面向换热网络全周期节能优化的控制系统在线重构

原文标题： Online control system reconfiguration towards long period energy-saving optimization of heat exchanger networks

录用期刊：Journal of Cleaner Production ( JCR Q1 TOP )

原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132940

作者列表：

1) 孙琳 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院

2) 任超 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 研20

3) 罗雄麟 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院

文章简介:

对于换热网络的长周期运行，慢时变的结垢增长是严重影响持续节能和连续可控性的关键问题之一。虽然控制系统被设计来维持过程目标，但是基于给定操作条件的传统控制系统设计可能会由于缺乏自由度而不能持续调节。因此，本文提出了一种基于在线控制系统重构的全周期优化方法。首先，为了在全周期内保持控制，研究了一种重构控制结构，增加了控制系统的自由度。其次，通过研究操纵变量之间的关系，提出了在线重构的优化设计，以确保控制和优化过程始终会依据实际的工况被不断的调整，充分利用了可用的裕度。此外，设计了最优控制结构以保证该方法的实现。结果表明，该方法不仅可以实现换热网络的长周期节能，而且满足连续可控性的要求，同时系统的鲁棒性也被验证。

问题描述:

结垢热阻随时间缓慢累积，其变化过程可被视为慢时变过程。在换热网络的长期运行过程中，传热效率随着结垢的增加而降低，由于换热网络的运行时间较长，其工作条件容易在长周期范围内发生大规模迁移，这给控制系统的设计带来挑战。

具体实现:

1、控制系统重构策略的设计

控制系统重构是当系统中存在多个操纵变量时，为了达到更好的控制效果，对控制结构进行重新设计。通过增加控制冗余度来增加自由度。

2、以裕量为导向的在线重构优化与控制

在实际工业过程中，通常，一旦换热网络被设计和实施，其结构参数就会保持不变，而最优控制设计是在线调节裕度最常用的方法之一。同时，从节能角度来看，当设备的设计裕度得到充分利用时，系统的能耗也会降低。

在线重构及优化过程可被描述为：

(1) 初始重构控制过程: 初始重构优化是求解底层控制中变量的最优初始值，其重构过程可以被描述为下式，其中f 函数代表底层控制中的换热网络的动态模型，Rf为结垢积累模型。

(2) 在线重构优化过程: 初始优化后，根据求解算法每月优化一次优化器。与初始优化不同，在线重构优化的优化周期设置为从当前时间到优化结束。

(3) 优化问题的描述: 基于在线重构优化的结构，第k次的优化问题可以描述如下：

3、控制实现

根据控制系统重构的特点，为了考虑优化过程中底层控制器和优化器的影响关系，设计了一种最优控制结构：

前馈控制回路主要根据可测量干扰或设定值变化的补偿原理工作。选择器的输出信号urPID和u2OPT有以下两种情况：

Case 1 ur被激活，u2被保持：

Case 2 u2被激活，ur被保持：

主要结果:

以炼油厂常减压蒸馏的原油换热网络为例，包括6条热流和1条冷流。

1、在线重构优化分析

(1) 对于常规PID控制无法实现长周期调节的小裕度换热网络，在相同条件下，通过重构控制可以有效实现控制目标。

在在线重构优化中，通过充分释放重构变量的裕度，使能耗进一步降低。

2、鲁棒性分析

在换热网络的长周期运行中，通常伴随着过程干扰和操作条件的变化，这些变化可以被视为不确定干扰，并被描述为动态过程。通过过程扰动分析验证了所提方法的鲁棒性。

文中的随机干扰被设置为LAGO流股入口温度的正弦扰动：

针对上述扰动，控制系统的相应为下图，其中，当系统受到干扰时，前馈-反馈控制系统可以根据干扰情况进行有效的调整，同时，优化器将在每个切换周期开始时重新优化，以便在运行结束时仍能实现系统裕度的全部释放。

罗雄麟，教授、博士生导师，校学术委员会委员、校学位委员会委员。北京人工智能学会理事会常务理事、北京自动化学会理事会理事。从事控制理论及应用、过程控制工程和过程系统工程等研究工作，同时从事炼油化工过程软测量仪表与先进控制、过程流程模拟与实时优化等技术开发与工程应用工作。主持和参加“六五”至“九五”国家重点科技攻关项目多项、“十五”国家863项目1项、国家自然科学基金项目5项（主持2项）、国家重点基础研究发展计划（973计划）项目1项，主持和参加省部级科研项目和炼油化工公司科技开发项目30多项。获省部级奖5次。出版专著3部，发表教学和科研学术研究论文470多篇，SCI、ISTP和EI检索收录370多篇次，获国家发明专利授权11项。