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★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(xù)重整；實時優(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)，裝置運行平穩(wěn)，產(chǎn)品指標基本達到設(shè)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：

（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)操作點難以確定，如關(guān)鍵的重整反應溫度的設(shè)定依賴經(jīng)驗，難以及時響應原料變化。

實時優(yōu)化（RTO）技術(shù)是基于流程模擬技術(shù)、現(xiàn)階段最先進的優(yōu)化技術(shù)，在滿足計劃和調(diào)度為前提（約束隨外部條件變化而實時變化）、基于穩(wěn)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)過程進行優(yōu)化（在可行域內(nèi)計算最大效益）、優(yōu)化結(jié)果下發(fā)給APC使系統(tǒng)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(nèi)最優(yōu)操作點，使整個生產(chǎn)裝置維持在最優(yōu)狀態(tài)運行。基于RTO技術(shù)，可以充分發(fā)揮現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的運行潛力，有效實現(xiàn)增產(chǎn)、節(jié)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(quán)的基于聯(lián)立方程（EO）的流程工業(yè)過程模擬與設(shè)計軟件APEX及重整反應機理模型，以及自主研發(fā)的實時優(yōu)化平臺軟件InPlantRTO，根據(jù)該石化公司連續(xù)重整工藝特點，開發(fā)RTO系統(tǒng)，耦合APC控制系統(tǒng)，提高裝置運行水平，消除生產(chǎn)瓶頸，進一步挖潛增效，提升裝置BTX芳烴收率和經(jīng)濟效益^[1]。

2　系統(tǒng)簡介

實時優(yōu)化系統(tǒng)軟件InPlantRTO與DCS及APC、實時數(shù)據(jù)庫進行交互，獲得裝置操作數(shù)據(jù)、物料分析數(shù)據(jù)進行。根據(jù)預設(shè)的排程，按照一定的優(yōu)化周期，對數(shù)據(jù)進行有效性校驗及穩(wěn)態(tài)檢測，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上的機理模型中，進行在線參數(shù)更新與優(yōu)化計算，得到的優(yōu)化結(jié)果傳遞到實時優(yōu)化平臺軟件，在檢測到裝置處于穩(wěn)態(tài)時，將優(yōu)化結(jié)果輸出到DCS及APC、實時數(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，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。

3　項目難點

連續(xù)重整裝置RTO系統(tǒng)的難點及關(guān)鍵如下：

（1）建立能夠準確表征連續(xù)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(shè)備性能會發(fā)生變化，連續(xù)重整RTO系統(tǒng)要能夠在線進行模型的校準，使機理模型能夠響應、跟蹤裝置變化，實現(xiàn)對裝置的持續(xù)精確模擬；

（3）連續(xù)重整裝置流程復雜，要實現(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)需能夠進行多變量的優(yōu)化計算；

（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現(xiàn)實時性。

3.1　重整反應模型

連續(xù)重整裝置RTO的難點之一在于重整反應器的精確模擬，建立詳細的重整反應動力學模型，但重整進料由近300種純組分構(gòu)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力學建模的方法^[2]，把重整組分劃分為50集總，構(gòu)建包含10種反應類型及301個反應的反應網(wǎng)絡(luò)，具體為：9個異構(gòu)化反應、26個環(huán)化反應、6個擴環(huán)反應、9個脫氫反應、59個氫解反應、35個環(huán)烷烴脫烷基反應、79個加氫裂化反應、36個芳烴脫烷基反應、6個聚合反應、36個結(jié)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　模型在線校準與優(yōu)化計算

連續(xù)重整裝置RTO系統(tǒng)的難點在于實現(xiàn)裝置全流程機理模型的在線校準與更新及全局優(yōu)化，且保證高的求解效率，真正實現(xiàn)實時優(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：

（1）采用聯(lián)立方程法（Equation-Oriented，簡稱EO）進行模型求解。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的方程組，再進一步聯(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(tǒng)序貫模塊法相比，在模型計算、收斂性能及收斂時間上有質(zhì)的提升。

圖7 APEX與序貫模塊法求解速度對比

（2）模型參數(shù)更新功能。基于EO功能的模型參數(shù)更新模型，能夠在裝置實際工況發(fā)生大的變化時，對模型參數(shù)（如換熱器換熱系數(shù)、塔板效率、反應動力學參數(shù)等）進行調(diào)整，使模型能夠準確貼合裝置實際。

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

·選定整定變量；

·根據(jù)儀表測量精度，構(gòu)建目標函數(shù)；

·通過調(diào)節(jié)整定變量，使目標函數(shù)最小。

（3）多變量優(yōu)化。內(nèi)置先進優(yōu)化求解器，基于EO功能，克服了傳統(tǒng)序貫模塊下只能進行單變量優(yōu)化的弊端，可以進行多變量的同時優(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：

·采用新型大規(guī)模求解方法的空間分解策略，及內(nèi)點乘子選取機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)的導數(shù)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50萬變量、50萬方程維度的模擬、優(yōu)化問題。

4　應用情況及效益分析

4.1　模型精度

RTO系統(tǒng)在線采用在線分析數(shù)據(jù)及裝置運行數(shù)據(jù)進行模型校準，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(diào)整重整反應動力學參數(shù)（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(gòu)反應活性等），使模型計算出的校準目標與實際保持一致。具備在線校準功能的RTO系統(tǒng)的模型精度示例見表1。

表1 模型精度示例表

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

4.2　應用效果

RTO系統(tǒng)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)品及公用工程的價格體系，如表2所示。

表2 連續(xù)重整裝置產(chǎn)品價格一覽（元/噸）

提高BTX芳烴收率，通過以下兩種方式：

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

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

具體優(yōu)化執(zhí)行環(huán)節(jié)，選取APC的13個外部目標值用于接收、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

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

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(zhí)行RTO優(yōu)化輸出目標后裝置實際的BTX收率與RTO優(yōu)化計算的BTX收率基本保持同步，說明RTO與APC聯(lián)動正常，RTO的優(yōu)化計算輸出與裝置實際情況相符。

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)濟效益約1010萬元/年，效益顯著。

5　意義及展望

通過此項目，實現(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用，初步證明了APEX的技術(shù)實力。流程模擬軟件是實現(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)建一個和實體工廠完全相同的數(shù)字工廠，將現(xiàn)實生產(chǎn)“搬”到計算機上運行，借此實現(xiàn)對實體工廠的分析、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商的指導、培訓或項目實施，用戶面臨數(shù)據(jù)外泄的安全風險；另外，國外各大流程模擬軟件的授權(quán)費用高昂，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)、應用、投資等方面實現(xiàn)主動。

該連續(xù)重整裝置實時優(yōu)化系統(tǒng)的核心軟件（流程模擬軟件、實時優(yōu)化平臺軟件）實現(xiàn)了完全國產(chǎn)化，是國內(nèi)在實時優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域的重大突破，在推動關(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(xù)重整裝置實時優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)及實施經(jīng)驗，中控技術(shù)進行了多技術(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、自動化、安全等方面全方位提升裝置數(shù)字化、智能化水平，實現(xiàn)連續(xù)重整裝置的自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應，實現(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。

作者簡介：

謝六磊，男，碩士，中級工程師，現(xiàn)就職于中控技術(shù)股份有限公司，從事流程模擬及實時優(yōu)化軟件的研發(fā)、市場推廣及項目實施工作。

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摘自《自動化博覽》2024年5月刊