文／吳小任

實時優(yōu)化以優(yōu)化企業(yè)效益入手，推動煉化行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

在日常運營中，煉化行業(yè)的價值鏈相當(dāng)復(fù)雜，需要多個專業(yè)團(tuán)隊通力協(xié)作才能實現(xiàn)總體經(jīng)濟(jì)效益的最大化。從生產(chǎn)端看，煉化行業(yè)又是典型的超長流程行業(yè)，系統(tǒng)內(nèi)變量強(qiáng)耦合、非線性、大滯后，原料物性變化、負(fù)荷變化、燃料氣熱值波動等因素都會對工藝運行產(chǎn)生影響。

所以，在保證安全生產(chǎn)并穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，在工藝流程工作中獲得最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益是企業(yè)在運營中努力追求的目標(biāo)，而實時優(yōu)化（Real Time Optimization —RTO）就是其中的一項關(guān)鍵技術(shù)。

實時優(yōu)化能做什么

嚴(yán)格在線實時優(yōu)化解決方案，是建立在開放方程基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)實時獲取、綜合數(shù)據(jù)整定、模擬、在線實時開環(huán)優(yōu)化、在線實時閉環(huán)優(yōu)化等綜合先進(jìn)應(yīng)用解決方案。在日常生產(chǎn)工作中，實時優(yōu)化能夠更好地響應(yīng)原料物性的變化、更好地響應(yīng)工藝的擾動、更好地響應(yīng)下游處理裝置的負(fù)荷變化及產(chǎn)品質(zhì)量變化、更好地接近工藝的約束、降低單位產(chǎn)品能耗。

通過這些功能來將各生產(chǎn)環(huán)節(jié)有效貫通，從而實現(xiàn)裝置的區(qū)域優(yōu)化和效益最大化。

實時優(yōu)化怎么做

實時優(yōu)化依據(jù)計劃調(diào)度的要求，結(jié)合當(dāng)前工況、各項財務(wù)數(shù)據(jù)及裝置的各種約束條件，通過機(jī)理模型得出工藝運行的最佳工作點，傳遞給下層的先進(jìn)控制（Advanced Process Control-APC），最后通過過程控制實現(xiàn)裝置運行的最優(yōu)化。

實時優(yōu)化的實施，首先要做流程模擬，即以設(shè)計數(shù)據(jù)為依據(jù)開發(fā)全流程的機(jī)理模型（即全流程的數(shù)字孿生）。這需要嚴(yán)格的熱力學(xué)模型和穩(wěn)態(tài)模擬技術(shù)，特別是完整的物性數(shù)據(jù)庫的支撐，目前大型的通用流程模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的組分?jǐn)?shù)目已達(dá)到1700種以上。化工模型的高度非線性是考驗實時優(yōu)化軟件的一個關(guān)鍵。

模塊開發(fā)完成后，實時優(yōu)化要通過四步完成，一般情況下以小時級的間隔給出一組優(yōu)化值。首先要讀取各類工藝實時數(shù)據(jù)，判斷目標(biāo)流程是否工作在穩(wěn)態(tài)，若在穩(wěn)態(tài)條件下，則轉(zhuǎn)向第二步。在第二步中進(jìn)行數(shù)據(jù)整定，以儀表數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行偏差核準(zhǔn)，還原生產(chǎn)實際。第三步是機(jī)理模型參數(shù)的更新。第四步是優(yōu)化計算，即在給定的優(yōu)化范圍內(nèi)，尋找經(jīng)濟(jì)效益最高的參數(shù)，實現(xiàn)全局最優(yōu)。

為保證實時優(yōu)化的順利實施，還需要滿足幾個重要條件。首先，在實施過程中要保障現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)的可靠和準(zhǔn)確，并且盡量減少模型中未測量變量的估計數(shù)。其次是運行良好的先進(jìn)控制APC。APC解決的是裝置的平穩(wěn)操作問題，由系統(tǒng)自動在約束區(qū)間內(nèi)高頻調(diào)整，而實時優(yōu)化是在約束范圍內(nèi)找到最優(yōu)參數(shù)。APC在不影響生產(chǎn)平穩(wěn)下，要盡量貼近最優(yōu)化參數(shù)，兼顧實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化和生產(chǎn)安穩(wěn)長滿優(yōu)。

在實時優(yōu)化和APC的組合中，效益的60%-70%是由實時優(yōu)化貢獻(xiàn)的。實際操作時，將實時優(yōu)化和APC統(tǒng)一實施會達(dá)到一個比較好的效果。在這種模式下，要控制優(yōu)化策略統(tǒng)一，保持項目實施界面清晰。當(dāng)實時優(yōu)化不運行時可迅速切回APC，不影響裝置運行，必要時可以改變APC原有的控制方式，從而保證APC與實時優(yōu)化合理的聯(lián)動。

對于PID控制，PID參數(shù)的整定不可或缺。大多數(shù)工廠都設(shè)有實時數(shù)據(jù)庫（Realtime Database - RTDB），采用RTDB作為實時優(yōu)化、PID整定和APC的接口，可以降低DCS的數(shù)據(jù)讀寫量，避免對DCS產(chǎn)生過多干擾，同接口部署也使APC和實時優(yōu)化的聯(lián)系更緊密，以保障實時優(yōu)化的優(yōu)化參數(shù)得以執(zhí)行落實。

供圖/施耐德電氣

實時優(yōu)化的應(yīng)用實踐

實時優(yōu)化除了適用于反應(yīng)器模型及各類裝置（烷基化、催化裂化、重整、加氫精制、加氫裂化、減粘、延遲焦化、異構(gòu)化等）外，還可以適用于其他通過優(yōu)化關(guān)鍵操作參數(shù)以提高產(chǎn)率、降低能耗的場景。

以南方某石化公司為例。這是一家擁有千萬噸煉油、百萬噸乙烯的特大型石化企業(yè)。其乙烯裝置使用施耐德電氣的實時優(yōu)化軟件ROMeo（Rigorous On-line Modeling with Equation-based Optimization），對于裂解爐、急冷區(qū)、汽油汽提塔和凝液汽提塔進(jìn)行在線閉環(huán)優(yōu)化。

方案中利用SPYRO軟件優(yōu)化乙烯裝置裂解爐原料，同時優(yōu)化裂解爐運行參數(shù)，以效益最大化為原則進(jìn)行優(yōu)化。先建立價格體系，模擬乙烯、丙烯、丁二烯等產(chǎn)品的市場價格；中間產(chǎn)品通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算；價格體系建立后，對裂解爐爐管出口溫度、稀釋蒸汽比進(jìn)行優(yōu)化，以得到最佳操作點。

ROMeo除了調(diào)用SPYRO模型對裂解原料和爐管輻射段進(jìn)行模擬以提升時效性以外，還結(jié)合全局約束與全局效益最大化的目標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)籌優(yōu)化。另外，根據(jù)用戶需求分析，定制優(yōu)化目標(biāo)，切實滿足客戶希望生產(chǎn)效益最大化的需求。從時效性、覆蓋范圍、優(yōu)化策略三個方面的改進(jìn)來更高效地指導(dǎo)生產(chǎn)，為企業(yè)帶來更大的效益。

本方案中設(shè)立實時優(yōu)化變量70多個，配套APC控制器（采用施耐德電氣的APC軟件）20多個。在一個月的標(biāo)定期內(nèi)，實時優(yōu)化變量有效投用率達(dá)100%，APC的綜合投用率接近100%。核算總體經(jīng)濟(jì)效益超3000萬/年。目前該方案已經(jīng)連續(xù)運行數(shù)年，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

再舉一個海外的案例。韓國某特大型合資煉化企業(yè)，其實時優(yōu)化的實施是分步進(jìn)行的。從2014年的4#常減壓開始使用施耐德電氣的ROMeo，先后在四套常減壓裝置、兩套重油催化裂化裝置、兩套加氫裂化裝置、兩套芳烴裝置以及聚丙烯裝置上使用了施耐德電氣的ROMeo和APC軟件，均取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，其中僅4#常減壓裝置的年經(jīng)濟(jì)效益就達(dá)430萬美元。多年的分步實施培養(yǎng)了有經(jīng)驗的操作人員和實施人員，為該企業(yè)業(yè)績的持續(xù)優(yōu)良打下了堅實基礎(chǔ)。

實時優(yōu)化是全價值鏈優(yōu)化中的一項關(guān)鍵技術(shù)，除了在線優(yōu)化，還可以做離線情景模擬、儀表設(shè)備性能診斷、全廠公用工程優(yōu)化、給計劃模型更新LP結(jié)構(gòu)等等。實時優(yōu)化通?？梢宰龅揭荒陜?nèi)收回全部投資。選擇有良好業(yè)績的實時優(yōu)化軟件，配以經(jīng)驗豐富的實施團(tuán)隊，就能取得滿意的效果。

目前，中國經(jīng)濟(jì)正轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，雙碳目標(biāo)的提出和能耗雙控的要求，對于煉化行業(yè)既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。以實時優(yōu)化入手，從全價值鏈的角度實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)化，能夠有效推動煉化行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。