化工過程集成設計研究進展

李碧柳，王 銳

（中國天辰工程有限公司 工藝系統部，天津 300400）

化工過程集成設計研究進展

李碧柳，王 銳

（中國天辰工程有限公司 工藝系統部，天津 300400）

化工過程設計中最重要的兩個方面是單元設備與工藝流程的設計以及配套控制系統的設計，化工設備作為化工生產的硬件，控制系統作為驅動硬件設備生產的軟件，為了更好地利用“軟件”控制系統驅動“硬件”化工設備進行生產，化工過程控制與工藝的集成設計是大勢所趨，因此對公開文獻中的數學模型進行了詳細綜述和對比。

工藝系統；控制系統；集成設計

1 引言

化工過程生產的核心在于多個串接的單元設備在操作點附近的有效操作，因此，化工過程設計最重要的兩個方面即單元設備與工藝流程的設計以及配套控制系統的設計。傳統的序貫設計理念認為過程的經濟性由穩態工藝設計所決定，工藝設計階段雖然通常會考慮時不變（確知性）的不確定性因素對系統穩態操作點的影響，但是時變（隨機性）的擾動對系統的影響在工藝設計階段不做深入的考慮，工藝設計階段穩態尋優得到的最優工藝設計有可能會增加系統在動態過程中的操作苛刻度，從而導致工藝與控制分離的序貫設計方法對系統操作的彈性、可行性以及可控性產生一定的限制。因此，工業界希望可以在設計階段獲得同時滿足穩態經濟效益以及系統動態操作特性最優的設計方案—工藝與控制的集成設計。

化工過程控制與工藝集成設計方法按照對目標函數的處理方式可分為兼顧穩態經濟性能及控制性能的多目標優化集成設計方法和動態經濟性能最優的單目標集成優化設計方法。

2 多目標優化集成方法

為了獲得在標稱工作點附近具有良好的動態性能、同時經濟上最優的工藝過程，設計人員在設計過程中需要同時考慮兩個優化目標：描述最優工藝設計的穩態工藝指標以及反映最優動態性能的控制指標，工藝與控制集成設計問題轉化為多目標優化問題。在設計過程中需要在同一的優化框架內對兩個優化目標進行定量的分析，然后對經濟目標和控制目標之間進行權衡。該方法的主要缺點是無法精確地決定兩個相互競爭的優化目標的重要程度，因而較難對過程的工藝指標和控制要求進行系統化處理。

Brengel等[1]通過將備選的設計方案的可控性分析與過程的經濟效益集成在一個模型預測控制的優化架構內，選用經濟效益和可控性作為目標函數，并采用牛頓同倫延拓法對該問題進行了求解，以此通過優化的方法確定保證穩態經濟效益和操作最優的設計方案。

許鋒在常規催化裂化裝置的再生器設計裕量動態分析的基礎上，從過程動態模型、控制結構、過程不確定性、穩態起始點約束、生產要求、操作約束以及目標函數等方面給出了催化裂化反應-再生系統的工藝與控制集成設計問題的數學描述[2]，將集成設計轉化為一個帶有0-1變量約束的多目標混合整數動態優化問題，分別描述了工藝和控制要求的兩個目標函數，通過ε-約束及混合整數動態優化求解得到非劣解集合（Pareto Set），并繪制出控制指標和工藝指標的關系曲線，從中找到一組兼顧工藝和控制要求、具有一定操作彈性的催化裂化裝置再生器優化設計方案。許鋒等[3]在模型預測控制框架內對催化裂化裝置藏量及主風的裕量進行進一步的評估，根據多目標優化問題的Pareto集，指出模型預測控制的預測時域需要由拐點處信息確定，從而可以在較小的主風裕量的前提下提高控制性能。

Asteasuain等[4]利用gPROMS動態模擬軟件的gOPT工藝包對苯乙烯間歇聚合反應器的工藝與控制集成優化設計進行了研究，利用求解工藝與控制集成設計的多目標MIDO問題所得的Pareto集，確定了最優的牌號切換方案。

Hamid等[5]利用熱力學中傳遞推動力和反應可得區的概念以及反向設計方法將反應-分離系統的混合整數動態優化問題分解為4個較容易解算的子問題：預分析，設計分析，控制系統設計分析以及最終的方案及驗證。

3 多目標優化集成方法

單目標優化集成設計方法只考慮一個以經濟指標為基礎的目標函數，用動態模型描述系統的操作和系統要求，通過動態優化的方法獲得在滿足所有設計約束和操作約束條件下具有經濟最優的過程，但是該類方法中所考慮的外界擾動干擾方式具有一定的局限性，通常只考慮了正弦振蕩形式的干擾。

Pistikopoulos等對基于動態優化的集成設計優化方法進行了較為系統的研究，提出了考慮一定外界干擾條件下動態經濟性能最優的設計方法[6]。

工藝與控制集成設計問題如下表述：

Minimize 設備投資費用+年度操作費用

Subject to 過程模型（微分-代數方程組）

不等式路徑約束

控制器方程

過程設計方程

操作可行性約束

Budman等提出了將系統最差狀況下的動態響應帶來的經濟效益損失顯式地嵌入集成設計問題[7]：

Minimize 經濟成本函數

Subject to 過程模型

控制算法方程

過程穩定性約束

過程輸出響應約束

過程可行性約束

在上述問題中以經濟成本為目標函數，顯式地將由于存在控制系統所導致的動態響應帶來的額外經濟效益成本嵌入了目標函數中。

Ricardez-Sandoval等提出的利用二次Lyapunov函數法及結構奇異值分析法估算最差狀況下的動態響應，避免了高計算成本的混合整數動態優化問題（MIDO），從而大大地節省了計算耗時，但得到的結果較為保守[8]。

Linninger等指出只有集成設計有可能尋找到化工過程的全局最優操作點[9]，并繪圖進行了定性分析，如圖1所示，可見在設計階段不考慮控制的情況下所得到的設計方案并不是真正的全局最優。為此，將動態柔性分析嵌入到集成設計方法中，提出了兩級權衡決策的集成設計方法。

圖3 .1 工藝設計與控制設計權衡決策概念性描述

A為集成設計最優方案；B為穩態最優設計最優控制方案；C為穩態最優設計方案

4 結論

工業界希望可以在設計階段獲得可以同時滿足穩態經濟效益以及系統動態操作特性最優的設計方案，傳統采用的工藝與控制序貫設計方法，工藝與控制的集成設計在近些年愈來愈受到學術界以及工業界的重視，因此對公開文獻中的化工過程集成設計的數學模型進行了詳細綜述和對比。

[1] D.D.Brengel，W.D.Seider.Coordinated design and control optimization of nonlinear processes，Computers & Chemical Engineering，1992（16）：861-886.

[2] 許鋒，羅雄麟，控制與工藝集成優化設計研究進展[J].化工進展，2005（24）：483-488.

[3] F.Xu，X.Luo，R.Wang，Design Margin and Control Performance Analysis of a Fluid Catalytic Cracking Unit Regenerator under Model Predictive Control[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，（2014）.

[4] M.Asteasuain，A.Bandoni，C.Sarmoria，A.Brandolin，Simultaneous process and control system design for grade transition in styrene polymerization[J].Chemical Engineering Science，2006（61）：3362-3378.

[5] M.K.A.Hamid，G.Sin，R.Gani，Integration of process design and controller design for chemical processes using model-based methodology[J].Computers & Chemical Engineering，2001（34）：683-699.

[6] V.Bansal，V.Sakizlis，R.Ross，J.D.Perkins，E.N.Pistikopoulos，New algorithms for mixed-integer dynamic optimization[J].Computers & Chemical Engineering，2003（27）：647-668.

[7] N.Chawankul，L.R.Sandoval，H.Budman，P.L.Douglas，Integration of Design and Control：A Robust Control Approach Using MPC[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，2007（85）：433-446.

[8] L.A.Ricardez-Sandoval，Optimal design and control of dynamic systems under uncertainty：A probabilistic approach[J].Computers & Chemical Engineering，2012（43）：91-107.

[9] A.Malcolm，J.Polan，L.Zhang，B.A.Ogunnaike，A.A.Linninger，Integrating systems design and control using dynamic flexibility analysis[J].AIChE Journal，2007（53）：2048-2061.

Integrated Design and Control of Chemical Processes

Li Bi-liu，Wang Rui

The design of chemical processes comprises two major aspects which are designs about the assembly of chemical units and the corresponding control system.Chemical units are the hardware of the process while control system is the software which is used to drive the hardware.To better utilize control system to drive chemical units in production，the integration of process design and control is inevitable.

process system；control system；integral design

TQ02

A

1003–6490（2017）05–0100–02

2017–05–04

李碧柳（1986—），女，福建泉州人，工程師，主要從事化工工藝及系統設計工作。