論文標題： Influence analysis of process scheduling on optimized operation strategy of acetylene hydrogenation reactor

作者：謝府命（自動化系博15級，海南大學信息與通信工程學院）；許鋒；羅雄麟

期刊：化工學報（EI）

錄用時間：2020.10.26

原文鏈接：10.11949/0438-1157.20201215

摘要

乙炔加氫反應器是乙烯工業中用于除去高濃度乙烯流中的少量乙炔的重要裝置，該裝置一般持續運行較長時間，期間反應器內催化劑活性逐漸降低，直至活性難以滿足工藝要求。乙炔加氫反應器全周期操作優化一般是針對裝置的一個再生周期進行的，在裝置運行周期內應按照操作優化方案進行。但是，考慮在實際工業生產中，常出現由于生產調度的原因臨時變更操作優化方案的情況。若系統在按照操作優化方案運行一定時間后，需要在剩余運行周期內臨時改變操作方案，在這類情形下剩余裕量的最優釋放特性及全周期優化結果將與之前文獻討論的原始全周期操作優化產生一定的差異。本文基于二維非均相乙炔加氫反應器模型，研究了這類在運行周期中臨時改變操作優化方案的全周期動態優化問題。改變操作優化方案的方式包括：變更運行周期、追求經濟效益最大化和變更優化目標、追求運行周期最大化。通過對這兩種改變操作優化方案的分析，探討改變操作方案對裕量釋放特性、運行周期和經濟效益的影響。

背景與動機

乙炔加氫反應器是乙烯工業中的重要裝置，它的主要作用是通過乙炔的加氫反應將高濃度乙烯流中的少量乙炔轉化為乙烯，避免造成后續的乙烯聚合反應的催化劑中毒。由于反應需要鈀金屬催化劑有選擇地使少量乙炔發生催化加氫反應，才能保證出口乙炔含量滿足工藝需求，因此催化劑活性成為了關系到裝置運行及經濟效益的重要指標。反應器內催化劑則會受到溫度及反應副產物影響，活性緩慢降低，當活性降低到一定程度，選擇性無法滿足工藝需求時，反應器停止運行，進行催化劑再生。

現有的文獻對于乙炔加氫反應器全周期操作優化的研究，都是基于一定的運行周期內操作優化策略不變這一前提。但是，在實際工業生產過程中，乙炔加氫反應器不一定能在整個運行周期中保持同一優化的操作策略，有時因調度需求需要在運行過程中臨時更改反應器運行周期或優化目標等，這會使得裕量緩釋操作優化中最優的裕量釋放特性發生變化，從而導致最終優化結果的變化。討論這類臨時改變優化策略的意義在于解決長周期運行的系統中因臨時調整策略對剩余運行周期和經濟效益等的預估問題，和全周期內多個不同優化策略的分段裕量緩釋操作優化問題。

一般來說，對于慢時變系統的裕量緩釋操作優化問題，最優的剩余裕量釋放特性只與設定的運行周期相關，設定較短的運行周期，則剩余裕量釋放較快，能獲得較大的平均每日經濟效益；反之，則釋放較慢，能獲得較大的全周期整體經濟效益；在達到最大運行周期時，系統性能恰好能夠達到約束邊界。臨時改變操作策略的裕量緩釋操作優化顯然也應該遵循這一規律。我們將會建立乙炔加氫全周期的裕量緩釋操作優化模型，同時將考慮兩種改變操作方案的方式，包括：變更運行周期、追求經濟效益最大化和變更優化目標、追求運行周期最大化。通過對這兩種改變操作方案的分析，對問題進行逐個解答。

設計與實現

基于裕量緩釋操作優化模型，以180day作為乙炔加氫反應器的計劃再生周期，求解得到固定運行周期180day的最優工藝裕量消耗軌跡，如圖1中的虛線所示。由于生產線調度等需求，有時需要臨時改變再生周期，這里以點Γc=120day作為臨時改變點，原先的裕量緩釋操作優化（即再生周期為180day）的總裕量應保持不變?？紤]固定剩余天數，將?！?/span>f=150,160,170,190day作為改變后的最大再生周期，實現這一段時域內的裕量緩釋操作優化，其最優工藝裕量消耗軌跡如圖1所示（總裕量一定，能反映相應的最優裕量釋放軌跡），150,160,170day的最優裕量釋放速率較快，而190day的最優裕量釋放較為緩慢，改變運行周期的裕量緩釋操作優化均能夠在最大運行周期內恰好達到系統所允許的最大工藝裕量（占總裕量的70%左右），實現最優的經濟效益。全周期的經濟效益曲線（包含不改變運行周期前的曲線）如圖2所示。由于這部分裕量要在較短的周期內快速釋放，150,160day為最大運行周期時經濟效益曲線還能保持一個較大的增長，直至出口乙炔含量超出過程約束，反應停止；170day 為最大運行周期時經濟效益曲線和不改變運行周期的動態優化軌跡較為接近；相對的，為了實現更長的運行周期，190day 為最大運行周期時經濟效益曲線下降較快。從全周期總經濟效益來看，不改變運行周期（即最大運行周期為180day）所獲得的經濟效益要高于臨時改變運行周期的總經濟效益，并且，臨時改變的運行周期與原定周期差距越小，那么總經濟效益的損失也越小。

考慮固定運行周期為180day，目標函數為經濟效益的裕量緩釋操作優化過程中，分別以點Γc=90,120,150day作為臨時優化策略變更點，在之后的優化策略中改為目標函數為運行周期的裕量緩釋操作優化，即可以得到臨時改變優化策略所獲得的經濟效益，如圖3所示?？梢钥吹?，改變優化策略后，工作點有一個大幅度的改變，導致經濟效益下降，均在170day后處于經濟效益的虧損狀態，但是所獲得的最大運行周期均能達到180day以上，大于目標函數為經濟效益裕量緩釋操作優化的運行周期。優化策略變更點為Γc=90day時，能利用的剩余裕量較為充足，因此優化所能達到的最大運行周期為212.01day；優化策略變更點為Γc=120day時，所維持的最大運行周期要略低，為205.32day；優化策略變更點為Γc=150day時，能利用的剩余裕量較少，因此可優化操作空間也較小，所維持的最大運行周期僅為201.15day。圖5中的虛線為目標函數為運行周期的全周期裕量緩釋操作優化，也可以理解為Γc=0day的情形，能維持的最大運行周期為218.36day，要大于其他臨時改變優化策略所能維持的最大運行周期。實際上，能維持的最大運行周期與能利用的剩余裕量的多少有關，總體來說，相對于目標函數為最大運行周期的裕量緩釋操作優化，目標函數為經濟效益的裕量緩釋操作優化對剩余裕量的消耗要快一些，因此就呈現出優化策略變更點越小，所能獲得最大運行周期越大這一規律。相反地，優化策略變更點越靠前，所能獲得的全周期總經濟效益越低，優化策略變更點為Γc=90day時，全周期總經濟效益為5.93×105￥；優化策略變更點為Γc=120day時，全周期總經濟效益為6.53×105￥；優化策略變更點為Γc=150day時，全周期總經濟效益為7.22×105￥；目標函數為運行周期的全周期裕量緩釋操作優化，即Γc=0day的情形，全周期總經濟效益僅為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.

作者簡介

許鋒副教授，博士，科研工作涉及控制理論及應用、生產過程的先進控制與優化、化工過程的流程模擬與分析、過程控制與工藝設計一體化研究等，長期從事煉油化工過程軟測量與先進控制、流程模擬與實時優化等技術開發與工程應用工作中國石油大學（北京）副教授、碩士生導師、北京自動化學會理事。

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