运用过程系统工程方法论,进行换热器网络综合是提高系统能量利用、实现节能减排的关键技术手段。但在扰动和过程不确定性下确保换热器网络安全、可靠操作的工业需求为传统换热器网络综合方法提出诸多挑战。一方面,现有的可操作性换热器网络综合研究普遍分裂了柔性和可控性需求,且局限于稳态过程,使得设计结果严重受制于时变扰动。另一方面,未充分耦合柔性综合和控制,导致换热器网络结构和换热面积冗余以及控制难度增加。为此,本文开展柔性和可控性换热器网络同步综合研究,考察时变扰动对换热器网络动态行为的影响,提出动态柔性综合方法以及双层控制结构设计方法,并以此为基础重点开展动态柔性换热器网络综合与先进控制同步集成方法研究。本论文主要研究内容及成果如下:(1)针对换热器网络在实际操作过程中经济性和可操作性受到制约的问题,本文通过优化旁路的初始开度和位置来充分考虑柔性和可控性间相互影响,提出柔性和可控性换热器网络同步综合方法。基于无分流分级换热器网络超结构建立启发式规则辨识扰动传播,并将其量化以实现旁路初始开度的优化;定量分析旁路开度对流股出口温度的影响,实现旁路位置的优化。据此进一步建立以年度总费用最小为目标函数的混合整数非线性规划模型,求解得到含有最优旁路开度和位置的换热器网络。本方法围绕上述旁路两要素,在随机扰动下确保换热器网络柔性、可控性以及优越的经济性能,为动态柔性换热器网络综合研究、基于控制结构的可控性换热器网络研究打下坚实的基础。(2)鉴于过度设计柔性换热器网络造成的结构和换热面积冗余,以及未考虑时变扰动和换热器网络动态特性导致无法确保整段操作时间内操作可行性和优化性能,提出动态柔性换热器网络综合方法。本文松弛原本固定的流股出口温度,使换热器网络容纳的扰动变化范围处于动态可行域内,而非局限于其边界,实现换热器网络结构和容纳多扰动能力的协调优化。本方法耦合动态柔性分析与换热器网络结构综合,在多扰动场景下辨识换热器网络的动态柔性瓶颈以明确其广义临界操作点;在此基础上建立滚动优化策略,处理依赖于离散时刻的换热器网络结构综合问题。本方法围绕松弛的流股出口温度,权衡换热器网络经济性与动态柔性,为过程综合与控制集成方法开辟新思路。(3)基于操纵变量配对与控制回路对换热器网络可控性的协同作用,本文以旁路为对象,提出双层控制结构设计方法。对于给定的换热器网络,通过衡算扰动引起的换热器热交换量变化同步完成旁路的活性辨识和配对,设计得到外层控制结构;而后通过改进控制回路间相互作用的量化方式来直接确定内层控制结构,并采用活性旁路实现双层控制结构设计。本方法围绕热交换量变化的衡算,揭示操纵变量辨识和配对的内在规律,为换热器网络高效分配充足的被控操作空间,同时通过改进的量化方式避免多解问题,使得各控制回路相对独立,有效地改善换热器网络的可控性,从而指导高效、可实施的换热器网络控制系统开发。(4)由于未深入挖掘换热器网络的动态柔性综合与控制间相互依赖关系,且过度依赖于复杂的控制器,造成结构和换热面积冗余以及控制难度增加。为有效地实现换热器网络结构、动态柔性以及控制性能间协调优化,本文建立动态柔性换热器网络综合和先进控制同步集成方法。本文方法充分考虑流股出口温度的变化范围,并将连续操作时间分割成若干个离散时刻,逐一进行动态柔性换热器网络综合,在此基础上引入离散模型预测控制器来调节流股出口温度并优化动态柔性综合中关键变量。本方法揭示动态柔性换热器网络综合与先进控制间交互作用机制,打破常规集成方法的局限性,提出过程综合与控制集成的新思路,对实际过程具有一定的指导意义。(5)本文最后采用所提方法对某乙烯生产装置中的大规模换热器网络进行动态柔性综合与先进控制同步集成。通过经济性分析和动态仿真,所得换热器网络具备容纳多扰动能力、优越的经济性能以及控制性能,证明本文方法的可行性,并能够确保企业利润及安全生产,符合石化等大型企业的未来发展需求。