jì)裕量包括操作裕量、結(jié)垢裕量和控制裕量三部分，分析控制裕量的大小對(duì)換熱器設(shè)計(jì)的重要性。孫琳等[6]以單個(gè)換熱器為例，對(duì)旁路設(shè)計(jì)時(shí)操作裕量、結(jié)垢裕量和控制裕量展開分析，詳細(xì)說明設(shè)計(jì)裕量對(duì)旁路控制的重要性。定性分析只是為定量計(jì)算鋪墊一定的基礎(chǔ)，Richard 等[7]將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的分析方法引入到換熱網(wǎng)絡(luò)裕量設(shè)計(jì)上，定量地求解裕量設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[8]分別指出工程上常用的兩種計(jì)算裕量方法、文獻(xiàn)[7]方法的不足，結(jié)合這三種方法取長補(bǔ)短提出一種相較更為完善的設(shè)計(jì)裕量方案。沈靜珠[9]歸納求解設(shè)計(jì)裕量大小的三種方法及其特點(diǎn)，指出其中極小-極大法運(yùn)算簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)裕量結(jié)果安全可靠。朱真等[10]針對(duì)多周期換熱網(wǎng)絡(luò)提出一種持續(xù)節(jié)能的面積裕量設(shè)計(jì)方法，考慮到換熱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程結(jié)垢熱阻的影響，設(shè)計(jì)方法能夠使得累積總費(fèi)用最小。但是這些優(yōu)化設(shè)計(jì)解決問題大多是處于換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)階段，側(cè)重研究穩(wěn)態(tài)情況下操作條件改變對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的影響，通常沒有充分考慮運(yùn)行階段的可控性和控制性能。

從控制的角度討論，增設(shè)旁路可以增加換熱網(wǎng)絡(luò)的自由度[11]，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)旁路相對(duì)比較方便易于實(shí)現(xiàn)，因此運(yùn)用旁路來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制成為換熱網(wǎng)絡(luò)操作優(yōu)化的重要研究方法。一些學(xué)者從可控性的角度進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？煽匦远x為換熱網(wǎng)絡(luò)被控的容易程度，即可控性被視為系統(tǒng)過程的屬性，這表明控制過程達(dá)到理想控制性能的容易程度[12-13]。Mathisen 等[14]就換熱網(wǎng)絡(luò)的可控性進(jìn)行討論，提出設(shè)置旁路可以增加換熱網(wǎng)絡(luò)的自由度，并闡釋了不同的控制標(biāo)準(zhǔn)如何用于可控性和旁路選擇以及換熱網(wǎng)絡(luò)的合理配置，并論述了旁路設(shè)置應(yīng)遵循的幾條原則。一些學(xué)者還基于換熱網(wǎng)絡(luò)的靈敏度進(jìn)行控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，王杏等[15]在換熱網(wǎng)絡(luò)控制回路篩選和變量配對(duì)過程中，結(jié)合靈敏度分析方法，提出了共振型耦合的概念，并使用該方法進(jìn)行控制回路變量匹配設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)換熱終溫的閉環(huán)柔性控制，為換熱網(wǎng)絡(luò)的旁路優(yōu)化控制設(shè)計(jì)提供了一種新的有效思路。許多學(xué)者通過多種方法針對(duì)系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行分析研究。Srinophakun等[16]提出了監(jiān)督邏輯控制，考慮到變工況問題，旁路控制方案接近實(shí)際可行的工程，但經(jīng)濟(jì)性比較差。Hernandez 等[17]運(yùn)用奇異值分解技術(shù)（SVD）分析采用旁路設(shè)計(jì)能提高其控制性能，使用一種帶動(dòng)態(tài)干擾評(píng)估的PI 控制器較一般PI 控制具有更好的控制效果。Delatore 等[18]采用設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的線性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）控制出口流股溫度，相較于傳統(tǒng)的PID 控制的比例帶、積分時(shí)間和微分時(shí)間三個(gè)參數(shù)，需要調(diào)試的參數(shù)更少。由于由眾多換熱器組合而成的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化而且復(fù)雜，這使得非線性表現(xiàn)得更加明顯[19]，常用的PID控制難以滿足換熱網(wǎng)絡(luò)的控制要求，因而幾年來在換熱網(wǎng)絡(luò)上使用先進(jìn)控制策略成為提高控制性能和優(yōu)化生產(chǎn)過程的一種重要方[20-28]。但換熱網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)控制主要集中于預(yù)測(cè)控制的研究上，但是目前預(yù)測(cè)控制理論和算法的主要成果是針對(duì)線性系統(tǒng)的[29]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有助于非線性系統(tǒng)建模，目前還停留于換熱器。換熱網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)控制都是從保證控制效果出發(fā)，無法保證操作點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)性。目前在換熱網(wǎng)絡(luò)旁路優(yōu)化控制方面，大多只考慮到控制性能的好壞，并不涉及經(jīng)濟(jì)性能等工藝指標(biāo)，不涉及面積裕量設(shè)計(jì)及其在操作過程中的合理利用，如何權(quán)衡經(jīng)濟(jì)效益和網(wǎng)絡(luò)能耗兩方面因素，優(yōu)化求解換熱網(wǎng)絡(luò)旁路數(shù)目和位置成為研究的熱點(diǎn)，并將成為未來亟待解決的問題。

本文為了優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行過程中的裕量釋放情況，以換熱網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象從控制的角度提出基于持續(xù)節(jié)能的裕量緩釋優(yōu)化方法，通過增加優(yōu)化變量使裕量實(shí)現(xiàn)更有效的利用，從而達(dá)到使換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能持續(xù)可控的目的，以實(shí)現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)節(jié)能降耗。

1 換熱網(wǎng)絡(luò)裕量與旁路開度關(guān)系分析

在換熱網(wǎng)絡(luò)的全生命周期內(nèi)，運(yùn)行條件和結(jié)垢熱阻是不斷變化的[30-31]，而換熱器的熱阻變化會(huì)影響換熱網(wǎng)絡(luò)的傳熱效果，繼而影響整個(gè)傳熱過程。根據(jù)文獻(xiàn)[32]，結(jié)垢熱阻的增長規(guī)律可以表示為式(1)。

式中，R(t)為結(jié)垢熱阻，(m2·K)/W；R∞為換熱器結(jié)垢熱阻在無窮時(shí)刻時(shí)的最大值；t為運(yùn)行時(shí)間；τ為結(jié)垢形成的時(shí)間間隔。

隨著結(jié)垢熱阻的不斷增大，系統(tǒng)的操作點(diǎn)會(huì)逐漸偏離原始的設(shè)計(jì)點(diǎn)，為了保證輸出溫度仍然滿足設(shè)定值，在運(yùn)行階段增加進(jìn)入換熱器的流體流量，來保證原來的換熱效果。而在旁路控制中，換熱器的流量受到旁路開度的限制，旁路開度的值最少可以減小到零來增大流體流量。因此，如果旁路開度的值降低到最小值，原來設(shè)計(jì)的裕量被消耗殆盡，系統(tǒng)就無法滿足控制要求了。

如圖1所示，旁路開度在生命周期的最后一年降低到下限，這意味著隨著結(jié)垢熱阻的增加旁路開度逐漸減小，導(dǎo)致旁路在換熱網(wǎng)絡(luò)生命后期失去調(diào)節(jié)能力。

面積裕量的調(diào)節(jié)可以通過改變旁路開度間接實(shí)現(xiàn)，旁路開度與裕量存在如圖2 所示的關(guān)系。

圖1 全生命周期旁路開度的變化

圖2 裕量與旁路開度的關(guān)系

圖2 說明了可用裕量與旁路開度之間的關(guān)系，系統(tǒng)初始處于A點(diǎn)，其旁路開度為uA，可用裕量為JA。當(dāng)操作條件發(fā)生變化如結(jié)垢，旁路開度在控制算法的作用下將會(huì)減小至uB，可用裕量也會(huì)相應(yīng)地下降至JB。因此，裕量消耗程度可以采用旁路開度變化量進(jìn)行反映。如果在調(diào)節(jié)旁路開度的過程中，能夠使得旁路開度變化量更小來實(shí)現(xiàn)工藝要求，可用裕量的消耗也會(huì)更少。因此，下文將以旁路開度變化量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)裕量的緩慢釋放。假設(shè)第j 個(gè)旁路開度的初值為(t)而終值為(t)，優(yōu)化目標(biāo)為使旁路的變化量最小。

2 基于持續(xù)節(jié)能的換熱網(wǎng)絡(luò)緩釋優(yōu)化方法

針對(duì)控制的可持續(xù)性，對(duì)于給定的換熱網(wǎng)絡(luò)由于可用于控制的裕量約束，往往不能滿足持續(xù)可控的要求，而在最初設(shè)計(jì)的裕量消耗殆盡時(shí)，通過公用工程以使系統(tǒng)達(dá)到控制目標(biāo)將會(huì)大大提升成本。因此，對(duì)于給定的控制系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)的裕量進(jìn)行合理利用，使其緩慢釋放，可以延長換熱網(wǎng)絡(luò)壽命，使其保持持續(xù)可控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)持續(xù)節(jié)能的目的。而面積裕量的調(diào)節(jié)可以通過改變旁路開度間接實(shí)現(xiàn)[33]。這就為換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化控制留下了操作空間。面積裕量不變的情況下，旁路開度的大小體現(xiàn)了面積裕量利用的程度。夏車奎等[34]提出一種基于有旁路換熱網(wǎng)絡(luò)全周期持續(xù)節(jié)能的在線優(yōu)化及控制實(shí)現(xiàn)方法，通過旁路調(diào)節(jié)，逐步釋放換熱網(wǎng)絡(luò)中各換熱器的面積裕量，從而達(dá)到全周期節(jié)能的目的。在此基礎(chǔ)上，本文從動(dòng)態(tài)控制優(yōu)化的角度提出了基于持續(xù)節(jié)能的換熱網(wǎng)絡(luò)緩釋優(yōu)化方法。

當(dāng)換熱網(wǎng)絡(luò)采用旁路控制策略時(shí)，調(diào)節(jié)旁路開度往往只是為了實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，在受控變量到達(dá)設(shè)定值后其值將不再變化。旁路開度的變化意味著裕量的釋放，而裕量可以作為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，因此，在常規(guī)旁路控制中裕量?jī)H僅為了實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)而不斷消耗，卻沒有進(jìn)行優(yōu)化。本小節(jié)提出持續(xù)節(jié)能與裕量緩釋優(yōu)化控制方法，基于常規(guī)的旁路控制在合適的操作點(diǎn)加入優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)裕量的緩慢釋放，可以實(shí)現(xiàn)在滿足控制要求的前提下，可用裕量的消耗量最小，達(dá)到使系統(tǒng)持續(xù)可控以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，并在換熱器上驗(yàn)證該方法的有效性。

文獻(xiàn)[35]綜合考慮控制與經(jīng)濟(jì)性兩者的關(guān)系對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)操作優(yōu)化，確保滿足有效控制的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益，分別提出了兩階段與一步法控制與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化協(xié)調(diào)原理。其中兩階段控制與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)原理在常規(guī)旁路控制完成的基礎(chǔ)上加入優(yōu)化算法，因此控制所用時(shí)間較長；一步法控制與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化中，控制過程與優(yōu)化過程是同時(shí)進(jìn)行的，其控制過程中被控變量的超調(diào)量很大，因此有必要對(duì)其進(jìn)行軌跡優(yōu)化。軌跡優(yōu)化示意圖如圖3。

如圖3 所示，假設(shè)系統(tǒng)初始工作點(diǎn)位于A 點(diǎn)，在某一時(shí)刻，改變輸出的設(shè)定值為Tsp，在軌跡優(yōu)化點(diǎn)之前，通過常規(guī)控制算法調(diào)節(jié)流量，在操作點(diǎn)Q 之前控制階段優(yōu)化變量保持不變，優(yōu)化算法不使用。操作點(diǎn)之后加入優(yōu)化算法調(diào)節(jié)流量的同時(shí)調(diào)節(jié)優(yōu)化變量使輸出穩(wěn)定為Tsp。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)J 反映的是裕量的釋放程度，裕量釋放越多代表其經(jīng)濟(jì)性越差。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)J 判定操作點(diǎn)并不是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最低的狀態(tài)，因此將進(jìn)入優(yōu)化階段。優(yōu)化階段將經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最低作為目標(biāo)函數(shù)，使得系統(tǒng)輸入沿著軌跡至當(dāng)前設(shè)定值輸出情況下經(jīng)濟(jì)成本最低的C 點(diǎn)。在PID 控制中，由于經(jīng)濟(jì)目標(biāo)沒有被優(yōu)化，其經(jīng)濟(jì)成本穩(wěn)定在D 點(diǎn)。而在一步法過程中，AB段為常規(guī)控制階段，BC 段為優(yōu)化階段，優(yōu)化算法在控制初始加入導(dǎo)致超調(diào)量過大，控制性能不好。QC 段為進(jìn)行操作點(diǎn)優(yōu)化后的優(yōu)化階段，優(yōu)化階段的運(yùn)行以min(J)為目標(biāo)函數(shù)，通過軌跡優(yōu)化可以使系統(tǒng)的超調(diào)量減小以使控制性能得到提升，并且可以使經(jīng)濟(jì)性能更有效地得到提升。優(yōu)化進(jìn)行時(shí)輸入操作變量和優(yōu)化變量同時(shí)進(jìn)行變化，但是其輸出保持不變。操作變量和優(yōu)化變量在優(yōu)化階段的變化軌跡稱之為輸出保持線。保持輸出線的推導(dǎo)如下。

圖3 軌跡優(yōu)化示意圖

通?；み^程可以采用傳遞函數(shù)模型進(jìn)行描述，如式(3)。

式(7)即為保持輸出線的表達(dá)式，可以簡(jiǎn)寫為式(8)。

其中操作點(diǎn)的優(yōu)化借助于相軌跡，相軌跡為變量從初始時(shí)刻t0對(duì)應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)(x0,x˙0)起，隨著時(shí)間的推移，在相平面上運(yùn)動(dòng)形成的曲線，可以準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)的穩(wěn)定性、平衡狀態(tài)。

相軌跡求取切換點(diǎn)的原理示意圖如圖4所示。

圖4 相軌跡求切換點(diǎn)原理示意圖

圖4 中，A 點(diǎn)為系統(tǒng)的初始狀態(tài)，B 點(diǎn)為系統(tǒng)的終止?fàn)顟B(tài)，C點(diǎn)為狀態(tài)的切換點(diǎn)。換熱網(wǎng)絡(luò)由常規(guī)的旁路控制作為初始控制方式，到達(dá)相軌跡的切換點(diǎn)C狀態(tài)時(shí)，加入優(yōu)化算法，最終使被控變量達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)點(diǎn)B。

3 示例

以換熱器為例，將本文研究方法分別與一步法優(yōu)化、兩階段優(yōu)化、常規(guī)PID控制對(duì)比，得到軌跡優(yōu)化的結(jié)果如圖6、7所示。

換熱器是組成換熱網(wǎng)絡(luò)的基本單元，以Grossmann等[36]研究的單個(gè)換熱器為例進(jìn)行分析，該管殼式換熱器參數(shù)如表1，物流數(shù)據(jù)如表2，對(duì)該換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

表1 換熱器參數(shù)

表2 換熱器物流數(shù)據(jù)

圖5 換熱器裕量緩釋優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

在Matlab R2012a 中進(jìn)行仿真，換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搭建于Simulink中。J是指旁路開度的下降值，初始情況J0為5%，這意味著在初始階段旁路開度減小量為5%，Tsp為-2K意味著出口溫度設(shè)定值是下降2K。通過仿真結(jié)果得到操作變量的相軌跡，求得其交點(diǎn)為（-0.7375，-0.0075037），對(duì)應(yīng)其操作點(diǎn)加入優(yōu)化算法，得到的經(jīng)濟(jì)效益結(jié)果如圖6所示。

圖6 經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比

圖7 控制性能對(duì)比

從圖6 以及圖7 可以看出對(duì)比使用PID 控制方法對(duì)換熱器的研究，在切換點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化可以減少系統(tǒng)的超調(diào)量，使系統(tǒng)的控制性能明顯有效地提升，并且對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化即裕量釋放程度也明顯優(yōu)于先前的研究成果。

以文獻(xiàn)中提到的換熱網(wǎng)絡(luò)為例[37]，換熱網(wǎng)絡(luò)流程如圖8 所示，由2 個(gè)冷物流、2 個(gè)熱物流組成，該換熱網(wǎng)絡(luò)的物流數(shù)據(jù)見表3、表4。

圖8 文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［37］

表3 換熱網(wǎng)絡(luò)的物流數(shù)據(jù)

表4 換熱網(wǎng)絡(luò)中的換熱器參數(shù)

控制目標(biāo)為熱流H1以及H2的出口溫度，文獻(xiàn)[35]對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，計(jì)算得到每個(gè)分流比相應(yīng)的ns-RGA，結(jié)果顯示分流比1對(duì)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響程度要遠(yuǎn)高于分流比2，因此在本例中，分流比1作為優(yōu)化變量實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖9。

在gPROMS中搭建換熱網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，控制算法和優(yōu)化算法都在Matlab 中編寫.m 文件實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)一次協(xié)調(diào)與常規(guī)旁路控制的仿真結(jié)果求取切換點(diǎn)，在切換點(diǎn)加入優(yōu)化算法得到仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 展示了熱流H1 和H2 的出口溫度，可以看出采用旁路控制與持續(xù)節(jié)能與裕量緩釋優(yōu)化方法，最終被控溫度都可以達(dá)到設(shè)定值。但是本文提出的方法能更快速有效地使裕量緩慢地釋放，使得最終旁路開度的變化量更少，如圖11、圖12所示，提升了經(jīng)濟(jì)性能。

從圖11 和圖12 可以發(fā)現(xiàn)，用于實(shí)現(xiàn)控制的兩條旁路在旁路控制階段其開度會(huì)顯著減小，而在優(yōu)化階段其開度會(huì)向初始開度返回。目標(biāo)是使得兩個(gè)用于控制的旁路開度變化量最小，持續(xù)節(jié)能與裕量緩釋優(yōu)化方法能夠達(dá)到這個(gè)目的，普通旁路控制無法使旁路開度返回一些，使旁路開度分別下降到22.59%、23.09%，這就使得裕量損耗會(huì)很大，從經(jīng)濟(jì)的角度來說經(jīng)濟(jì)效益會(huì)變差，而本文提出的方法使其返回一部分至23.13%、24.34%，提升了經(jīng)濟(jì)性能使其能在控制階段后期有裕量進(jìn)行控制。

圖13 中看出采用常規(guī)控制的經(jīng)濟(jì)損失為17.30%，而采用本文提出的裕量緩釋優(yōu)化方法計(jì)算得到的經(jīng)濟(jì)損失僅為10.13%。很明顯，采用緩釋優(yōu)化方法的經(jīng)濟(jì)損失明顯低于一步優(yōu)化法與常規(guī)的旁路控制方法，但控制性能指標(biāo)IAE 相差很少，說明控制性能能夠滿足要求。因而可以發(fā)現(xiàn)，找到合適的優(yōu)化變量，采用緩釋優(yōu)化策略可以在保證控制性能的同時(shí)顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

圖9 換熱網(wǎng)絡(luò)裕量緩釋優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖10 被控的兩流股出口溫度

圖11 調(diào)節(jié)旁路u1的開度情況

圖12 調(diào)節(jié)旁路u2的開度情況

圖13 經(jīng)濟(jì)性能變化情況

通過對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制、工藝設(shè)計(jì)以及集成優(yōu)化等方面近年來的研究進(jìn)展的闡述，可知目前對(duì)于過程系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)研究較多，但往往不涉及到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)影響工藝的設(shè)計(jì)結(jié)果。對(duì)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究更側(cè)重于控制效果的研究，而較少涉及工藝設(shè)計(jì)對(duì)控制效果的影響。集成優(yōu)化設(shè)計(jì)從同步進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，側(cè)重于設(shè)計(jì)結(jié)果的研究而較少涉及過程系統(tǒng)的裕量如何釋放，以及裕量如何被利用。本文提出的換熱網(wǎng)絡(luò)緩裕量釋優(yōu)化方法在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上盡可能地利用已有裕量使其緩慢釋放，實(shí)現(xiàn)保證控制效果的基礎(chǔ)上使系統(tǒng)能夠有裕量以可持續(xù)控制，并通過實(shí)例證明了方法的有效性。

符號(hào)說明

A—— 換熱面積，m2

cp—— 比熱容，J/(kg·K)

Ds—— 當(dāng)量直徑，m

dout—— 管外徑，m

H—— 管程長度，m

J—— 經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)

n—— 管程數(shù)目

Q—— 輸入流量

T—— 溫度，K或℃

ρ—— 密度，kg/m3

下角標(biāo)

1—— 熱流

2—— 冷流

in—— 入口

out—— 出口

sp—— 設(shè)定值