Оптимизация химико-технологических систем с использованием декомпозиционно-проективных методов (на примере процессов газопереработки) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Анисимов, Игорь Эбович

• Анисимов, Игорь Эбович
• 1984

Оглавление диссертации Анисимов, Игорь Эбович

ВВЕЩЕНИЕ.

ГЛАВА I.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИКО

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.1.Оптимизация ХТС как единого целого и декомпозиционная оптимизация.

1.2.Процессы низкотемпературной переработки природного и нефтяного газов как объекты оптимизации

1.3.Математическое моделирование и оптимизация процессов газопереработки

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2.ИССЛЕДОВАНИЕ ЧИСЛЕННОЙ ОБУСЛОВЛЕННОСТИ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ ХТС И РАЗРАБОТКА ДЕКОМПОЗИЦИОННО-ПРОЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ.

2.1.Постановка задачи оптимизации расширенной ХТС.

2.2.Трехуровневой подход в задаче оптимизации расширенно! ХТС.

2.3.Исследование влияния структурных взаимосвязей на численную обусловленность задач оптимизации

2.4.Принцип непрерывной координации.

2.5.Трехуровневая декомпозиционно-проективная оптими-зщия ХТС.

2.6.Некоторые особенности реализации трехуровневого декомпозиционно-проективного алгоритма оптимизации.

2.7.Трехуровневая декомпозиционно-проективная оптимизация действующих газоперерабатывающих установок.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3.ОПТИМИЗАЦИЯ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ УСТАНОВКИ НА

ГРОЗНЕНСКОМ ГПЗ.

3.1.Исследование промышленной установки с целью оптимизации.

3.2.Расчет теплофизических свойств углеводородных систем.

3.3.Математические модели отдельных аппаратов

3.4.Корректировка математических моделей по экспериментальным данным.

3.5.Основные этапы применения трехуровневой декомпозиционно-проективной методики и оптимальный режим установки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация химико-технологических систем с использованием декомпозиционно-проективных методов (на примере процессов газопереработки)»

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до Г990 года /I/ предусматривается увеличение мощности по комплексной переработке нефтяного и природного газов. Решение данной проблемы определяет необходимость в наиболее полном и рациональном извлечении из природного и нефтяного газов этана,пропана,бутанов и более тяжелых углеводородов - сырьевой основы промышленности органического синтеза. Метан в общем объеме добываемого газа составляет большую часть и используется в основном как котельно-печное топливо.

Одним из направлений решения поставленной задачи является интенсификация и оптимизация действующих газоперерабатывающих установок, которые в отечественной газоперерабатывающей промышленности главным образом представлены процессами низкотемпературной конденсации (НТК), низкотемпературной абсорбции и ректификации (HTA и НТР). Основной причиной, порождающей резервы для оптимизации в газопереработке, является изменение условий формирования сырьевой базы производств в ходе их эксплуатации по сравнению с проектной. Использование указанных резервов является важной народнохозяйственной задачей, научный подход в решении которой основан на применении системного анализа /2-4/ к действующим производствам.

Газоперерабатывающие установки, как объекты оптимизации, относятся к сложным химико-технологическим системам (ХТС),характерными чертами которых являются: многокомпонентность составов перерабатываемого сырья, сложность взаимосвязей между отдельными аппаратами и узлами технологических схем (материальные и тепловые рециклические потоки, обратные потоки), наличие двухфазных потоков в теплообменных аппаратах и сложность процессов тепло- и маесообмена в условиях конденсации (испарения) многокомпонентных парогазовых смесей.

При решении задач оптимизации указанные особенности газоперерабатывающих установок определяют необходимость применения декомпозиционного подхода, позволяющего представить решение исходной большой задачи в виде последовательности совместно решаемых более простых, локальных, задач оптимизации. Применение декомпозиционного подхода при численном решении задач оптимизации газоперерабатывающих установок на ЭВМ встречает два принципиальных затруднения, содержащихся как в специфике процессов газопереработки, так и в более общих чертах, характерных для проблем оптимизации сложных систем: I) большинство применяемых математических моделей процессов в газопереработке использует теплофизические свойства углеводородных смесей, которые рассчитываются после совместного решения уравнений фазового равновесия и покомпонентного материального баланса, что находится в противоречии с декомпозиционным подходом, приводящим к некорректному использованию банков данных теплофизических свойств; 2) высокая размерность задач оптимизации, связанная с многокомпонентными составами потоков и сложностью технологических схем, неизменно сопровождается явлением "овражности", существенно затрудняющим численное решение задач.

В связи с перечисленными выше обстоятельствами, проблема оптимизации действующих газоперерабатывающих установок является актуальной, требует проведения дальнейших исследований в области декомпозиционных методов оптимизации, что определило основное содержание и направленность выполненной нами работы.

Диссертация состоит из трех глав, заключения и приложения.

Первая глава посвящена обзору основных направлений интенсификации и оптимизации действующих газоперерабатывающих установок и анализу принципиальных проблем, возникающих при использовании методов оптимизации ХТС.Особое внимание уделяется явлению"овраж-ности"и причинам,порождающим его;показано,что"овражность"является внешним проявлением системной сложности задач оптимизации ХТС.

Во второй главе проводится исследование численной обусловленности задач оптимизации ХТС при применении основных подходов к ее решению. В качестве меры степени "овражности" нами использованы спектральные числа обусловленности матриц Гессе, что позволило установить взаимосвязь между проблемой координации локальных задач в многоуровневых системах и "овражностью". Нами сформулирован принцип непрерывной координации локальных задач оптимизации, учитывающий структурные свойства ХТС, применение которого позволяет устранить "овражность", связанную с использованием декомпозиционного подхода; показана также взаимосвязь данного принципа координации с методом проекций, поэтому развитый нами подход назван декомпозиционно-проективным. Для решения задач оптимизации ХТС с неаддитивными критериями во второй главе разрабатывается трехуровневой декомпозиционный подход, обладающий основными достоинствами метода множителей Лагранжа, метода "уровней" и проективной координации.

Третья глава посвящена вопросам применения трехуровневой декомпозиционно-проективной методики для решения задачи оптимизации технологического режима установки на Грозненском ГПЗ ПО "СЕВКАВ-НЖЕГАЗПЕРЕРАБОТКА". Для решения задачи был проведен промышленный эксперимент, позволивший получить адекватное математическое описание отдельных процессов, использованное при численном решении задачи на ЭВМ.

Апробация предложенной методики показала, что принцип непрерывной координации приводит к проецированию направлений минимизации на пространство линейно независимых переменных структурных взаимосвязей ХТС, определяющих материальное и энергетическое взаимодействие подсистем, что приводит к принципиальному уменьшению "овражности". Кроме того, непрерывное выполнение взаимосвязей подсистем ХТС для теплового и материального балансов автоматически обеспечивает корректность использования банков данных по теплофизическим свойствам углеводородных систем.

Результаты, полученные в работе, позволяют рекомендовать разработанную нами методику для решения аналогичных задач оптимизации действующих производств газоперерабатывающей промышленности, а также для использования ее в системах автоматизированного цроектирования при решении задач оптимизации технологических режимов.

Считаю своим долгом выразить глубокую благодарность и цризнательность научным руководителям: д.т.н., профессору Владимиру Леонидовичу ПЕРОВУ, к.т.н., доценту Дмитрию Александровичу БОБРОВУ, а также заведующему кафедрой кибернетики химико-технологических процессов академику Ж СССР Виктору Вячеславовичу КАФАРОВУ за многочисленные консультации, советы и подцержку при выполнении работы.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Анисимов, Игорь Эбович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

I.Область применения декомпозиционных методов оптимизации ХТС распространена на задачи с поблочно-неаддитивными критериями благодаря понятию расширенной ХТС, позволяющему осуществить эквивалентную замену исходной задачи задачей оптимизации с поблочно-аддитивным критерием.

2.Проведен сравнительный анализ основных подходов к оптимизации ХТС с точки зрения обусловленности матриц вторых производных критерия оптимизации; показано, что методы явной,неявной декомпозиции и методы оптимизации ХТС как единого целого неизбежно усиливают эффект "оврагов" из-за игнорирования структурных связей между элементами ХТС; показано, что численная обусловленность задач оптимизации ХТС существенно зависит от способа координации локальных задач.

3.Сформулирован принцип координации локальных задач оптимизации, учитывающий структурные свойства математических моделей подсистем по промежуточным входным и выходным информационным переменным, применение которого позволяет устранить "овражность",связанную с декомпозиционным подходом.

4.Разработана трехуровневая декомпозиционно-проективная методика оптимизации ХТС, сочетающая в себе положительные стороны метода уровней, метода множителей Лагранжа и проективной координации локальных задач оптимизации; разработан конкретный алгоритм, реализующий указанную трехуровневую методику.

5.Разработанный подход применен для решения задачи оптимизации газоперерабатывающей установки на Грозненском ГПЗ; для этого был проведен промышленный балансовый эксперимент, позволивший получить адекватное описание технологического процесса,использованного при численном решении задачи на ЭВМ.

6.Успешное применение декомпозиционно-проективной методики для решения задачи оптимизации газоперерабатывающей установки на Грозненском ШЗ, позволяет рекомендовать эту методику для решения аналогичных задач оптимизации действующих производств газоперерабатывающей промышленности, а также для использования ее в системах автоматизированного проектирования при решении задач оптимизации технологических режимов.

Список литературы диссертационного исследования Анисимов, Игорь Эбович, 1984 год

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. - М.: Политиздат, 1981. - 223 с. -2. Кафаров Б.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. - М.: Химия, 1976. - 463 с.

2. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. - 576 с.

3. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Еаука, 1976. - 500 с.

4. Тихонов А.И., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач.- М.: Наука, 1979. 288 с.

5. Островский Г.М., Волин Ю.М. Моделирование сложных химико-технологических схем. М.: Химия, 1975. - 312 с.

6. Перов В.Л., Мешалкин В.П. Современные методы анализа и синтеза химико-технологических систем. В сб.: Итоги науки и техники. Серия: Процессы и аппараты химической технологии, т. 3.- М.: 1975, с. 100 190.

7. Himmelblau D.M. Decomposition Of Large-Scale Problems. Amsterdam London, North-Holland publ. со., New-York, Amer. Elsevier, 1973, 571 p.

8. Himmelblau D.M. Decomposition Method. New-York Basel, 1979, pp. 4-83 - 520.

9. Ravinda S.U., Edward A. An Efficient Algorithm for Optimum Decomposition of Recycle Systems. AIChE Journal, 1972, v. 18,3, pp. 533 539.

10. Genna P.L., Motard R.L. Optimal Decomposition of Process Networks. AIChE Journal, 1975, v.21,pp. 656-663.

11. Островский Г.М., Волин Ю.М., Мотыль Д.Н. О структурном анализе химико-технологических систем. ТОХТ, 1978, т.12, № 4 ,с. 581 586.

12. Кафаров В.В., Перов В.Л., Мешалкин В.П. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. М.: Химия, 1974. - 344 с.

13. Островский Г.М., Волин Ю.М., Хандель К. Расчет стационарных режимов химико-технологических схем.-М.: ВНИИТЭХИМ, I98I.-68 с.

14. Кроу К., Гамилец А., Хоффман Т., и др. Математическое моделирование химических производств. М.: Мир, 1973. - 391 с.

15. Бояринов А.И., Дуев С.И. Множественность стационарных состояний в системе смеситель реактор - узел разделения. ТОХТ, 1980, т.14, № 6:, с. 903 - 907.

16. Дуев С.И., Бояринов А.И., Кафаров В.В. Исследование режимов с полным использованием исходных и промежуточных реагентов в системе "реактор узел разделения". Сб. трудов МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1979, вып. 106, с. 96 - 102.

17. Волин Ю.М., Колобашкин В.С., Махлин В.А. Оптимизация каталитических процессов в псевдоожиженном слое. ТОХТ, 1984, т. 18,1. I, с. 44 50.

18. Островский Г.М., Бережинский Т.А., Беляева А.Р. Алгоритмы оптимизации химико-технологических процессов. М.: Химия, 1978, - 296 с.

19. Кафаров В.В., Золотарев В.В., Богданов В.Н. Метод обратной интерполяции для решения систем нелинейных уравнений. ТОХТ, 1984, т. 18, № I, с. 78 87.

20. Синица В.А., Бояринов А.И., Мешков В.И., Стрельцов JI.B. Методы оптимизации без вычисления производных при расчете и оптимизации сложных ХТС. Тезисы докладов Всесоюзной конференции СХТС Ш, Таллин, 1982, ч. I, с. 92 - 93.

21. Синица В.А. Оптимизация процессов нефтепереработки и нефтехимии на основе численных методов нулевого порядка. Автореферат диссертации канд. техн. наук. - M. : 1984. - 18 с.

22. Перов В.Л., Бобров Д.А., Анисимов И.Э. Метод пространственной щшвой решений для задач оптимизации СХТС. Тезисы докладов 1У Всесоюзной конференции "Математические методы в химии" (ММХ 4), Ереван, 1982, с. 94 - 95.

23. Гроссман К., Каплан А.А. Нелинейное программирование на основе безусловной минимизации. Новосибирск: Наука, 1981, -184 с.

24. Кафаров В.В., Золотарев В.В., Гарнов В.В. Автоматизированная система анализа и синтеза химико-технологических систем synsys 78. Тезисы докладов Всесоюзной конференции СХТС - П, Новомосковск, 1979, с. 173 - 174.

25. Золотарев В.В. Разработка и применение автоматизированной системы анализа и синтеза химико-технологических систем (на примере производства серной кислоты под давлением). Диссертация канд. техн. наук. - M.: 1980. - 184 с.

26. SI. Ребане Ю.Ю. Прикладная система моделирования ХТС peeter-80. Тезисы докладов Всесоюзной конференции СХТС Ш, Таллин , 1982, ч. 2, с. 4 - 6 .

27. Соловей А.И., Перов В.Л., Фалькевич Г.С., Черновисов Г.Н. Система "НЕ&ТЕХИМ" дня проектирования технологических схем установок. Тезисы докладов Всесоюзной конференции СХТС Ш, Таллин, 1982, ч. 2, с. 7 - 9.

28. Островский Г.М., Волин Ю.М. Методы оптимизации сложных химико-технологических схем. М.: Химия, 1970. - 328 с.

29. Химмельблау Д.Прикладное нелинейное программирование. -М.: Мир, 1975. 534 с.

30. Численные методы условной оптимизации. Под ред. Гилла Ф. , Мюррея Ч. М.: Мир, 1977. - 296 с.

31. Ракитский Ю.В., Устинов С.М., Черноруцкий И.Г. Численные методы решения жестких систем. М.: Наука, 1979. - 208 с.

32. Лэсдон Л.С. Оптимизация больших систем. М.: Наука, 1975. -431 с.

33. Бурков В.И. Декомпозиция задач большой размерности. М.: Наука, 1981. - 352 с.

34. Evans J.P., Gould F.J. A Nonlinear Duality Theorem Without Convexity. Econometrica, 1972, v.40, № 3, pp. 487 496.

35. Голиков А.И., Жадан В.Г. Итеративные методы решения задач нелинейного программирования с использованием модифицированных функций Лагранжа. Журнал вычислительной математики и математической физики, 1980, т. 20, № 4, с. 874 888.

36. Мешалкин В.П. Некоторые принципы анализа химико-технологических систем. Диссертация канд. техн. наук. - M.: I97I.-2I0 с.

37. Нгуен Суан Нгуен. Разработка декомпозиционных алгоритмов исследования сложных химико-технологических систем на основе компактного преобразования информационной структуры разреженных матриц. Диссертация канд. техн. наук. - M.:1980.-274 с.- 156

38. Алиев Р.А., Островский Г.М., Брусиловский A.M., Юсифов Р.Ф. Задача оптимального управления комплексом первичной переработки нефти. Тезисы докладов Всесоюзной конференции СХТС-Ш, Таллин, 1982, ч.1, с. 143 Г45.

39. Габасов Р., Кириллова Ф.М. Особые оптимальные управления. -М.: Наука, 1973. 256 с.

40. Бобров Д.А. Решение задач оптимизации в автоматизированных системах технологического проектирования химических производств. Диссертация канд. техн. наук. - М.: 1973. - 167 с.

41. Бобров Д.А., Иванов В.А., Кафаров В.В., Перов В.Л. Алгоритм декомпозиции химико-технологических систем при решении задач оптимизации. Автоматика и телемеханика, 1973, № I,c. 139-144.

42. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., ГГеров В.Л. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств. -М.: Химия, 1979. 320 с.

43. Hirvonen J., Hakkala L. Hierarchical Optimization Methods. Acta Polytechn. Scand. Math, and Comput. Sci. Series, 1979 , № 31, PP. 75 -79.

44. Tatjewski P. Methods of Hierarchical Optimization for Interconnected Systems. Lect. Notes Contr. and Inform. Sci., 1980, v. 23, pp. 123 130.

45. Бережинский Т.А., Островский Г.М. Проблемы оптимизации химико-технологических систем. Тезисы докладов Всесоюзной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП I)", Москва, 1984, с. 85 - 86.

46. Роберте С. Динамическое программирование в процессах химической технологии и методы управления. М.: Мир, 1965. - 480 с.

47. Володин В.М., Елохин В.А., Бабиевский В.И. Сравнение эффективности некоторых декомпозиционных методов оптимизации. Тезисы докладов Всесоюзной конференции ММХ-4, Ереван, 1982 , с. 92 93.53