一种生物航煤全流程多装置协同数字孪生与智能调度系统的制作方法

本发明属于生物航煤智能生产，具体涉及一种生物航煤全流程多装置协同数字孪生与智能调度系统。

背景技术：

1、可持续航空燃料（sustainable aviation fuel, saf）是航空业实现脱碳目标的核心路径之一。据国际航空运输协会预测，全球saf需求预计2030年达2300万吨/年，2050年达5亿吨/年。费托合成（fischer-tropsch, ft）路线因原料适应性广、技术成熟度高，是目前生物航煤工业化生产的主流路径之一，其全流程通常涵盖五个核心工段：费托合成反应器（合成气→合成油）、加氢异构装置（正构烷烃→异构烷烃）、加氢裂化装置（重质馏分轻质化）、分馏塔（产品切割分离）和调和罐（多组分调配合格航煤产品）。随着saf产业规模的快速扩大和碳排放法规的日趋严格，eu red ii和icao corsia等国际框架对saf全生命周期碳排放提出了可追溯、可验证的要求，数字孪生技术作为实现过程优化和碳排放精准管控的重要手段，正逐步应用于炼油化工领域，成为推动saf产业高质量发展的关键技术方向。

2、现有技术中，围绕炼油化工过程的模拟优化已形成若干技术方案。在流程模拟方面，kbc公司推出的petro-sim 7.6数字孪生平台涵盖ftr-sim费托合成反应器模型以及加氢处理、异构化和加氢裂化模拟功能，可实现各装置的工艺模拟与工况分析。在优化调度方面，中国专利cn121596835a公开了一种基于数字孪生的生物质燃料转化全流程优化管理系统，侧重于原料质量分析与预处理工艺的动态调整；中国专利cn121765953a公开了生物航油自动调和参数优化方法和系统，实现了调和工段的配方优化。在氢资源管理方面，中国石化大连院h2-star技术公开了氢网络夹点计算与氢气利用效率优化方法，大庆石化已公开氢气系统夹点分析模型、成本核算模型及在线优化平台，实现了氢气网络与产氢用氢装置的联动优化。在碳排放管理方面，已有企业开发了碳排放智能管控系统，实现了碳排放数据的动态统计核算和在线监控分析。

3、然而，上述现有技术仍存在诸多不足。首先，各工段独立模拟或局部优化，缺乏全流程联立求解能力——petro-sim 7.6侧重各装置独立模拟，cn121596835a侧重原料预处理，均未实现ft合成、加氢异构、加氢裂化、分馏、调和五个工段的物料-能量-氢三网实时联立优化，各工段局部最优之和远低于全局最优。其次，中间储罐仅作为被动储存设施，未被纳入主动调度决策——现有技术中ft合成与下游加氢装置之间的中间储罐仅起缓冲作用，当上下游产能因催化剂活性衰减或周期性切换进料而波动时，罐位频繁触限引发非计划负荷调整甚至局部停车。再次，排产调度依赖人工经验——不同牌号saf产品切换时过渡料占比高达5%~8%，切换时间长，检修窗口安排未充分考虑上下游耦合关系。此外，碳排放核算滞后——现有碳排放管控系统多聚焦于企业级或装置级的碳排放总量统计，尚未实现面向全流程各工段物料与能耗实时数据的秒级碳足迹追踪与产品碳强度在线核算，难以满足eured ii和icao corsia对碳排放数据实时性和可追溯性的认证要求。最后，氢资源供需不匹配——psa装置操作波动导致氢气纯度不稳定，下游加氢装置被迫频繁调节氢油比，现有技术中尚无将psa氢气回收、氢缓冲罐与下游加氢装置统一纳入氢网络进行实时平衡调度的完整方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种生物航煤全流程多装置协同数字孪生与智能调度系统。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种生物航煤全流程多装置协同数字孪生与智能调度系统，包括：

4、数据感知层，用于通过dcs/scada系统实时采集五个工段及储罐区的工艺参数，并传输至装置模型层和协同调度层；

5、装置模型层，包括分别对应五个工段的五个独立数字孪生模型，用于根据工艺参数进行物料平衡和能量平衡计算，得到各工段的物料平衡数据和能量平衡数据，并传输至协同调度层；

6、协同调度层，包括物料-能量-氢网络联立模型、中间储罐缓冲调度引擎、全流程排产优化引擎和碳排放实时核算模块；用于根据工艺参数、物料平衡数据和能量平衡数据进行全流程物料-能量-氢网络联立求解、中间储罐缓冲调度策略优化、未来排程窗口内生产排程多目标优化以及全流程碳排放实时核算，得到协同调度方案并传输至应用服务层；

7、应用服务层，用于根据协同调度方案进行全流程在线排产优化、动态协同调度、实时碳核算和全流程异常预警，得到可视化展示数据并传输至人机交互层；

8、人机交互层，用于根据可视化展示数据生成并展示图形化交互界面。

9、优选的，物料-能量-氢网络联立模型用于根据各工段的物料平衡数据、能量平衡数据以及公用工程数据进行以下操作：

10、物料传递矩阵运算，以五个工段为节点建立方向性物料传递图，节点集合包括费托合成反应器工段、加氢异构装置工段、加氢裂化装置工段、分馏塔工段和调和罐工段，图中的边表示各工段间的物料流，根据各工段入口物料总流量等于出口物料总流量与物料累积量之和的向量平衡关系进行物料衡算，得到各工段间的实时物料分配数据及物料累积量数据；

11、能量供需矩阵运算，以焓平衡为基础，根据各工段间的能量供给关系建立能量供需矩阵，矩阵元素表示某一工段向另一工段提供的可利用能量，通过计算温度与热量品位的匹配关系并以最小化外供蒸汽总量为目标进行求解，得到全流程能量供需匹配方案；

12、氢平衡网络计算，以psa装置为氢枢纽节点，根据实时获取的新氢补充流量、psa进料与产品流量及纯度、加氢异构耗氢量、加氢裂化耗氢量、尾气放空量及组成和溶解损失估计数据，以氢元素质量守恒为约束，基于氢总供给等于氢总消耗进行氢网络平衡计算，得到氢气在各工段间的分配方案及氢资源缺口或富余量数据，其中氢总供给为新氢补充流量与psa回收氢流量之和，氢总消耗为加氢异构耗氢量、加氢裂化耗氢量、尾气排放携带氢量与溶解损失量之和。

13、优选的，中间储罐缓冲调度引擎用于根据上游来料流量、下游取料流量和当前罐位数据进行以下操作：

14、根据上游来料流量与下游取料流量的实时差值，通过对液位对时间的变化率进行积分计算，得到当前罐位及其变化趋势数据；

15、根据罐位及其变化趋势数据，按照如下策略进行调度决策：正常工况下，当下游取料流量等于上游来料流量的移动平均值且罐位处于正常区间时，维持当前操作；蓄液预警状态下，当罐位趋近上限且上游产能大于下游产能时，优先判断下游工段是否可增负荷，若可增负荷则生成提升下游取料量的调度指令，否则生成调度上游降负荷或启动备用储罐的调度指令；放液预警状态下，当罐位趋近下限且下游产能大于上游产能时，优先判断上游工段是否可增负荷，若可增负荷则生成提升上游产率的调度指令，否则生成调度下游降负荷或启用备用进料来源的调度指令；紧急工况下，当罐位超过上限阈值或低于下限阈值时，生成全流程协同应急调度指令；

16、以最小化各工段负荷调整幅度与其基准负荷比值的绝对值之和为目标，在各工段负荷调整范围和罐位安全区间的约束下，采用滚动时域优化方法，在设定的优化窗口内以设定的决策步长进行滚动优化计算，得到最优负荷调整方案。

17、优选的，全流程排产优化引擎用于根据当前装置运行数据、订单数据和物料平衡数据进行以下操作：

18、将各工段在未来排程窗口内单位时间的负荷率、产品牌号切换时刻和切换序列、费托合成反应器催化剂在线再生时刻、加氢异构装置和加氢裂化装置的催化剂更换时刻以及分馏塔切割点调整方案作为决策变量；

19、以最大化产品总收率、最小化单位产品能耗、最小化过渡料比例和最大化氢气利用效率作为多目标函数，以各工段负荷上下限约束、储罐液位安全约束、产品质量约束、检修窗口约束、订单约束和催化剂寿命约束作为约束条件，构建多目标优化模型；

20、采用改进nsga-ii算法，以预设的种群规模和预设的最大迭代代数进行迭代求解，引入约束支配原则处理约束条件，经迭代计算得到pareto前沿解集，并从解集中选择最优排产方案。

21、优选的，碳排放实时核算模块用于根据各工段物料消耗数据、能耗数据和预设的排放因子数据库进行以下操作：

22、根据各排放类别的排放因子与对应活动数据的乘积，按照质量平衡法进行加和计算，得到全流程碳排放总量数据并分摊至各工段，其中全流程碳排放总量为原料碳足迹、公用工程碳排放、工艺过程碳排放与运输碳排放之和；

23、以设定的数据采集周期接收各工段dcs数据进行滚动更新，以设定的核算周期计算并更新全流程碳排放瞬时值和累计值，并按照预设的时间周期自动生成碳排放报告；

24、将计算得到的单位产品碳排放数据与预设阈值进行比较，根据比较结果触发不同等级的碳排放预警；将单工段碳排放突增幅度与预设百分比进行比较，根据比较结果触发趋势预警，并关联输出检查建议项。

25、优选的，全流程异常预警功能用于根据各工段工艺参数和物料平衡数据进行以下操作：

26、传播预警操作，当某一工段出现异常时，根据物料流传播路径进行下游影响分析，得到下游各工段的受影响时间数据和受影响程度数据；

27、级联预警操作，当同一扰动同时触发两个及以上工段预警时，将多个预警信息合并为一次级联预警事件进行输出；

28、根因分析操作，根据全流程因果图模型，采用贝叶斯推理方法进行根因定位计算，得到异常根因定位结果。

29、优选的，装置模型层中各数字孪生模型用于根据对应工段的工艺参数进行以下操作：

30、费托合成反应器模型，采用asf产物分布模型和列管温度场模型，根据合成气进料参数进行产物分布计算和反应器温度场计算，得到费托合成工段的产物分布数据和反应器温度分布数据；

31、加氢异构装置模型，采用l-h动力学模型和异构选择性模型，根据进料组成和操作条件进行异构化反应计算，得到异构化产物收率数据与异构选择性数据；

32、加氢裂化装置模型，采用按碳数分段的集总动力学模型，根据重质馏分进料和操作条件进行裂化反应计算，得到裂化转化率数据及裂化产物分布数据；

33、分馏塔模型，采用mesh方程并结合塔板效率校正，根据进料组成进行精馏计算，得到各侧线采出流量数据和产品切割点数据；

34、调和罐模型，采用多组分线性或非线性调和规则，根据各组分性质和配比进行调和计算，得到调和后航煤产品的冰点、闪点、密度和馏程质量指标数据。

35、优选的，中间储罐包括设置于费托合成工段与下游加氢装置之间的合成油中间罐、设置于分馏塔下游的中间产品罐区以及氢气缓冲罐；中间储罐缓冲调度引擎根据采集的上述中间储罐运行数据进行调度决策；

36、合成油中间罐和中间产品罐区分别具有设定的缓冲容积范围，氢气缓冲罐具有设定的容积范围和操作压力范围，用于在全流程氢供需不匹配时，根据氢平衡网络计算得到的氢资源缺口或富余量数据进行氢气缓冲调节。

37、优选的，应用服务层用于根据协同调度方案进行以下操作：

38、全流程在线排产优化操作，根据全流程排产优化引擎输出的pareto前沿解集进行排产方案可视化处理，生成排产甘特图及预计过渡料量、收率、能耗和碳排放曲线数据；

39、动态协同调度操作，根据中间储罐缓冲调度引擎输出的最优负荷调整方案生成调度指令，实时监测储罐液位趋势并在液位偏离正常区间时自动生成负荷调整建议；

40、实时碳核算操作，根据碳排放实时核算模块计算得到的全流程碳排放总量数据生成碳排放看板和碳排放报告；

41、全流程异常预警操作，根据全流程异常预警功能输出的受影响时间、受影响程度和异常根因定位结果进行预警信息推送；

42、人机交互层用于根据应用服务层生成的可视化展示数据，通过web图形化界面进行全流程工艺流程图监控、排产甘特图展示、碳足迹仪表盘展示、协同调度参数配置界面展示和预警面板展示。

43、本发明至少取得了以下有益效果：

44、1. 本发明通过物料-能量-氢三网联立模型实现五个工段的实时联立求解与全局优化，克服了传统各工段独立操作导致局部最优之和远低于全局最优的技术缺陷，实现了全流程全局收率和能耗的显著改善。

45、2. 本发明将中间储罐从被动储存升级为主动调度资源，通过液位动态模型结合滚动时域优化提前预判罐位风险并主动干预，大幅减少储罐触限事件和非计划停车恢复时间；同时通过多目标优化排产，显著降低牌号切换过渡料比例和切换时间。

46、3. 本发明基于质量平衡-排放因子法实现全流程碳排放实时核算，将核算响应从离线模式提升至在线秒级，大幅提高数据可靠性和认证效率；同时基于因果图模型和贝叶斯推理实现传播预警、级联预警与根因分析，显著提升故障诊断准确率并降低误报率。

47、本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。