深冷空分是生产大规模、高纯度气液相产品的主要方法,随着工业生产中的能源资源配置日益受到重视,下游产品的需求不断升级,空分装置除了“安、稳、长、满、优”的生产要求,还要灵活调整操作实现生产“提质增效”,因此空分装置在不同生产负荷间的切换频繁发生,呈现出越来越多的动态特性。机理模型具有清晰的物理意义,通过动态模拟技术揭示空分变负荷、氮塞故障等过程的生产规律,对空分过程操作实践非常重要。但其工艺流程复杂、耦合严重,物性计算方程模型变量多,给建模带来了一定的挑战。一般工业过程的动态机理模型常采用微分-代数方程组表示。空分系统为高纯体系且物理可行域窄,使得这类模型具有刚性特征,对初值具有很高的敏感性,如何在工作点大范围变动下提高动态模型的收敛性能是模型应用的基础。另一方面考虑到离散后的模型规模大、计算成本高,机理模型实用性不强,构建“轻量化”降阶模型具有重要意义。针对以上问题,本文的研究内容包括:1.基于深冷空分工艺和机理,在Pyomo模块化自主建模平台构建了深冷空分精馏过程的全联立动态机理模型,分析了模型的index、自由度和刚性特征,通过重构精馏塔模型中的能量平衡方程,有效克服了 high-index带来的求解困难。由于原有空分热力学模型中变量多,非线性强,导致联立求解收敛性难,对此提出了基于多项式函数的回归方法,建立代理模型进行物性计算,简化了热力学计算并提高了动态模型的收敛性能,通过仿真验证了一定操作范围下局部代理模型的鲁棒性和准确性。2.采用有限元正交配置法对机理模型进行离散化,并用全联立法对空分动态过程进行模拟计算。设计了满足关键变量约束的动态优化命题,解决了稳态工况难收敛问题;提出了双层自适应变步长求解策略解决了变工况过程中模型收敛困难的问题。通过动态仿真,给出了关键变量在不同条件下的动态特性曲线,与HYSYS软件的仿真结果进行了验证比较,由于重构水力学方程造成的模型误差,通过参数估计方法校正模型,验证结果表明构建的动态机理模型能够准确、稳定地描述变负荷过程。3.为了提高机理模型实用性,采用有限元正交配置法对精馏塔模型进行约简,通过对空分下塔和全流程的仿真,验证了降阶模型在满足精度需求的同时缩减了模型规模,节省了计算时间;在降阶模型基础上引入故障扰动,构建了动态优化命题对典型氮塞故障进行动态仿真,求解得到的动态轨迹为现场故障处理提供了理论基础。