煉油裝置流程模擬及優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊小健，孫忠瀟

（南京工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京210009）

1 前 言

近年來(lái)原油重質(zhì)化、高硫化、高酸化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，我國(guó)煉油企業(yè)正面臨前所未有的深層次挑戰(zhàn)。借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，流程模擬技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成效［1－2］。但是煉油產(chǎn)業(yè)的信息化問(wèn)題始終缺乏一個(gè)完善的模擬與優(yōu)化方案，難點(diǎn)在于生產(chǎn)裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)庫(kù)種類(lèi)不一，裝置模型的機(jī)理復(fù)雜，并且現(xiàn)行的模擬軟件在全流程模擬和優(yōu)化上存在缺陷：大部分軟件難以達(dá)到高精度，部分基于分子結(jié)構(gòu)集總的反應(yīng)器模型卻存在與分餾部分所使用的餾程集總不兼容的問(wèn)題；煉油流程模擬軟件操作復(fù)雜，不依靠外部計(jì)算支持難以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)全流程優(yōu)化，更無(wú)法給煉油生產(chǎn)以合理化的生產(chǎn)指導(dǎo)。因此進(jìn)一步提高煉油流程模擬技術(shù)勢(shì)在必行。為解決上述問(wèn)題，本課題設(shè)計(jì)出一種煉油流程模擬與優(yōu)化系統(tǒng)，旨在綜合利用分布廣泛的裝置資源和數(shù)據(jù)資源，解決反應(yīng)器與分餾部分集總不兼容的問(wèn)題，以提高系統(tǒng)應(yīng)用效率，從而為優(yōu)質(zhì)優(yōu)產(chǎn)提供可靠的優(yōu)化方案。

2 煉油裝置流程模擬與優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前流行的煉油流程模擬軟件包括Aspen Plus，HYSYS，PRO/II，Unisim等，在各個(gè)煉油企業(yè)中應(yīng)用廣泛［3－5］。但是共同存在著一些缺點(diǎn)：①反應(yīng)器模型使用的集總與分餾部分使用的集總不同，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩部分模型結(jié)合時(shí)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的全流程模擬；②沒(méi)有為用戶考慮數(shù)據(jù)采集的接口，用戶必須通過(guò)繁雜的操作與數(shù)據(jù)處理運(yùn)算才能得到有效的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，然后手動(dòng)填入到對(duì)應(yīng)的位置上；③大部分流程模擬軟件的輸入信息量大，且界面布局分散，使一般用戶難以熟練掌握其使用方法，工作效率低下；④當(dāng)采用分餾部分實(shí)沸點(diǎn)集總時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出一些由原子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)推算出的信息，如重石腦油的芳構(gòu)值。

為解決煉油裝置流程模擬軟件存在的問(wèn)題，本課題提出一個(gè)新的煉油裝置模擬與優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集和處理、流程模擬與優(yōu)化、人機(jī)接口三個(gè)模塊。數(shù)據(jù)采集和處理模塊能夠采集實(shí)時(shí)位號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)備數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)［6－7］，對(duì)這些數(shù)據(jù)做平滑濾波處理以及消除顯著誤差處理，并具備自動(dòng)傳輸?shù)搅鞒棠M模型的功能。流程模擬與優(yōu)化模塊主要實(shí)現(xiàn)煉油裝置的流程模擬與優(yōu)化功能，同時(shí)集成了不同集總自動(dòng)轉(zhuǎn)化功能以及智能建模模塊。智能建模模塊主要針對(duì)集總轉(zhuǎn)換后可能造成的分子結(jié)構(gòu)信息缺失的情況，利用大量歷史數(shù)據(jù)來(lái)擬合內(nèi)部關(guān)系，并預(yù)測(cè)產(chǎn)品指標(biāo)。此外，還提供一個(gè)優(yōu)化數(shù)據(jù)產(chǎn)生的接口，可與人機(jī)接口模塊相連接。

為了克服現(xiàn)行模擬軟件頁(yè)面多、輸入?yún)?shù)多且分散、難以被工作人員熟練掌握的難題，引入并開(kāi)發(fā)了人機(jī)接口模塊，將所模擬的裝置流程圖展現(xiàn)在導(dǎo)航欄中，對(duì)應(yīng)的裝置上有鏈接可以跳到對(duì)應(yīng)的裝置信息輸入頁(yè)面，從而集中方便地對(duì)該裝置的參數(shù)進(jìn)行調(diào)配輸入；啟動(dòng)模擬到運(yùn)行結(jié)束后，產(chǎn)品的物流信息、餾程數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)也會(huì)在對(duì)應(yīng)的表單上清晰地列出，方便用戶查看；此外還為用戶進(jìn)行優(yōu)化生產(chǎn)提供分析界面和工具。

圖1 煉油裝置模擬與優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)

3 煉油裝置流程模擬與優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的分析數(shù)據(jù)一般需要儀器分析和人工記錄，數(shù)據(jù)間隔時(shí)間較長(zhǎng)，單位為h。而實(shí)時(shí)位號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)DCS系統(tǒng)，采樣頻率高，單位為s。為解決不同數(shù)據(jù)采樣時(shí)間上的不對(duì)應(yīng)問(wèn)題，利用穩(wěn)態(tài)檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)位號(hào)數(shù)據(jù)中找到平穩(wěn)操作階段，即工況穩(wěn)定保持的時(shí)間段。然后在實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋相同時(shí)間段內(nèi)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過(guò)顯著誤差消除與濾波，得到用于穩(wěn)態(tài)建模的完整數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程通過(guò)編寫(xiě)腳本文件可以自動(dòng)執(zhí)行，并為用戶提供時(shí)間段選擇接口，只要輸入采集起始與終止時(shí)間，該系統(tǒng)就可以從各個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取該時(shí)間段內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)平穩(wěn)處理，自動(dòng)填入已與模型輸入相連接的表單中，同時(shí)生成數(shù)據(jù)表格報(bào)告。

3.2 流程模擬與優(yōu)化模塊

煉油裝置主要由反應(yīng)部分和分餾部分構(gòu)成（部分裝置只包括其中一部分），前者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，后者主要發(fā)生物理變化?，F(xiàn)行的很多流程模擬軟件有些帶有封裝好的反應(yīng)器模型，有些不提供，需要根據(jù)機(jī)理自編反應(yīng)器模塊。這些模塊內(nèi)嵌的描述反應(yīng)機(jī)理的動(dòng)力學(xué)方程使用的集總多是以分子結(jié)構(gòu)劃分的，用分子結(jié)構(gòu)的變化來(lái)表征反應(yīng)器中的化學(xué)反應(yīng)。分餾塔模型一般不含化學(xué)反應(yīng)，主要是根據(jù)物流的沸點(diǎn)來(lái)分割出餾程不同的產(chǎn)品，為了精確分離產(chǎn)品必須使用實(shí)沸點(diǎn)集總，在連接為完整模型時(shí)與反應(yīng)器模型使用的基于分子結(jié)構(gòu)的集總存在兼容性不佳的問(wèn)題，即使使用模擬軟件自帶的閃蒸計(jì)算轉(zhuǎn)換方法也會(huì)造成較大的誤差。為解決該問(wèn)題，利用文獻(xiàn)［8］中提供的物性計(jì)算公式計(jì)算出集總轉(zhuǎn)換后的各個(gè)物性數(shù)據(jù)。但是為了實(shí)現(xiàn)整套裝置的優(yōu)化計(jì)算，必須要實(shí)現(xiàn)全套裝置的連貫運(yùn)行。采用VBA編寫(xiě)集總自動(dòng)轉(zhuǎn)換代碼嵌入餾程模擬軟件的方法實(shí)現(xiàn)反應(yīng)集總到分餾集總的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。集總自動(dòng)轉(zhuǎn)換使得整個(gè)模型可以完成任意工況的模擬，可以彌補(bǔ)不轉(zhuǎn)換情況下餾程模擬不準(zhǔn)確的問(wèn)題，為優(yōu)化分析提供前提。

對(duì)于以分子結(jié)構(gòu)集總為基礎(chǔ)的分子模型，其蒸餾曲線不連續(xù)，導(dǎo)致計(jì)算餾程數(shù)據(jù)有偏差；對(duì)于以實(shí)沸點(diǎn)集總為基礎(chǔ)的模型，在保證實(shí)沸點(diǎn)連續(xù)的情況下，卻會(huì)造成PONA值計(jì)算不準(zhǔn)確。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本模塊集成了智能建模子模塊，以數(shù)據(jù)庫(kù)中采集到的數(shù)據(jù)作為建?；A(chǔ)，進(jìn)行智能建模，結(jié)合模擬模型計(jì)算出的數(shù)據(jù)對(duì)某些無(wú)法直接計(jì)算得到的指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。智能建模模塊可采用反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包含輸入層節(jié)點(diǎn)、輸出層節(jié)點(diǎn)和隱藏層節(jié)點(diǎn)，是一種不含反饋的前向網(wǎng)絡(luò)，它可以實(shí)現(xiàn)從輸入到輸出的非線性映射。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出的數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，擬合出輸入、輸出之間的關(guān)系，然后根據(jù)模型模擬結(jié)果作為網(wǎng)絡(luò)輸入，得到預(yù)測(cè)的輸出?？梢圆捎肅OM技術(shù)完成模塊接口的銜接，通過(guò)VBA技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)的擬合關(guān)系嵌入到模型中，實(shí)現(xiàn)該智能模塊與流程模擬優(yōu)化模塊的連接。

以上各個(gè)子模塊共同構(gòu)建了一個(gè)能夠進(jìn)行煉油裝置全流程模擬與優(yōu)化的模塊。為了擴(kuò)展和豐富該系統(tǒng)的功能，在流程模擬優(yōu)化模塊里提供一個(gè)基于外部功能的擴(kuò)展接口，可以通過(guò)VBA編程為擴(kuò)展出新功能模塊提供可能性。

3.3 人機(jī)接口模塊

人機(jī)接口模塊包括導(dǎo)航界面、模擬輸入界面、結(jié)果查詢(xún)界面以及優(yōu)化分析界面。導(dǎo)航界面為用戶呈現(xiàn)模擬裝置的流程圖，并配有超鏈接連接到模擬輸入界面中對(duì)應(yīng)裝置的輸入表單，表單中的單元格連接到模擬模型的輸入單元。該模塊為一般操作人員降低了流程模擬軟件的使用門(mén)檻：將原本布局分散的輸入、輸出方式轉(zhuǎn)化為集中表單式輸入，使用戶一目了然，使用起來(lái)更方便。在此基礎(chǔ)上，用戶可以通過(guò)優(yōu)化分析界面進(jìn)行優(yōu)化操作分析，為解決實(shí)際復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的優(yōu)化提供合理化建議。通過(guò)優(yōu)化接口模塊，可以將流程模擬的模型與人機(jī)界面有機(jī)聯(lián)動(dòng)起來(lái)，用戶可以給出向量賦值到某個(gè)參數(shù)中，人機(jī)界面可以自動(dòng)賦值啟動(dòng)模型運(yùn)算，待運(yùn)算結(jié)束后，將關(guān)注的結(jié)果返回到界面上，供用戶查看計(jì)算結(jié)果以及變化趨勢(shì)。

4 應(yīng)用案例

煉油裝置流程模擬與優(yōu)化系統(tǒng)在某加氫裂化裝置上進(jìn)行了應(yīng)用。該裝置的反應(yīng)器部分由精制器和裂化器串聯(lián)構(gòu)成，經(jīng)過(guò)高、低壓分離器，進(jìn)入脫戊烷塔，然后再經(jīng)過(guò)兩個(gè)分餾塔分餾出各個(gè)產(chǎn)品。加氫裂化裝置流程示意見(jiàn)圖2。

圖2 加氫裂化裝置流程示意

使用數(shù)據(jù)采集與處理模塊從各個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)里采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)顯著誤差消除與濾波算法處理，將數(shù)據(jù)送入到模型輸入接口的同時(shí)，以Excel的格式產(chǎn)生易于閱讀的數(shù)據(jù)報(bào)告。

在流程模擬部分，使用HYSYS軟件建立加氫裂化流程的模型（包括反應(yīng)器模型和分餾塔模型），輸入包括原料油性質(zhì)（種類(lèi)、組成、餾程、密度、硫含量、氮含量等）和操作可調(diào)參數(shù)（反應(yīng)器進(jìn)料量、氫油比、反應(yīng)器各個(gè)床層入口溫度、催化劑的活性系數(shù)等）。輸出包括產(chǎn)品的產(chǎn)量、溫度、餾程、密度以及質(zhì)量信息［尾油BMCI、重石腦油的芳構(gòu)值（N＋2A）等］。

反應(yīng)器模型根據(jù)以上輸入的進(jìn)料信息進(jìn)行基于分子結(jié)構(gòu)集總的計(jì)算，得出反應(yīng)產(chǎn)物（即進(jìn)入分餾塔的生成油）的餾程、密度、質(zhì)量、體積等數(shù)據(jù)信息。分餾塔模型以實(shí)沸點(diǎn)集總為基礎(chǔ)進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)沸點(diǎn)集總中的每個(gè)組分按照餾程每5℃切割出一個(gè)虛擬組分，每個(gè)虛擬組分由6種物性（平均相對(duì)分子質(zhì)量，液體密度，臨界溫度，臨界壓強(qiáng)，臨界體積，偏心因子）來(lái)表征。這些虛擬組分的物性數(shù)據(jù)計(jì)算方法如下：對(duì)進(jìn)入分餾塔的生成油的離散餾程信息（餾程溫度和餾出體積分?jǐn)?shù)）進(jìn)行拉格朗日樣條插值得到反應(yīng)器產(chǎn)物的蒸餾曲線，結(jié)合反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量流量和體積流量，按照文獻(xiàn)［8］中的物性計(jì)算公式，采用VBA技術(shù)在HYSYS腳本編輯器中嵌入集總轉(zhuǎn)換計(jì)算代碼，計(jì)算出實(shí)沸點(diǎn)集總中各個(gè)虛擬組分的物性信息，再將反應(yīng)器模型與分餾塔模型連接起來(lái)使物性信息得以傳遞，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同集總的自動(dòng)轉(zhuǎn)化。以噴氣燃料為例，有集總轉(zhuǎn)換模型與不帶集總轉(zhuǎn)換模型的餾程模擬值與實(shí)際操作值的對(duì)比見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，帶有集總轉(zhuǎn)換模型的模擬精度較高。

圖3 不同模型噴氣燃料餾程模擬精度對(duì)比— —不帶集總轉(zhuǎn)換的模擬值；— —帶有集總轉(zhuǎn)換的模擬值；●—實(shí)測(cè)值

在以Excel方式簡(jiǎn)化模型操作的人機(jī)接口模塊，用戶通過(guò)導(dǎo)航界面進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入界面，查看數(shù)據(jù)采集模塊導(dǎo)入的數(shù)據(jù)或手動(dòng)修改數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)輸入完整后，點(diǎn)擊按鈕控件啟動(dòng)模擬模型進(jìn)行全流程模擬。模擬結(jié)果直接在人機(jī)接口的結(jié)果查詢(xún)子模塊中查看。

在分餾模型子模塊中，分餾塔模型是基于實(shí)沸點(diǎn)集總計(jì)算的，由于不知道重石腦油中的環(huán)烷烴和芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，無(wú)法準(zhǔn)確得出某些基于分子結(jié)構(gòu)計(jì)算的質(zhì)量指標(biāo)（如重石腦油的芳構(gòu)值）。因此，在智能建模模塊中采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)后，再以分餾塔產(chǎn)品物流的模擬結(jié)果作為網(wǎng)絡(luò)輸入預(yù)測(cè)重石腦油的芳構(gòu)值。重石腦油芳構(gòu)值預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比見(jiàn)表1。從表1可以看出，該智能模塊對(duì)實(shí)際裝置重石腦油的芳構(gòu)值預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差在1%以?xún)?nèi)。

人機(jī)接口界面的優(yōu)化分析可以使用戶更自如地應(yīng)對(duì)和掌控各種生產(chǎn)情況，根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)行情，對(duì)生產(chǎn)做出相應(yīng)調(diào)整，從而產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。如欲提高噴氣燃料產(chǎn)品的產(chǎn)量時(shí)，調(diào)整反應(yīng)器入口溫度可以改變加氫裂化反應(yīng)深度，但是調(diào)整到多少能實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)噴氣燃料，僅憑經(jīng)驗(yàn)不足以得出結(jié)論?？梢詫⒖尚械哪炒矊訙囟葏?shù)值以向量的形式輸入優(yōu)化分析界面，經(jīng)過(guò)后臺(tái)模型計(jì)算后，給出各種輸入情況下的所有產(chǎn)品的指標(biāo)，從而協(xié)助廠方指定調(diào)整方案，提高生產(chǎn)效益。

表1 重石腦油芳構(gòu)值的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

煉油裝置模擬與優(yōu)化系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)流程模擬技術(shù)和煉油技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)品，該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集處理、流程模擬與優(yōu)化、人機(jī)界面接口等計(jì)算機(jī)技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體，能夠極大地提高工作人員對(duì)裝置能力的認(rèn)識(shí)和使用模型的效率，協(xié)助工作人員對(duì)生產(chǎn)做出決策。使用該系統(tǒng)能夠得到有效的生產(chǎn)解決方案，提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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