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1、目录目录过程系统工程发展概述过程系统工程发展概述.2 2一、过程系统工程的概念及发展历史.21.1 过程系统工程的概念.21.2 过程系统工程的发展历程.21.2.1 起步阶段.21.2.2 发展阶段.21.2.3 拓展阶段.3二、过程系统工程的主要研究内容.32.1 过程系统工程的基本内容简介.32.1.1 过程系统的模拟.32.1.2 过程系统的分析.32.1.3 过程系统的综合.42.1.4 过程系统的优化.42.2 过程系统模拟的基本方法.42.2.1 序贯模块法.42.2.2 联立方程法.42.2.3 联立模块法.52.3 过程系统的综合.52.3.1 过程系统综合及其研究领域.52
2、.3.2 过程系统综合的策略与方法.52.3.3 换热网络综合.72.3.4 换热网络综合的启发式经验规则法.7过程系统工程发展概述一、过程系统工程的概念及发展历史1.1 过程系统工程的概念过程系统工程（Poreess systems engineering，SPE）是一门综合性的边缘学科，它以处理物料一能量一资金信息流的过程系统为研究对象，其核心功能是过程系统的组织、计划、协调、设计、控制和管理，它广泛地用于化学、冶金、制药、建材和食品等过程工业中，目的是在总体上达成技术上及经济上的最优化，以符合可持续发展的要求。自从过程系统工程在 20 世纪 60 年代形成一门独立学科以来，随着系统工程、
3、信息技术和化学工程的发展，过程系统工程在深度和广度方面都有了较大的扩展，在 1982年开始每 3 年召开一次的国际过程系统工程学术会议，以及自 1988 年开始每 3 年召开一次的艾斯本世界用户会议上，都有数百篇论文发表，基本上反映了这一学科的进展情况。过程系统工程在我国的研究和应用是从 1973 年开始起步的，许多高等院校和化工设计及研究院所在这方面做了不少工作，出版了一些专著，在国内外发表了不少论文，过程系统工程在化工工厂中的应用也取得了一些成果。在各有关方面的努力下，1991年成立了中国系统工程学会过程系统工程专业委员会，推动了国内的学术交流，也加强了与国际学术界的联系。从总体上看来，我
4、国过程系统工程的理论研究水平与国际水平较为接近，但在成果的应用和商业化方面则相差较远，至今还没有出现达到国际先进水平的商业化软件及国际知名的从事过程系统工程研究开发及推广应用的企业。近年来，随着社会、经济和科学技术的发展，过程系统工程也面临着新的挑战。其中主要包括日益严格的环保及节能要求、降低产品成本的压力、原料来源多样化的适应、客户需求个性化的满足、企业经营绩效的提高、供应链的组合与优化等。1.2 过程系统工程的发展历程1.2.1 起步阶段1961 年美国出版了 Williams 所著的“Systems Engineering for the ProcessIndustries”；1968
5、年 Rudd 和 Watson 出版“Strategy of Process Engineering”；次年日本的矢木荣和西村肇也出版 化学过程工学。20 世纪 70 年代一些著名的大学都纷纷在化工系开设“化工过程的模拟与分析”、“过程设计”、“过程控制”等课程。这个时期的活动主要在学术界，是学术酝酿期。这期间奠定了过程系统工程学科的理论基础及研究方法，明确了学科范畴为过程系统的分析、过程综合和过程控制。1.2.2 发展阶段到 20 世纪 70 年代，一方面，由于石油危机的挑战，需要大幅度的节能降耗；石油化工装置的大型化、综合化迫切需要开发新的手段来分析、设计和控制这些复杂的化工系统，这些动因
6、就促成了过程系统工程的大发展。另一方面，计算机技术的长足发展为系统工程的发展提供了有力手段。20世纪 80 年代，一系列国际会议的召开也宣告 PSE 作为独立学科已成熟起来，例如，1980 第一届计算机辅助过程设计会议（Foundation ofCAPD）在美国波士顿召开，1982 首届国际 PSE 会议在日本京都召开。20 世纪 7080 年代我国早期老一辈 PSE 专家学者出版专著，编写教材，办学习班，开展大量启蒙工作。20 世纪 80 年代高等院校纷纷开设“化工系统工程”课程，清华大学、天津大学等成立了化工系统工程教研室；1991 年在著名的系统工程专家钱学森及其他有识之士推动下，成立中
7、国系统工程学会过程系统工程专业委员会，成思危当选为第一届主任委员。当时过程系统工程专业委员会横跨化工、冶金、石油、医药卫生、轻工、建材、有色、核工业、防化等 11 个部委。在这个时期过程系统工程已经由学术理论走向工业应用，并实现了不少重大技术突破，特别值得称道的有:Dave Cutler创造 Dynamic Matrix Control（DMC）方法实现了模型预估控制（model perdictive control，MPC），这种软件包已在世界各地的石油化工装置上安装应用，达到几千套，创造了可观的经济效益。1988 年 Du Pont 公司做过评估，由于采用了先进控制和实时优化，每年可以增加
8、净利润 2 亿一 5 亿美元；以 LawrenceEvans 为代表的流程模拟技术软件开发取得明显效果，Aspenplus、HYSYS 和 PRO/II 等已在世界设计科研和工厂企业广泛应用，成为工程师手中必不可少的工具；以 GeorgeStephanopoulos 为代表的人工智能应用也取得很好成果；以 Bodo Linnhoff 为代表的过程集成研究。获得工业部门的普遍重视，他提出的“夹点技术”在节能降耗上效果显著，有的学校甚至成立过程集成系。1.2.3 拓展阶段这一时期的发展表现在从研究范围和研究内容两方面都在扩大。传统的 PSE 研究范畴对象规模通常在 10-4-102m（即颗粒、薄膜
9、、气泡到制造车间、工厂），现正向两极扩大：微观方面向分子模拟、产品设计扩充（纳米级）；宏观方面向整个公司、整个供应链、一个工业园区乃至全球气候变化扩充。在研究内容方面，过去“过程”是指物理一化学制造过程，现在则已扩大到管理业务过程，也就是说，由研究工程决策延伸到研究商务决策。由于现在进人了可持续发展时代，过程优化的判别指标也正在变化，除了传统的经济效益外，要增加健康、安全和环境影响、可控制性和可维护性等，将来还会增加更多的社会因素，如气候影响、生命周期影响和风险最小化等。这样一来，最优化也就成了多目标优化。总之，过程系统工程正在一方面迎接全球性竞争的挑战，另一方面迎接可持续发展的挑战。二、过程
10、系统工程的主要研究内容2.1 过程系统工程的基本内容简介2.1.1 过程系统的模拟在实际化工生产过程中，一套化工生产装置的合理设计或实际化工生产装置的优化操作、生产故障的分析诊断，以及生产装置生产能力的预测或评价等均离不开过程系统模拟，所谓模拟，就是采用一个能反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观的一致性，且可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行研究和设计原型过程的方法这里所指的模型可以是小型或微型实验装置，也可以是一个描述原型的数学方程组。2.1.2 过程系统的分析过程系统分析，或过程分析，是指：对于系统结构及其中各个单元或子系统均已给定的现有过程进行分析，即建立各单元或子系统的数
11、学模型，按着给定的系统结构进行整个系统的数学模拟，预测在不同条件下系统的特性和行为，借以发现其薄弱环节并给以改进。过程系统分析的概念，就是对于已知的过程系统，给定其输入参数，求解其输出参数。具体点说，大致包括过程系统的物料、热量衡算，确定设备负荷、费用，以及对过程系统进行技术、经济和环境影响等多目标评价。化工过程模拟系统是过程系统分析的主要工具。2.1.3 过程系统的综合过程系统综合或过程综合，是过程系统工程的核心内容，是指：按着规定的系统特性，寻求所需的系统结构及其各子系统的性能，并使系统按规定的目标进行最优组合。过程系统综合的概念，就是，当给定过程系统的输入参数及规定其输出参数后，确定出满
12、足性能的过程系统，包括选择所采用的特定设备及其间的联络关系，并提供某些变量的初值。在设计新建装置时，过程综合用于从众多备选方案中选择最优流程。过程综合需要以过程分析为基础，同时过程综合又对过程分析提出新的要求，过程系统设计是综合与分析交替过程的整体。过程综合是一个极为复杂的大系统多目标最优组合问题，是过程系统工程学的一个前沿领域。过程系统综合研究的主要课题有：1.反应路径的综合；2.反应器网络综合；3.换热器网络综合；4.分离序列综合；5.公用工程系统综合；6.控制系统综合；7.全流程系统；8.过程系统能量、质量集成。常用的方法有四种分解法、直观推判法、调优法、结构参数法。2.1.4 过程系统
13、的优化过程系统优化或系统优化可分为参数优化和结构优化。参数优化是指：在一已确定的系统流程中对其中的操作参数（如，温度、压力和流量等）进行优选，以满足某些指标（如，费用、能耗和环境影响等）达到最优；如果改变过程系统中的设备类型或相互间的联结，以优化过程系统，则称为结构优化。现场生产装置由于原料、负荷以及产品质量要求等发生变化，与原设计不符合，或个别设备已更新（如，更换了新催化剂）或老化（催化剂老化，换热设备结垢等），因而使过程系统操作条件不协调，并非处于最佳操作状态，针对这种情况，需要采用过程系统优化技术以实施过程离线或在线操作优化。2.2 过程系统模拟的基本方法化工过程系统的数学模型通常采用一
14、大型的非线性方程组表示，由于化工过程系统的多变量非线性导致数学模型的复杂性和特殊性。采用数学上通用的大型非线性的方程组求解方法并不一定有效，为此必须建立适合化工系统特点的算法。针对化工过程系统分析、设计及优化或系统的具体情况应采用不同的方法，此方法分为三大类，即序贯模块法、联立方程法和联立模块法。2.2.1 序贯模块法序贯模块法是开发最早、应用最广泛的方法。目前绝大多数通用软件多采用该方法。序贯模块法，是以过程系统的单元设备数学模型为基本模块，该模块的基本功能是，只要给定全部输入流股相关变量和设备主要结构尺寸，即可求得所有输出流股的全部信息。同时，该信息提供后续单元设备模块的输入。根据过程系统
15、流程拓扑的信息流图，按照流股方向依次调用单元设备模块，逐个求解全系统的各个单元设备，获取全系统的所有输出信息。可见，序贯模块法也就是逐个单元模块依次序贯计算求解系统模型的一种方法。2.2.2 联立方程法联立方程法是为克服序贯模块法的不足而提出的。其基本思想是将描述过程系统的所有方程组织起来，形成一个大型非线性方程组，进行联立求解。这些方程与序贯模块法一样，也来自各单元过程的描述及生产工艺要求、过程系统设计约束条件等。与序贯模块不同的是，序贯模块法是按单元过程模块求解，而联立方程法是将所有方程放在一起联立求解，从而打破单元模块间的界限，可根据计算任务的需要确定输入变量及输出变量。由于联立求解，避
16、免了回路的断裂、省去了嵌套迭代的时间，提高了计算效率。2.2.3 联立模块法通过前面对序贯模块法及联立方程法的分析和比较，不难发现这两种方法对现有成熟单元模块的利用、涉及变量的多少、对计算机空间要求的大小、求解的难以程度，计算效率的高低以及适用范围等方面均存在一定的差异。甚至有些方面恰恰是一种方法的缺陷而又是另一种方法之长，两者存在一定的互补性。为此，在此基础之上正是取序贯模块法及联立方程法两者之长而形成了联立模块法，也称之为双层法。联立模块法是将整个模拟计算分为两个层次，第一层次是单元模块的层次，第二层次是系统流程的层次。基本思想是：首先在模块水平上采用严格单元模块模型，进行严格计算，获得在
17、一定条件和范围内的输入与输出数据，可采用数据拟合的方法，确定输入与输出间的关系，并获得其模型参数，表示该模块的简化模型。然后，在系统流程层次上则采用各模块的简化模型，进行联立求解联结各单元模块的的流股信息。如果在系统水平上未到达规定的精度，则必须返回到模块水平上，重新由模块进行严格计算、重新建立简化模型。经过多次迭代，直至最后两次重新建模获得模型参数间的相对误差达到规定精度，同时也必须满足系统规定的其他目标函数的收敛精度要求。2.3 过程系统的综合2.3.1 过程系统综合及其研究领域随着科技的进步和各学科间的交叉结合，使得现代工业装置日趋大型化和技术密集化在当前能源紧张、原材料短缺和环境污染日
18、益加剧的情况下，传统的化学工程方法难以适应大型联合加工装置的整体设计以及在此基础上的过程系统实时分析与控制。随着系统工程、运筹学、化学工程、过程控制等领域的发展，一门新的技术学科一化工过程系统工程应运而生。化工过程系统工程是一门边缘学科。它是从过程系统的整体出发，根据系统内部各个组成部分的特殊性及相互关系，确定过程系统在规划、设计、控制和管理等方面的最优策略。它的主要研究对象是那些将原料转化为产品的化工类生产系统，也可统称为过程系统；主要包括化工、炼油、塑料、食品、制药、冶金等领域过程工业的能耗在世界总能耗中占有相当大的比例，因此，它们的节能举措成为过程系统工程的一个重要课题。化工过程系统工程
19、自 60 年代产生以来，从理论上初步形成了本身的研究内容和方法。70 年代以来，随着科技的进步，过程系统工程由纯粹的理论研究走向工业化应用，并陆续开发与实现了化工过程系统通用模拟系统及大型过程工业在线动态控制系统。化工过程系统工程的研究领域主要有以下几个方面：l）过程系统模拟；2）过程系统综合；3）过程系统的操作与控制；4）间歇过程与柔性系统的设计与操作优化；5）化工过程专家系统与人工智能技术。2.3.2 过程系统综合的策略与方法在上述几个领域中，过程系统综合不仅是化工系统工程学科的核心内容，而且是过程设计的关键步骤。在系统设计的初期，根据不完备的系统信息产生一系列可能的流程方案；从流程的可操
20、作性、安全性、柔性等方面进行权衡，筛选出最优的系统流程。具体地说，化工过程系统综合是在己知系统输入参数的变化范围和系统约束条件下，按照系统的结构特性和输出要求，寻找系统最佳结构和结构参数，实现系统的最佳投入产出。20 多年来，化工过程系统工程由传统的经验选择!子系统的单独分步式设计，转化为以系统论!控制论!人工智能等为理论基础!综合现代应用数学的最新成就，并凭借数值计算技术进行系统智能化和同步优化与综合。系统综合方法可以分为经验规则法、热力学目标法和数学规划法。（l）经验规则法应用一些经验积累下来的直观推理规则，剔除不可能或不合理方案，缩小搜索空间以得到一个较优的可行解。这种方法又叫做直观推断
21、法。这些规则虽没有经过严格的证明，但基本上是正确的。在系统综合时，这种方法并不能保证一次就可以得到系统的最优解。但以该可行解为基础，采用一些调优规则反复改进流程综合方案是可以得到近优解的。这种直观推断调优方法，也是最为成熟的一种系统综合方法。随着人工智能技术的发展，这些经验规则可以用以前人经验为基础的专家系统的推理来代替。对不同的系统对象，经验规则通常是完全不同的，因而这种方法难以在不同的子系统之间进行同步协调。对于大型过程工业系统如轻柴油/汽油裂解制乙烯过程来讲，它所涉及的冷热物流、单元过程和系统复杂程度远远超出了人们用来评价算法或集成策略的经典实例，为降低系统综合时变量维数和减少系统模型的
22、求解难度，可将热力学规则、工艺条件和现场操作等方面的经验规则转化为专家系统中的知识或规则，以减少建模时的约束条件，实现问题的简化与求解。（2）热力学目标法这类方法是以热力学原理和分析方法为基础，将过程系统的最小能量消耗或能量利用率作为系统的综合目标。其中具有代表性的有 Ggogioli 的有效能分析、华贲、徐天华的热经济优化分析法。梅田的有效能图分组综合法，Linnho 任的夹点分析法等。有效能分析法和夹点分析法已在许多过程工业的基础设计和现有流程改扩建中得到了实际应用。这两种方法通常是以系统整体的能量消耗为目标，并不考虑营运成本及技术、设备折旧等因素的影响，得到的综合结果通常不经过系统可操作
23、性、安全性、柔性等方面的检验。（3）数学规划法数学规划法是将过程综合问题归结成一个全局最优化问题，并采用适当的算法对其进行简化求解。这种建模方法对非凸、非线性混合离散模型的全局求解策略尚未成熟，并有待于进一步改进与完善。Grossmann 根据确定性原则提出了处理混合整数非线性约束规划(MINLP)的全局优化方法；Floudas 则推出了他的 cG0P 系统。虽然经验规则和热力学目标法在过程系统综合，特别是在换热网络综合建模与求解中取得了巨大进展，并得到了一定程度的应用，但无论是对于实数域问题还是整数域问题，上述方法都不能提供一个适合于求解不同类型问题、鲁棒性较强的全局优化方法。对过程系统进行
24、整体综合时，这些方法不能充分地考虑各个子系统之间的相互影响，求解效率也不十分理想。对严重非凸非线性混合离散模型的求解策略尚不成熟，通常只能得到局部最优解，同时它们的求解过程不很透明，无助于对综合过程的理解。Gunderesn 等人认为：尽管经验规则法和热力学目标法己在过程系统综合中，特别是在换热网络综合中取得了可喜的成绩，但这些方法既不能提供一个求解不同类型问题的鲁棒性较好的方法，又不能准确地考虑系统整体综合时各个子系统之间的相互影响，以及有效地实现过程系统的同步优化。他同时指出:基于“知识”的 MINLP 模型，在一定程度上能够克服上述局限性。这种方法不仅对不同的系统综合问题具有某种通用性，
25、还可以进行各子系统之间的同步联合优化。通过对不同目标的权衡可以实现全局最优(近优)的系统结构和结构参数。数学规划法虽能得到稳定的近优解，但它无法有效地表达以工业生产实际经验和设计经验对综合过程的有效指导。因此，以数学规划为基础的综合策略可以说是刚性的，不能有效地表征系统的动态特性、安全性和可操作性。2.3.3 换热网络综合换热网络综合不仅是过程系统工程的一个重要内容，同时又是过程工业能量回收与再利用的一个重要环节。它对降低整个工艺过程的能耗、提高系统的可操作性、降低系统对环境的热污染等方面具有着重要的现实意义。自 1965 年 Hwa 首次考虑了具有多种冷热物流的最佳换热网络结构设计问题以来，
26、许多人对换热网络综合问题进行了深入细致地研究，使其成为过程系统综合领域里最具有成就的研究领域，并在实际应用中取得了显著的效果。在过程工业中，人们经常会遇到一些物流需要加热、另外一些物流需要冷却的工艺过程。对这些物流进行合理的换热匹配，在系统内部实现能量最大限度地回收与利用、减少公用工程消耗，将会有效地提高整个系统的能量利用率和经济性。合理地安排物流之间的换热匹配，需要考虑如何确定物流之间的匹配顺序和换热负荷的分配。换热网络最优综合就是要确定出具有较小或最小的设备投资费用和操作费用，同时满足工艺要求的换热网络其中设备投资费用主要由换热面积及换热设备台数决定，而操作费用由公用工程用量来决定。近三十
27、年来，针对换热网络综合问题，众多的研究者提出了许多种求解方法与策略。Homhmann 首次提出，如果给定了冷热工艺物流数据，就可确定出最小公用工程用量及所需的最少设备单元数，这在换热网络综合的理论工作上是一个重大突破。Umeda 等根据热力学原理，利用有效能图，提出了分组综合的方法。Linnhoff 等提出了夹点概念和夹点分析法，并在换热网络综合的理论研究和实践等方面取得了突破性的进展。Challand推出基于双温度法的综合规则，使得设计过程变得更加灵活、有效。Linnhoff、Flower提出的 TI（Temperature Interval)和 TC（Thermodynamic Combi
28、natorial）算法；构造出的换热网络具有如下性质：没有物流分支、公用工程用量最少，以及换热设备数最少。Floudas 和 Grossmann 用数学规划方法在自动地生成最优的网络结构的同时，也考虑了网络的柔性问题。Viswanathan 和 Evans 利用专家系统将几种综合方法组合起来求解网络的最优综合。Ciric 和 Floudas 指出：采用 MINLP 方法，可同时求解公用工程负荷、物流间的匹配和最佳网络结构。1981 年 Nishida 对早期的换热网络综合问题进行了比较全面的论述。Gundersen 通过对大量相关文献的综述进一步回顾与论述了换热网络综合的现在与未来。换热网络综
29、合大体上可以分为基于经验的经验启发规则法、以夹点技术为代表的热力学目标方法和数学规划法。人们通常是将上述几种方法联合起来使用。如在热力学目标方法中人们汇集了一些基于经验的直观推断规则和调优规则，数学规划则充分地应用了夹点技术的推断原理。2.3.4 换热网络综合的启发式经验规则法启发式经验规则法称之为试探法或直观推断法。这种方法虽不能保证一次获得最优解，但能以此为基础采用一些调优方法使系统逐步优化。1969 年 Masso 和 Rudd 就提出了用直观推断法建立换热网络的基本原理。1974 年 Ponton 和 Donaldson 提出了用于计算机快速合成换热网络的直观推断规则，即按最高可供温度
30、与最高目标温度，将冷热物流由高温端向低温端逐次进行匹配的原则。Nishida 曾证明用上述规则可以得到具有最少的换热面积，并为此提出了一个简单且切实可行的调优方法。这种方法借助温一焓图(T 一 H)，可以实现物流之间的匹配，合理地分配匹配温差和热负荷。在逆流换热、满足热负荷约束的前提下，以换热面积最小为综合目标，对综合问题进行了求解。这种方法并没有考虑换热器传热系数的差异和设备成本。对工业换热网络进行分析与综合时，不仅要考虑物流的数量、温度、压力和物性等具体工艺要求，还要考虑材质和换热器结构等方面的具体要求。当网络中有分流或换热能力较小的换热器时，可在 T一 H 图上将烩区予以适当合并，减少换
31、热设备数目、降低设备投资费用、改善换热网络的操作性能。根据以上情况，Pho和 Lapidus 提出了基于规则的树搜索法。夹点技术出现以后，Su 和 Motard 指出:在网络综合的后期，可利用断开热负荷回路的方法，剔除换热网络中不必要的匹配。随着人工智能技术的发展，人们可以利用专家系统的形式描述经验规则、实际施工经验对物流匹配的约束，缩小物流匹配的搜索空间，降低 NLP 问题的求解难度。1982年美国推出了 HEATEX 换热网络专家系统，陈丙珍用专家系统方法对换热网络综合进行了研究与应用。高维平用智能法对最优换热网络综合进行了尝试，他将换热网络设计中的一些经验按照一定的合成步骤加以运用而得到最终的优化网络。