序贯模块稳态模拟的动态迭代法及其在催化裂化中的应用

成果名称：序贯模块稳态模拟的动态迭代法及其在催化裂化中的应用

题目：Dynamic iterative method for sequential module steady-state modeling and its application to the fluid catalytic cracking unit

发表期刊: Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2022 (SCI, JCR Q1)

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jtice.2022.104649

作者列表

1) 喻焕文 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化系 研20

2) 程晓鹏 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化系 研18

3) 许 锋 中国石油大学（北京）自动化系

4) 罗雄麟 （通讯作者） 中国石油大学（北京）自动化系

文章简介

在用序贯模块法对化工系统进行模拟时，现有的迭代方法存在初值难以选取，通用性不足等问题，难以同时解决模拟中的无约束和有约束迭代问题。为此，提出了一种序贯模块法流程模拟的动态迭代方法，首先用序贯模块法建立系统的稳态序贯模型，并在模型外部增加一个动态反馈环节，此反馈环节能够通过学习迭代过程中两步或多步之间的偏差，使其迭代输出趋近与下一步系统输出，从而保证流程模拟计算的收敛，提高模拟的迭代速度。将动态迭代法应用于催化裂化反应-再生系统，在无约束和有约束迭代问题下系统均实现了快速收敛，证明了此方法在序贯模块流程模拟中的有效性。

问题描述

循环系统普遍存在于化工装置流程中，其模型如图1(a)所示。用序贯模块法进行模拟时，需要将系统模型分解成相应的模块，断裂循环流股，加入断裂流股模块，得到如图1(b)所示的序贯模型。循环流股的存在大大增加了迭代初值的选取难度，因为循环流股中的变量需要求解出最后一个模块才能得到，而迭代初值的选取又需要考虑循环流股中的变量，这就导致了系统迭代速度慢，模拟效率低的问题，称为代数环问题。

除此之外，在实际生产过程中，往往对系统有相应的控制要求，比如控制产品的产率或者反应温度为期望值，以此提高经济效益。在迭代过程中，这就是典型的有约束迭代问题，有约束迭代又可以分为输入约束迭代和输出约束迭代，因此，可将迭代问题分为三种：

第一种，无约束迭代问题。模拟输入和模拟输出均为自由变量，保证其快速收敛即可。这种模拟没有控制要求，但是迭代初值难以选取，迭代速度慢，模拟效率低，特别是循环系统。

第二种，输入约束迭代问题。模拟输入为给定值，迭代求解模拟输出。这种模拟相当于控制系统的输入为期望值，通过模拟求解系统输出，作为实际生产指标的参考。

第三种，输出约束迭代问题。模拟输出为给定值，迭代求解模拟输入。这种模拟相当于控制系统的输出为期望值，通过模拟求解系统输入，作为实际投入指标的参考。

(a) 物理模型

(b) 序贯模型

图1 循环系统模型

针对以上三种迭代问题，并且存在代数环问题的情况下，只在模块中改变迭代方法是无法解决的。为此，考虑在序贯模型外部增加一个动态反馈环节，如图2所示。此动态反馈环节能够学习系统两步或多步输出之间的偏差，使迭代输出趋近于下一步系统输出值，反馈给第一个模块，相当于不断求取下一步迭代的最佳迭代初值。对于有约束的迭代问题，此方法可以改成学习期望值与系统实际输出值之间的偏差，从而使系统输出不断趋近于期望值，最终实现收敛。为了解决代数环问题，将循环变量也通过动态反馈环节进行迭代，使其收敛于下一步循环值，因此可将断裂流股模块并入动态反馈环节。在系统稳态模拟中，此方法属于动态迭代求解，因此动态反馈环节中的迭代方法称为动态迭代方法。

图2 序贯模块动态迭代法

实验结果及分析

在催化裂化反应-再生系统中，催化剂依次需要经过提升管反应器、汽提段、CSTR1和CSTR2，因此可将反应-再生系统分成四个部分，其模型如图3(a)所示。将前面提出的三种迭代问题对应到此系统中，如图3所示。

(a) 反应-再生系统模型

(b) 第一种迭代模型

(c) 第二种迭代模型

(d) 第三种迭代模型

图3 催化裂化反应-再生系统模型

将动态迭代法应用到催化裂化反应-再生系统中，收敛数据如表1所示，收敛曲线如图4、图5和图6所示。由模拟结果可知，在三种迭代问题下，动态迭代法都能够使反应-再生系统稳定收敛，因此可以说明动态迭代法能够同时解决三种迭代问题，也说明了动态迭代法在化工系统稳态模拟中是有效的。

表1 三种迭代问题的模拟数据