碳三液相加氢反应器控制方法及系统与流程

1.本发明属于石油化工领域，更具体地，涉及一种碳三液相加氢反应器控制方法及系统。


背景技术：

2.乙烯技术是石油化工的龙头技术，乙烯技术水平被看作是衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志。乙烯裂解装置生产的三烯(乙烯、丙烯、丁二烯)是石油化学工业的基础原料，三烯产量的高低是衡量一个国家石油化工发展水平的主要标志。
3.乙烯裂解装置中石脑油等液态烃原料经蒸汽裂解和分离后，碳三馏分中含有丙烯，丙烷，及少量的丙炔和丙二烯(简称mapd)，mapd的含量约为1％～5％(体积)。在丙烯聚合反应中，mapd会降低聚丙烯催化剂的活性，影响聚合级丙烯的产品质量。为了将mapd从碳三馏分中脱除，当前工业上采用催化选择加氢和溶剂吸收法脱除mapd。由于碳三液相催化加氢法工艺流程简单，没有环境污染，所以催化加氢法的应用日益普遍。
4.碳三液相加氢反应器装置是丙烯装置回收系统的一个重要设备,它是在催化剂的作用下，把碳三馏分中mapd选择加氢转化为丙烯。mapd如果过量加氢将生成丙烷、低聚物和高聚物，导致丙烯的损失；mapd如果加氢效果不佳，反应器出口mapd浓度未能控制在指标要求范围内，将造成产品丙烯不合格，影响下游装置的生产，所以加氢反应器运行的好坏直接影响着丙烯产品的纯度和收率。
5.碳三液相加氢催化剂普遍采用钯、镍等过渡金属作为活性组分，不同催化剂的反应热力学参数、表面吸脱附反应速率以及工艺敏感度不尽相同，需要通过针对性的调整优化才能保证其发挥最佳性能。
6.目前碳三液相加氢反应器的生产控制普遍采用手动调控，由技术人员手动调节控制相关参数。因裂解分离流程冗长，工艺复杂，人员精力有限，无法对碳三液相加氢反应器做到实时监控和专家级调整优化。当碳三加氢系统出现物料组成、压力、温度、流量、氢气波动等不稳定情况时，单靠液相加氢系统自身来恢复稳定是非常缓慢的，多次波动所产生的叠加现象，使系统长时间处于亚稳定状态，易造成反应器出口漏炔和丙烯过度加氢严重，影响产品丙烯的收率和精馏塔分离效果。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种碳三液相加氢反应器控制方法及系统，至少解决现有技术中丙烯的收率不佳的问题。
8.第一方面，本发明提供了一种碳三液相加氢反应器控制方法，包括：
9.对加氢反应器的操作数据进行分类统计，得到分类统计数据；
10.对所述分类统计数据进行分析拟合，得到分析拟合数据，所述分析拟合为基于碳三液相加氢催化剂的优化模式、操作规则集和获取的实时运行数据分析拟合；
11.基于碳三液相加氢催化剂的特性建立状态空间模型；
12.基于所述状态空间模型和所述分析拟合数据得到控制参数；
13.基于所述分析拟合数据获取增益调度数据；
14.基于所述控制参数和增益调度数据生成控制指令。
15.可选的，还包括，基于获取的实时运行数据对所述状态空间模型进行修正。
16.可选的，所述基于获取的实时运行数据对所述状态空间模型进行修正为：
17.对所述状态空间模型进行最小二乘法模型修正。
18.可选的，所述状态空间模型为：
19.基于模拟碳三液相加氢催化剂的反应过程构造的碳三液相加氢反应状态线性时变空间模型；
20.构建所述状态线性时变空间模型的参数包括：
21.加氢反应器内催化剂床层不同位置和出口的温度，加氢反应器的氢气流量、入口温度和循环物料流量，加氢反应器出口mapd浓度、丙烯选择性、反应活性和mapd转化率，加氢反应器入口氢气浓度、碳三进料量和反应压力，以及催化剂失活特性的时变模型参数。
22.可选的，所述反应状态线性时变空间模型为：
[0023][0024]
其中，为状态向量，pv1(k)、pv2(k)、pv3(k)和pv4(k)分别为碳三加氢反应器内催化剂床层上部、中部、下部和出口温度；为操作变量，mv1(k)、mv2(k)和mv3(k)分别为氢气流量、反应器入口温度和循环物料流量；为输出变量，cv1(k)、cv2(k)、cv3(k)和cv4(k)分别为反应器出口mapd浓度、丙烯选择性、反应活性和mapd转化率；为扰动变量，dv1(k)、dv2(k)和dv3(k)分别为入口氢气浓度、碳三进料量和反应压力；a(t),b(t),c(t),d(t),e(t),f(t)均为催化剂失活特性的时变模型参数。
[0025]
可选的，所述丙烯选择性计算公式为：
[0026]
[0027]
和/或，
[0028]
所述反应活性的计算公式为：
[0029][0030]
和/或，
[0031]
所述mapd转化率的计算公式为：
[0032][0033]
可选的，所述基于所述控制参数和增益调度数据生成控制指令中，
[0034]
采用状态反馈控制结构，通过最小协方差约束控制mvc3求解反馈控制率k(u＝kx)，使能指标最小；
[0035]
其中r
j
、q
i
分别表示系统输入、输出方差的加权值，∑
yi
和∑
uj
分别是系统稳态输出、输入协方差矩阵∑
y
和∑
u
的对角线上的第i、j个元。
[0036]
可选的，所述碳三液相加氢催化剂的优化模式，包括：
[0037]
催化剂初期运行控制模式、催化剂末期运行控制模式、催化剂稳定期运行控制模型、高mapd转化率控制模式、出口mapd浓度先导控制模式，或丙烯选择性先导控制模式。
[0038]
可选的，所述碳三液相加氢催化剂包括载体和负载其上的主活性组分与助催化剂组分；
[0039]
所述主活性组分选自pd、ni、pt、rh和ru中的至少一种；以碳三液相加氢催化剂的重量为基准，所述主活性组分的含量优选为0.05-0.8wt％；
[0040]
所述助催化剂组分选自ag、cu、au、la、ce、ga、pb、w、mo、卤族系、碱金属族系和碱土金属族系中的至少一种；以碳三液相加氢催化剂的重量为基准，所述助催化剂的含量优选为0.01-1.0wt％；
[0041]
所述碳三液相加氢催化剂的载体选自氧化铝、分子筛、氧化硅、氧化镓、氧化钛和活性炭中的至少一种。
[0042]
第二方面，本发明提供了一种碳三液相加氢反应器控制系统，包括：状态空间模型模块、专家知识库模块、增益调度模块、软测量模块、分析评测模块、控制器模块和在线修正模块；
[0043]
所述状态空间模型模块，用于基于碳三液相加氢催化剂的特性建立状态空间模型，并基于所述状态空间模型和所述分析拟合数据得到控制参数；
[0044]
所述专家知识库模块，用于对所述分类统计数据进行分析拟合，得到分析拟合数据，所述分析拟合为基于碳三液相加氢催化剂的优化模式、操作规则集和获取的实时运行数据分析拟合；
[0045]
所述增益调度模块，用于基于所述分析拟合数据获取增益调度数据；
[0046]
所述软测量模块和分析评测模块，用于对加氢反应器的操作数据进行分类统计，得到分类统计数据；
[0047]
所述控制器模块，用于基于所述控制参数和增益调度数据生成控制指令；
[0048]
所述在线修正模块，用于基于获取的实时运行数据对所述状态空间模型进行修正。
[0049]
可选的，所述实时运行数据经软测量模块和分析测评模块分类统计后，输出至专家知识库模块和在线修正模块。
[0050]
本发明通过对加氢反应器的操作数据进行分类统计、分析拟合后，基于状态空间模型和增益调度数据生成控制指令对碳三液相加氢反应器进行控制。针对不同的碳三液相加氢催化剂进行不同的控制，发挥碳三液相加氢催化剂的最大效率，从而达到获得最佳的丙烯收率的目的。
[0051]
通过建立状态空间模型并辅以专家知识，在实际生产波动条件下，实现了碳三液相加氢反应器的自动控制。结合最小协方差约束控制和增益调度方法，获得最佳的丙烯收率，在降低能源和物料的消耗的同时延长了催化剂的全生命运行周期。
[0052]
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0053]
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述。
[0054]
图1示出了根据本发明的一个实施例的碳三液相加氢反应器控制方法的流程图；
[0055]
图2示出了根据本发明的一个实施例的状态反馈控制的原理框图；
[0056]
图3示出了根据本发明的一个实施例的碳三液相加氢反应器控制系统的原理框图；
[0057]
图4示出了根据本发明的一个实施例的碳三液相加氢反应器控制系统投用前后配氢量变化对比示意图；
[0058]
图5示出了根据本发明的一个实施例的碳三液相加氢反应器控制系统投用前后丙烯选择性变化对比示意图；
[0059]
图6示出了现有技术中碳三液相加氢单元工艺示意图；
[0060]
其中，1-c3加氢反应器，2-冷凝器。
具体实施方式
[0061]
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0062]
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的范围并不局限于这些实施例。
[0063]
实施例一：
[0064]
如图1所示，一种碳三液相加氢反应器控制方法，包括，
[0065]
步骤s101：对加氢反应器的操作数据进行分类统计，得到分类统计数据；
[0066]
操作数据是基于用户对加氢反应器的操作得出的。具体包括碳三液相加氢反应器前后物料组成及含量、脱丙烷塔塔顶组成及含量或脱乙烷塔塔底组成和含量以及循环碳三物料的组成和含量，催化剂在线运行时间、物料流量、反应温度、压力、反应前后氢气、碳三组成、碳四组成、水等含量变化。
[0067]
分类统计为基于碳三液相加氢反应器前后物料组成及含量、脱丙烷塔塔顶组成及含量或脱乙烷塔塔底组成和含量以及循环碳三物料的组成和含量滤波后的数据得出各个物料组成和含量数值和趋势。
[0068]
基于催化剂在线运行时间、物料流量、反应温度、压力、反应前后氢气、碳三组成、碳四组成、水等含量变化数据得出催化剂的运行寿命、活性、丙烯选择性，mapd转化率、耐受mapd能力等催化性能。
[0069]
步骤s102：对所述分类统计数据进行分析拟合，得到分析拟合数据，所述分析拟合为基于碳三液相加氢催化剂的优化模式、操作规则集和获取的实时运行数据分析拟合；
[0070]
步骤s103：基于碳三液相加氢催化剂的特性建立状态空间模型；
[0071]
步骤s104：基于所述状态空间模型和所述分析拟合数据得到控制参数；
[0072]
步骤s105：基于所述分析拟合数据获取增益调度数据；
[0073]
步骤s106：基于所述控制参数和增益调度数据生成控制指令。
[0074]
可选的，还包括，基于获取的实时运行数据对所述状态空间模型进行修正。
[0075]
获取的实时运行数据在分析拟合或修正状态空间模型之前，首先对实时运行数据进行分类统计。具体为对所述状态空间模型进行在线修正。
[0076]
可选的，所述基于获取的实时运行数据对所述状态空间模型进行修正为：
[0077]
对所述状态空间模型进行最小二乘法模型修正。
[0078]
可选的，所述状态空间模型为：
[0079]
基于模拟碳三液相加氢催化剂的反应过程构造的碳三液相加氢反应状态线性时变空间模型；
[0080]
构建所述状态线性时变空间模型的参数包括：
[0081]
加氢反应器内催化剂床层不同位置和出口的温度，加氢反应器的氢气流量、入口温度和循环物料流量，加氢反应器出口mapd浓度、丙烯选择性、反应活性和mapd转化率，加氢反应器入口氢气浓度、碳三进料量和反应压力，以及催化剂失活特性的时变模型参数。
[0082]
状态线性时变空间模型具体为：
[0083][0084]
其中，为状态向量，pv1(k)、pv2(k)、pv3(k)和pv4(k)分别为碳三加氢反应器内催化剂床层的上部、中部、下部和出口温度；为操作变量，mv1(k)、mv2(k)和mv3(k)分别为氢气流量、反应器入口温度和循环物料流量；
为输出变量，cv1(k)、cv2(k)、cv3(k)和cv4(k)分别为反应器出口mapd浓度、丙烯选择性、反应活性和mapd转化率；为扰动变量，dv1(k)、dv2(k)和dv3(k)分别为入口氢气浓度、碳三进料量和反应压力；a(t),b(t),c(t),d(t),e(t),f(t)均为催化剂失活特性的时变模型参数。
[0085]
可选的，所述丙烯选择性计算公式为：
[0086][0087]
所述反应活性的计算公式为：
[0088][0089]
所述mapd转化率的计算公式为：
[0090][0091]
可选的，所述基于所述控制参数和增益调度数据生成控制指令中，
[0092]
如图2所示，采用状态反馈控制结构，通过最小协方差约束控制mvc3(minimum variance covariance constrained control)求解反馈控制率k(u＝kx)，使能指标最小；
[0093]
其中r
j
、q
i
分别表示系统输入、输出方差的加权值，∑
yi
和∑
uj
分别是系统稳态输出、输入协方差矩阵∑
y
和∑
u
的对角线上的第i、j个元。
[0094]
可选的，所述碳三液相加氢催化剂的优化模式，包括：
[0095]
催化剂初期运行控制模式、催化剂末期运行控制模式、催化剂稳定期运行控制模型、高mapd转化率控制模式、出口mapd浓度先导控制模式，或丙烯选择性先导控制模式等。
[0096]
可选的，所述碳三液相加氢催化剂包括载体和负载其上的主活性组分与助催化剂组分；
[0097]
所述主活性组分选自pd、ni、pt、rh和ru中的至少一种；以碳三液相加氢催化剂的重量为基准，所述主活性组分的含量优选为0.05-0.8wt％；
[0098]
所述助催化剂组分选自ag、cu、au、la、ce、ga、pb、w、mo、卤族系、碱金属族系和碱土金属族系中的至少一种；以碳三液相加氢催化剂的重量为基准，所述助催化剂的含量优选为0.01-1.0wt％；
[0099]
所述碳三液相加氢催化剂的载体选自氧化铝、分子筛、氧化硅、氧化镓、氧化钛和
活性炭中的至少一种。
[0100]
实施例二：
[0101]
如图3所示，一种碳三液相加氢反应器控制系统，包括：状态空间模型模块、专家知识库模块、增益调度模块、软测量模块、分析评测模块、控制器模块和在线修正模块；
[0102]
所述状态空间模型模块，用于基于碳三液相加氢催化剂的特性建立状态空间模型，并基于所述状态空间模型和所述分析拟合数据得到控制参数；
[0103]
所述专家知识库模块，用于对所述分类统计数据进行分析拟合，得到分析拟合数据，所述分析拟合为基于碳三液相加氢催化剂的优化模式、操作规则集和获取的实时运行数据分析拟合；
[0104]
所述增益调度模块，用于基于所述分析拟合数据获取增益调度数据；
[0105]
所述软测量模块和分析评测模块，用于对加氢反应器的操作数据进行分类统计，得到分类统计数据；
[0106]
所述控制器模块，用于基于所述控制参数和增益调度数据生成控制指令；
[0107]
所述在线修正模块，用于基于获取的实时运行数据对所述状态空间模型进行修正。
[0108]
可选的，所述实时运行数据经软测量模块和分析测评模块分类统计后，输出至专家知识库模块和在线修正模块。
[0109]
本实施例中使用c#语言实现迭代学习控制软件的设计。软件包括数据采集部分，数据存储和学习控制算法部分。控制体系软件使用opc技术与碳三加氢装置dcs系统进行通信，读取实时过程变量数据，并通过写入操作来实现碳三加氢反应器的优化控制。数据存储部分能够存储历史数据。
[0110]
碳三液相加氢反应器控制系统位于与碳三液相加氢反应器的集散控制系统即dcs系统相连的服务器中。控制器模块位于碳三液相加氢反应器控制系统底层，通过opc server与dcs系统相连，直接对dcs发布优化控制信号和命令；增益调度模块也位于碳三液相加氢反应器控制系统底层，为控制器模块提供各调整参数的增益和频率；状态空间模型模块、在线修正模块位于碳三液相加氢反应器控制系统的中层，其中状态空间模型模块通过模型计算求解为底层控制器模块提供主要优化控制参数；在线修正模块根据运行数据趋势，修正状态空间模型模块中计算方法；专家知识库模块、软测量模块和分析评测模块均位于碳三液相加氢反应器控制系统的顶层，专家知识库模块结合软测量和分析评测模块提供的运行数据趋势和催化剂性能状态值，优化调整状态空间模型模块和增益调度模块。
[0111]
碳三液相加氢反应器控制系统实时监测碳三液相加氢反应器前后物料组成及含量、脱丙烷塔塔顶组成及含量或脱乙烷塔塔底组成和含量以及循环碳三物料的组成和含量，将实时数据进行滤波后输入软测量模型得出各个物料组成和含量数值和趋势。
[0112]
碳三液相加氢反应器控制系统实时监测催化剂在线运行时间、物料流量、反应温度、压力、反应前后氢气、碳三组成、碳四组成、水等含量变化，将实时数据输入分析评测模型得出催化剂的运行寿命、活性、丙烯选择性，mapd转化率、耐受mapd能力等催化性能。
[0113]
专家知识库模块采用碳三液相加氢催化剂优化模式和操作规则集，与实时运行数据拟合后的数据输出至状态空间模型模块和增益调度模块，
[0114]
在一个具体的应用场景中，将碳三液相加氢反应器控制方法应用于该烯烃厂的碳
三液相加氢反应控制单元：将将碳三液相加氢反应器控制系统通过opc server与装置dcs相连接，对各个工艺条件进行优化调整，并将调整目标实时提供给dcs系统，以实现对碳三加氢反应器的自动控制。
[0115]
图4给出了碳三加氢反应器配氢量在自动控制系统投用前的和投用后的对比。控制系统投用前，配氢量在1373nm3/hr(波动幅度在-13.6％～ 18.2％)；控制系统投用后，配氢量在1291nm3/hr(波动幅度在
±
11.4％)，配氢量和波动幅度都比之前明显下降。该控制系统对优化配氢起到了不错的效果。
[0116]
图5为系统投用前后的丙烯选择性变化趋势的对比。碳三液相加氢反应器控制系统的投用显著地提升了丙烯选择性。在相同的反应器、催化剂和进料组成等条件下，引入自动控制系统，可将平均丙烯选择性从投用前的53.5％提升到投用后的72.9％，选择性提升19.4个百分点，增效作用非常明显。
[0117]
对比例：
[0118]
现有技术中某年产乙烯80万吨的烯烃厂，共有裂解炉15台，可加工从乙烷到加氢尾油等各种裂解原料，年产丙烯40万吨。该厂分离工艺采用顺序分离流程，碳三加氢反应器位于热区脱丙烷塔与丙烯精馏塔之间，由高压脱丙烷塔塔顶得到的碳三馏分，经过冷却器(或预热器)换热至所需温度后，经进料泵升压后，经原料脱砷器进入到加氢反应器，在管路中与氢气混合，进入反应器催化床层进行选择性加氢反应，该厂碳三加氢工艺为液相加氢工艺，如图6所示。该厂碳三液相加氢反应器正常运行为操作人工手工调整操作。
[0119]
对比结果显示：通过本发明的自动控制建模方法的引入，与原工厂手动控制相比，明显提升丙烯收率，降低了氢气消耗。
[0120]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
[0121]
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。