田宏宇，左艷梅，于琪，夏恩冬，吳顯軍

（中國石油石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江大慶163714）

當(dāng)前石油化工市場的競爭日益激烈，輕質(zhì)化低硫原油日趨減少，重質(zhì)化、劣質(zhì)化原油增多，因此提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低能源消耗及提升環(huán)保要求已成為煉油企業(yè)新形勢。過程模擬技術(shù)利用在線動態(tài)仿真，將實際生產(chǎn)過程“再現(xiàn)”于計算機上，實施在線操作、動態(tài)調(diào)整，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、裝置的原料組成及操作條件，增產(chǎn)高價值產(chǎn)品，提升裝置運行經(jīng)濟效益和競爭能力，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

過程模擬技術(shù)源于美國Kellogg公司成功開發(fā)的第一個流程模擬系統(tǒng)Flexible Flowsheet［1］，在當(dāng)時化工業(yè)界影響很大。迄今為止，過程模擬系統(tǒng)已經(jīng)歷4代發(fā)展，由最初的模擬對象以輕烴加工為主，逐漸發(fā)展到模擬對象為氣—液2相過程、氣—液—固3相過程，20世紀(jì)90年代模擬將穩(wěn)態(tài)和動態(tài)集成在一起，成為設(shè)計研究和生產(chǎn)部門最強有力的輔助工具［2］。國外典型較為成熟的過程模擬軟 件 包 括AspenOne、PRO/Ⅱ、ChemCAD、Petro-Sim、VMGSim等。國內(nèi)對于過程模擬系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用最早在20世紀(jì)60年代，由蘭州石化設(shè)計院最先開展過程模擬軟件開發(fā)，至今青島科技大學(xué)、華東理工大學(xué)、中科院過程所、洛陽石化工程公司等相繼開發(fā)了工藝計算程序，并應(yīng)用于實際生產(chǎn)過程裝置。文中綜述了國內(nèi)外過程模擬技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用，展望了過程模擬技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)工業(yè)裝置，提升經(jīng)濟效益，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展前景。

1 國外流程模擬系統(tǒng)

1.1 Aspen模擬系統(tǒng)

美國Aspen Tech作為流程工業(yè)優(yōu)化軟件廠商，開發(fā)了先進過程控制及優(yōu)化集成的Aspen One模擬軟件。該軟件由先進控制系統(tǒng)（Aspen DMCplus）、閉環(huán)實時優(yōu)化系統(tǒng)（Aspen Plus Optimizer）、油品調(diào)合先進過程控制與優(yōu)化系統(tǒng)（Aspen Blend）、在線監(jiān)控系統(tǒng)（Aspen Watch）及智能化的控制器維護系統(tǒng)（Aspen SmartStep）等多部分構(gòu)成，各系統(tǒng)相互結(jié)合，能夠有效優(yōu)化生產(chǎn)操作，設(shè)計和改進工廠工藝流程，實現(xiàn)工廠資產(chǎn)利用最大化。其中多變量先進過程控制系統(tǒng)（Aspen DMCplus）具備計算準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)庫全的特點，集前饋、反饋及優(yōu)化于一體，能夠最大限度挖掘裝置生產(chǎn)潛力，降低裝置能耗，卡邊控制，實現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)最優(yōu)操作，提高裝置處理能力及高價值產(chǎn)品產(chǎn)率［3］。

K.Anithasupa等［4］使用Aspen Plus模擬軟件對原油蒸餾廠中的預(yù)閃蒸塔、常壓塔和真空蒸餾裝置進行穩(wěn)態(tài)模擬。探究使用不同的混合原油進行計算機模擬：迪拜和巴士拉混合油（原油1）以及迪拜和孟買混合油（原油2）模擬仿真效果。在Aspen環(huán)境中，輸入必要數(shù)據(jù)，選擇熱力學(xué)方程模擬精確計算平衡系數(shù)。通過比較兩種原油的收率百分比，發(fā)現(xiàn)使用迪拜和孟買原油的混合物（原油2）比迪拜和巴薩拉原油的混合物（原油1）產(chǎn)生的餾出物更多。Aspen模擬過程確定了原油蒸餾裝置最佳運行條件，在相同溫度下，原油2能夠產(chǎn)出更多的汽油餾分，可獲得更高的經(jīng)濟效益。

中石化青島煉化公司［5］采用Aspen Plus模擬軟件建立了催化重整裝置及分餾部分的穩(wěn)態(tài)流程模擬，目標(biāo)是節(jié)能降耗，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。通過對各塔模擬進行操作參數(shù)優(yōu)化，催化重整裝置創(chuàng)造節(jié)能效益約780.36萬元/a，塔底油產(chǎn)品苯含量降低1%，回收苯含量增加，二甲苯收率提高至19.85%，創(chuàng)效3 360萬元/a，總收益4 140.36萬元/a。采用Aspen模擬優(yōu)化操作參數(shù)，綜合考慮了裝置產(chǎn)品質(zhì)量需求及能耗要求，不僅有效實現(xiàn)節(jié)能降耗，同時提高產(chǎn)品收率，提高經(jīng)濟效益。

1.2 ChemCAD模擬系統(tǒng)

ChemCAD是美國Chemstations公司開發(fā)的化工模擬軟件，用戶界面以圖形方式輸入，具備最新的計算方法，價格低廉、容易使用、高度集成、界面友好，廣泛應(yīng)用于石油化工、清潔生產(chǎn)等領(lǐng)域，能夠為工程設(shè)計、優(yōu)化操作及工藝開發(fā)提供理論性指導(dǎo)。Wang等［6］采用ChemCAD化工模擬軟件，對乙醇和乙酸的反應(yīng)蒸餾過程進行模擬。具體建模流程首先建立過程模擬仿真圖，隨后添加物料流，選擇熱力學(xué)模型，通過初始值任務(wù)模擬計算，選擇正確的運行條件和塔理論系列，根據(jù)給定的設(shè)計條件和初始值，使用ChemCAD軟件嚴格模擬計算。結(jié)果表明，模擬計算乙酸乙酯產(chǎn)品濃度為69.43%，與實驗結(jié)果誤差低于3%，說明模擬數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果相吻合。利用初步計算結(jié)果，可以對主要設(shè)計參數(shù)和工作條件進行靈敏度分析，選擇合適的最佳工藝條件，有效實現(xiàn)化學(xué)過程仿真軟件進行化學(xué)設(shè)計工作，可以大大提高工作效率。

Abdulwahab GIWA等［7］借助ChemCAD軟件對生產(chǎn)乙酸正丁酯的反應(yīng)蒸餾過程進行動態(tài)模擬。首先設(shè)置初始回流比和再沸器負荷，對系統(tǒng)的開發(fā)模型進行穩(wěn)態(tài)模擬，從而獲取涉及組分的摩爾分數(shù)初始值，隨后激活ChemCAD，模型轉(zhuǎn)化為動態(tài)類型。模擬結(jié)果表明，乙酸和正丁醇之間的酯化反應(yīng)過程，可以在動態(tài)模型運行一段時間后穩(wěn)定下來，是1個穩(wěn)定系統(tǒng)，隨著再沸器負荷越高，體系越接近動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)。ChemCAD方便地模擬了反應(yīng)蒸餾過程，獲得精餾塔的各種參數(shù)，可以對實際生產(chǎn)操作條件進行正確指導(dǎo)。

Amaury等［8］使用5.2版本的ChemCAD對丙烯酸生產(chǎn)過程進行模擬，模擬考察了吸收塔操作溫度對塔底丙烯酸量的影響及回收塔工作壓力對獲得乙酸量的影響。結(jié)果表明，當(dāng)吸收塔操作溫度為20℃時，丙烯酸含量損失最小，回收塔在真空狀態(tài)下運行時，可以最大程度減少底部流中丙烯酸和乙酸的損失。根據(jù)ChemCAD模擬結(jié)果調(diào)整設(shè)備工藝參數(shù)，從而可以增產(chǎn)高價值產(chǎn)品增加收益。

1.3 Petro—SIM模擬系統(tǒng)

英國的KBC公司是能源行業(yè)的領(lǐng)先獨立顧問和軟件解決方案提供商。該公司開發(fā)的穩(wěn)態(tài)Petro-SIM軟件是面向煉油和石化行業(yè)的多功能圖解式流程模擬，該軟件數(shù)據(jù)更新快，提供了詳細的反應(yīng)器單元操作，可對精煉廠和石化廠進行嚴格的仿真模擬。Petro-SIM軟件技術(shù)與工業(yè)化成熟的工藝相結(jié)合，可更好的為煉油廠和石化廠建立模型，使煉油化工廠利潤達到最大化，利用該軟件，可實現(xiàn)煉油廠工藝過程優(yōu)化設(shè)計和開發(fā)，同時通過原油合成，可以評價合成原油組分，并進行常減壓裝置操作模擬。

洛陽石化［9］采用PetroSIM軟件對常減壓裝置進行全流程模擬，實現(xiàn)了通過原油種類變化，預(yù)測操作條件及產(chǎn)品性質(zhì)分布的目的。利用PetroSIM模型可以預(yù)測減壓爐管表面油溫，自動繪制結(jié)焦曲線，因此，可在臨界結(jié)焦條件下，最大限度提高減壓爐溫，提高拔出率。

福建聯(lián)合石油化工有限公司［10］利用PetroSIM煉廠模擬軟件中線性規(guī)劃工具（LPU）生成原油切割數(shù)據(jù)表（ASSAY），構(gòu)建了基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)庫，為原油經(jīng)濟性評價及生產(chǎn)過程優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。中海油惠州石化公司［11］利用Petro-SIM模擬軟件建立的加氫裂化全流程模擬，對變更原料后工況進行評估預(yù)測，分析裝置“瓶頸”因素，實施優(yōu)化操作方案。模擬結(jié)果顯示，Petro-SIM對加氫裂化反應(yīng)器溫度模擬誤差低于0.5%，產(chǎn)品性質(zhì)及循環(huán)氫系統(tǒng)負荷模擬誤差在5.0%以內(nèi)，與工業(yè)裝置數(shù)據(jù)保持較好的一致性。隨著催化柴油摻煉比升高，原料密度及硫、氮含量增加，裝置循環(huán)氫系統(tǒng)負荷及催化劑床層溫度升高，產(chǎn)品性質(zhì)可滿足生產(chǎn)指標(biāo)。

Xingwen C等［12］利用Peteo-SIM內(nèi)置減壓爐模塊，對減壓爐進行模擬操作，預(yù)測爐管內(nèi)油膜溫度、停留時間、爐管注氣量及介質(zhì)流型流速對減壓爐結(jié)焦情況的影響，較好分析判斷油品結(jié)焦趨勢，降低結(jié)焦幾率，保證實際生產(chǎn)操作的工藝參數(shù)穩(wěn)定，避免在結(jié)焦區(qū)運行。通過Perto-SIM模擬發(fā)現(xiàn)，減壓爐注氣量控制在0.5%以內(nèi)最佳，能夠有效降低停留時間過長引起的結(jié)焦問題，避免注氣量過大造成能耗增加。

1.4 VMGSim模擬系統(tǒng)

VMGSim是加拿大Virtual Materials Group公司開發(fā)的流程模擬軟件，具備計算準(zhǔn)確、功能強大、性價比高的特點。在石油煉制、石油化工領(lǐng)域中，VMGSim能準(zhǔn)確建模并預(yù)測大多數(shù)工藝裝置性能，在工藝裝置的設(shè)計、優(yōu)化及故障診斷方面，可實現(xiàn)精確詳細的過程模擬，能有效提高操作效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省投資，實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)目標(biāo)。

吳章柱等［13］應(yīng)用VMGSim流程模擬軟件對氣體分餾裝置建立模型，模擬計算原料組分、產(chǎn)品要求及塔底溫度，擬合出分餾塔塔底溫度與原料C5+含量變化趨勢圖，并應(yīng)用于實際生產(chǎn)操作中，有效改善由于裝置進料組成變化導(dǎo)致產(chǎn)品不合格的問題，對實際生產(chǎn)起到一定指導(dǎo)作用。

Qingyang Lei等［14］利用VMGSim軟件模擬一氯苯裝置，對該裝置進行故障檢測。采用耗散理論為過程輸入輸出軌跡找到合適的耗散性質(zhì)。耗散特性可以看作是抽象的能量特性，輸入輸出軌跡的耗散特性表示過程動態(tài)特征。隨著故障的發(fā)生，耗散軌跡將發(fā)生變化，從而允許基于這些耗散特性執(zhí)行故障檢測。

2 國內(nèi)流程模擬系統(tǒng)

2.1 ECSS化工之星

青島科技大學(xué)開發(fā)的ECSS化工之星模擬軟件具有強大的過程模擬、分析、優(yōu)化、設(shè)備設(shè)計及環(huán)境評價等功能。適用于天然氣加工、石油煉制、石油化工等過程工業(yè)領(lǐng)域，能夠有效實現(xiàn)新過程設(shè)計、流程篩選及改造、過程優(yōu)化、過程環(huán)境影響評價和化工設(shè)備設(shè)計及核算［15］。秦杰等［16］采用ECSS化工之星模擬軟件對30×104t/a的甲醇精餾裝置的常壓塔工況進行模擬優(yōu)化分析?？疾炝诉M料位置、回流比及出料位置參數(shù)對甲醇含量及能耗的影響，根據(jù)模擬結(jié)果對甲醇精餾塔操作參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，提出優(yōu)化操作方案為進料位置最宜選擇常壓塔中下部，操作回流比選用3.0～3.5，側(cè)線出料位置在20～25塊理論塔板處，此時能夠有效保證甲醇產(chǎn)品的純度達到99.93%。

2.2 過程模擬計算程序開發(fā)

華東理工大學(xué)劉紀(jì)昌教授等［17］基于集總概念，從分子水平建立過程模擬計算程序，基于結(jié)構(gòu)導(dǎo)向集總建立柴油精制分子水平反應(yīng)動力學(xué)模型，其中結(jié)構(gòu)導(dǎo)向集總概念最早于1992年由?？松梨诠綫uann和Jaffe［18］首次提出，認為所有烴類分子均由不同的結(jié)構(gòu)基團組成，可以稱其為結(jié)構(gòu)向量，包含22個分子結(jié)構(gòu)基團。采用結(jié)構(gòu)導(dǎo)向集總方法，將每個柴油分子用結(jié)構(gòu)向量表示，通過結(jié)構(gòu)向量組合建立包含846個結(jié)構(gòu)向量的柴油分子數(shù)據(jù)庫。針對加氫精制反應(yīng)機理，制定34條反應(yīng)規(guī)則，計算反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，建立動力學(xué)模型。采用中石油加氫精制裝置進行模型驗證，結(jié)果顯示，產(chǎn)品分布計算相對誤差在2%左右，柴油收率相對誤差為0.6%?；诮Y(jié)構(gòu)導(dǎo)向集總建立的柴油精制裝置模型實際裝置具有較好一致性，模型適用于不同原料、溫度，壓力，空速等工藝條件，只需在模型基礎(chǔ)上更改工藝條件實現(xiàn)產(chǎn)品預(yù)測。

中科院過程所張鎖江教授等［19］，基于MTHS分子矩陣應(yīng)用建立餾分油組成分子模型，提出了餾分油IMTHS分子矩陣，實現(xiàn)餾分油分子組成表征預(yù)測。分子性質(zhì)預(yù)測式如下：

式中G代表餾分油預(yù)測值，Pm為矩陣分子性質(zhì)，F(xiàn)m為矩陣分子餾分組成。

將基于IMTHS分子矩陣建立的模型預(yù)測餾分油品性質(zhì)與實際值比較，結(jié)果顯示預(yù)測焦化柴油、汽油的分子組成與實際值較吻合，且密度等宏觀性質(zhì)預(yù)測精度高，該模型在預(yù)測分子組成與宏觀性質(zhì)具備可行性。

中國石化催化劑有限公司與廈門大學(xué)聯(lián)合建立加氫脫硫轉(zhuǎn)化率與催化劑性質(zhì)定量關(guān)系模型［20］。HDS轉(zhuǎn)化率與催化劑性質(zhì)模型為：

式中，XM代表HDS轉(zhuǎn)化率，Yj為催化劑各性質(zhì)參數(shù)，為動態(tài)超幾何平均權(quán)重，A0為反應(yīng)條件因數(shù)，運用Matlab軟件對實驗數(shù)據(jù)進行擬合計算得到模型參數(shù)。該模型能夠有效反映出催化劑性質(zhì)變量對HDS轉(zhuǎn)化率的影響，定量反映出活性組分最佳負載量范圍，有助于指導(dǎo)HDS催化劑研發(fā)過程，減少過度實驗浪費等問題。

3 結(jié)論

國外過程模擬軟件較為成熟，擁有較全面的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，與國外流程模擬軟件相比，國內(nèi)流程模擬技術(shù)水平、應(yīng)用范圍、人機界面、商品化程度等方面，存在很大差距。

青島科技大學(xué)ECSS化工之星是國內(nèi)應(yīng)用較為成熟的商業(yè)化流程模擬軟件，高校及企業(yè)單位也致力于聯(lián)合開發(fā)建立動力學(xué)過程模擬軟件，可根據(jù)生產(chǎn)裝置、催化劑性質(zhì)及工藝工況因素，針對性建立動力學(xué)集總模型，優(yōu)化工藝操作。然而模型數(shù)據(jù)庫有限，無法全面廣泛應(yīng)用指導(dǎo)生產(chǎn)，國內(nèi)對煉油過程模擬仍需進一步開發(fā)研究，不斷優(yōu)化更新擴大數(shù)據(jù)庫建立指導(dǎo)性模型，強化預(yù)測管理、驅(qū)動管理、建立遠程專家診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)字煉油廠轉(zhuǎn)型為信息化煉油廠。

此外，國內(nèi)針對指導(dǎo)催化劑設(shè)計的流程模擬軟件開發(fā)不夠成熟，系列催化劑的評價試驗數(shù)據(jù)缺乏，不能夠滿足模擬計算所需。過程模擬技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用仍具備探索研發(fā)價值。