游曉艷 段偉（中國石油規(guī)劃總院）

煉化過程系統(tǒng)優(yōu)化技術發(fā)展趨勢

游曉艷 段偉（中國石油規(guī)劃總院）

面對日益嚴格的節(jié)能減排要求和激烈的市場競爭，國內外煉化企業(yè)正圍繞生產、運營、決策等環(huán)節(jié)積極研究并開展系統(tǒng)優(yōu)化工作。為實現(xiàn)生產運營整體優(yōu)化，我國煉化企業(yè)需進一步加強自主優(yōu)化技術的研發(fā)、先進控制技術與模擬優(yōu)化技術的集成、過程系統(tǒng)優(yōu)化技術的推廣，以及石油化工與信息技術復合型人才的培養(yǎng)等，并通過研究開發(fā)與實際應用，提升煉化一體化水平。

煉化 優(yōu)化 生產 運營 決策

1 引言

面對日益嚴格的環(huán)保要求和激烈的市場競爭局面，國際先進煉化企業(yè)正在充分依托技術進步，從生產經營全局入手，加大以生產運行過程為主的過程系統(tǒng)優(yōu)化和精細化管理，以提升企業(yè)經濟效益和國際市場競爭力。要實現(xiàn)生產經營過程的系統(tǒng)優(yōu)化，需要對物流、能流、資金流、信息流等過程流進行綜合優(yōu)化，使全廠和局部系統(tǒng)保持最優(yōu)狀態(tài)，實現(xiàn)能耗、物耗最低和效益最大。發(fā)展上述過程流的空間集成與實時優(yōu)化技術，轉變煉化企業(yè)傳統(tǒng)的人工管理模式，最終實現(xiàn)整體智能優(yōu)化運行，已成為當前國內外煉化企業(yè)生產過程優(yōu)化的研究熱點。

煉化企業(yè)過程流的管理與優(yōu)化涉及生產、運營、決策三大重要環(huán)節(jié)。其中，生產環(huán)節(jié)是基礎，主要由過程優(yōu)化和先進控制構成；運營環(huán)節(jié)是核心，主要包括供應鏈管理、銷售管理和財務管理；決策環(huán)節(jié)是關鍵，由市場預測和決策分析組成[1]。當前，生產環(huán)節(jié)的優(yōu)化技術在控制程度上朝著過程系統(tǒng)閉環(huán)優(yōu)化的方向發(fā)展，在優(yōu)化深度上向著以最終產品為目標的原料分子結構的優(yōu)化深入；運營環(huán)節(jié)中，供應鏈管理優(yōu)化是研究熱點，利用人工智能技術，發(fā)展面向供應鏈的智能計劃調度系統(tǒng)是未來趨勢；決策環(huán)節(jié)中，在進一步發(fā)展完善數(shù)據(jù)倉庫、聯(lián)機分析處理、數(shù)據(jù)挖掘、模型庫、數(shù)據(jù)庫等配套技術的基礎上，未來將朝著與專家規(guī)則和推理相集成的方向發(fā)展，實現(xiàn)定性分析和定量分析的有效結合，提高不確定性決策的科學性和可靠性。由于煉化行業(yè)是技術密集行業(yè)，其生產過程尤為復雜，整體優(yōu)化難度大，因此，近年來生產環(huán)節(jié)的優(yōu)化又成為當前國際先進煉化企業(yè)過程優(yōu)化的研究重點。

2 國際煉化過程優(yōu)化關鍵技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2.1 生產環(huán)節(jié)的優(yōu)化技術

生產環(huán)節(jié)中，自20世紀50年代至今，煉化生產過程模擬、控制與優(yōu)化技術領域已發(fā)展了穩(wěn)態(tài)流程模擬與優(yōu)化技術、動態(tài)模擬技術、先進控制技術、實時優(yōu)化技術等，其總體發(fā)展趨勢主要包括以下3方面。

2.1.1 穩(wěn)態(tài)流程模擬與優(yōu)化技術不斷擴充模擬物系，并向微觀與宏觀兩個方向延伸

穩(wěn)態(tài)流程模擬技術是指取得有代表性的穩(wěn)態(tài)生產數(shù)據(jù)，采用適當?shù)倪^程模擬軟件模擬實際的穩(wěn)態(tài)生產過程，得到詳細的物料平衡和能量平衡，所建立的模擬模型可用于過程設計、過程改造、優(yōu)化生產過程操作以及節(jié)能增效的重要分析工具[2]。經過50余年的發(fā)展，穩(wěn)態(tài)流程模擬與優(yōu)化技術已趨成熟，并得到較為廣泛的應用。據(jù)報道，Aspen Tech的流程模擬等軟件已為中國企業(yè)創(chuàng)造了數(shù)億元的效益。結合實際應用的需要，今后穩(wěn)態(tài)流程模擬與優(yōu)化技術的發(fā)展將呈現(xiàn)出一系列新的特征：

1）物性數(shù)據(jù)庫不斷擴充與完善，多相態(tài)流體模擬日益受到重視。

目前國內外大型的通用流程模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的組分數(shù)目已達到2000種以上，為適應不同生產過程對流程模擬技術的需求，如潤滑油生產過程、聚合物生產過程等，有針對性地開發(fā)物性表征與模擬技術，發(fā)展氣、汽、液、固多相態(tài)的物性數(shù)據(jù)庫和模擬技術，是穩(wěn)態(tài)流程模擬技術的重點發(fā)展方向之一。

例如，傳統(tǒng)潤滑油生產過程涉及溶劑萃取、溶劑脫蠟以及吸附精制過程，由于缺乏相關原料和產品的物性數(shù)據(jù)，目前國際上還無法實現(xiàn)對潤滑油生產過程較為精確的模擬。在化工方面，常用于聚烯烴生產全流程模擬的Po l y m e r Pl u s軟件由于數(shù)據(jù)庫有限，仍需通過文獻查找缺少的數(shù)據(jù)，同時，其熱力學模型無法將聚合物獨立成一個固相，不能同時進行聚合反應及單元操作的模擬，經過假定簡化的模型難以實現(xiàn)聚合物生產過程的精確模擬[3]。

為此，近年來國內外學者都在圍繞特定生產過程的穩(wěn)態(tài)流程模擬技術開展研究，未來不斷擴充的物性數(shù)據(jù)庫以及不斷發(fā)展的多相態(tài)模擬技術將為穩(wěn)態(tài)流程模擬技術的廣泛應用提供強有力的支持。

2）研究和應用范疇向微觀與宏觀兩個尺度延伸。

微觀方面，為了進一步發(fā)揮原料中每一個分子的價值，煉化生產過程優(yōu)化的研究范疇已開始向分子水平深入，并以分子模擬為基礎逐漸實現(xiàn)“分子優(yōu)化”。近年來，Ex x o n M o b i l公司實施并推廣了分子管理項目，利用其獨特的詳細組分模型和原料表征手段，模擬得到精確的產品分布以及各產品對化工裝置和煉廠效率的影響[4]，實現(xiàn)了低價原油的有效利用，降低了原料成本和操作成本，并通過實時優(yōu)化每一股產品流，最大化高附加值產品的收率，效益顯著。在此基礎上，Ex x o n M o b i l公司不斷發(fā)展完善其分子管理技術體系，在未知原料及物流組分的預測等方面已形成多項專利，今后還將繼續(xù)深化發(fā)展。華東理工大學具有自主知識產權的基于分子管理的石腦油資源優(yōu)化利用技術，從分子管理與產品工程的角度，通過分子篩吸附分離石腦油中的正構烷烴，使乙烯裂解與催化重整工藝實現(xiàn)合理的原料調配[5]。清華大學采用分子矩陣表征煉油生產過程相關的物流分子組成，建立了催化重整、加氫脫硫、汽油穩(wěn)定塔和油品調和4個過程基于分子矩陣的過程模型，并利用物性-分子矩陣的轉換關系得到物流的物性，該方法既能夠提供比傳統(tǒng)虛擬組分模型更為詳細的分子信息，又能統(tǒng)一不同過程的虛擬組分與集總參數(shù)間的差異[6]。

宏觀方面，為了實現(xiàn)全廠流程的最優(yōu)化，穩(wěn)態(tài)流程模擬的研究和應用范圍已從單裝置模擬擴大到全廠生產過程與周邊生產企業(yè)和生活設施集成的大系統(tǒng)過程模擬。目前，K BC公司已為全球幾十個煉油廠和化工廠實施了全廠能量系統(tǒng)優(yōu)化項目，節(jié)能和增效效果顯著。隨著企業(yè)對節(jié)能增效的日益關注，一些煉化企業(yè)正在探索將企業(yè)的低溫位熱源用于周圍生產和生活設施，實現(xiàn)循環(huán)經濟，較好地解決了資源綜合利用的問題。

2.1.2 先進控制技術從單一的控制策略向與過程模擬和實時優(yōu)化相集成的方向發(fā)展

先進控制技術（A PC）是在現(xiàn)有D CS控制基礎上通過實時縮小與設定值之間的差距而實現(xiàn)挖潛增效的一種有效手段，它可以解決包括時變、非線性、大時滯在內的難以控制的化工過程問題，提高裝置的操作水平與經濟效益[7]。在世界范圍內A PC技術趨于成熟，在煉油化工裝置上的應用日益增多。據(jù)報道，國外80%~90%的煉化企業(yè)在重點裝置上投用了A PC技術，國內大型石化企業(yè)也相繼開發(fā)、應用了此技術，并獲得了很好的經濟效益，如齊魯石化常減壓、催化裂化、延遲焦化3套先進控制裝置投用后的年經濟效益超過2800萬元[8]。盡管A PC解決了設定值下裝置的平穩(wěn)操作問題，但要使各個設定值成為最佳工藝條件，最大化經濟效益，則要求A PC與在線過程模擬和實時優(yōu)化（RTO）相結合。根據(jù)A s p e n Te c h的數(shù)據(jù)，通過實施過程建模以及直接依靠模型的先進控制與優(yōu)化，每年可增效400~1500萬美元[9]。韓國現(xiàn)代石化公司達山35×104t/a乙烯聯(lián)合裝置實施RTO和A PC構成的優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)節(jié)能8.5%，總效益增加11.7%[10]。新加坡煉廠重油催化裂化裝置在流程模擬的基礎上，采用In v e n s y s公司的ROM e o軟件進行閉環(huán)實時優(yōu)化，實現(xiàn)年增效約600萬美元。先進控制技術與過程模擬和閉環(huán)實時優(yōu)化的集成技術將替代單一的控制策略，成為重點發(fā)展方向。

2.1.3 實時優(yōu)化配套技術不斷完善，從開環(huán)優(yōu)化走向閉環(huán)優(yōu)化

實時優(yōu)化即通過監(jiān)測生產過程的運行狀況，在給定的約束條件下及時調整操作，最大化經濟效益，包括在線優(yōu)化、人工選擇性實施和在線優(yōu)化、閉環(huán)自動反饋兩種，二者的數(shù)據(jù)均來自現(xiàn)場控制D CS系統(tǒng)，但前者的優(yōu)化結果僅作為操作人員的參考，以確保操作的安全性；后者則首先對優(yōu)化結果進行可靠性核查，確保安全后再將其作為設定值自動投入先進控制/D CS。據(jù)統(tǒng)計，早在1997年以前全世界已完成和進行中的閉環(huán)實時優(yōu)化項目就有52套裝置，這些項目分布在美國、英國、荷蘭、瑞典和日本等國家[11]。目前，基于穩(wěn)態(tài)模型的實時優(yōu)化軟件主要有Aspen Tech公司的Aspen Plus Optimizer、Invensys公司的ROMeo和Honeywell公司的Pr o f i t M a x。但由于對實時優(yōu)化而言，現(xiàn)有的通用過程模擬軟件的模型精度有限，其工程化的難度較高，國內在該領域的應用尚處于起步階段。隨著穩(wěn)態(tài)流程模擬技術精度的提高、數(shù)據(jù)校正技術和操作參數(shù)的一致性檢驗等實時優(yōu)化配套技術的深入發(fā)展，加上煉化企業(yè)現(xiàn)場檢測水平的提高，今后實時優(yōu)化技術必將從開環(huán)優(yōu)化走向閉環(huán)優(yōu)化，從單裝置閉環(huán)優(yōu)化走向全廠閉環(huán)優(yōu)化。

2.1.4 煉化一體化快速發(fā)展，煉化企業(yè)盈利能力進一步提升

由于煉化一體化有利于原料的優(yōu)化配置和綜合利用，目前國際大石油公司均將其作為降低成本、提升效益的重要手段。例如，Sh e l l公司通過煉化一體化建設，實現(xiàn)乙烯裂解原料的84.5%為煉油廠生產的石腦油和柴油，煉化一體化建設的乙烯生產能力達到282×104t/a以上。ExxonMobil公司通過裝置規(guī)模的大型化降低投資及生產成本，通過實施煉化一體化實現(xiàn)更高層次的節(jié)能降耗。Ex x o n的煉廠平均規(guī)模為776×104t/a，M o b i l為901×104t/a，位居世界前列。ExxonMobil公司80%以上的煉油裝置實現(xiàn)了與化學品或潤滑油的一體化，90%以上的化工能力與煉油裝置或上游氣體加工裝置相鄰一體化，實現(xiàn)了煉廠進料25%以上轉化為更高價值的石化產品，聯(lián)合企業(yè)回報率提高了2%~5%，產生了良好的經濟效益[12-13]。

國內方面，據(jù)統(tǒng)計，2010年千萬噸級煉化一體化企業(yè)有18個，形成了一定的規(guī)模，但與國外先進水平相比，煉化一體化程度較低，仍有很大的優(yōu)化潛力。因此，對現(xiàn)有煉化一體化企業(yè)加強物料優(yōu)化和能量系統(tǒng)優(yōu)化，對新建項目結合資源特點合理規(guī)劃化工規(guī)模，從設計開始將煉油、化工進行能量系統(tǒng)優(yōu)化和統(tǒng)籌考慮，以大幅優(yōu)化資源配置、提高能源利用效率，將是今后的研究重點。

2.2 運營環(huán)節(jié)的優(yōu)化技術

運營環(huán)節(jié)主要包括供應鏈管理、銷售管理和財務管理。目前，涉及財務管理和銷售管理等的企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）已發(fā)展成熟并在國內外得到廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計，國外排名前50名的石化公司、近90%的石油天然氣企業(yè)普及應用了ERP，國內中國石油、中國石化也進行了ERP建設，實現(xiàn)了企業(yè)內部的物流、資金流、信息流的整合，優(yōu)化了資源配置。然而，ERP無法將產、供、銷直接集成并進行優(yōu)化，還需要與供應鏈管理進一步集成，因此，以下著重闡述供應鏈管理的發(fā)展趨勢。

一般認為，供應鏈管理是在計劃優(yōu)化的基礎上發(fā)展起來的，而企業(yè)生產計劃最終還需生產調度系統(tǒng)去實現(xiàn)，因此，計劃和調度系統(tǒng)是供應鏈管理的重要組成部分。計劃管理是根據(jù)市場需求進行生產、分銷、采購和庫存計劃的編制，解決生產資源的靜態(tài)最優(yōu)分配；調度實施系統(tǒng)則是將有限的資源合理分配給各項計劃中的任務，解決生產資源的短期最優(yōu)動態(tài)分配問題[1]。目前，美國70%的煉油廠、世界煉油加工總量的40%，都在使用生產計劃調度與資源優(yōu)化軟件[8]。擁有全球最復雜供應鏈的ExxonMobil公司還專門實施METEORITE供應鏈項目以優(yōu)化全球的調度、產品及原料運輸路線。中國石油、中國石化也在近年完成了煉化物料優(yōu)化與排產系統(tǒng)的建設，有力支持了總部及各煉化企業(yè)的年度、季度、月度排產計劃制定，取得了良好的效果，但在煉化企業(yè)內部的生產調度管理方面，目前國內大多數(shù)煉化企業(yè)仍以人工經驗為主，已實施的調度系統(tǒng)主要著眼于調度的模擬，尚不能完整地求解實際生產調度的優(yōu)化問題，難以從全局角度進行優(yōu)化。

隨著經濟全球化的發(fā)展，基于供應鏈的綜合資源競爭成為企業(yè)之間的重要競爭之一，面向整個供應鏈聯(lián)盟的計劃調度系統(tǒng)既要考慮系統(tǒng)優(yōu)化，又要考慮沖突、協(xié)調與決策，對生產運營各環(huán)節(jié)進行獨立管理和優(yōu)化的方式以及傳統(tǒng)的人工管理模式已無法適應精細化管理的要求，因此，研究面向供應鏈整體優(yōu)化的計劃調度優(yōu)化技術，并融合人工智能技術，解決當前模擬型調度系統(tǒng)無法提供最優(yōu)方案的問題，是供應鏈管理的必然趨勢。

2.3 決策環(huán)節(jié)的優(yōu)化技術

決策支持系統(tǒng)（Decision support systems，DSS）是一種輔助決策過程的計算機系統(tǒng)，通常使用模型并通過交互和遞歸過程來建立，其決策過程中每一個問題的求解都需要采用人工智能技術[14]。在過去的30余年中，我國決策支持系統(tǒng)在政府宏觀管理、產業(yè)規(guī)劃與管理、水資源調配與防洪、資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境控制、金融投資決策以及企業(yè)生產運作管理等領域的研究與應用取得了不少成果，但在煉化領域的研究應用中，僅在石油儲運、煉化設備維修、運營計劃管理一體化優(yōu)化等方面有少量報道。例如，有學者在建立基于遞推算法化工流程企業(yè)投入產出分析模型和基于時間序列市場預測模型的基礎上，構建了由銷售結構、銷售計劃、生產計劃、采購計劃優(yōu)化模型及效益評價模型構成的化工流程企業(yè)運營計劃一體化優(yōu)化模型體系，并結合D SS總體架構以及數(shù)據(jù)倉庫的建立、D SS運行系統(tǒng)功能模型、人機對話界面等的研究，在某化工企業(yè)中進行了應用，為企業(yè)運營計劃的整體優(yōu)化提供了決策支持[15]。然而由于現(xiàn)有的人工智能系統(tǒng)知識庫規(guī)模有限，加上專家規(guī)則編制與調試工作量龐大，實用性較差、開發(fā)成本較高，仍需不斷研究發(fā)展新技術以進一步升級、完善。未來，智能決策支持系統(tǒng)將朝著數(shù)據(jù)倉庫、聯(lián)機分析處理、數(shù)據(jù)挖掘、模型庫、數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng)相集成的方向發(fā)展，解決多重供應鏈環(huán)節(jié)業(yè)務復雜的綜合優(yōu)化問題，例如，從原油生產到終端產品市場銷售的跨部門、跨地區(qū)、跨業(yè)務構成的上下游一體化優(yōu)化問題。

3 啟示

研究國際煉化企業(yè)生產、運營、決策三大環(huán)節(jié)過程流的管理與系統(tǒng)優(yōu)化，對我國加快提高煉化過程系統(tǒng)優(yōu)化具有重要現(xiàn)實意義。

為了適應今后國內煉化業(yè)務快速增長對生產運營整體優(yōu)化的技術需求，提升煉化企業(yè)經濟效益，縮小與國際先進水平的差距，在未來的一段時間內，需要重點做好以下6項工作：

1）要盡快發(fā)展形成自主的優(yōu)化技術和現(xiàn)狀評價技術，如用能現(xiàn)狀評價技術。

2）培養(yǎng)石油化工與信息技術的復合型人才，建立企業(yè)自有的專家團隊，保障煉化企業(yè)生產、運營、決策各環(huán)節(jié)優(yōu)化技術的實施效果，并為進一步發(fā)展煉化過程優(yōu)化技術提供人才支持。

3）結合國際發(fā)展趨勢，加快以節(jié)能增效為主導的過程系統(tǒng)優(yōu)化技術的推廣，包括離線模擬優(yōu)化和在線模擬優(yōu)化，為條件具備的企業(yè)盡快實現(xiàn)關鍵數(shù)據(jù)的現(xiàn)場動態(tài)測量，為實時優(yōu)化打下重要基礎。近期內以離線模擬優(yōu)化為主，在具備條件的企業(yè)內進行在線優(yōu)化試點，并向實時優(yōu)化方向發(fā)展。

4）加快先進控制技術在煉化生產裝置的應用步伐并與過程模擬和系統(tǒng)優(yōu)化技術相集成，使在線過程模擬優(yōu)化方案與先進控制有效結合，使優(yōu)化效果得到更加充分的實現(xiàn)。

5）要加快專家規(guī)則的研究，緊跟人工智能技術前沿，發(fā)展計劃調度優(yōu)化等智能化配套技術，加快智能型煉化企業(yè)的建設步伐。

6）要加快對煉化一體化系統(tǒng)優(yōu)化關鍵技術的研發(fā)和應用，系統(tǒng)優(yōu)化資源配置方案及加工方案，優(yōu)化儲運及公用工程，提高一體化技術水平。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.005

游曉艷，2010年畢業(yè)于清華大學，從事能量系統(tǒng)優(yōu)化工作，E-mail：xiehongjun@petrochina.com.cn，地址：北京市海淀區(qū)志新西路3號中國石油規(guī)劃總院，100083。

2012-01-13）