劉紅霞，鄒 涵

(南京工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，南京 211816)

煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉紅霞，鄒 涵

(南京工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，南京 211816)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，流程模擬技術(shù)的應(yīng)用取得了一定的成效[1]，但是工業(yè)信息化進(jìn)程中始終缺乏一個(gè)具有多功能性、數(shù)據(jù)完備性和易操作性的流程模擬仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)要求現(xiàn)場數(shù)據(jù)具有高度集成性，用戶可以方便快捷的查詢各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以便更好的生產(chǎn)指導(dǎo)與決策。同時(shí)，針對生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵指標(biāo)需要進(jìn)行產(chǎn)品分析、質(zhì)量分析和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整等操作。

針對以上這些不足和需求，結(jié)合當(dāng)前流程企業(yè)生產(chǎn)過程的仿真技術(shù)，以煉油工藝加氫裂化裝置生產(chǎn)過程為案例，對傳統(tǒng)的流程模擬系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)擴(kuò)展，設(shè)計(jì)出了一個(gè)集合了數(shù)據(jù)采集預(yù)處理、流程模擬、數(shù)據(jù)存儲集成、人機(jī)交互應(yīng)用等功能的集成仿真系統(tǒng)。

1 煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著石化工業(yè)的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的引進(jìn)，許多煉油流程模擬軟(Aspen Plus，PRO/II ，HYSYS)在石化企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但是當(dāng)前流程工業(yè)工藝過程模擬仿真技術(shù)存在著一些問題，主要有以下四種：

1）沒有將數(shù)據(jù)采集功能集成進(jìn)去，用戶需要通過繁瑣的數(shù)據(jù)庫操作與數(shù)據(jù)處理才能得到有效的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。

2）針對大量的數(shù)據(jù)，難以進(jìn)行有效地存儲管理，不同軟件載體的模塊之間的數(shù)據(jù)難以進(jìn)行通信，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能高效利用。

3）缺乏友好性、實(shí)用性和多功能性的人機(jī)交互界面，導(dǎo)致非專業(yè)人士和操作人員在使用時(shí)存在難度。

4）運(yùn)行模塊過分依賴模擬仿真軟件，存在關(guān)鍵變量難以測量的問題。

針對當(dāng)前流程工業(yè)過程控制仿真技術(shù)的不足，提出了以煉油裝置流程模擬為基礎(chǔ)的過程控制集成仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1所示。

煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)構(gòu)架主要包括數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊、流程模擬建模模塊、數(shù)據(jù)存儲集成模塊和可視化人機(jī)交互功能應(yīng)用模塊。

數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊主要功能是數(shù)據(jù)的采集、整合與預(yù)處理，這些數(shù)據(jù)一方面是流程模擬模型建立的數(shù)據(jù)源，另一方面為產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。并且可以自動傳輸?shù)搅鞒棠M建模模塊。流程模擬建模模塊根據(jù)煉油裝置的工藝流程和動力學(xué)模型，以機(jī)理建模方式來分別建立穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模型。數(shù)據(jù)存儲集成模塊不但通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫采集存儲動態(tài)仿真數(shù)據(jù)和煉油裝置的設(shè)備參數(shù)、操作生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)；同時(shí)還通過多種通信接口技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)模塊間的交互和數(shù)據(jù)通信，最終為仿真系統(tǒng)各個(gè)功能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)做好技術(shù)準(zhǔn)備。功能應(yīng)用中心提供了本仿真系統(tǒng)的可視化、圖像化的操作管理人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)企業(yè)各級人員的流程模擬、產(chǎn)品預(yù)測、操作優(yōu)化、質(zhì)量分析、生產(chǎn)管理維護(hù)等功能。

圖1 煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)構(gòu)架圖

2 煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊

數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊通過對采集數(shù)據(jù)獲得煉油裝置的數(shù)據(jù)來源，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確有效的預(yù)處理，從而提高建模數(shù)據(jù)樣本的完整性和準(zhǔn)確性[3]。

該模塊需要采集三類數(shù)據(jù)：1）通過連接PHD（Process History Database,過程歷史數(shù)據(jù)庫）采集實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)，如安裝在現(xiàn)場的各設(shè)備的傳感器采集的溫度、壓強(qiáng)和流量等；2）通過LIMS(Laboratory Information Management System,實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng))獲取的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，包括進(jìn)料油和各產(chǎn)品油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；3）通過現(xiàn)場調(diào)研和對工藝流程的分析獲得的裝置設(shè)備工藝參數(shù)。由于現(xiàn)場操作和環(huán)境的影響，實(shí)際采集時(shí)造成的各種誤差和數(shù)據(jù)缺失是不可避免的。這里，對于采集的數(shù)據(jù)需要對其進(jìn)行顯著誤差消除、數(shù)據(jù)修正和缺失值補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)處理。此外，由于其操作數(shù)據(jù)和產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)分別來自不同的兩個(gè)數(shù)據(jù)庫。如果不數(shù)據(jù)集成將影響穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，所以在建模之前還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)整合。

2.2 流程模擬建模模塊

流程模擬建模模塊采用了專業(yè)流程模擬軟件Aspen HYSYS，HYSYS是一款功能強(qiáng)大、開放性強(qiáng)的石化流程模擬軟件，該軟件集成了石油加工裝置中各種化工操作單元程序庫、化學(xué)物質(zhì)物性計(jì)算程序包和動力學(xué)方程等計(jì)算方法庫，是集穩(wěn)態(tài)流程模擬和動態(tài)流程模擬為一體的流程模擬軟件。同時(shí)HYSYS提供了大量的擬物化的單元模型和易于操作的輸入輸出界面，幫助用戶方便快捷的搭建模型、設(shè)置參數(shù)和模擬驗(yàn)證。

2.2.1 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)建模

本模塊根據(jù)煉油裝置的工藝流程和動力學(xué)模型特點(diǎn)，以數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊采集的數(shù)據(jù)樣本為數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)煉油裝置流程的初步建模。完成初步建模后，需要對模型進(jìn)行收斂性驗(yàn)證和校正，這里通過HYSYS提供的動力學(xué)活性因子實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證和校正功能，最終完成穩(wěn)態(tài)模型的建立。動態(tài)模型的建立可通過動態(tài)助手將穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)模型。

2.2.2 軟測量建模

針對流程工業(yè)過程存在的多變量、非線性和數(shù)據(jù)動態(tài)性問題，提出了一種自回歸移動平均（autoregression-mnving average，ARMA）模型與徑向基函數(shù)-加權(quán)偏最小二乘(Radial basis function-Weightedpartial least regression,RBF-WPLS)相結(jié)合的非線性動態(tài)建模方法。該方法首先建立基于RBF-WPLS的軟測量模型，然后，利用ARMA模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)估計(jì)，通過增加動態(tài)校正環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對靜態(tài)模型的動態(tài)校正處理。與傳統(tǒng)RBF-WPLS算法相比獲得了更高的預(yù)測精度和泛化能力。下面針對RBF-WPLS方法進(jìn)行簡要介紹。

首先利用RBF-WPLS算法建立軟測量預(yù)測模型，將該模型訓(xùn)練輸出值與真實(shí)測量ym值相減，得到一個(gè)關(guān)于輸出值誤差Δym的時(shí)間序列值，利用ARMA(n,n?1)模型對該時(shí)間序列進(jìn)行建模，得到關(guān)于預(yù)測誤差的ARMA模型。將以上兩個(gè)模型相結(jié)合進(jìn)行模型預(yù)測時(shí)，RBF-WPLS模型輸出值減去ARMA模型的誤差值，即得到輸出變量的預(yù)測結(jié)果。圖2給出了該模型結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 基于RBF-WPLS和ARMA的軟測量模型結(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)據(jù)存儲集成模塊

根據(jù)煉油裝置自動化數(shù)據(jù)集成技術(shù)的整體功能和技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)集成解決方案，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)集成方案

該數(shù)據(jù)集成方案的主要工作是數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信接口的設(shè)計(jì)開發(fā)，數(shù)據(jù)存儲由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫Honeywell PHD和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle組成，對仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)、管理信息數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集和存儲操作，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的存儲和管理[4,5]。

圖4 中壓加氫裂化工藝流程

Aspen HYSYS開放了其OPC服務(wù)器，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫PHD的OPC接口與HYSYS的OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與采集，HYSYS內(nèi)部集成的COM接口與功能應(yīng)用中心的Web應(yīng)用程序通過共同的COM協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。另外HYSYS通過ASW軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)與Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

對于擴(kuò)展應(yīng)用程序的OPC客戶端，通過OPC服務(wù)器對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫PHD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過PHD的API庫函數(shù)的數(shù)據(jù)調(diào)用功能來實(shí)現(xiàn)PHD和Oracle的數(shù)據(jù)通信[6,7]。關(guān)系數(shù)據(jù)庫Oracle在獲得PHD數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的同時(shí)，通過ADO.NET接口完成與Web應(yīng)用程序的連接，Web應(yīng)用程序連接后可以對數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行各項(xiàng)操作。

2.4 功能應(yīng)用模塊

煉油裝置流程模擬集成系統(tǒng)的可視化人機(jī)交互界面的開發(fā)主要是解決人機(jī)交互軟件與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)操作問題。為了解決Aspen系統(tǒng)中運(yùn)行操作和查詢數(shù)據(jù)等問題，引入Excel作為用戶操作查詢的接口，采用VBA和COM編程技術(shù)，與Aspen公司提供的人機(jī)界面軟件ASW(Aspen Simulation Workbook)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算?；贏SW的Excel人機(jī)交互界面包括導(dǎo)航界面、輸入輸出界面、數(shù)據(jù)查詢界面以及優(yōu)化分析界面。此外，為了使用戶能更加方便快捷的操作此人機(jī)交互界面。使用基于B/S架構(gòu)的ASP.NET框架來開發(fā)友好的前臺人機(jī)界面，采用OPC接口、COM接口和ADO.NET接口與流程模擬模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。用戶可以直接使用瀏覽器通過相應(yīng)權(quán)限的用戶名和密碼來訪問ASP.NET應(yīng)用程序，通過選擇不同的功能進(jìn)行功能操作。

3 應(yīng)用案例

煉油裝置流程模擬仿真系統(tǒng)以某煉油廠加氫裂化裝置為例進(jìn)行了應(yīng)用。該裝置由反應(yīng)器部分包括精制反應(yīng)器和裂化反應(yīng)器串聯(lián)組成，然后經(jīng)過高低壓分離器進(jìn)行壓力分離，分離后通過硫化氫汽提塔脫硫化氫處理，最后進(jìn)入兩個(gè)分餾塔分餾出各種產(chǎn)品[8]，如圖4所示。

通過數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊從3組數(shù)據(jù)庫中采集數(shù)據(jù)，然后使用顯著誤差消除、數(shù)據(jù)修正、缺失值補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。處理后的數(shù)據(jù)送入到模型輸入接口。并通過Excel的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。

在建模模塊，根據(jù)加氫裂化工藝，設(shè)置動力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)方法，配置物性方法和流體包，為使反應(yīng)器的計(jì)算結(jié)果能平滑的傳輸給分餾塔模型，對反應(yīng)模塊與分餾模塊進(jìn)行反應(yīng)器集總到分餾塔集總的轉(zhuǎn)換[9]，此時(shí)，完成模型的初步建立如圖5所示。

圖5 加氫裂化模型圖

針對加氫裂化中某些無法通過建模軟件獲得或者獲得不準(zhǔn)確的變量，如航煤干點(diǎn)、柴油傾點(diǎn)等。

現(xiàn)將9個(gè)變量作為模型的輔助變量，以分餾塔的航煤干點(diǎn)作為主導(dǎo)變量，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并剔除病態(tài)數(shù)據(jù)，共采集了174組數(shù)據(jù)。將其中的124組作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其余的50組作為測試數(shù)據(jù)，采用ARMA-RBF-WPLS方法建立航煤干點(diǎn)軟測量模型。同時(shí)與實(shí)際值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 ARMA-RBF-WPLS模型預(yù)測結(jié)果

此系統(tǒng)的各項(xiàng)功能可以通過人機(jī)界面在功能展示中心模塊進(jìn)行展示，如圖7所示為在線流程模擬的操作界面，功能包括：模型開啟與關(guān)閉、各種進(jìn)料油設(shè)置、關(guān)鍵指標(biāo)分析、仿真計(jì)算產(chǎn)物查詢等，當(dāng)前正在對硫化氫汽提進(jìn)行溫度、壓力、回流比和產(chǎn)品流率等參數(shù)配置。

圖7 在線流程模擬操作

在Excel平臺利用HYSYS ASW技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢功能。如圖8所示，為Excel通過加氫裂化模型交互查詢獲取的仿真結(jié)果柴油產(chǎn)品的指標(biāo)數(shù)據(jù)（質(zhì)量流率、各餾程點(diǎn)溫度等）。

圖8 Excel數(shù)據(jù)查詢

因素影響的優(yōu)化分析功能以基于ASW接口的Excel交互界面為基礎(chǔ)，開發(fā)出對加氫裂化輸入因素的分析功能，通過改變某些輸入因素（單因素或多因素），來觀察某些關(guān)鍵指標(biāo)具有哪些變化趨勢，從而，對知道這些變量之間的關(guān)系，為生產(chǎn)指導(dǎo)和決策提供依據(jù)。對于某些需要重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)可以通過因素影響的優(yōu)化分析功能得到最佳的進(jìn)料參數(shù)和操作條件等，從而獲取較好的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。

以單因素為例，選取加氫裂化裂化反應(yīng)器第一個(gè)床層的的入口溫度輸入?yún)?shù)作為說明對象，展示因素影響分析功能。圖9所示的Excel上開發(fā)的單因素分析功能，第一個(gè)床層的的進(jìn)料溫度的微小改變，選取三個(gè)重要指標(biāo)重石腦油芳潛N+2A（HN.N+2A）、柴油流量（Die.Mass）、尾油BMCI值（Btm.BMCI）繪制表格，如表1所示。

圖9 Excel因素影響分析功能

表1 因素影響分析整理數(shù)據(jù)

分析可得裂化器第一床層的的入口溫度對這三個(gè)指標(biāo)的影響規(guī)律為：1）裂化器第1床層入口溫度與重石腦油芳潛N+2A成反比；2）裂化器第1床層入口溫度與柴油流量成正比；3）裂化器第1床層入口溫度與尾油BMCI成反比。

通過影響因素分析，對入口溫度操作條件的變化可以從一定程度上提高該指標(biāo)。因素影響的優(yōu)化分析功能可以指導(dǎo)加氫裂化流程模擬的工況條件優(yōu)化，對產(chǎn)品性能進(jìn)行改進(jìn)。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整是指為了挺高產(chǎn)品某項(xiàng)指標(biāo)通過改善輸入?yún)?shù)，改變局部變量等操作來實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化方法。現(xiàn)以改變操作條件提高輕石腦含量為例，對本功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行具體說明。在經(jīng)過整套的產(chǎn)品性能指標(biāo)的預(yù)測實(shí)驗(yàn)后，對提高輕石腦產(chǎn)量的工況操作條件作深入分析，得到分餾塔塔底溫度、分餾塔蒸氣流量對輕石腦油流量（LN.Mass）指標(biāo)的影響規(guī)律，提取數(shù)據(jù)并繪制表格，如表2所示。

表2 輕石腦油流量指標(biāo)分析數(shù)據(jù)

通過觀察上次變化關(guān)系可以得出結(jié)論：分餾塔塔底溫度與輕石腦油流量成正比；分餾塔蒸氣流量與輕石腦油流量也成正比。對此，為了有效提高餾出油中輕石腦油的含量，在加氫裂化分餾塔部分可以有如下操作：對分餾塔塔底溫度進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶岣撸粚Ψ逐s塔蒸氣流量進(jìn)行一定的放大。

該人機(jī)交互平臺還為用戶提供了產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)分析功能，包括加氫裂化模型精度分析、產(chǎn)品產(chǎn)量分析、產(chǎn)品指標(biāo)分析、產(chǎn)品優(yōu)化分析以及各產(chǎn)品質(zhì)量分析等。如圖10所示為ASP.NET人機(jī)交互界面上實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)分析功能，上半部分所呈現(xiàn)的是各主要產(chǎn)品質(zhì)量流量的模擬值與工廠實(shí)際值的對比效果圖，下半部分是重腦油N+2A值、柴油終分餾點(diǎn)、尾油BMCI三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)與工廠實(shí)際值的對比表。同時(shí)，還反映了相對誤差的大小。

圖10 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)分析

4 結(jié)束語

針對當(dāng)前煉油裝置過程控制仿真系統(tǒng)功能不足和技術(shù)特點(diǎn)，提出了煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集預(yù)處理、流程模擬建模、數(shù)據(jù)存儲集成和功能應(yīng)用為一體的仿真集成系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)完整、功能豐富、操作方便快捷和人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，在石化企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中得到了較好的應(yīng)用，具有一定理論價(jià)值和實(shí)際價(jià)值。

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The design and application of process simulation system in refining plant

LIU Hong-xia，ZOU Han

針對煉油產(chǎn)業(yè)在傳統(tǒng)流程模擬中存在著模塊單一缺乏數(shù)據(jù)交互、操作復(fù)雜、數(shù)據(jù)集成度低擴(kuò)展性弱、模擬預(yù)測精度低等問題。設(shè)計(jì)出一個(gè)集合了數(shù)據(jù)采集預(yù)處理、流程模擬、數(shù)據(jù)存儲集成、人機(jī)界面應(yīng)用等功能的集成仿真系統(tǒng)。首先利用數(shù)據(jù)修正、缺失值補(bǔ)償和顯著誤差消除技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的處理；然后采用hysys軟件進(jìn)行建模；最后計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信存儲集成功能和人機(jī)交互功能。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于加氫裂化煉油裝置，并取得了良好的效果。

煉油裝置；流程模擬；仿真系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；軟測量

劉紅霞（1964 -），女，副教授，碩士，研究方向?yàn)楣I(yè)綜合自動化研究與實(shí)現(xiàn)。

TP391.9

A

1009-0134(2014)06(上)-0028-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).08

2014-03-10