автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Информационно-термодинамический анализ энерготехнологических систем и их оптимизация



/ ' ¿3

/ * ^ J

У ,

4,-^' / ■

«с « у

Ре^ШжШй^шйшш^хиодотиаеекий университет им.Д.И.Менделеева

7р.е зидиум; ВАК

,■ ' .г • -

а о 4.,.

(решение от-

л »

19 1Пт., № 05

присудил ученую степень ДОК.'! Ок'Р,

_/н^ ииле^ис^ш^ наук

/ Начальник управления ВАК России

на правах рукописи

Б№РОВДМИТРЙЙ^АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИИ АНАЛИЗ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ИХ ОПТИМИЗАЦИЯ

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант академик РАН

В.В.Кафаров

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 6

Глава 1. Современные проблемы оптимизации и анализа

энерготехнологических процессов и систем 9

1.1. Оптимизация ХТС как единого целого и декомпозиционная оптимизация 10

1.2. Проблема многокритериальное™ 25

1.3. Анализ энерготехнологических процессов химической технологии 28

1.3.1. Пути организации энергосберегающей технологии 30

1.3.2. Эксергетический метод термодинамического

анализа 38

Выводы к главе 1 48

Глава 2. Информационно-термодинамический принцип анализа

энерготехнологических процессов и систем 49

2.1. Основные положения информационно-термодинамического анализа ХТП 50

2.2. Вывод и обоснование информационных критериев совершенства типовых процессов 55

2.3. Определение предельно оптимальных нагрузок на элементы ЭТС с использованием критерия структурной организованности 67

2.4. Оценка степени энергозамкнутости системы на основе информационно-термодинамического принципа 78

2.5. Декомпозиция ЭТС на основе минимального энергетического взаимодействия 94

Выводы к главе 2 100

Глава 3. Топологический метод эксергетического и

термоэкономического анализа сложных ЭТС 102

3.1. Системный анализ процессов преобразования эксергии

в ЭТС 103

3.2. Построение топологических моделей процессов преобразования эксергии 110

3.3. Термодинамический анализ сложных ЭТС на основе топологических моделей процессов преобразования

эксергии 128

3.4. Принципы термоэкономического распределения затрат и построение топологических моделей распределения

затрат по потокам эксергии 140

3.5. Методика расчета термоэкономических показателей и анализ эффективности ЭТС на основе топологического метода термоэкономического

анализа 152

Выводы к главе 3 155

Глава 4. Структурная оптимизация химико-технологических

систем 157

4.1. Обобщенное описание структуры ХТС. Постановка

задачи структурной оптимизации 158

4.2. Существование предельно-оптимальной структуры ХТС. Многоуровневый принцип решения задачи структурной оптимизации ХТС. 167

4.3. Двухуровневый критерий эффективности при решении

задач структурной оптимизации ХТС 174

4.4. Структурная оптимизация ХТС при отсутствии

предельно-оптимальной структуры 183

4.5. Структурная оптимизация тепловых подсистем с

использованием термоэкономического критерия 188

Выводы к главе 4 197

Глава 5. Разработка декомпозицонно-проективных методов оптимизации ХТС на основе принципа непрерывной координации 198

5.1. Постановка задачи оптимизации расширенной ХТС 199

5.2. Трехуровневой подход в задаче оптимизации расширенной ХТС 204

5.3. Исследование влияния структурных взаимосвязей на численную обусловленность задач оптимизации ХТС 207

5.4. Принцип непрерывной координации 214

5.5. Трехуровневая декомпозиционно-проективная оптимизация ХТС 217

5.6. Некоторые особенности реализации трехуровневого декомпозиционно-проективного алгоритма 224 оптимизации

Выводы к главе 5 227

Глава 6. Многокритериальный принцип декомпозиции задачи

оптимизации ХТС 229

6.1. Постановка задачи для класса многоуровневых коллекторных систем 231

6.2. Разработка методологической основы для декомпозиции задач оптимизации в МКС 235

6.3. Формализация принципа декомпозиции 246 Выводы к главе 6 257

Глава 7. Приложение разработанных методов к решению

промышленных задач 258

7.1. Оптимальная организация энергетической подсистемы

агрегата производства слабой азотной кислоты 258

7.2 Структурная оптимизация отделения очистки и концентрирования ацетилена в производстве ацетилена 283

7.3. Эксергетический, термоэкономический анализ и термоэкономическая оптимизация системы низкотемпературного газоразделения (ИГР) крупнотоннажного производства этилена ЭП-250 312

7.4. Трехуровневая декомпозиционно-проективная оптимизация действующих газоперерабатывающих установок 338

7.5. Решение задачи оперативной оптимизации производства технического углерода 358

Выводы по работе 385

Литература 387

Приложение 412

ВВЕДЕНИЕ

Химическая технология развивается по различным направлениям: это и создание агрегатов большей единичной мощности, и развитие малотоннажных производств, и поиск новых путей синтеза продуктов, и создание высокоэффективных катализаторов и т.п.

Однако одна особенность в исследовании объектов химической технологии имеет постоянную тенденцию к повышенному вниманию со стороны исследователей - это проблема экономии и рационального использования энергоресурсов и, как следствие этого, создание экономически оптимальных, энергозамкнутых химико-технологических систем. Многочисленные исследования в этой области носят, как правило, частный характер и посвящены какой-либо одной из многих сторон этой проблемы.

Задача экономии энергии имеет большое число различных аспектов, но методологически можно выделить две основные задачи - это разработка вопросов анализа превратимости и преобразования различных видов энергии и разработка методологии анализа и синтеза химико-технологических систем по созданию энергозамкнутой технологии.

Первая задача имеет содержательный характер и базируется на использовании фундаментальных законов преобразования вещества и энергии, позволяющих установить пределы в их использовании.

Вторая же задача - это формальная задача разработки математических методов оптимизации и синтеза энерго-технологических систем.

Во многих исследованиях задача экономии энергии сводится к экономической оптимизации, что однако не дает возможности прогнозировать пути создания новых технологических процессов.

Также ведутся разработки связанные с поиском новых инженерно-технологических решений, направленных на экономию того или иного вида

энергии в конкретных технологических процессах. Это и использование газо- и паротурбинных установок, тепловых насосов, проведение химических процессов в гальванических элементах, использование альтернативных источников энергии и т.п.

В основу разработанных в настоящей работе методик положено понятие энерготехнологической системы (ЭТС).

Понятие ЭТС носит достаточно условный характер и, конечно, не отражает те специфические особенности, которые связаны с совместной переработкой вещества и энергии. Поэтому понятие ЭТС используется в работе в том смысле, что при анализе химико-технологических систем особое внимание уделяется вопросам совместной переработки вещества и энергии.

Работа состоит из введения, семи глав, общих выводов и приложения. Кроме того, каждая глава заканчивается выводами по данному разделу.

Первая глава - обзор состояния вопросов, которым посвящена диссертация , представлен в работе для введения в круг обсуждаемых проблем. В этой главе можно выделить, в соответствии с вышеизложенной концепцией, два круга вопросов: первый - связанный с формальными аспектами проблемы, т.е. состоянием современной теории и методологии оптимального синтеза ЭТС и развитием соответствующих математических методов; второй - связанный с содержательной стороной проблемы, т.е. с состоянием методов анализа и принципов построения энергосберегающих технологий.

Во второй главе излагается разработанный автором информационно-термодинамический принцип анализа ЭТС, основанный на совместном использовании принципов теории информации и термодинамики, что позволяет вскрывать скрытые от традиционных подходов резервы производства.

Третья глава посвящена разработке топологического метода эксергетического и термоэкономического анализа сложных ЭТС,

позволяющему формализовать процедуру составления и решения систем уравнений эксергетического баланса и термоэкономических затрат.

В четвертой главе излагается метод структурной оптимизации ЭТС, в основе которого лежит понятие предельно-оптимальной структуры, позволяющее в максимальной степени учесть эмерджентные свойства системы в ее стремлении к оптимуму.

В пятой главе описаны разработанные декомпозиционно-прективные методы оптимизации, основанные на принципе непрерывной координации, позволяющим сочетать основные достоинства методов явной и неявной декомпозиции.

В шестой главе излагается методика решения многокритериальной задачи оптимизации ЭТС, которая в силу двойственности работы ЭТС - переработка и вещества, и энергии - часто возникает при решении практических задач.

Седьмая глава появящена практическому использованию сформулированных в работе принципов и методов. Практическое применение результатов диссертации охватывает достаточно широкий круг производств основной химии, нефтехимии и нефтепереработки.

Автор выражает глубокую признательность академик)

В.В.Кафарову

и

профессору В.Л.Перову а также благодарит всех сотрудников кафедры кибернетики химико-технологических процессов РХТУ им.Д.И.Менделеева за постоянное внимание и поддержку в работе.

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ И АНАЛИЗА ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ.

В проблеме оптимизации ХТС можно выделить три части: системную или содержательную, математическую и информационную.

Первая часть использует системный анализ химико-технологических процессов для получения содержательной постановки задачи, исключающей тривиальность получаемых решений с одной стороны, и, с другой - не допускающей нереальных результатов. Последнее в значительной степени обязано применению адекватных математических моделей.

Вторая часть основана на численных методах оптимизации, обеспечивающих алгоритмизацию поиска решений.

Третья часть связана с реализацией поиска на ЭВМ, то есть с преодолением информационной сложности задач путем разработки универсальных программ и систем.

Системная часть в проблеме оптимизации ХТС является центральной и определяющей. Именно она вместе с решением вопроса о содержательной постановке задачи оптимизации привносит все трудности ее численного решения. Многомерность, плохая обусловленность, "овражность", "жесткость", многоэкстремальность и вырожденность являются характерными чертами задач моделирования и оптимизации в химической технологии.

Данные явления нельзя отнести к проблемам, решаемым только в рамках прикладной математики [1], рассматривающей источник некорректности задач в погрешностях измерительной и управляющей техники, в конечности разрядной сетки вычислительных машин. Накопленный большой опыт решения задач моделирования и оптимизации в области химической технологии убедительно доказывает, что истинный источник указанных явлений

содержится в системным проблемах, которые стали проявляться все более отчетливо благодаря применению вычислительной техники для решения все более сложных задач.

Именно с такой точки зрения ниже рассмотрены современные методы и проблемы оптимизации ХТС.

1.1. Оптимизация ХТС как единого целого и декомпозиционная оптимизация

Многие проблемы оптимизации ХТС относятся к задачам нелинейного программирования в самой общей постановке. Однако, существенное значение имеет специфика ХТС, которая позволяет конкретизировать постановку задачи оптимизации. Эта специфика состоит в том, что: 1) каждый отдельный аппарат или группа аппаратов технологической схемы описывается небольшим числом уравнений с небольшим числом переменных по сравнению со всей схемой -такой аппарат или группу аппаратов называют блоком или подсистемой; 2) количество непосредственных связей данного блока с другими блоками схемы невелико, то есть значительно меньше общего количества взаимосвязей между подсистемами.

Такая специфика предопределила основные направления решения задач моделирования и оптимизации ХТС [2, 3]. Все они исходят из разделения поисковых переменных на промежуточные (межблочные и межподсистемные) входные и выходные, входные и выходные переменные всей схемы и поблочные локализованные оптимизирующие переменные. Критерий оптимизации может зависеть от всех выше перечисленных групп переменных и вносит важную специфику в постановку задачи оптимизации ХТС. Эта специфика состоит в том, что критерий может быть векторным и скалярным. Скалярные критерии и компоненты векторных критериев, в свою очередь,

подразделяют на поблочно-аддитивные и неаддитивные. Под поблочной аддитивностью критерия понимают то, что он равен сумме локальных критериев, относящихся к отдельным блокам. Ограничения типа неравенств также часто имеют поблочную локализацию относительно переменных схемы.

Далее будут рассмотрены задачи оптимизации ХТС только со скалярными критериями, для которых выделяются два класса методов: оптимизация ХТС как единого целого и декомпозиционная оптимизация.

Одно из основных направлений в решении задач оптимизации ХТС определяется подходом к сложной схеме как к единому целому. Основные методы и проблемы данного подхода изложены в работе [3]. Здесь проанализирован этап расчета статического режима схемы в тесной связи с общей задачей оптимизации и показана необходимость учета структурной специфики схем как на этапе расчета, так и на этапе вычисления производных критерия оптимизации по варьируемым переменным. Поэтому существенная роль в проблеме оптимизации ХТС как единого целого отводится структурному анализу, посредством которого осуществляется формальный учет специфики схем. Структурному анализу сложных схем посвящено много работ. Большинство из них рассмотрено в литературном обзоре [4]. Главной целью всех методов структурного анализа является использование специфических структурных особенностей ХТС для снижения затрат времени счета и объема памяти ЭВМ при многократном расчете ХТС в задачах моделирования и оптимизации. Данная задача решается разработкой и применением в некотором смысле оптимальных алгоритмов состоит в оптимальном расчленении (декомпозиции) сложной многоконтурной ХТС на строго соподчиненные элементарные и контурные подсистемы, которые не охвачены обратными технологическими потоками. Оптимальность расчленения обычно понимается как минимальная параметричность "особых" технологических потоков.

Разработку оптимальных алгоритмов анализа ХТС [5-9] осуществляют на

основе математических методов топологии, теории графов и теории множеств, используя топологические модели ХТС в виде параметрических потоковых графов или информационно-потоковых мультиграфов [10].

Оптимальным образом расчлененная схема вместе с математическими моделями ее элементов (блоков, подсистем), представленными в той или иной математической форме, образует системы совместных уравнений, например, конечных алгебраических. Методы решения таких уравнений применительно к задачам химической технологии рассмотрены в [3]. В работе [11] проведены исследования наиболее перспективных из них, даны рекомендации по применению и способы улучшения сходимости.

При расчленении сложной схемы всегда выделяется набор переменных, по которым осуществляется итерационный расчет схемы. На эффективную сходимость итерационного процесса оказывают влияние ряд факторов. Прежде всего априори полагается, что чем меньше размерность системы нелинейных уравнений, тем больше гарантий для быстрого и успешного ее решения. Такое мнение обосновано тем, что чем меньше размерность, тем меньше требуется память ЭВМ и меньше требуется вычислений для определения матриц Якоби.

Использование критерия минимальной параметричности при разработке оптимальных алгоритмов анализа многоконтурных ХТС в ряде работ признается слабой гарантией для успешного применения итерационных процедур решения систем нелинейных алгебраических уравнений [3,12]. В работе [3] подробно обсуждаются положительные и отрицательные стороны критерия минимальной параметричности "особых" потоков, в частности рассматривается возможность улучшения данного критерия путем введения экспертно назначаемых весовых множителей размерностей технологических потоков. Этот прием позволяет выбирать в качестве "особых" такие технологические потоки, для которых химики-технологи могут знать значения параметров указанных потоков, являющихся хорошими начальными

приближениями для итерационных процедур. Тем не менее, остается очевидным, что ни один из подобных критериев не учитывает функциональных свойств математических моделей, таких ка