實時優(yōu)化技術在乙烯裝置在線優(yōu)化中的應用

趙毅，李超，田健輝

（石化盈科信息技術有限責任公司，北京 100007）

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實時優(yōu)化技術在乙烯裝置在線優(yōu)化中的應用

趙毅，李超，田健輝

（石化盈科信息技術有限責任公司，北京 100007）

摘要：乙烯產業(yè)是重要的石化基礎產業(yè)，對國民經濟、石油化工產業(yè)及工業(yè)社會起著舉足輕重的作用，近年來在我國經濟增長過程中保持著蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，但是，由于我國乙烯生產總體技術水平的相對滯后以及乙烯工業(yè)所供原料復雜等因素，導致我國目前乙烯裝置與世界乙烯生產先進水平存在一定差距，為了減小這一差距，達到世界先進水平，離不開工業(yè)過程自動化和運用實時優(yōu)化技術。為此，本文介紹了實時優(yōu)化技術的國內外發(fā)展現(xiàn)狀和該技術在乙烯裝置的應用情況，并通過實時優(yōu)化系統(tǒng)的實施，建立了乙烯裝置的全流程嚴格機理模型，可以實時跟蹤乙烯裝置的生產情況，持續(xù)不斷對裝置進行在線優(yōu)化，使裝置的操作達到最佳的經濟效益操作點，此外，在優(yōu)化中以裝置的原料、產品和公用工程等價格為導向，對全裝置生產過程自動操作執(zhí)行，減少了優(yōu)化計算和結果執(zhí)行中的人為干預。分析表明實時優(yōu)化技術有效實現(xiàn)了乙烯裝置增產、節(jié)能和降耗的目標，可為乙烯生產企業(yè)創(chuàng)造新增經濟效益。

關鍵詞：實時優(yōu)化；在線優(yōu)化；先進控制；乙烯裝置

乙烯產業(yè)是重要的石化基礎產業(yè)，對國民經濟、石油化工產業(yè)及工業(yè)社會起著舉足輕重的作用，近年來在我國經濟增長過程中保持著蓬勃發(fā)展的態(tài)勢[1]。然而，由于我國乙烯生產總體技術水平的相對滯后，以及乙烯工業(yè)所供原料復雜等因素，導致我國目前乙烯裝置與世界乙烯生產先進水平存在一定差距[2-5]。為了減小這一差距，達到世界先進水平，離不開工業(yè)過程自動化和運用實時優(yōu)化技術（real-time optimization，RTO）。

目前，發(fā)達國家的乙烯裝置已經完成了先進控制系統(tǒng)的實施，正在進行以乙烯裝置效益最大化為目標的實時優(yōu)化技術的開發(fā)和應用[5-6]。美國康菲石油公司應用Aspen Tech公司的RT-OPT技術完成對乙烯全廠的實時優(yōu)化，RT-OPT建立了18000個方程聯(lián)立求解，每次運行需45min，實時優(yōu)化系統(tǒng)經過一年的投用，收回全部投資[4]。日本出光石化公司利用Schneider Electric公司（2013年Schneider Electric收購Invensys）的ROMeo（rigorous online modeling and equation-based optimization）實時優(yōu)化系統(tǒng)[7]，對乙烯裝置進行精確模擬，整個計算過程大約需要2h，可以提高乙烯產率0.35%。

我國在乙烯裝置先進控制（advanced process control，APC）和實時優(yōu)化技術方面的應用和研發(fā)起步較國外滯后，但近幾年也取得了顯著的成績。華東理工大學錢鋒教授的團隊成功開發(fā)了揚子石化裂解爐先進控制和實時優(yōu)化系統(tǒng)，通過現(xiàn)場實施，優(yōu)化了原料的利用，提高了高附加值產品的產率，減少了能耗和物耗[8]。中國石化燕山分公司采用Aspen Tech公司的RT-OPT技術實施乙烯裝置實時優(yōu)化，據(jù)統(tǒng)計分析，實時優(yōu)化系統(tǒng)上線17個月，所帶來的效益增量在3000～6000萬元[9-10]。吉林石化公司乙烯裝置采用了ROMeo實時優(yōu)化系統(tǒng)，對乙烯裝置實施了全流程的節(jié)能優(yōu)化，整個乙烯裝置的綜合能耗下降了5%以上，為企業(yè)帶來了巨大的經濟效益[11]。

國內外實時優(yōu)化技術在乙烯裝置的應用情況表明，實時優(yōu)化技術是乙烯企業(yè)提高經濟效益、降低能耗和優(yōu)化原料利用的重要手段之一。如何利用實時優(yōu)化技術指導生產裝置操作成為乙烯企業(yè)的迫切需求。本文根據(jù)對實時優(yōu)化技術的研究，闡述了實時優(yōu)化技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并結合實時優(yōu)化技術在乙烯企業(yè)的實際應用，具體描述了實時優(yōu)化技術的實施內容和效果。

1 實時優(yōu)化技術的發(fā)展現(xiàn)狀

實時優(yōu)化技術處于流程生產過程的第三層[12]（圖1），起到對流程過程中的優(yōu)化變量進行優(yōu)化、并將優(yōu)化結果傳遞給APC的作用，運行周期為幾分鐘至幾小時。

圖1 流程生產過程分層結構圖

目前隨著RTO理論的日趨成熟，計算機軟、硬件和網絡技術的迅猛發(fā)展，過程控制系統(tǒng)供應商、軟件開發(fā)公司和高校投入了大量的人力、物力，研究和開發(fā)了多款實時優(yōu)化系統(tǒng)，如華東理工大學開發(fā)的乙烯實時優(yōu)化系統(tǒng)[8]、浙江大學開發(fā)的PTA （pure terephthalic acid，精對苯二甲酸）實時優(yōu)化系統(tǒng)[13-14]、北京優(yōu)化佳控制技術有限公司開發(fā)的相關積分法催化裂化實時優(yōu)化控制系統(tǒng)[15]、Aspen Tech公司的RT-OPT、Schneider Electric公司的ROMeo和Honeywell公司的ProfitMax等。RTO的應用領域涉及乙烯裝置、原油蒸餾和分餾、催化裂化、連續(xù)重整等。根據(jù)實時優(yōu)化系統(tǒng)的運行狀態(tài)，系統(tǒng)可分為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩種類型。

1.1 穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化技術

典型的穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化系統(tǒng)流程如圖2所示，主要包括穩(wěn)態(tài)檢測、數(shù)據(jù)整定、模型參數(shù)更新、優(yōu)化計算和APC動態(tài)控制5個模塊。穩(wěn)態(tài)檢測是穩(wěn)態(tài)與動態(tài)實時優(yōu)化最重要的區(qū)別，穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化系統(tǒng)在運行之前，要確保過程系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。此外，相對于動態(tài)實時優(yōu)化，穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化技術主要采用機理模型作為過程建模方法，模型的適應性強，適用于解決大范圍非線性優(yōu)化問題。

1.2 動態(tài)實時優(yōu)化技術

穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化系統(tǒng)針對的是過程參數(shù)變化較為

圖2 穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化系統(tǒng)流程示意圖

圖3 動態(tài)和穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化效益對比示意圖

緩慢的系統(tǒng)，在這樣的系統(tǒng)中RTO運行周期要遠遠大于控制周期[16]，然而還有一些系統(tǒng)過程參數(shù)變化較快，需要RTO運行周期與控制周期非常接近，否則將會降低實時優(yōu)化所帶來的經濟效益，如圖3所示。因此就需要利用動態(tài)實時優(yōu)化技術來解決這個問題，即在一個周期內同時實現(xiàn)實時優(yōu)化和優(yōu)化控制的功能。動態(tài)實時優(yōu)化免除了系統(tǒng)等待穩(wěn)態(tài)的時間，有效地提高了實時優(yōu)化系統(tǒng)的實時性，在過程參數(shù)變化較快的過程系統(tǒng)中，提高了經濟效益。

2 穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化技術在乙烯裝置在線優(yōu)化中的應用

穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化技術在乙烯裝置中的開發(fā)和實施需要經過乙烯流程梳理、確定模型優(yōu)化和約束變量、系統(tǒng)功能設計、模擬模型開發(fā)、數(shù)據(jù)整定模型開發(fā)、優(yōu)化模型開發(fā)、實時系統(tǒng)開發(fā)、實時數(shù)據(jù)庫部署、DCS界面開發(fā)、離線優(yōu)化測試、開環(huán)優(yōu)化測試和閉環(huán)優(yōu)化測試12個階段。

圖4 穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化系統(tǒng)總體架構

穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化系統(tǒng)的總體架構見圖4，通過圖4可以看出，工藝實時數(shù)據(jù)經實時數(shù)據(jù)庫（real time database，RTDB）進入RTO，首先進行穩(wěn)態(tài)檢測，當過程系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)后，模型序列控制系統(tǒng)（model sequence active control，MSAC）啟動實時系統(tǒng)（real time system，RTS）對過程優(yōu)化系統(tǒng)（process optimization system，POS）的邏輯控制，實時系統(tǒng)控制過程優(yōu)化系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入、邏輯判斷、數(shù)據(jù)整定、優(yōu)化計算和數(shù)據(jù)輸出等操作。當完成優(yōu)化計算后，將優(yōu)化計算結果經實時數(shù)據(jù)庫返回DCS，作為先進控制受控變量（controlled variable，CV）的設定值，然后通過先進控制對乙烯裝置進行控制操作，最終使乙烯裝置達到最優(yōu)操作狀態(tài)。如果裝置處于穩(wěn)定狀態(tài)，此過程每2h執(zhí)行1次，完成1個周期的優(yōu)化運算大約需要1.5h的時間。

2.1 乙烯流程梳理

本文穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化在順序分離流程的乙烯裝置上實施，基本流程見圖5。該裝置液化石油氣、石腦油和加氫裂化尾油等原料進入裂解爐進行高溫裂解，為了減少裂解爐出口裂解氣副反應發(fā)生，裂解氣被迅速送入急冷區(qū)進行降溫，出急冷區(qū)氣體通過五段離心壓縮機從0.025MPa壓縮到約4.0MPa。然后裂解氣送至裂解氣干燥器進行干燥，干燥后的裂解氣送入深冷分離單元，裂解氣進入脫甲烷塔進行分離，塔頂產物得到甲烷，而塔釜物料依次通過脫乙烷塔、脫丙烷塔和脫丁烷塔，分別得到C2、C3、C4的產物。C2、C3分別經過碳二加氫反應器和碳三加氫反應器經過加氫后，精餾生成乙烯、丙烯產品。

2.2 乙烯穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化問題

圖5 乙烯裝置順序分離流程圖

乙烯生產是一個十分復雜的過程，包括許多涉及多變量優(yōu)化的單元操作。并且乙烯生產與許多其他石油化工過程不同，其優(yōu)化操作點隨時間不斷變化，過程具有高度的復雜性，單純由技術人員根據(jù)設計參數(shù)和經驗確定操作值，不能達到最優(yōu)化的操作。所以，需要實時優(yōu)化系統(tǒng)，不斷根據(jù)當前生產狀況，調整對裝置的操作。

穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化系統(tǒng)的實施是以經濟效益最大化為目標，目標函數(shù)見式(1)。

式中，Pi為產品價格；Fj為原料價格；Uk為公用工程價格。

本文實時優(yōu)化范圍僅對裂解爐進料分配系統(tǒng)、裂解爐區(qū)、急冷區(qū)和裂解氣壓縮區(qū)進行優(yōu)化，其他區(qū)域僅考慮約束條件。通過對乙烯裝置數(shù)據(jù)的采集和初步分析，為了實現(xiàn)乙烯裝置效益最大化，實時優(yōu)化系統(tǒng)所需的部分優(yōu)化變量和約束變量見表1。

2.3 模型開發(fā)

模型開發(fā)是實時優(yōu)化系統(tǒng)最重要的實施部分，直接關系到優(yōu)化實施的效果。模型開發(fā)需要經過5個階段：模型功能設計、模擬模型開發(fā)、數(shù)據(jù)整定模型開發(fā)、優(yōu)化模型開發(fā)和實時序列模型開發(fā)。以乙烯裂解爐模型開發(fā)為例，乙烯裂解爐的基本結構如圖6(a)所示，結構主要分為對流段和輻射段。根據(jù)裂解爐的結構、工藝過程和優(yōu)化方案，可將裂解爐的主要工藝簡化為如圖6(b)的功能設計圖。其他操作單元依據(jù)裂解爐功能設計方法，完成繪制整個乙烯裝置的功能設計圖。

表1 乙烯裝置部分優(yōu)化和約束變量

圖6 乙烯裂解爐的基本結構和功能設計圖

然后根據(jù)功能設計圖、實時操作數(shù)據(jù)和乙烯裝置設計數(shù)據(jù)等信息，建立乙烯裝置的嚴格機理模型，并利用多工況數(shù)據(jù)對模型進行數(shù)據(jù)整定，在對模擬結果分析的基礎上對上述模型進行校正，使之與實際生產情況相符合。數(shù)據(jù)整定問題可以表達為式(2)的數(shù)學優(yōu)化命題形式，通過求解優(yōu)化命題使目標函數(shù)在滿足約束條件的同時，達到總體誤差最小。

以裂解爐裂解氣模型計算值與在線分析儀測量值對比為例，如表2所示，數(shù)據(jù)整定過程會使表2中目標函數(shù)貢獻值的加和值達到最小。此外，通過每個分析項對目標函數(shù)貢獻值的大小，可以判斷模型計算結果是否合理，表2中裂解氣分析C2H4對目標函數(shù)貢獻值為47.01，在所有分析項中貢獻值最大，考慮模型存在偏差，需要對模型相應參數(shù)進行調整，使模型計算結果更接近于實際工況。

表2 數(shù)據(jù)整定結果報告 單位：%

2.4 實時優(yōu)化系統(tǒng)的實施

模型開發(fā)完成并驗證準確后，進入實時優(yōu)化系統(tǒng)的現(xiàn)場實施階段，該階段主要分為三個步驟：離線優(yōu)化、開環(huán)優(yōu)化和閉環(huán)優(yōu)化。由于在線優(yōu)化涉及生產層面，在實施過程中需要采取較為謹慎的態(tài)度。本文實施的乙烯裝置實時優(yōu)化方案包括799個測量值、99個優(yōu)化變量和127個約束變量，系統(tǒng)在計算過程中會創(chuàng)建62萬個變量、62萬個方程式和超過243萬個非零值。為了驗證系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)先進行離線優(yōu)化，逐漸過渡到開環(huán)優(yōu)化，待開環(huán)優(yōu)化的結果能夠保證裝置可靠運行后，系統(tǒng)進行閉環(huán)的建設。

開環(huán)優(yōu)化階段，系統(tǒng)會自動生成連續(xù)的優(yōu)化方案，根據(jù)實際工況，對優(yōu)化方案（見表3，1臺石腦油裂解爐的優(yōu)化方案）進行不斷地驗證，并對優(yōu)化模型進行相應的調整，直到驗證實時優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化模型的魯棒性。

實時優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化模型的魯棒性得到開環(huán)測試的確認，實施進入閉環(huán)測試階段，在此期間優(yōu)化目標將逐步加入到現(xiàn)有的先進控制系統(tǒng)（APC）。實時優(yōu)化系統(tǒng)的閉環(huán)運行過程如圖7(a)所示，優(yōu)化模型隨時間連續(xù)地運行，該圖時間段內模型共進行8次運算，其中5次收斂（峰值為3，3代表收斂），3次不收斂（峰值為10和11，10代表數(shù)據(jù)整定計算結果無效，11代表數(shù)據(jù)整定計算失?。D7(b)為圖7(a)圓圈區(qū)域運行過程時間分配的放大顯示，優(yōu)化模型完成一個收斂周期需要經過系統(tǒng)等待、數(shù)據(jù)整定、優(yōu)化計算和計算結果輸出4個階段，平均用時大約需要1.5h，其中數(shù)據(jù)整定用時最長。

表3 石腦油裂解爐優(yōu)化方案

圖7 實時優(yōu)化系統(tǒng)連續(xù)運行收斂狀態(tài)和一個收斂周期的時間分配

2.5 實施效益

在乙烯裝置上實施實時優(yōu)化技術，經過分析測算，將在以下幾個方面增加效益。①裂解原料：目前單臺裂解爐的操作基本保持進料不變，因此在尊重裝置約束的條件下，優(yōu)化每臺爐子的進料分配；②裂解爐區(qū)：受原料變化、爐子運行周期、燃料等各種因素的影響，裂解爐爐管出口溫度和稀釋蒸汽用量有一定的優(yōu)化空間，通過對裂解深度和稀釋比的優(yōu)化，可以提高高附加值產品的產率；③急冷區(qū)：優(yōu)化點在于有效地提高急冷塔的熱量回收效率，多產稀釋蒸汽，減少外補蒸汽量；④燃料氣系統(tǒng)優(yōu)化：最小化燃料氣的消耗，以此來實現(xiàn)增加效益。除去上述提到的優(yōu)化點外，在實時優(yōu)化系統(tǒng)的實施過程中，會制定相應的優(yōu)化方案，以保證生產裝置的經濟效益最大化。

由于價格體系的差異對實施效益計算有較大影響，根據(jù)2015年3月中旬價格體系進行計算，單次優(yōu)化計算后，產品優(yōu)化前后效益貢獻隨產量變化情況見圖8，每小時的效益增加兩千元左右，以此計算結果推算，實時優(yōu)化系統(tǒng)在投用后將會帶來年效益增量在1500萬～3000萬元。

3 結 論

圖8 產品優(yōu)化前后效益貢獻隨產量變化情況（2015年3月中旬乙烯裝置價格體系）

乙烯裝置實時優(yōu)化系統(tǒng)在不增加重大設備投資的情況下，充分發(fā)揮了現(xiàn)有生產裝置的運行潛力，有效實現(xiàn)了增產、節(jié)能和降耗的目標，為企業(yè)創(chuàng)造了新增效益。通過實時優(yōu)化系統(tǒng)研究和實施，不僅為目前已經實施的乙烯裝置提高了高附加值產品的收率、使裝置的生產運行更好地接近工藝約束、更好地響應工藝的擾動、提高了安全操作、最小化能量的消耗、實現(xiàn)了故障儀表檢測和裝置脫瓶頸等，而且也為將來實時優(yōu)化系統(tǒng)在其他裝置上推廣實施和實時優(yōu)化系統(tǒng)的研究開發(fā)，提供了可行的方案和思路。

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綜述與專論

Application of real -time optimization in on-line optimization of ethylene plant

ZHAO Yi，LI Chao，TIAN Jianhui
（Petro-Cyber Works Information Technology Co.，Ltd.，Beijing 100007，China）

Abstract：Ethylene production as an important basic industry plays an important role in national economy，petrochemical industry and industrial society，and maintains a booming trend in economic growth. But because of the overall technical level of ethylene production in China as well as complex raw material supply and other factors，China’s current ethylene plant lags behind world’s advanced level. In order to catch up with world advanced level，process automation and real-time optimization is essential. This paper describes real-time optimization development status and application of this technology in ethylene plant. Through implementation of real-time optimization system and establishment of a whole process mechanism model for ethylene plant，real-time tracking of production and on-line optimization can be realized to achieve the best economic operating point. In addition，oriented by prices of raw materials，products and utilities，automatic operation of the whole plant is performed to reduce human intervention in optimization and implementation. Through research and analysis of RTO technology，the goals of yield increase，energy saving and consumption reduction could be achieved.

Key words：real-time optimization; online optimization; advanced process control (APC); ethylene plant

收稿日期：2015-08-14；修改稿日期：2015-09-17。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.004

中圖分類號：TP 15; TE 626

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）03–0679–06

第一作者及聯(lián)系人：趙毅（1979—），男，博士，高級顧問，主要研究方向為實時優(yōu)化、流程模擬、化學計量學和化工應用軟件開發(fā)。E-mail yee.zhao@pcitc.com。