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

中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司化工一廠 劉志文，侯晶

1 燕山乙烯裝置簡(jiǎn)介

北京燕山石化化工一廠乙烯裝置以輕柴油為原料，經(jīng)過(guò)裂解、急冷、壓縮、分離等工藝過(guò)程，生產(chǎn)出高純度乙烯、丙烯產(chǎn)品和氫氣、液化氣、碳四、碳五、裂解汽油、裂解輕柴油、裂解燃料油等副產(chǎn)品，為下游生產(chǎn)裝置提供原料。經(jīng)過(guò)兩次改擴(kuò)建后，燕山乙烯裝置實(shí)現(xiàn)了目前“兩頭一尾”流程，年產(chǎn)（即8000小時(shí)/年）乙烯能力達(dá)到71萬(wàn)噸級(jí)的規(guī)模。

2 實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）技術(shù)實(shí)施背景

當(dāng)前，國(guó)外大型的石油化工企業(yè)正在越來(lái)越深入地利用信息技術(shù)解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，一些成熟的軟件和硬件技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升提供了潛力巨大的、空間廣闊的平臺(tái)，成為企業(yè)技術(shù)進(jìn)步中一項(xiàng)投入少、增效快的重要措施。

乙烯是石化產(chǎn)品中最為重要的中間產(chǎn)品，從乙烯生產(chǎn)中不斷挖潛增效的能力是石化企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。在技術(shù)條件層面上燕山乙烯裝置已實(shí)現(xiàn)了全流程的先進(jìn)過(guò)程控制（APC），儀表自控率和聯(lián)鎖系統(tǒng)的投用率較高，生產(chǎn)安全平穩(wěn)，具備了應(yīng)用RTO技術(shù)的條件。

3 實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)及控制系統(tǒng)介紹

實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）技術(shù)是利用Aspen Plus的機(jī)理模型和Aspen Online在線優(yōu)化技術(shù)，并充分融合生產(chǎn)裝置工藝技術(shù)人員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)技術(shù)方和應(yīng)用方密切合作共同實(shí)施的。

燕山乙烯裝置RTO系統(tǒng)由應(yīng)用軟件和硬件平臺(tái)兩大部分組成，以全裝置的靜態(tài)機(jī)理模型作為計(jì)算和優(yōu)化的基礎(chǔ)，通過(guò)安全可靠的通訊運(yùn)行機(jī)制，與APC、DCS實(shí)時(shí)連接，形成閉環(huán)的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制體系。

3.1 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

（1）Aspen Plus RTO和Aspen Online：燕山乙烯裝置的RTO使用了AspenTech的MSC Suite，該套軟件使用了基于AspenPlus機(jī)理求解的優(yōu)化模式。通過(guò)嚴(yán)格的工藝計(jì)算，根據(jù)原輔材料的量?jī)r(jià)數(shù)據(jù)，按照效益最大化目標(biāo)方程，計(jì)算出一套優(yōu)化控制參數(shù)，作為APC的外部目標(biāo)值，通過(guò)APC改變DCS中常規(guī)控制回路中的設(shè)定值或閥位開度，最終實(shí)現(xiàn)閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化。

（2）APC：先進(jìn)過(guò)程控制，使用的是AspenTech的DMCplus，該控制軟件是基于多變量控制技術(shù)，以描述獨(dú)立變量（包括操作變量MV和前饋?zhàn)兞縁F）和非獨(dú)立變量（被控變量CV）關(guān)系的模型曲線來(lái)表征過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)增益，通過(guò)改變DCS中常規(guī)控制回路中的設(shè)定值或閥位開度，最終實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

（3）InfoPlus.21：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，可直接與DCS進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，為RTO提供數(shù)據(jù)支持平臺(tái)。

3.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

燕山乙烯裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化和先進(jìn)過(guò)程控制的硬件采用四臺(tái)惠普的服務(wù)器做上位機(jī)，運(yùn)行Windows 2003 Server操作系統(tǒng)。

裝置DCS為YOKOGAWA的 CENTUM CS3000，上位機(jī)和DCS之間采用Aspen開發(fā)的通訊接口軟件CIM-IO以Client / Server結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙向通訊。

四臺(tái)服務(wù)器分工各有不同，YSHYRTO運(yùn)行Aspen Plus RTO和Aspen Online；LJDMC運(yùn)行DMCplus；LJWEB運(yùn)行InfoPlus.21和SPYRO；LJDMCWatch運(yùn)行Aspen Watch。四臺(tái)服務(wù)器均采用TCP/IP協(xié)議相互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的各種功能。

乙烯裝置優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 乙烯裝置優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成簡(jiǎn)圖

圖3 Aspen Online人機(jī)界面

3.3 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)優(yōu)化由兩部分組成，Aspen Plus RTO 和Aspen Online，用于在線優(yōu)化、數(shù)據(jù)通訊、處理，優(yōu)化周期的管理；Aspen Plus用于建模和模擬計(jì)算。

（1）靜態(tài)機(jī)理模型（Aspen Plus）

燕山乙烯裝置的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制系統(tǒng)(RTO)在實(shí)施的過(guò)程中共開發(fā)建立了1個(gè)裝置模型、6個(gè)子模型和38個(gè)單元模型。這些靜態(tài)機(jī)理模型分為三層，層與層之間、同一層的各單元模型之間都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（2）在線控制和管理（Aspen Online）

在線控制和管理由Aspen Online軟件完成，包括在線數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)監(jiān)測(cè)和管理優(yōu)化計(jì)算周期等任務(wù)。

RTO的運(yùn)算過(guò)程如圖2所示。

圖2 RTO運(yùn)算過(guò)程框圖

3.4 系統(tǒng)人機(jī)界面

（1）工程師操作界面

工程師操作界面如圖3、圖4所示。

圖4 RTO優(yōu)化參數(shù)總覽

（2）操作員DCS操作界面

操作員操作界面如圖5、圖6所示。

圖5 RTO運(yùn)行信息總貌

在RTO人機(jī)界面中包含豐富的RTO運(yùn)行信息，通過(guò)這些信息工程技術(shù)人員及操作人員可以直觀地了解RTO運(yùn)行狀態(tài)及優(yōu)化細(xì)節(jié)，并對(duì)一段長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)RTO的總體運(yùn)行概況有所掌握。在出現(xiàn)異常狀況時(shí)，可以盡快著手對(duì)靜態(tài)模型運(yùn)算、數(shù)據(jù)通訊、界面顯示等可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整和修正，方便工程師日常監(jiān)測(cè)和運(yùn)維。

3.5 典型控制回路優(yōu)化值的運(yùn)行情況

實(shí)時(shí)優(yōu)化控制涉及到乙烯裝置全部生產(chǎn)過(guò)程，優(yōu)化參數(shù)也分布于所有生產(chǎn)單元，主要包括：裂解爐系統(tǒng)、裂解氣壓縮機(jī)系統(tǒng)、冷區(qū)系統(tǒng)、熱區(qū)系統(tǒng)。以下依據(jù)為IP.21實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，說(shuō)明相關(guān)優(yōu)化點(diǎn)輸出值（橙色線）與DCS中的工藝測(cè)量值（藍(lán)色線）的變化趨勢(shì)截圖。

圖6 RTO優(yōu)化輸出參數(shù)表

（1）裂解爐總進(jìn)料量

圖7 進(jìn)料量變化趨勢(shì)圖

圖7為10萬(wàn)噸/年LUMMUS SL-I型裂解爐總進(jìn)料量?jī)?yōu)化值與工藝測(cè)量值的變化趨勢(shì)圖，在優(yōu)化目標(biāo)值發(fā)生或高或低的變化時(shí)，通過(guò)APC和DCS控制的總進(jìn)料量跟蹤變化明顯、量差微小，說(shuō)明該優(yōu)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制且運(yùn)行情況良好。

（2）精餾塔壓力

圖8 塔釜壓力變化趨勢(shì)圖

圖8為乙烯精餾塔塔釜壓力優(yōu)化值與執(zhí)行值的變化跟蹤趨勢(shì)圖，在優(yōu)化目標(biāo)值整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)時(shí)，通過(guò)APC和 DCS控制的塔釜壓力跟蹤變化明顯、量差較小，說(shuō)明該優(yōu)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制且運(yùn)行情況良好。

4 初步效果

RTO是在綜合考慮經(jīng)濟(jì)信息、裝置物理約束和裝置自由度的前提下，最優(yōu)化裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

RTO運(yùn)行的環(huán)境創(chuàng)建、模型建立、平臺(tái)搭建、數(shù)據(jù)通訊、方程求解等過(guò)程是環(huán)環(huán)相扣、有原則有依據(jù)、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)同時(shí)也是具備經(jīng)驗(yàn)性和靈活性的，與燕山乙烯裝置現(xiàn)有工藝流程貼合度高、工藝原理適用性強(qiáng)且優(yōu)化程序邏輯嚴(yán)密，實(shí)時(shí)優(yōu)化結(jié)果可信。

提升裝置運(yùn)行績(jī)效是當(dāng)前燕山乙烯裝置的主要任務(wù)和目標(biāo)，這與RTO的目標(biāo)方程一致，在整體優(yōu)化結(jié)果的體現(xiàn)上，可以通過(guò)效益曲線較為直觀地展現(xiàn)出來(lái)。以下是從每次優(yōu)化，優(yōu)化前（initial pro fit）、優(yōu)化后（fi nal pro fit）、改變量（change pro fit）效益曲線角度得到的RTO閉環(huán)實(shí)施初期效果。

圖9 優(yōu)化前與優(yōu)化后效益曲線

圖10 改變量效益曲線

從圖9、10可以看出，每小時(shí)優(yōu)化總效益提升值約500元～1500元，說(shuō)明RTO技術(shù)已經(jīng)在燕山乙烯裝置上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用且初顯成效。接下來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化梳理各系統(tǒng)間銜接與配合，在允許范圍內(nèi)為放寬被優(yōu)化變量（外部目標(biāo)值）的限制、減少制約，以便為目標(biāo)方程（即效益最大化方程）的運(yùn)算與實(shí)施爭(zhēng)取最佳/最大空間，最終實(shí)現(xiàn)效益提升最大化。

5 結(jié)語(yǔ)

燕山乙烯裝置工藝過(guò)程復(fù)雜，實(shí)時(shí)優(yōu)化控制模型涉及乙烯裝置全部生產(chǎn)過(guò)程，包括裂解爐、壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備，并考慮設(shè)備不同的運(yùn)行狀態(tài)，如裂解爐的運(yùn)行/清焦/熱備/停爐等，反應(yīng)器的使用/再生等各類工況，整個(gè)模型共建立49個(gè)AspenPlus GUI圖形，2735個(gè)掃描點(diǎn)，67個(gè)優(yōu)化回路，超43萬(wàn)個(gè)變量，41萬(wàn)個(gè)方程，計(jì)算矩陣中超430萬(wàn)個(gè)非零值，因此系統(tǒng)日常維護(hù)量大，對(duì)技術(shù)性、專業(yè)性、及時(shí)性等要求較高。若能充分并靈活的應(yīng)用好核心技術(shù)、完善的做好日常運(yùn)維，不僅可以持續(xù)提升增效空間，而且可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上嘗試裝置的假想設(shè)計(jì)及改造可行性，綜合應(yīng)用實(shí)踐成果值得期待。