论文标题： Influence analysis of process scheduling on optimized operation strategy of acetylene hydrogenation reactor

作者：谢府命（自动化系博15级，海南大学信息与通信工程学院）；许锋；罗雄麟

期刊：化工学报（EI）

录用时间：2020.10.26

原文链接：10.11949/0438-1157.20201215

摘要

乙炔加氢反应器是乙烯工业中用于除去高浓度乙烯流中的少量乙炔的重要装置，该装置一般持续运行较长时间，期间反应器内催化剂活性逐渐降低，直至活性难以满足工艺要求。乙炔加氢反应器全周期操作优化一般是针对装置的一个再生周期进行的，在装置运行周期内应按照操作优化方案进行。但是，考虑在实际工业生产中，常出现由于生产调度的原因临时变更操作优化方案的情况。若系统在按照操作优化方案运行一定时间后，需要在剩余运行周期内临时改变操作方案，在这类情形下剩余裕量的最优释放特性及全周期优化结果将与之前文献讨论的原始全周期操作优化产生一定的差异。本文基于二维非均相乙炔加氢反应器模型，研究了这类在运行周期中临时改变操作优化方案的全周期动态优化问题。改变操作优化方案的方式包括：变更运行周期、追求经济效益最大化和变更优化目标、追求运行周期最大化。通过对这两种改变操作优化方案的分析，探讨改变操作方案对裕量释放特性、运行周期和经济效益的影响。

背景与动机

乙炔加氢反应器是乙烯工业中的重要装置，它的主要作用是通过乙炔的加氢反应将高浓度乙烯流中的少量乙炔转化为乙烯，避免造成后续的乙烯聚合反应的催化剂中毒。由于反应需要钯金属催化剂有选择地使少量乙炔发生催化加氢反应，才能保证出口乙炔含量满足工艺需求，因此催化剂活性成为了关系到装置运行及经济效益的重要指标。反应器内催化剂则会受到温度及反应副产物影响，活性缓慢降低，当活性降低到一定程度，选择性无法满足工艺需求时，反应器停止运行，进行催化剂再生。

现有的文献对于乙炔加氢反应器全周期操作优化的研究，都是基于一定的运行周期内操作优化策略不变这一前提。但是，在实际工业生产过程中，乙炔加氢反应器不一定能在整个运行周期中保持同一优化的操作策略，有时因调度需求需要在运行过程中临时更改反应器运行周期或优化目标等，这会使得裕量缓释操作优化中最优的裕量释放特性发生变化，从而导致最终优化结果的变化。讨论这类临时改变优化策略的意义在于解决长周期运行的系统中因临时调整策略对剩余运行周期和经济效益等的预估问题，和全周期内多个不同优化策略的分段裕量缓释操作优化问题。

一般来说，对于慢时变系统的裕量缓释操作优化问题，最优的剩余裕量释放特性只与设定的运行周期相关，设定较短的运行周期，则剩余裕量释放较快，能获得较大的平均每日经济效益；反之，则释放较慢，能获得较大的全周期整体经济效益；在达到最大运行周期时，系统性能恰好能够达到约束边界。临时改变操作策略的裕量缓释操作优化显然也应该遵循这一规律。我们将会建立乙炔加氢全周期的裕量缓释操作优化模型，同时将考虑两种改变操作方案的方式，包括：变更运行周期、追求经济效益最大化和变更优化目标、追求运行周期最大化。通过对这两种改变操作方案的分析，对问题进行逐个解答。

设计与实现

基于裕量缓释操作优化模型，以180day作为乙炔加氢反应器的计划再生周期，求解得到固定运行周期180day的最优工艺裕量消耗轨迹，如图1中的虚线所示。由于生产线调度等需求，有时需要临时改变再生周期，这里以点Γc=120day作为临时改变点，原先的裕量缓释操作优化（即再生周期为180day）的总裕量应保持不变。考虑固定剩余天数，将Γ’f=150,160,170,190day作为改变后的最大再生周期，实现这一段时域内的裕量缓释操作优化，其最优工艺裕量消耗轨迹如图1所示（总裕量一定，能反映相应的最优裕量释放轨迹），150,160,170day的最优裕量释放速率较快，而190day的最优裕量释放较为缓慢，改变运行周期的裕量缓释操作优化均能够在最大运行周期内恰好达到系统所允许的最大工艺裕量（占总裕量的70%左右），实现最优的经济效益。全周期的经济效益曲线（包含不改变运行周期前的曲线）如图2所示。由于这部分裕量要在较短的周期内快速释放，150,160day为最大运行周期时经济效益曲线还能保持一个较大的增长，直至出口乙炔含量超出过程约束，反应停止；170day 为最大运行周期时经济效益曲线和不改变运行周期的动态优化轨迹较为接近；相对的，为了实现更长的运行周期，190day 为最大运行周期时经济效益曲线下降较快。从全周期总经济效益来看，不改变运行周期（即最大运行周期为180day）所获得的经济效益要高于临时改变运行周期的总经济效益，并且，临时改变的运行周期与原定周期差距越小，那么总经济效益的损失也越小。

考虑固定运行周期为180day，目标函数为经济效益的裕量缓释操作优化过程中，分别以点Γc=90,120,150day作为临时优化策略变更点，在之后的优化策略中改为目标函数为运行周期的裕量缓释操作优化，即可以得到临时改变优化策略所获得的经济效益，如图3所示。可以看到，改变优化策略后，工作点有一个大幅度的改变，导致经济效益下降，均在170day后处于经济效益的亏损状态，但是所获得的最大运行周期均能达到180day以上，大于目标函数为经济效益裕量缓释操作优化的运行周期。优化策略变更点为Γc=90day时，能利用的剩余裕量较为充足，因此优化所能达到的最大运行周期为212.01day；优化策略变更点为Γc=120day时，所维持的最大运行周期要略低，为205.32day；优化策略变更点为Γc=150day时，能利用的剩余裕量较少，因此可优化操作空间也较小，所维持的最大运行周期仅为201.15day。图5中的虚线为目标函数为运行周期的全周期裕量缓释操作优化，也可以理解为Γc=0day的情形，能维持的最大运行周期为218.36day，要大于其他临时改变优化策略所能维持的最大运行周期。实际上，能维持的最大运行周期与能利用的剩余裕量的多少有关，总体来说，相对于目标函数为最大运行周期的裕量缓释操作优化，目标函数为经济效益的裕量缓释操作优化对剩余裕量的消耗要快一些，因此就呈现出优化策略变更点越小，所能获得最大运行周期越大这一规律。相反地，优化策略变更点越靠前，所能获得的全周期总经济效益越低，优化策略变更点为Γc=90day时，全周期总经济效益为5.93×105¥；优化策略变更点为Γc=120day时，全周期总经济效益为6.53×105¥；优化策略变更点为Γc=150day时，全周期总经济效益为7.22×105¥；目标函数为运行周期的全周期裕量缓释操作优化，即Γc=0day的情形，全周期总经济效益仅为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.

作者简介

许锋副教授，博士，科研工作涉及控制理论及应用、生产过程的先进控制与优化、化工过程的流程模拟与分析、过程控制与工艺设计一体化研究等，长期从事炼油化工过程软测量与先进控制、流程模拟与实时优化等技术开发与工程应用工作中国石油大学（北京）副教授、硕士生导师、北京自动化学会理事。