炼油企业蒸汽动力系统运营与设计优化研究

摘要

蒸汽动力系统是过程工业的重要组成部分，它的安全、稳定运行是企业安全、稳定、长周期运行的基础。随着经济的发展，能源形势越来越严峻，如何提高蒸汽动力系统的设计水平、运营和控制性能，进一步改善炼油企业的生产和管理效率，降低生产成本和能耗，是一项非常有意义的研究工作。本文首先分析了炼油企业蒸汽动力系统的运营和设计现状，指出了论文的研究意义和方向；其次以过程工业功能层次模型和流结构理论为指导，建立了蒸汽动力系统各层次结构模型；接下来分别建立了蒸汽动力系统运营优化和多周期设计优化数学模型，并在此基础上研究了蒸汽动力系统的柔性设计；最后实现了蒸汽动力系统优化运营与柔性设计计算机辅助平台框架结构的构建和原型软件的开发。 系统的分析与优化离不开对系统的结构和活动的认识，实现蒸汽动力系统多层次集成建模对于加深蒸汽动力系统的认识，指导蒸汽动力系统的各项活动，实现炼油企业能量系统总体优化至关重要。本文提出了炼油企业蒸汽动力系统多层次集成建模体系结构，建立了蒸汽动力系统功能层次模型、物理结构模型、流对象模型、活动模型和设备数学模型，阐明了组成蒸汽动力系统的各设备结构、蒸汽动力系统同工艺过程系统之间的关系以及组成蒸汽动力系统的各种流对象的组成和结构层次关系，描述了炼油企业蒸汽动力系统运营优化层次活动及相应子活动之间的联系和逻辑关系，为后续建模优化工作奠定了基础。 工艺过程加工量、产品方案、气候和季节的变化以及各不确定性变化等因素导致外界对蒸汽动力系统的汽电需求处于动态的变化过程中，给实际优化运营管理带来了极大困难。本文在深入分析炼油企业蒸汽动力系统运营层次活动特点的基础上，分别建立了确定性参数条件、不确定性参数条件和集成管网模拟的蒸汽动力系统运营优化模型并开发了相应的求解算法，不但对炼油企业蒸汽动力系统的运营管理有非常重要的指导意义，而且为蒸汽动力系统的改造指明了方向，为系统的设计投资决策层次活动集成建模的展开提供了理论和实践依据。 蒸汽动力系统的优化设计是一项从全局的角度出发进行的、多方面的、复杂的系统的工程，在整个蒸汽动力系统的活动中处于非常重要的地位。本文在综合运营层次研究工作和前人工作的基础上，提出了蒸汽动力系统多周期优化设计与综合的一般策略和系统方法，引入了基于热力学分析的启发式方法和备选设备负荷离散化的方法，大大缩小了问题的规模和降低了求解难度，建立了确定性需求条件下多周期设计与运行协同优化的数学模型，提高了系统的能量利用效率和经济性。除了经济性目标外，蒸汽动力系统的另一个更重要的评价指标是可操作性，系统各种确定性和不确定性条件的变化导致传统的设计模式可操作性差。本文提出了蒸汽动力系统柔性设计策略，即在确定性条件下优化设计建模工作的基础上，充分集成工艺过程能量系统的设计以提高蒸汽动力系统的柔性，将蒸汽动力系统设计层次的不确定性变化因素进行分类处理，深入挖掘各种不确定性因素的变化规律，摈弃传统预测方法误差过大的缺点，建立柔性设计模型并开发了求解算法，最后给出了实例应用，实现了可操作性和经济性的最优权衡。 采用“统一过程”方法，对炼油企业蒸汽动力系统优化运营和柔性设计计算机辅助平台进行了功能需求分析和逻辑设计，阐述了辅助平台的数据结构模型，在MicrosoftVisual Studio．Net环境下，采用C＃语言开发了原型软件SPSOpti，并在某炼油企业实现了运营层次的初步应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2过程系统文献综述

1.2.1过程系统集成建模

1.2.2技术与管理的综合集成

1.2.3过程系统优化方法

1.3炼油企业蒸汽动力系统现状分析

1.3.1炼油企业蒸汽动力系统运营和设计现状分析

1.3.2炼油企业蒸汽动力系统优化研究现状分析

1.4研究目标和内容

1.4.1炼油企业蒸汽动力系统多层次结构模型

1.4.2优化运营和设计层次集成建模及求解

1.4.3柔性设计集成建模及应用

1.4.4软件集成

第二章蒸汽动力系统多层次结构模型

2.1物理结构模型

2.2功能层次结构模型

2.3流对象模型

2.4活动模型

2.5蒸汽动力系统运营优化和柔性设计数学模型

2.6设备数学模型

2.6.1燃气轮机性能模型

2.6.2锅炉性能模型

2.6.3汽轮机性能模型

2.6.4其它设备性能模型

2.7本章小结

第三章蒸汽动力系统运营优化

3.1文献研究综述

3.1.1参数确定性条件下的蒸汽动力系统运营分析与优化

3.1.2参数不确定条件下的蒸汽动力系统运营分析与优化

3.2炼油企业蒸汽动力系统运营活动特点分析

3.2.1系统需求变化大

3.2.2蒸汽动力系统和工艺过程系统运行安全稳定性要求高

3.2.3多因素影响经济性目标

3.3参数确定性条件下运营优化

3.3.1参数确定性条件下的蒸汽动力系统运营优化模型

3.3.2案例应用

3.4参数不确定性条件下的运营优化

3.4.1系统运营不确定性因素分析

3.4.2线性系统参数不确定性问题的求解

3.4.3参数不确定性条件下蒸汽动力系统运营优化模型

3.4.4实例应用

3.5集成管网模拟的蒸汽动力系统运营优化

3.5.1集成管网模拟的蒸汽动力系统运营优化模型

3.5.2模型求解策略

3.5.3案例分析

3.6本章小结

第四章蒸汽动力系统多周期设计与综合优化研究

4.1文献研究综述

4.1.1蒸汽动力系统参数设计优化

4.1.2蒸汽动力系统结构设计优化

4.1.3蒸汽动力系统参数和结构的协同设计优化

4.2炼油企业蒸汽动力系统设计层次活动特点

4.2.1设计结构复杂、备选方案多

4.2.2运行效率与设计投资之间的权衡

4.2.3以运营层次研究为基础

4.3蒸汽动力系统设计优化一般策略和系统方法

4.4确定设计目标

4.5优化蒸汽等级

4.6燃料的优化选择

4.7确定性条件下的蒸汽动力系统的设计和运行的协同优化

4.7.1组合子系统的筛选

4.7.2初始备选设备参数的确定

4.7.3蒸汽动力系统多周期设计与运行协同优化数学模型

4.7.4完善优化设计方案

4.7.5案例应用

4.7.6案例结果讨论

4.8本章小结

第五章蒸汽动力系统柔性设计研究

5.1化工过程系统柔性分析和优化简述

5.1.1化工过程系统柔性分析和优化的一般形式和方法

5.1.2化工过程系统柔性分析和优化文献简述

5.2蒸汽动力系统柔性设计的紧迫性和面临的挑战

5.2.1蒸汽动力系统需求的频繁变化

5.2.2蒸汽动力系统的参数变化的不确定性

5.2.3传统化工过程柔性设计方法不能直接应用于蒸汽动力系统

5.3蒸汽动力系统柔性设计策略

5.3.1以确定性优化设计研究工作为基础

5.3.2集成工艺过程能量系统设计来增加柔性

5.3.3不确性性参数的分类处理

5.4蒸汽动力系统柔性设计数学模型

5.5柔性设计模型求解策略

5.5.1设备设计性能模型线性化

5.5.2紧急工况下锅炉产汽量约束处理

5.5.3柔性设计的广义Benders分解算法

5.6案例应用

5.6.1案例描述

5.6.2初始设计方案

5.6.3最优设计方案

5.6.4柔性设计方案

5.6.5结果分析与讨论

5.7蒸汽动力系统柔性设计指导准则举例

5.8本章小结

第六章优化运营与设计计算机辅助平台的开发

6.1RUP软件系统开发方法

6.2系统需求分析

6.3系统分析和设计

6.3.1核心功能过程的序列图

6.3.2计算机辅助平台系统数据管理模型

6.3.3系统结构

6.4系统实现

6.5本章小结

结论和展望

附录

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见