基于动态优化的催化裂化装置再生器裕量分析与控制设计(Ⅱ) 求解方法与结果分析

用动态优化的方法求解催化裂化装置再生器的工艺裕量与控制设计。对于该多目标混合整数动态优化问题,通过ε-约束法处理多目标优化问题,将控制性能目标函数转化为控制性能约束;通过将0-1变量松弛化、引入附加等式约束求解混合整数动态优化问题。求解得到非劣解集,绘制关于控制性能指标和工艺指标的关系曲线,发现系统对控制器性能的要求愈高,所需要的裕量应愈大。由此进行折中处理,从而找到兼顾工艺要求和控制性能的催化裂化装置再生器优化设计方案。     

催化裂化装置裕量评价与瓶颈分析

考虑实际过程中存在着各种不确定因素,在化工过程设计时有必要对设计变量留出足够的裕量,使操作点位于过程约束边界内。基于过程稳态最优设计的一阶灵敏度分析,设计变量的局部裕量造成过程有效约束存在边界距离,操作变量进行操作优化所能获得的最大潜在经济效益是由有效约束的边界距离决定的。因此,采用操作优化得到的装置潜在经济效益可以用于对装置总体裕量进行评价。以催化裂化装置为主要研究对象,采用操作优化的方法计算装置的潜在经济效益,以此对装置的总体裕量进行评价。考虑过程的动态变化过程,结合动态优化的方法,利用稳态优化的经济效益和动态优化的经济效益对装置的总体裕量进行划分,分清保证操作控制可实现性的控制裕量和可以提升装置潜在经济效益的工艺裕量。通过分析各设计变量的局部裕量对装置总体裕量的影响确定设计瓶颈的所在,找到消除设计瓶颈的途径。     

基于动态优化的催化裂化装置再生器裕量分析与控制设计（Ⅰ）动态优化的数学描述

从操作和控制的角度,通过动态优化的方法求解催化裂化装置再生器的工艺裕量与控制设计。该动态优化问题的数学描述包括催化裂化装置反应-再生系统和配套控制系统的动态模型、多回路PID控制器结构模型、过程不确定性模型、稳态起始点约束、生产要求和操作约束及目标函数等。该优化问题是一个带有0-1变量约束的多目标混合整数动态优化问题,具有分别描述控制性能指标和工艺指标的两个不相关目标函数。对两个优化目标进行折中处理,可以使设计结果既能满足工艺要求,又能实现良好的自动控制。     

先进控制条件下化工过程操作裕量与控制性能分析

引言化工过程的设计裕量可以定义为考虑过程不确定参数(包括工艺条件、设备条件、外来扰动)发生变化时为满足生产和操作要求需要在正常操作的标称设计值上增加的量。设计裕量根据其属性可以     

化工过程总体裕量与控制性能的权衡优化

化工过程的总体裕量可以用操作优化的经济效益进行评价,根据稳态优化和动态优化的经济效益可进一步划分为服务于操作控制的控制裕量和表征过程可实现经济效益的工艺裕量,二者都与化工过程的控制性能有关。针对具有一定裕量的化工过程进行多目标动态优化,优化目标分别为操作点的经济效益与动态过程中的控制性能指标,采用0-1变量描述控制结构,将控制结构和控制器参数也作为优化变量进行混合整数动态优化,采用Constrained NSGA-Ⅱ算法求解非劣解集,根据非劣解集分析总体工艺裕量、总体控制裕量与控制性能指标的关系。通过催化裂化装置的实例分析发现,对于具有一定裕量的化工过程,控制性能越高,所需的总体控制裕量越多,表征操作优化可实现经济效益的总体工艺裕量越少,只有通过对总体控制裕量和总体工艺裕量进行权衡,才能找到兼顾工艺要求和控制性能的工艺操作点和控制设计方案。     

化工过程总体裕量与控制性能的权衡优化

化工过程的总体裕量可以用操作优化的经济效益进行评价,根据稳态优化和动态优化的经济效益可进一步划分为服务于操作控制的控制裕量和表征过程可实现经济效益的工艺裕量,二者都与化工过程的控制性能有关。针对具有一定裕量的化工过程进行多目标动态优化,优化目标分别为操作点的经济效益与动态过程中的控制性能指标,采用0-1变量描述控制结构,将控制结构和控制器参数也作为优化变量进行混合整数动态优化,采用Constrained NSGA-Ⅱ算法求解非劣解集,根据非劣解集分析总体工艺裕量、总体控制裕量与控制性能指标的关系。通过催化裂化装置的实例分析发现,对于具有一定裕量的化工过程,控制性能越高,所需的总体控制裕量越多,表征操作优化可实现经济效益的总体工艺裕量越少,只有通过对总体控制裕量和总体工艺裕量进行权衡,才能找到兼顾工艺要求和控制性能的工艺操作点和控制设计方案。     

慢时变化工过程裕量释放机制分析

化工过程普遍存在慢时变特性,在一个运行周期内慢时变参数的变化造成化工装置性能逐渐下降。为此,过程设计时需要按照慢时变参数可能的“最坏”影响对设计变量留出足够的设计裕量,在一个运行周期内通过操作逐渐释放,补偿慢时变参数的不利影响,且理想操作是保证到运行周期结束时化工装置性能恰好达到过程约束边界。本文对慢时变过程设计裕量的释放机制进行了分析,考虑含慢时变参数的全周期操作优化通用动态模型,通过最优控制的极小值原理求解该优化问题,建立了最优裕量释放轨迹和慢时变参数变化曲线之间的联系,从而证明最优裕量释放只与慢时变化工过程的运行周期有关。以乙炔加氢反应器为例验证了该裕量释放机制,对于慢时变化工过程,设定的运行周期越短,设计裕量释放越快,仅能获得较高的短期经济效益;反之,设定较长的运行周期,设计裕量缓慢释放,能获得更高的长期经济效益。     

基于全周期持续节能的换热网络滑动窗口分析与裕量缓释优化控制

换热网络是过程系统节能降耗的关键,对于给定换热网络其操作条件及生产要求等常发生变化,尤其是换热器普遍存在缓慢结垢现象,导致换热网络的运行参数偏离设计值,甚至难以满足生产操作要求。为此设计时一般留出一定的面积裕量,并通过旁路控制实现对面积裕量的在线调节。本文针对换热网络运行的全周期,以持续节能为目标,提出一种裕量缓释的优化控制方法。首先,针对换热网络整个运行周期,结合滑动窗口算法分析缓慢结垢现象与优化控制的关系,得出一种换热网络全周期持续节能的控制策略。然后,在划分的每个滑动窗口内以提高控制性能为目标,实现换热网络的在线优化控制。进而针对换热网络的全运行周期,以持续节能为目标,研究一种裕量缓释优化方法,优化求解每个窗口内可利用的换热网络面积裕量。最后,提出一种以全周期持续可控为目标的换热网络裕量缓释优化控制方法。结合实例说明采用本文提出的方法实现了全周期持续可控同时兼顾了各时间窗口内系统的动态控制性能。     

Margin analysis and control design of FCCU regenerator based on dynamic optimization（Ⅰ）Mathematical description of dynamic optimization

从操作和控制的角度,通过动态优化的方法求解催化裂化装置再生器的工艺裕量与控制设计。该动态优化问题的数学描述包括催化裂化装置反应-再生系统和配套控制系统的动态模型、多回路PID控制器结构模型、过程不确定性模型、稳态起始点约束、生产要求和操作约束及目标函数等。该优化问题是一个带有0-1变量约束的多目标混合整数动态优化问题,具有分别描述控制性能指标和工艺指标的两个不相关目标函数。对两个优化目标进行折中处理,可以使设计结果既能满足工艺要求,又能实现良好的自动控制。     

基于持续节能的换热网络缓释优化

针对给定的换热网络,应用在线控制来实现系统的持续节能,然而在换热网络运行的全生命周期内,需要考虑操作裕量和控制的自由度来保证系统的可持续性、经济性和安全性等。本文从工艺设计、控制系统设计的角度对换热网络的研究进展进行阐述分析,并在此基础上提出一种可持续节能和缓释裕量的控制方法,并利用相位轨迹求解优化的切换点以使控制变量的变化最小,实现在给定裕量的条件下合理利用裕量,进而实现系统的持续可控,并通过实例证明方法的有效性。     

前置烧焦罐式高效再生器催化裂化装置稳定性分析

对前置烧焦罐式高效再生器催化裂化装置反应-再生系统动态机理模型进行空间离散化,然后做线性化处理,得到了线性化状态空间模型．采用控制理论中的线性系统稳定性判据──特征值分析法分析反应-再生系统的稳定性．在控制二密相床和汽提段藏量的条件下,线性状态空间模型的全部特征值的实部在很宽的操作范围内都为负值,证明所研究的反应再生系统（线性化系统）是稳定的．     

催化裂化装置反再系统动态模拟精细化与控制系统“工艺优先”配对设计

催化裂化是目前炼油厂中的核心加工工艺,其反应-再生系统是一个多变量紧密耦合的复杂系统,动态模拟和控制系统设计难度较大。目前,催化裂化装置在进行动态建模时设置了大量假设条件,与实际状况存在诸多不符,另外当前的控制回路配对方法未考虑工艺要求,也不适用于催化裂化这样的开环不稳定系统。基于以上原因,以已建立的反应-再生系统数学模型为基础,建立精细化动态模型,对反应器和再生器模型进行真实逼近,不再忽略气相动态变化,将原模型中气相对时间的导数项恢复,通过离散化的分布参数系统模型,对离散化模型中每段提升管和烧焦罐的时变变量加入时滞。仿真结果表明,精细化动态模型更加接近实际化工生产过程。根据上述模型搭建仿真平台,通过对不稳定的反再系统进行工艺优先的控制系统设计,首先根据化工工艺设计控制回路保证系统的稳定性,然后基于相对增益阵方法设计剩余变量配对,在降低了高维系统设计复杂度的同时保证了生产过程安全。设计结果表明,对于催化裂化装置反再系统,基于工艺特性完成控制回路配对后,剩余变量无须再添加多余的控制回路就能保证控制系统的稳定性和适当的控制性能。     

重油催化裂化装置产品分布调控与优化模拟分析

重油催化裂化焦炭产率较高,会加重再生器负荷,降低剂油比和轻质油收率。对此,在催化裂化装置基础上添加外取热器。通过采用外取热和外甩油浆相结合的方法,实现重油催化裂化轻质油收率的提高。外取热器的作用是为了快速有效将再生器部分过多的热量取走,达到再生催化剂降温的目的。外甩油浆的作用是为了降低焦炭产率,减少烧焦产生热量。热量的降低可以有效提高剂油比,增加轻质油收率。原料残炭值的大小对产品分布有直接影响。原料残炭值越大,催化裂化装置的反应器部分产生焦炭越多,待生催化剂上含碳量也会升高,到达再生器烧焦以后释放大量的热量,热量增加不仅会影响再生器的寿命,也会使催化裂化装置中的剂油比降低,从而降低轻质油收率。通过控制向量参数化方法对CO助燃剂、主风、外取热和外甩油浆进行了不同层次的调控与优化,结果发现,对于重油催化裂化,CO助燃剂、主风的优化影响效果有限,而外取热和外甩油浆相互促进可以有效提高剂油比和轻质油收率。     

绝热型和内热型再生过程热性能对比

以再生量和再生热效率为性能指标对内热型和绝热型再生器进行对比研究,研究结果表明:相对于绝热型再生器,内热型再生器不仅能提高再生过程再生量,而且还能够提高再生过程热利用效率。内热型再生器在溶液流量很小的情况下能够具有绝热型再生器在很大流量情况下同样的再生量,因此内热型再生器在保证较高的再生性能同时,还可以避免或者缓解带液问题。再生空气流量对溶液再生器的性能起到至关重要的作用,再生空气流量的虽然能够增加再生量,但是会引起能源利用效率——再生热效率的降低,因此再生空气流量应该慎重选择和决定。