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★中控技術(shù)股份有限公司謝六磊，張華云，李浩揚(yáng)，彭偉鋒，費(fèi)彥仁

關(guān)鍵詞：連續(xù)重整；實(shí)時(shí)優(yōu)化；經(jīng)濟(jì)效益；BTX收率；自主研發(fā)

1　背景介紹

寧波某石化公司150萬噸/年連續(xù)重整裝置以直餾石腦油、汽柴油加氫石腦油、裂解抽余油、加氫裂化重石腦油為原料，主要生產(chǎn)C6+重整汽油，副產(chǎn)重整氫氣、液化石油氣和輕石腦油及含硫燃料氣。圖1為連續(xù)重整裝置的工藝流程簡(jiǎn)圖。

圖1 連續(xù)重整裝置工藝流程圖

裝置采用中控DCS控制系統(tǒng)，并集成中控APC系統(tǒng)，裝置運(yùn)行平穩(wěn)，產(chǎn)品指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但裝置運(yùn)行狀態(tài)并非最優(yōu)，存在以下需求或痛點(diǎn)：

（1）核心產(chǎn)品BTX芳烴的收率仍存在提升空間；

（2）裝置最優(yōu)操作點(diǎn)難以確定，如關(guān)鍵的重整反應(yīng)溫度的設(shè)定依賴經(jīng)驗(yàn)，難以及時(shí)響應(yīng)原料變化。

實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）技術(shù)是基于流程模擬技術(shù)、現(xiàn)階段最先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)，在滿足計(jì)劃和調(diào)度為前提（約束隨外部條件變化而實(shí)時(shí)變化）、基于穩(wěn)態(tài)機(jī)理模型（EO）全局最優(yōu)、以生產(chǎn)效益最大化為目的、對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化（在可行域內(nèi)計(jì)算最大效益）、優(yōu)化結(jié)果下發(fā)給APC使系統(tǒng)運(yùn)行并維持在最優(yōu)狀態(tài)、不斷地把工藝裝置推向可行域內(nèi)最優(yōu)操作點(diǎn)，使整個(gè)生產(chǎn)裝置維持在最優(yōu)狀態(tài)運(yùn)行。基于RTO技術(shù)，可以充分發(fā)揮現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的運(yùn)行潛力，有效實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、節(jié)能、降耗的目標(biāo)。

該石化公司與中控技術(shù)合作，采用中控自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于聯(lián)立方程（EO）的流程工業(yè)過程模擬與設(shè)計(jì)軟件APEX及重整反應(yīng)機(jī)理模型，以及自主研發(fā)的實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)軟件InPlantRTO，根據(jù)該石化公司連續(xù)重整工藝特點(diǎn)，開發(fā)RTO系統(tǒng)，耦合APC控制系統(tǒng)，提高裝置運(yùn)行水平，消除生產(chǎn)瓶頸，進(jìn)一步挖潛增效，提升裝置BTX芳烴收率和經(jīng)濟(jì)效益^[1]。

2　系統(tǒng)簡(jiǎn)介

實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)軟件InPlantRTO與DCS及APC、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，獲得裝置操作數(shù)據(jù)、物料分析數(shù)據(jù)進(jìn)行。根據(jù)預(yù)設(shè)的排程，按照一定的優(yōu)化周期，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性校驗(yàn)及穩(wěn)態(tài)檢測(cè)，保證所采集到的數(shù)據(jù)在穩(wěn)態(tài)且有效范圍內(nèi)。穩(wěn)態(tài)檢測(cè)通過后，軟件將獲取的數(shù)據(jù)傳遞到建立在流程模擬軟件APEX上的機(jī)理模型中，進(jìn)行在線參數(shù)更新與優(yōu)化計(jì)算，得到的優(yōu)化結(jié)果傳遞到實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)軟件，在檢測(cè)到裝置處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，將優(yōu)化結(jié)果輸出到DCS及APC、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等外部系統(tǒng)用于優(yōu)化執(zhí)行與結(jié)果展示。RTO系統(tǒng)架構(gòu)及運(yùn)行流程圖如圖2和圖3所示。

圖2 RTO系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 RTO系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

具有如下功能：

（1）優(yōu)化反應(yīng)深度，控制合理芳烴收率水平；

（2）控制重整汽油、戊烷、輕石產(chǎn)品質(zhì)量；

（3）與APC閉環(huán)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3　項(xiàng)目難點(diǎn)

連續(xù)重整裝置RTO系統(tǒng)的難點(diǎn)及關(guān)鍵如下：

（1）建立能夠準(zhǔn)確表征連續(xù)重整反應(yīng)器的重整反應(yīng)機(jī)理模型及全流程模型；

（2）裝置原料、催化劑活性、設(shè)備性能會(huì)發(fā)生變化，連續(xù)重整RTO系統(tǒng)要能夠在線進(jìn)行模型的校準(zhǔn)，使機(jī)理模型能夠響應(yīng)、跟蹤裝置變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的持續(xù)精確模擬；

（3）連續(xù)重整裝置流程復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)全流程的全局優(yōu)化，優(yōu)化調(diào)整的參數(shù)多，RTO系統(tǒng)需能夠進(jìn)行多變量的優(yōu)化計(jì)算；

（4）連續(xù)重整裝置RTO系統(tǒng)需要高效穩(wěn)定的求解器，保證高的求解速度以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。

3.1　重整反應(yīng)模型

連續(xù)重整裝置RTO的難點(diǎn)之一在于重整反應(yīng)器的精確模擬，建立詳細(xì)的重整反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，但重整進(jìn)料由近300種純組分構(gòu)成，因此重整反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)復(fù)雜。針對(duì)這種情況，中控技術(shù)采用集總重整反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建模的方法^[2]，把重整組分劃分為50集總，構(gòu)建包含10種反應(yīng)類型及301個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，具體為：9個(gè)異構(gòu)化反應(yīng)、26個(gè)環(huán)化反應(yīng)、6個(gè)擴(kuò)環(huán)反應(yīng)、9個(gè)脫氫反應(yīng)、59個(gè)氫解反應(yīng)、35個(gè)環(huán)烷烴脫烷基反應(yīng)、79個(gè)加氫裂化反應(yīng)、36個(gè)芳烴脫烷基反應(yīng)、6個(gè)聚合反應(yīng)、36個(gè)結(jié)焦反應(yīng)。反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 重整反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

圖5 APEX中搭建的重整反應(yīng)模型

3.2　模型在線校準(zhǔn)與優(yōu)化計(jì)算

連續(xù)重整裝置RTO系統(tǒng)的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)裝置全流程機(jī)理模型的在線校準(zhǔn)與更新及全局優(yōu)化，且保證高的求解效率，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化。

中控技術(shù)基于聯(lián)立方程（EO）^[3]的流程模擬軟件APEX，能夠針對(duì)性的解決上述問題，其功能架構(gòu)如圖6所示。

圖6 APEX軟件功能架構(gòu)圖

與傳統(tǒng)序貫（SM）方式的流程模擬軟件相比，APEX具有如下特點(diǎn)：

（1）采用聯(lián)立方程法（Equation-Oriented，簡(jiǎn)稱EO）進(jìn)行模型求解。該方法將所有模塊的方程全部列出來并組成以矩陣形式表達(dá)的方程組，再進(jìn)一步聯(lián)立求解。聯(lián)立方程法計(jì)算速度快，特別適用于復(fù)雜流程模型、多循環(huán)流股模型、換熱網(wǎng)絡(luò)模型，與傳統(tǒng)序貫?zāi)K法相比，在模型計(jì)算、收斂性能及收斂時(shí)間上有質(zhì)的提升。

圖7 APEX與序貫?zāi)K法求解速度對(duì)比

（2）模型參數(shù)更新功能。基于EO功能的模型參數(shù)更新模型，能夠在裝置實(shí)際工況發(fā)生大的變化時(shí)，對(duì)模型參數(shù)（如換熱器換熱系數(shù)、塔板效率、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)等）進(jìn)行調(diào)整，使模型能夠準(zhǔn)確貼合裝置實(shí)際。

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)調(diào)節(jié)模型和裝置實(shí)際值的偏差，使模型與現(xiàn)場(chǎng)工況匹配程度最高。

·選定整定變量；

·根據(jù)儀表測(cè)量精度，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)；

·通過調(diào)節(jié)整定變量，使目標(biāo)函數(shù)最小。

（3）多變量?jī)?yōu)化。內(nèi)置先進(jìn)優(yōu)化求解器，基于EO功能，克服了傳統(tǒng)序貫?zāi)K下只能進(jìn)行單變量?jī)?yōu)化的弊端，可以進(jìn)行多變量的同時(shí)優(yōu)化，且優(yōu)化求解效率極高，特別適用于多設(shè)備的區(qū)域或全流程優(yōu)化。

采用的求解器具有如下特點(diǎn)：

·采用新型大規(guī)模求解方法的空間分解策略，及內(nèi)點(diǎn)乘子選取機(jī)制及降秩奇異非凸處理校正技術(shù)；

·采樣大規(guī)模非線性模型方程特征判斷、稀疏結(jié)構(gòu)提取及與之相關(guān)的導(dǎo)數(shù)信息和大型矩陣計(jì)算技術(shù)；

·基于聯(lián)立方程模擬的初值獲取技術(shù)，可解決50萬變量、50萬方程維度的模擬、優(yōu)化問題。

4　應(yīng)用情況及效益分析

4.1　模型精度

RTO系統(tǒng)在線采用在線分析數(shù)據(jù)及裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)，基于質(zhì)量平衡（物料守恒）和氫平衡（原子守恒）原則，以重整液收率、芳烴收率（苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、四甲苯）、氫氣收率、重整（各）反應(yīng)器溫降等為校準(zhǔn)目標(biāo)，調(diào)整重整反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)（如反應(yīng)器性能、脫氫環(huán)化反應(yīng)活性、環(huán)烷脫氫反應(yīng)活性、裂化反應(yīng)活性、異構(gòu)反應(yīng)活性等），使模型計(jì)算出的校準(zhǔn)目標(biāo)與實(shí)際保持一致。具備在線校準(zhǔn)功能的RTO系統(tǒng)的模型精度示例見表1。

表1 模型精度示例表

模型能夠準(zhǔn)確地反映裝置實(shí)際運(yùn)行情況、關(guān)鍵指標(biāo)，如重整反應(yīng)溫降、重整汽油中芳烴含量等，與裝置實(shí)際相比偏差<3%。

4.2　應(yīng)用效果

RTO系統(tǒng)以提高裝置經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)效益如公式（1）所示，以各產(chǎn)品流量與價(jià)格的乘積之和所得金額減去原料及公用工程金額。

原料、產(chǎn)品及公用工程的價(jià)格體系，如表2所示。

表2 連續(xù)重整裝置產(chǎn)品價(jià)格一覽（元/噸）

提高BTX芳烴收率，通過以下兩種方式：

（1）優(yōu)化重整反應(yīng)溫度，提升芳烴轉(zhuǎn)化率^[4,5,6,7]；

（2）通過調(diào)整預(yù)加氫部分石腦油精餾塔切割精度，提高重整進(jìn)料初餾點(diǎn)^[8,9]，優(yōu)化進(jìn)料組成；

具體優(yōu)化執(zhí)行環(huán)節(jié)，選取APC的13個(gè)外部目標(biāo)值用于接收、執(zhí)行RTO系統(tǒng)輸出的優(yōu)化結(jié)果。

表3 連續(xù)重整裝置APC系統(tǒng)接收RTO外部目標(biāo)

2020年11月27日~2021年2月7日期間，對(duì)RTO系統(tǒng)的投用效果進(jìn)行分析，在標(biāo)定期內(nèi)，系統(tǒng)總投用率90.5%，RTO系統(tǒng)運(yùn)行持續(xù)、穩(wěn)定，裝置運(yùn)行安全、平穩(wěn)。

表4 標(biāo)定期間RTO投用前后裝置運(yùn)行情況對(duì)比

如圖8所示，APC執(zhí)行RTO優(yōu)化輸出目標(biāo)后裝置實(shí)際的BTX收率與RTO優(yōu)化計(jì)算的BTX收率基本保持同步，說明RTO與APC聯(lián)動(dòng)正常，RTO的優(yōu)化計(jì)算輸出與裝置實(shí)際情況相符。

圖8 RTO閉環(huán)投用期間執(zhí)行情況

圖9 RTO閉環(huán)投用期間效果對(duì)比

如圖9所示，RTO系統(tǒng)投用前，BTX收率約為49%，RTO系統(tǒng)投用后，BTX收率約為49.58%。RTO系統(tǒng)的投用為裝置帶來了0.58%的BTX收率提升，年化經(jīng)濟(jì)效益約1010萬元/年，效益顯著。

5　意義及展望

通過此項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化流程模擬軟件APEX在大型石化裝置上的成功應(yīng)用，初步證明了APEX的技術(shù)實(shí)力。流程模擬軟件是實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要載體，基于流程模擬軟件能夠構(gòu)建一個(gè)和實(shí)體工廠完全相同的數(shù)字工廠，將現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)“搬”到計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，借此實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體工廠的分析、研究和優(yōu)化。但是，國內(nèi)乃至全球通用流程模擬軟件均被國外壟斷，軟件購置和使用期間需接受國外供應(yīng)商的指導(dǎo)、培訓(xùn)或項(xiàng)目實(shí)施，用戶面臨數(shù)據(jù)外泄的安全風(fēng)險(xiǎn)；另外，國外各大流程模擬軟件的授權(quán)費(fèi)用高昂，已成為石化工廠全生命周期數(shù)字孿生解決方案的一大主要投資。自主流程模擬軟件的面世將徹底打破國外壟斷，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)國產(chǎn)化，掌握工業(yè)智能化的自主權(quán)，從技術(shù)、應(yīng)用、投資等方面實(shí)現(xiàn)主動(dòng)。

該連續(xù)重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的核心軟件（流程模擬軟件、實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)軟件）實(shí)現(xiàn)了完全國產(chǎn)化，是國內(nèi)在實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域的重大突破，在推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化方面做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)及示范引領(lǐng)作用。

基于該連續(xù)重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)及實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，中控技術(shù)進(jìn)行了多技術(shù)融合，形成了連續(xù)重整一體化優(yōu)化解決方案，從控制、優(yōu)化、自動(dòng)化、安全等方面全方位提升裝置數(shù)字化、智能化水平，實(shí)現(xiàn)連續(xù)重整裝置的自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)智能決策。展望未來，中控技術(shù)將繼續(xù)加大在流程模擬軟件方面的研發(fā)力度，持續(xù)縮小與國外優(yōu)秀流程模擬軟件的差距；繼續(xù)打磨、推新解決方案，助力國內(nèi)石化行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

作者簡(jiǎn)介：

謝六磊，男，碩士，中級(jí)工程師，現(xiàn)就職于中控技術(shù)股份有限公司，從事流程模擬及實(shí)時(shí)優(yōu)化軟件的研發(fā)、市場(chǎng)推廣及項(xiàng)目實(shí)施工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊