劉雙民 陳玉石 金煒 司翔宇

摘要：針對(duì)某公司連續(xù)重整裝置的工藝特點(diǎn)，開發(fā)工藝計(jì)算模塊、構(gòu)建機(jī)理模型、搭建動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)，進(jìn)行先進(jìn)控制模型增益在線時(shí)時(shí)更新，以提升裝置控制水平。同時(shí)為進(jìn)一步挖潛增效，針對(duì)連續(xù)重整裝置的優(yōu)化空間進(jìn)行深度挖掘，開發(fā)了三種加工方案切換的優(yōu)化控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)連續(xù)重整裝置的區(qū)域動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化，總芳烴收率提高了1.5%，氫氣產(chǎn)量提高0.45%，能耗降低0.69%，年增效1700萬(wàn)元以上。

關(guān)鍵詞：連續(xù)重整、先進(jìn)控制、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化

前言

隨著大型煉油企業(yè)數(shù)字化智能工廠的建設(shè)，總的發(fā)展趨勢(shì)是生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、先進(jìn)計(jì)劃調(diào)度（APS）系統(tǒng)到實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）、先進(jìn)控制（APC）系統(tǒng)的有機(jī)整合，使企業(yè)能夠快速適應(yīng)市場(chǎng)的變化，生產(chǎn)市場(chǎng)所需的高附加值產(chǎn)品，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益。在這當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)的、穩(wěn)定的、可靠的實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)尤為重要。

石化行業(yè)在提高煉化企業(yè)的自動(dòng)化水平，數(shù)字化和智能化生產(chǎn)方面一直在不斷的實(shí)踐和探索。先進(jìn)控制及實(shí)時(shí)優(yōu)化作為智能工廠建設(shè)中重要一環(huán)，也越來(lái)越受到大家的重視。但目前由于受到技術(shù)或應(yīng)用水平的限制，極大部分的應(yīng)用集中在先進(jìn)控制層面，在線實(shí)施優(yōu)化技術(shù)目前在煉油裝置上剛剛開始試點(diǎn)，如常減壓裝置、連續(xù)重整、S Zorb裝置等。[1]

1實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)原理概述

當(dāng)前實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)分為兩類：一類是穩(wěn)態(tài)優(yōu)化，采用穩(wěn)態(tài)機(jī)理模型，大多利用基于工藝機(jī)理方程的求解技術(shù)直接求解優(yōu)化目標(biāo)值，然后由下層的控制器控制到目標(biāo)值;另一類是動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化，采用動(dòng)態(tài)模型，輔之機(jī)理模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行更新，然后利用動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化，計(jì)算優(yōu)化目標(biāo)值和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡。

實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和虛擬模型進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，并根據(jù)虛擬模型優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果指導(dǎo)裝置的動(dòng)態(tài)控制，使生產(chǎn)裝置產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)利用數(shù)學(xué)和機(jī)理模型，結(jié)合原料、產(chǎn)品和公用工程的市場(chǎng)價(jià)格，依據(jù)煉油、化工裝置當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和裝置約束，實(shí)時(shí)模擬和優(yōu)化裝置操作參數(shù)，并將優(yōu)化結(jié)果傳送到先進(jìn)控制系統(tǒng)，達(dá)到裝置效益提升或節(jié)能的目的。

工藝技術(shù)人員輸入實(shí)時(shí)優(yōu)化計(jì)算所需的操作約束數(shù)據(jù)、原料分析數(shù)據(jù)和價(jià)格體系數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)（Real Time Optimization，RTO）會(huì)依據(jù)這些數(shù)據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，最終將優(yōu)化計(jì)算結(jié)果傳輸給先進(jìn)控制系統(tǒng)（ Advanced Process Control，APC），將裝置的運(yùn)行控制到最優(yōu)的操作點(diǎn)上，真正實(shí)現(xiàn)了煉油化工裝置物理實(shí)體和虛擬模型的交互。

2 工藝流程描述

天津分公司連續(xù)重整裝置由預(yù)加氫單元、重整反應(yīng)單元、催化劑再生單元、分餾單元、抽提蒸餾單元、芳烴精餾單元、產(chǎn)汽部分和公用工程系統(tǒng)組成。其中重整反應(yīng)單元、催化劑再生單元采用Honeywell UOP第三代超低壓連續(xù)重整工藝成套專利技術(shù)，重整催化劑采用用中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院研制開發(fā)的PS-Ⅵ催化劑[2]。抽提蒸餾單元采用石科院開發(fā)的抽提蒸餾技術(shù)，以環(huán)丁砜為溶劑分別將重整C6/C7餾分油和乙烯C6/C7餾分油中的芳烴抽出，重整C6/C7餾分油的抽余油作為乙烯裂解料送往乙烯裝置，乙烯C6/C7餾分油的抽余油經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)重整反應(yīng)系統(tǒng)。

連續(xù)重整裝置在煉油企業(yè)中占有的重要的地位，在國(guó)、內(nèi)外具有多套成熟的先進(jìn)控制[3]應(yīng)用，并且取得了很好的效果。但是重整反應(yīng)過(guò)程非線性很強(qiáng)，難以用線性模型表征，因此需要利用機(jī)理模型模擬出裝置中個(gè)單元進(jìn)出物料的溫度、壓力、流量和組分，表征出裝置實(shí)際運(yùn)行的基本情況。再結(jié)合先進(jìn)控制系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)際操作，為裝置實(shí)現(xiàn)智能化和精細(xì)化操作提供有效保障。在線優(yōu)化技術(shù)在重整裝置上實(shí)施具有重要的開拓性意義。

2015年，天津分公司的連續(xù)重整裝置上已經(jīng)成功實(shí)施了APC先進(jìn)控制，應(yīng)用效果已經(jīng)得到裝置技術(shù)人員的認(rèn)可，為下一步實(shí)施重整單元的整體優(yōu)化建立堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)

2019年天津分公司和石化盈科聯(lián)合對(duì)連續(xù)重整裝置的石腦油加氫預(yù)處理、重整反應(yīng)器、催化劑再生、重整精餾部分，以提高重整生成油芳烴收率、裝置加工處理能力和降低裝置能耗為目標(biāo)，進(jìn)行連續(xù)重整在線實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用開發(fā)。設(shè)計(jì)了三種優(yōu)化方案和相應(yīng)的三個(gè)目標(biāo)函數(shù)：芳烴收率最大化方案、重整液收最大化方案、處理量最大方案，由操作指令在線切換完成目標(biāo)函數(shù)在允許最大移動(dòng)范圍內(nèi)將決策變量移動(dòng)到新的最優(yōu)點(diǎn)。在重整裝置上實(shí)現(xiàn)了多單元整體在線技術(shù)優(yōu)化，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。[4]

首先對(duì)已經(jīng)實(shí)施了先進(jìn)控制的100單元、200單元的控制器進(jìn)行了符合區(qū)域?qū)崟r(shí)優(yōu)化要求的控制策略調(diào)整;同時(shí)新建了重整裝置總經(jīng)濟(jì)目標(biāo)產(chǎn)值控制器，并開發(fā)了300單元的再生多變量控制器，使控制器功能更加完整，以便更好地服務(wù)優(yōu)化平臺(tái);再利用工藝專利商UOP的重整工藝計(jì)算包對(duì)國(guó)產(chǎn)催化劑[3]進(jìn)行相應(yīng)模型參數(shù)調(diào)整，用于表征裝置反應(yīng)及精餾部分的非線性特征，基于嚴(yán)格機(jī)理的精餾塔Unisim模型進(jìn)一步對(duì)上述裝置增加工藝參數(shù)計(jì)算;結(jié)合先進(jìn)的在線模型增益更新技術(shù)和Profit Optimizer動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了增益計(jì)算值實(shí)時(shí)更新控制器增益，在國(guó)內(nèi)首次完成了連續(xù)重整裝置分鐘級(jí)的區(qū)域協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化。提高了裝置加工處理能力和重整生成油中的芳烴含量、提升了裝置運(yùn)行平穩(wěn)性及控制水平、降低了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了裝置的精細(xì)化和智能化操作。

重整工藝計(jì)算包集合了重整工藝機(jī)理模型，并集成在先進(jìn)控制和優(yōu)化運(yùn)行平臺(tái)中。利用重整機(jī)理模型，收集過(guò)程參數(shù)和分析儀的進(jìn)料組分信息，計(jì)算出重整反應(yīng)產(chǎn)品中芳烴的含量、催生劑上的積炭百分比（含焦率）、結(jié)焦速率（結(jié)焦率）等的關(guān)鍵參數(shù)并提供實(shí)時(shí)模型增益計(jì)算輸入到先進(jìn)控制層和優(yōu)化層，克服反應(yīng)過(guò)程的非線性。

UniSim Design是流程模擬軟件，在設(shè)計(jì)模型的時(shí)候有專門的算法模塊，模型開發(fā)組成可根據(jù)實(shí)際裝置的單元?jiǎng)澐?。針?duì)汽提塔、脫戊烷塔和脫丁烷塔等部分，在UniSim過(guò)程模擬和優(yōu)化組件中建立工藝模型。在統(tǒng)一的實(shí)時(shí)運(yùn)行平臺(tái)URT的調(diào)度下，從工藝模型中實(shí)時(shí)提取模型增益并實(shí)時(shí)更新先進(jìn)控制模型和優(yōu)化模型，結(jié)合實(shí)時(shí)的過(guò)程反饋信息使它們很好適用于非線性的工藝過(guò)程控制和優(yōu)化。

在裝置優(yōu)化層面，采用Profit Optimizer進(jìn)行區(qū)域-動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)和優(yōu)化。對(duì)各先進(jìn)控制器之間的交互影響，通過(guò)建立橋模型、源-克隆模型來(lái)反映。設(shè)立全局變量如芳烴總收率等，使多個(gè)控制器可以協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了分鐘級(jí)高頻次優(yōu)化。同時(shí)優(yōu)化器與APC聯(lián)合求解，使動(dòng)態(tài)優(yōu)化的每一個(gè)優(yōu)化解都滿足動(dòng)態(tài)約束，在APC層都為可行解，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域-動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化。

4 應(yīng)用效果分析

天津分公司連續(xù)重整裝置在線實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)于2020年8月正式投運(yùn)，投用效果良好，對(duì)比見圖3、4、5及表1;投用率達(dá)到95%以上。經(jīng)過(guò)標(biāo)定裝置總芳烴收率提高了1.5%以上，氫氣產(chǎn)量提高0.45%，能耗降低0.69%，年增效1700萬(wàn)元以上。應(yīng)用效果明顯，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

煉化企業(yè)連續(xù)重整裝置在線優(yōu)化技術(shù)在天津石化企業(yè)的成功實(shí)施表明，基于動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)、UOP的重整工藝計(jì)算包對(duì)國(guó)產(chǎn)催化劑進(jìn)行相應(yīng)模型參數(shù)調(diào)整、基于嚴(yán)格機(jī)理的精餾塔Unisim模型和先進(jìn)的在線模型更新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)連續(xù)重整類裝置上在線實(shí)施優(yōu)化是可行的。

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)保要求提高，對(duì)低硫、低烯烴、高辛烷值汽油需求增加，同時(shí)下游企業(yè)對(duì)芳烴和煉廠對(duì)低成本氫源等需求增加，利用在線優(yōu)化技術(shù)提高重整裝置的生產(chǎn)能力、提高重整反應(yīng)的芳烴收率/辛烷值或提高重整裝置的液收，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉志文（中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司化工一廠），侯晶.實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）技術(shù)在燕山乙烯裝置的工業(yè)應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2013，（09）： 102-104.

[2]鄧克林.中國(guó)石化天津石化分公司芳烴聯(lián)合裝置全面應(yīng)用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)催化劑[J].石化技術(shù)與應(yīng)用2010，（09）：343

[3]趙凌燕（石油化工科學(xué)研究院），房韡，邱建章，等.連續(xù)重整裝置的先進(jìn)控制研究與應(yīng)用[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011，（11）：281-282.

[4]呂建新.中石化天津分公司連續(xù)重整裝置應(yīng)用在線優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)同類裝置首創(chuàng)[J].中外能源，2020，（09）：40.

作者簡(jiǎn)介：劉雙民 （1970-），通信作者，男，河北黃驊人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，目前從事煉油技術(shù)質(zhì)量管理工作。