論文標(biāo)題： Influence analysis of process scheduling on optimized operation strategy of acetylene hydrogenation reactor

作者：謝府命（自動(dòng)化系博15級(jí)，海南大學(xué)信息與通信工程學(xué)院）；許鋒；羅雄麟

期刊：化工學(xué)報(bào)（EI）

錄用時(shí)間：2020.10.26

原文鏈接：10.11949/0438-1157.20201215

摘要

乙炔加氫反應(yīng)器是乙烯工業(yè)中用于除去高濃度乙烯流中的少量乙炔的重要裝置，該裝置一般持續(xù)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，期間反應(yīng)器內(nèi)催化劑活性逐漸降低，直至活性難以滿(mǎn)足工藝要求。乙炔加氫反應(yīng)器全周期操作優(yōu)化一般是針對(duì)裝置的一個(gè)再生周期進(jìn)行的，在裝置運(yùn)行周期內(nèi)應(yīng)按照操作優(yōu)化方案進(jìn)行。但是，考慮在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，常出現(xiàn)由于生產(chǎn)調(diào)度的原因臨時(shí)變更操作優(yōu)化方案的情況。若系統(tǒng)在按照操作優(yōu)化方案運(yùn)行一定時(shí)間后，需要在剩余運(yùn)行周期內(nèi)臨時(shí)改變操作方案，在這類(lèi)情形下剩余裕量的最優(yōu)釋放特性及全周期優(yōu)化結(jié)果將與之前文獻(xiàn)討論的原始全周期操作優(yōu)化產(chǎn)生一定的差異。本文基于二維非均相乙炔加氫反應(yīng)器模型，研究了這類(lèi)在運(yùn)行周期中臨時(shí)改變操作優(yōu)化方案的全周期動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題。改變操作優(yōu)化方案的方式包括：變更運(yùn)行周期、追求經(jīng)濟(jì)效益最大化和變更優(yōu)化目標(biāo)、追求運(yùn)行周期最大化。通過(guò)對(duì)這兩種改變操作優(yōu)化方案的分析，探討改變操作方案對(duì)裕量釋放特性、運(yùn)行周期和經(jīng)濟(jì)效益的影響。

背景與動(dòng)機(jī)

乙炔加氫反應(yīng)器是乙烯工業(yè)中的重要裝置，它的主要作用是通過(guò)乙炔的加氫反應(yīng)將高濃度乙烯流中的少量乙炔轉(zhuǎn)化為乙烯，避免造成后續(xù)的乙烯聚合反應(yīng)的催化劑中毒。由于反應(yīng)需要鈀金屬催化劑有選擇地使少量乙炔發(fā)生催化加氫反應(yīng)，才能保證出口乙炔含量滿(mǎn)足工藝需求，因此催化劑活性成為了關(guān)系到裝置運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)。反應(yīng)器內(nèi)催化劑則會(huì)受到溫度及反應(yīng)副產(chǎn)物影響，活性緩慢降低，當(dāng)活性降低到一定程度，選擇性無(wú)法滿(mǎn)足工藝需求時(shí)，反應(yīng)器停止運(yùn)行，進(jìn)行催化劑再生。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)于乙炔加氫反應(yīng)器全周期操作優(yōu)化的研究，都是基于一定的運(yùn)行周期內(nèi)操作優(yōu)化策略不變這一前提。但是，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，乙炔加氫反應(yīng)器不一定能在整個(gè)運(yùn)行周期中保持同一優(yōu)化的操作策略，有時(shí)因調(diào)度需求需要在運(yùn)行過(guò)程中臨時(shí)更改反應(yīng)器運(yùn)行周期或優(yōu)化目標(biāo)等，這會(huì)使得裕量緩釋操作優(yōu)化中最優(yōu)的裕量釋放特性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致最終優(yōu)化結(jié)果的變化。討論這類(lèi)臨時(shí)改變優(yōu)化策略的意義在于解決長(zhǎng)周期運(yùn)行的系統(tǒng)中因臨時(shí)調(diào)整策略對(duì)剩余運(yùn)行周期和經(jīng)濟(jì)效益等的預(yù)估問(wèn)題，和全周期內(nèi)多個(gè)不同優(yōu)化策略的分段裕量緩釋操作優(yōu)化問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于慢時(shí)變系統(tǒng)的裕量緩釋操作優(yōu)化問(wèn)題，最優(yōu)的剩余裕量釋放特性只與設(shè)定的運(yùn)行周期相關(guān)，設(shè)定較短的運(yùn)行周期，則剩余裕量釋放較快，能獲得較大的平均每日經(jīng)濟(jì)效益；反之，則釋放較慢，能獲得較大的全周期整體經(jīng)濟(jì)效益；在達(dá)到最大運(yùn)行周期時(shí)，系統(tǒng)性能恰好能夠達(dá)到約束邊界。臨時(shí)改變操作策略的裕量緩釋操作優(yōu)化顯然也應(yīng)該遵循這一規(guī)律。我們將會(huì)建立乙炔加氫全周期的裕量緩釋操作優(yōu)化模型，同時(shí)將考慮兩種改變操作方案的方式，包括：變更運(yùn)行周期、追求經(jīng)濟(jì)效益最大化和變更優(yōu)化目標(biāo)、追求運(yùn)行周期最大化。通過(guò)對(duì)這兩種改變操作方案的分析，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行逐個(gè)解答。

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于裕量緩釋操作優(yōu)化模型，以180day作為乙炔加氫反應(yīng)器的計(jì)劃再生周期，求解得到固定運(yùn)行周期180day的最優(yōu)工藝裕量消耗軌跡，如圖1中的虛線(xiàn)所示。由于生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)度等需求，有時(shí)需要臨時(shí)改變?cè)偕芷?，這里以點(diǎn)Γc=120day作為臨時(shí)改變點(diǎn)，原先的裕量緩釋操作優(yōu)化（即再生周期為180day）的總裕量應(yīng)保持不變?？紤]固定剩余天數(shù)，將?！?/span>f=150,160,170,190day作為改變后的最大再生周期，實(shí)現(xiàn)這一段時(shí)域內(nèi)的裕量緩釋操作優(yōu)化，其最優(yōu)工藝裕量消耗軌跡如圖1所示（總裕量一定，能反映相應(yīng)的最優(yōu)裕量釋放軌跡），150,160,170day的最優(yōu)裕量釋放速率較快，而190day的最優(yōu)裕量釋放較為緩慢，改變運(yùn)行周期的裕量緩釋操作優(yōu)化均能夠在最大運(yùn)行周期內(nèi)恰好達(dá)到系統(tǒng)所允許的最大工藝裕量（占總裕量的70%左右），實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。全周期的經(jīng)濟(jì)效益曲線(xiàn)（包含不改變運(yùn)行周期前的曲線(xiàn)）如圖2所示。由于這部分裕量要在較短的周期內(nèi)快速釋放，150,160day為最大運(yùn)行周期時(shí)經(jīng)濟(jì)效益曲線(xiàn)還能保持一個(gè)較大的增長(zhǎng)，直至出口乙炔含量超出過(guò)程約束，反應(yīng)停止；170day 為最大運(yùn)行周期時(shí)經(jīng)濟(jì)效益曲線(xiàn)和不改變運(yùn)行周期的動(dòng)態(tài)優(yōu)化軌跡較為接近；相對(duì)的，為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的運(yùn)行周期，190day 為最大運(yùn)行周期時(shí)經(jīng)濟(jì)效益曲線(xiàn)下降較快。從全周期總經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，不改變運(yùn)行周期（即最大運(yùn)行周期為180day）所獲得的經(jīng)濟(jì)效益要高于臨時(shí)改變運(yùn)行周期的總經(jīng)濟(jì)效益，并且，臨時(shí)改變的運(yùn)行周期與原定周期差距越小，那么總經(jīng)濟(jì)效益的損失也越小。

考慮固定運(yùn)行周期為180day，目標(biāo)函數(shù)為經(jīng)濟(jì)效益的裕量緩釋操作優(yōu)化過(guò)程中，分別以點(diǎn)Γc=90,120,150day作為臨時(shí)優(yōu)化策略變更點(diǎn)，在之后的優(yōu)化策略中改為目標(biāo)函數(shù)為運(yùn)行周期的裕量緩釋操作優(yōu)化，即可以得到臨時(shí)改變優(yōu)化策略所獲得的經(jīng)濟(jì)效益，如圖3所示?？梢钥吹?，改變優(yōu)化策略后，工作點(diǎn)有一個(gè)大幅度的改變，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下降，均在170day后處于經(jīng)濟(jì)效益的虧損狀態(tài)，但是所獲得的最大運(yùn)行周期均能達(dá)到180day以上，大于目標(biāo)函數(shù)為經(jīng)濟(jì)效益裕量緩釋操作優(yōu)化的運(yùn)行周期。優(yōu)化策略變更點(diǎn)為Γc=90day時(shí)，能利用的剩余裕量較為充足，因此優(yōu)化所能達(dá)到的最大運(yùn)行周期為212.01day；優(yōu)化策略變更點(diǎn)為Γc=120day時(shí)，所維持的最大運(yùn)行周期要略低，為205.32day；優(yōu)化策略變更點(diǎn)為Γc=150day時(shí)，能利用的剩余裕量較少，因此可優(yōu)化操作空間也較小，所維持的最大運(yùn)行周期僅為201.15day。圖5中的虛線(xiàn)為目標(biāo)函數(shù)為運(yùn)行周期的全周期裕量緩釋操作優(yōu)化，也可以理解為Γc=0day的情形，能維持的最大運(yùn)行周期為218.36day，要大于其他臨時(shí)改變優(yōu)化策略所能維持的最大運(yùn)行周期。實(shí)際上，能維持的最大運(yùn)行周期與能利用的剩余裕量的多少有關(guān)，總體來(lái)說(shuō)，相對(duì)于目標(biāo)函數(shù)為最大運(yùn)行周期的裕量緩釋操作優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)為經(jīng)濟(jì)效益的裕量緩釋操作優(yōu)化對(duì)剩余裕量的消耗要快一些，因此就呈現(xiàn)出優(yōu)化策略變更點(diǎn)越小，所能獲得最大運(yùn)行周期越大這一規(guī)律。相反地，優(yōu)化策略變更點(diǎn)越靠前，所能獲得的全周期總經(jīng)濟(jì)效益越低，優(yōu)化策略變更點(diǎn)為Γc=90day時(shí)，全周期總經(jīng)濟(jì)效益為5.93×105￥；優(yōu)化策略變更點(diǎn)為Γc=120day時(shí)，全周期總經(jīng)濟(jì)效益為6.53×105￥；優(yōu)化策略變更點(diǎn)為Γc=150day時(shí)，全周期總經(jīng)濟(jì)效益為7.22×105￥；目標(biāo)函數(shù)為運(yùn)行周期的全周期裕量緩釋操作優(yōu)化，即Γc=0day的情形，全周期總經(jīng)濟(jì)效益僅為3.77×105￥。

Fig. 1. Optimal process margin consumption for temporary change of operation cycle

Fig. 2. Optimal economic benefit curve for temporary change of operation cycle.

Fig. 3. Economic benefit curve for temporary change of optimization strategy.

作者簡(jiǎn)介

許鋒副教授，博士，科研工作涉及控制理論及應(yīng)用、生產(chǎn)過(guò)程的先進(jìn)控制與優(yōu)化、化工過(guò)程的流程模擬與分析、過(guò)程控制與工藝設(shè)計(jì)一體化研究等，長(zhǎng)期從事煉油化工過(guò)程軟測(cè)量與先進(jìn)控制、流程模擬與實(shí)時(shí)優(yōu)化等技術(shù)開(kāi)發(fā)與工程應(yīng)用工作中國(guó)石油大學(xué)（北京）副教授、碩士生導(dǎo)師、北京自動(dòng)化學(xué)會(huì)理事。