★中控技術(shù)股份有限公司謝六磊，張華云，李浩揚，彭偉鋒，費彥仁

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

1　背景介紹

寧波某石化公司150萬(wàn)噸/年連續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為連續重整裝置的工藝流程簡(jiǎn)圖。

圖1 連續重整裝置工藝流程圖

裝置采用中控DCS控制系統，并集成中控APC系統，裝置運行平穩，產(chǎn)品指標基本達到設計要求，但裝置運行狀態(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)鍵的重整反應溫度的設定依賴(lài)經(jīng)驗，難以及時(shí)響應原料變化。

實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）技術(shù)是基于流程模擬技術(shù)、現階段最先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)，在滿(mǎn)足計劃和調度為前提（約束隨外部條件變化而實(shí)時(shí)變化）、基于穩態(tài)機理模型（EO）全局最優(yōu)、以生產(chǎn)效益最大化為目的、對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化（在可行域內計算最大效益）、優(yōu)化結果下發(fā)給APC使系統運行并維持在最優(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)運行?；赗TO技術(shù)，可以充分發(fā)揮現有生產(chǎn)裝置的運行潛力，有效實(shí)現增產(chǎn)、節能、降耗的目標。

該石化公司與中控技術(shù)合作，采用中控自主知識產(chǎn)權的基于聯(lián)立方程（EO）的流程工業(yè)過(guò)程模擬與設計軟件APEX及重整反應機理模型，以及自主研發(fā)的實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺軟件InPlantRTO，根據該石化公司連續重整工藝特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)RTO系統，耦合APC控制系統，提高裝置運行水平，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)濟效益^[1]。

2　系統簡(jiǎn)介

實(shí)時(shí)優(yōu)化系統軟件InPlantRTO與DCS及APC、實(shí)時(shí)數據庫進(jìn)行交互，獲得裝置操作數據、物料分析數據進(jìn)行。根據預設的排程，按照一定的優(yōu)化周期，對數據進(jìn)行有效性校驗及穩態(tài)檢測，保證所采集到的數據在穩態(tài)且有效范圍內。穩態(tài)檢測通過(guò)后，軟件將獲取的數據傳遞到建立在流程模擬軟件APEX上的機理模型中，進(jìn)行在線(xiàn)參數更新與優(yōu)化計算，得到的優(yōu)化結果傳遞到實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺軟件，在檢測到裝置處于穩態(tài)時(shí)，將優(yōu)化結果輸出到DCS及APC、實(shí)時(shí)數據庫等外部系統用于優(yōu)化執行與結果展示。RTO系統架構及運行流程圖如圖2和圖3所示。

圖2 RTO系統架構圖

圖3 RTO系統運行流程圖

具有如下功能：

（1）優(yōu)化反應深度，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)現經(jīng)濟效益最大化。

3　項目難點(diǎn)

連續重整裝置RTO系統的難點(diǎn)及關(guān)鍵如下：

（1）建立能夠準確表征連續重整反應器的重整反應機理模型及全流程模型；

（2）裝置原料、催化劑活性、設備性能會(huì )發(fā)生變化，連續重整RTO系統要能夠在線(xiàn)進(jìn)行模型的校準，使機理模型能夠響應、跟蹤裝置變化，實(shí)現對裝置的持續精確模擬；

（3）連續重整裝置流程復雜，要實(shí)現全流程的全局優(yōu)化，優(yōu)化調整的參數多，RTO系統需能夠進(jìn)行多變量的優(yōu)化計算；

（4）連續重整裝置RTO系統需要高效穩定的求解器，保證高的求解速度以實(shí)現實(shí)時(shí)性。

3.1　重整反應模型

連續重整裝置RTO的難點(diǎn)之一在于重整反應器的精確模擬，建立詳細的重整反應動(dòng)力學(xué)模型，但重整進(jìn)料由近300種純組分構成，因此重整反應網(wǎng)絡(luò )相當復雜。針對這種情況，中控技術(shù)采用集總重整反應動(dòng)力學(xué)建模的方法^[2]，把重整組分劃分為50集總，構建包含10種反應類(lèi)型及301個(gè)反應的反應網(wǎng)絡(luò )，具體為：9個(gè)異構化反應、26個(gè)環(huán)化反應、6個(gè)擴環(huán)反應、9個(gè)脫氫反應、59個(gè)氫解反應、35個(gè)環(huán)烷烴脫烷基反應、79個(gè)加氫裂化反應、36個(gè)芳烴脫烷基反應、6個(gè)聚合反應、36個(gè)結焦反應。反應網(wǎng)絡(luò )如圖4所示。

圖4 重整反應網(wǎng)絡(luò )

圖5 APEX中搭建的重整反應模型

3.2　模型在線(xiàn)校準與優(yōu)化計算

連續重整裝置RTO系統的難點(diǎn)在于實(shí)現裝置全流程機理模型的在線(xiàn)校準與更新及全局優(yōu)化，且保證高的求解效率，真正實(shí)現實(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，能夠針對性的解決上述問(wèn)題，其功能架構如圖6所示。

圖6 APEX軟件功能架構圖

與傳統序貫（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(chēng)EO）進(jìn)行模型求解。該方法將所有模塊的方程全部列出來(lái)并組成以矩陣形式表達的方程組，再進(jìn)一步聯(lián)立求解。聯(lián)立方程法計算速度快，特別適用于復雜流程模型、多循環(huán)流股模型、換熱網(wǎng)絡(luò )模型，與傳統序貫模塊法相比，在模型計算、收斂性能及收斂時(shí)間上有質(zhì)的提升。

圖7 APEX與序貫模塊法求解速度對比

（2）模型參數更新功能?；贓O功能的模型參數更新模型，能夠在裝置實(shí)際工況發(fā)生大的變化時(shí)，對模型參數（如換熱器換熱系數、塔板效率、反應動(dòng)力學(xué)參數等）進(jìn)行調整，使模型能夠準確貼合裝置實(shí)際。

根據目標函數調節模型和裝置實(shí)際值的偏差，使模型與現場(chǎng)工況匹配程度最高。

·選定整定變量；

·根據儀表測量精度，構建目標函數；

·通過(guò)調節整定變量，使目標函數最小。

（3）多變量?jì)?yōu)化。內置先進(jìn)優(yōu)化求解器，基于EO功能，克服了傳統序貫模塊下只能進(jìn)行單變量?jì)?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，特別適用于多設備的區域或全流程優(yōu)化。

采用的求解器具有如下特點(diǎn)：

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

·采樣大規模非線(xiàn)性模型方程特征判斷、稀疏結構提取及與之相關(guān)的導數信息和大型矩陣計算技術(shù)；

·基于聯(lián)立方程模擬的初值獲取技術(shù)，可解決50萬(wàn)變量、50萬(wàn)方程維度的模擬、優(yōu)化問(wèn)題。

4　應用情況及效益分析

4.1　模型精度

RTO系統在線(xiàn)采用在線(xiàn)分析數據及裝置運行數據進(jìn)行模型校準，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）反應器溫降等為校準目標，調整重整反應動(dòng)力學(xué)參數（如反應器性能、脫氫環(huán)化反應活性、環(huán)烷脫氫反應活性、裂化反應活性、異構反應活性等），使模型計算出的校準目標與實(shí)際保持一致。具備在線(xiàn)校準功能的RTO系統的模型精度示例見(jiàn)表1。

表1 模型精度示例表

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

4.2　應用效果

RTO系統以提高裝置經(jīng)濟效益為目標，經(jīng)濟效益如公式（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 連續重整裝置產(chǎn)品價(jià)格一覽（元/噸）

提高BTX芳烴收率，通過(guò)以下兩種方式：

（1）優(yōu)化重整反應溫度，提升芳烴轉化率^[4,5,6,7]；

（2）通過(guò)調整預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)化執行環(huán)節，選取APC的13個(gè)外部目標值用于接收、執行RTO系統輸出的優(yōu)化結果。

表3 連續重整裝置APC系統接收RTO外部目標

2020年11月27日~2021年2月7日期間，對RTO系統的投用效果進(jìn)行分析，在標定期內，系統總投用率90.5%，RTO系統運行持續、穩定，裝置運行安全、平穩。

表4 標定期間RTO投用前后裝置運行情況對比

如圖8所示，APC執行RTO優(yōu)化輸出目標后裝置實(shí)際的BTX收率與RTO優(yōu)化計算的BTX收率基本保持同步，說(shuō)明RTO與APC聯(lián)動(dòng)正常，RTO的優(yōu)化計算輸出與裝置實(shí)際情況相符。

圖8 RTO閉環(huán)投用期間執行情況

圖9 RTO閉環(huán)投用期間效果對比

如圖9所示，RTO系統投用前，BTX收率約為49%，RTO系統投用后，BTX收率約為49.58%。RTO系統的投用為裝置帶來(lái)了0.58%的BTX收率提升，年化經(jīng)濟效益約1010萬(wàn)元/年，效益顯著(zhù)。

5　意義及展望

通過(guò)此項目，實(shí)現了國產(chǎn)化流程模擬軟件APEX在大型石化裝置上的成功應用，初步證明了APEX的技術(shù)實(shí)力。流程模擬軟件是實(shí)現化工行業(yè)數字化轉型的重要載體，基于流程模擬軟件能夠構建一個(gè)和實(shí)體工廠(chǎng)完全相同的數字工廠(chǎng)，將現實(shí)生產(chǎn)“搬”到計算機上運行，借此實(shí)現對實(shí)體工廠(chǎng)的分析、研究和優(yōu)化。但是，國內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?chē)夤痰闹笇?、培訓或項目?shí)施，用戶(hù)面臨數據外泄的安全風(fēng)險；另外，國外各大流程模擬軟件的授權費用高昂，已成為石化工廠(chǎng)全生命周期數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)現核心技術(shù)國產(chǎn)化，掌握工業(yè)智能化的自主權，從技術(shù)、應用、投資等方面實(shí)現主動(dòng)。

該連續重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化系統的核心軟件（流程模擬軟件、實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺軟件）實(shí)現了完全國產(chǎn)化，是國內在實(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)化方面做出了應有的貢獻及示范引領(lǐng)作用。

基于該連續重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化系統的開(kāi)發(fā)及實(shí)施經(jīng)驗，中控技術(shù)進(jìn)行了多技術(shù)融合，形成了連續重整一體化優(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字化、智能化水平，實(shí)現連續重整裝置的自感知、自學(xué)習、自決策、自執行、自適應，實(shí)現智能決策。展望未來(lái)，中控技術(shù)將繼續加大在流程模擬軟件方面的研發(fā)力度，持續縮小與國外優(yōu)秀流程模擬軟件的差距；繼續打磨、推新解決方案，助力國內石化行業(yè)數字化轉型。

作者簡(jiǎn)介：

謝六磊，男，碩士，中級工程師，現就職于中控技術(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)推廣及項目實(shí)施工作。

參考文獻：

^[1] 湯瀚源. 連續重整裝置流程模擬與目標優(yōu)化[D]. 北京: 中國石油大學(xué), 2016 : 5.

[2] 彭偉鋒, 張華云, 謝六磊. 一種催化重整反應建模方法: CN112530524B[P]. 2024. 04. 02

[3] 張赟, 張華云, 彭偉鋒. 一種基于聯(lián)立方程法的流程工業(yè)通用優(yōu)化方法: CN113050416A[P]. 2021. 06. 29

[4] 馬賽, 王大泉, 陳鈺, 等. 連續重整裝置的過(guò)程優(yōu)化研究[J]. 化工管理, 2016, 09 : 64.

[5] 湯瀚源. 連續重整裝置流程模擬與目標優(yōu)化[D]. 北京: 中國石油大學(xué), 2016.

[6] 孟凡輝, 紀傳佳, 揚紀. 惠州石化有限公司連續重整裝置工藝流程模擬與優(yōu)化[J]. 化工進(jìn)展, 2017, 36 (7) : 2724 - 2729.

[7] 崔莉. 提高催化重整氫收率的途徑分析[J]. 中外能源, 2013, 18 (12) : 66 - 70.

[8] 吳翔. 重整裝置原料優(yōu)化調整及效果[J]. 石油化工技術(shù)與經(jīng)濟, 2014, 30 (4) : 11 - 15.

[9] 楊磊, 劉健, 王巖, 等. 催化重整裝置原料優(yōu)化對反應收率和能耗的影響研究[J]. 計算機與應用化學(xué), 2013, 30 (8) : 867 - 870.

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊