化工过程集成设计研究进展

李碧柳，王 锐

（中国天辰工程有限公司 工艺系统部，天津 300400）

化工过程集成设计研究进展

李碧柳，王 锐

（中国天辰工程有限公司 工艺系统部，天津 300400）

化工过程设计中最重要的两个方面是单元设备与工艺流程的设计以及配套控制系统的设计，化工设备作为化工生产的硬件，控制系统作为驱动硬件设备生产的软件，为了更好地利用“软件”控制系统驱动“硬件”化工设备进行生产，化工过程控制与工艺的集成设计是大势所趋，因此对公开文献中的数学模型进行了详细综述和对比。

工艺系统；控制系统；集成设计

1 引言

化工过程生产的核心在于多个串接的单元设备在操作点附近的有效操作，因此，化工过程设计最重要的两个方面即单元设备与工艺流程的设计以及配套控制系统的设计。传统的序贯设计理念认为过程的经济性由稳态工艺设计所决定，工艺设计阶段虽然通常会考虑时不变（确知性）的不确定性因素对系统稳态操作点的影响，但是时变（随机性）的扰动对系统的影响在工艺设计阶段不做深入的考虑，工艺设计阶段稳态寻优得到的最优工艺设计有可能会增加系统在动态过程中的操作苛刻度，从而导致工艺与控制分离的序贯设计方法对系统操作的弹性、可行性以及可控性产生一定的限制。因此，工业界希望可以在设计阶段获得同时满足稳态经济效益以及系统动态操作特性最优的设计方案—工艺与控制的集成设计。

化工过程控制与工艺集成设计方法按照对目标函数的处理方式可分为兼顾稳态经济性能及控制性能的多目标优化集成设计方法和动态经济性能最优的单目标集成优化设计方法。

2 多目标优化集成方法

为了获得在标称工作点附近具有良好的动态性能、同时经济上最优的工艺过程，设计人员在设计过程中需要同时考虑两个优化目标：描述最优工艺设计的稳态工艺指标以及反映最优动态性能的控制指标，工艺与控制集成设计问题转化为多目标优化问题。在设计过程中需要在同一的优化框架内对两个优化目标进行定量的分析，然后对经济目标和控制目标之间进行权衡。该方法的主要缺点是无法精确地决定两个相互竞争的优化目标的重要程度，因而较难对过程的工艺指标和控制要求进行系统化处理。

Brengel等[1]通过将备选的设计方案的可控性分析与过程的经济效益集成在一个模型预测控制的优化架构内，选用经济效益和可控性作为目标函数，并采用牛顿同伦延拓法对该问题进行了求解，以此通过优化的方法确定保证稳态经济效益和操作最优的设计方案。

许锋在常规催化裂化装置的再生器设计裕量动态分析的基础上，从过程动态模型、控制结构、过程不确定性、稳态起始点约束、生产要求、操作约束以及目标函数等方面给出了催化裂化反应-再生系统的工艺与控制集成设计问题的数学描述[2]，将集成设计转化为一个带有0-1变量约束的多目标混合整数动态优化问题，分别描述了工艺和控制要求的两个目标函数，通过ε-约束及混合整数动态优化求解得到非劣解集合（Pareto Set），并绘制出控制指标和工艺指标的关系曲线，从中找到一组兼顾工艺和控制要求、具有一定操作弹性的催化裂化装置再生器优化设计方案。许锋等[3]在模型预测控制框架内对催化裂化装置藏量及主风的裕量进行进一步的评估，根据多目标优化问题的Pareto集，指出模型预测控制的预测时域需要由拐点处信息确定，从而可以在较小的主风裕量的前提下提高控制性能。

Asteasuain等[4]利用gPROMS动态模拟软件的gOPT工艺包对苯乙烯间歇聚合反应器的工艺与控制集成优化设计进行了研究，利用求解工艺与控制集成设计的多目标MIDO问题所得的Pareto集，确定了最优的牌号切换方案。

Hamid等[5]利用热力学中传递推动力和反应可得区的概念以及反向设计方法将反应-分离系统的混合整数动态优化问题分解为4个较容易解算的子问题：预分析，设计分析，控制系统设计分析以及最终的方案及验证。

3 多目标优化集成方法

单目标优化集成设计方法只考虑一个以经济指标为基础的目标函数，用动态模型描述系统的操作和系统要求，通过动态优化的方法获得在满足所有设计约束和操作约束条件下具有经济最优的过程，但是该类方法中所考虑的外界扰动干扰方式具有一定的局限性，通常只考虑了正弦振荡形式的干扰。

Pistikopoulos等对基于动态优化的集成设计优化方法进行了较为系统的研究，提出了考虑一定外界干扰条件下动态经济性能最优的设计方法[6]。

工艺与控制集成设计问题如下表述：

Minimize 设备投资费用+年度操作费用

Subject to 过程模型（微分-代数方程组）

不等式路径约束

控制器方程

过程设计方程

操作可行性约束

Budman等提出了将系统最差状况下的动态响应带来的经济效益损失显式地嵌入集成设计问题[7]：

Minimize 经济成本函数

Subject to 过程模型

控制算法方程

过程稳定性约束

过程输出响应约束

过程可行性约束

在上述问题中以经济成本为目标函数，显式地将由于存在控制系统所导致的动态响应带来的额外经济效益成本嵌入了目标函数中。

Ricardez-Sandoval等提出的利用二次Lyapunov函数法及结构奇异值分析法估算最差状况下的动态响应，避免了高计算成本的混合整数动态优化问题（MIDO），从而大大地节省了计算耗时，但得到的结果较为保守[8]。

Linninger等指出只有集成设计有可能寻找到化工过程的全局最优操作点[9]，并绘图进行了定性分析，如图1所示，可见在设计阶段不考虑控制的情况下所得到的设计方案并不是真正的全局最优。为此，将动态柔性分析嵌入到集成设计方法中，提出了两级权衡决策的集成设计方法。

图3 .1 工艺设计与控制设计权衡决策概念性描述

A为集成设计最优方案；B为稳态最优设计最优控制方案；C为稳态最优设计方案

4 结论

工业界希望可以在设计阶段获得可以同时满足稳态经济效益以及系统动态操作特性最优的设计方案，传统采用的工艺与控制序贯设计方法，工艺与控制的集成设计在近些年愈来愈受到学术界以及工业界的重视，因此对公开文献中的化工过程集成设计的数学模型进行了详细综述和对比。

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

[2] 许锋，罗雄麟，控制与工艺集成优化设计研究进展[J].化工进展，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，工程师，主要从事化工工艺及系统设计工作。