常減壓裝置的多分辨率建模技術(shù)的思考

＊王榮澤

（中海石油中捷石化有限公司 河北 061100）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活水平的提高，社會(huì)各界對(duì)于我國(guó)石油化工產(chǎn)業(yè)，特別是石化工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的常減壓裝置多分辨率建模技術(shù)方面的關(guān)注程度越來(lái)越高。自上個(gè)世紀(jì)八十年代開(kāi)始，各種建模仿真技術(shù)逐步興起，在大型石化企業(yè)當(dāng)中，應(yīng)用仿真模擬技術(shù)能有效提升生產(chǎn)效率和集中化管理能力。因此，如何提升常減壓裝置多分辨率建模技術(shù)，成為了相關(guān)領(lǐng)域工作人員的工作重點(diǎn)之一。

1.常減壓裝置的動(dòng)態(tài)建模方式

(1)加熱爐模型

在石油化工制造行業(yè)當(dāng)中最常見(jiàn)的設(shè)備為管式加熱爐。作為一種較為有效的熱傳導(dǎo)設(shè)備，在管式加熱爐的當(dāng)中可以通過(guò)燃燒燃料的方式釋放出所需的熱量，并且借助高溫?zé)煔夂突鹧嫦蚬鼙诋?dāng)中傳導(dǎo)，進(jìn)而加熱生產(chǎn)所需的工藝介質(zhì)。根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的調(diào)查研究結(jié)果顯示，管式加熱爐模型構(gòu)建的方法經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)法、半理論半經(jīng)驗(yàn)以及分布式參數(shù)全過(guò)程等多個(gè)階段。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法以及半理論半經(jīng)驗(yàn)方法建模方式較為簡(jiǎn)單，因此無(wú)法根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)需要得出精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型。此外，全過(guò)程模擬構(gòu)建模型方法的流程相對(duì)復(fù)雜，因此得出的模擬仿真結(jié)果效率難以滿足生產(chǎn)需求。根據(jù)Lobo-Evans公式對(duì)加熱爐的系統(tǒng)傳熱效率進(jìn)行計(jì)算可以得出，Qr=δ·α·Acp·Fc·（T4g--T4w）+h2·Ar（Tg-Tw），其中δ表示的是斯蒂芬·波爾茨曼常數(shù)。

(2)換熱器模型

換熱器是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最常見(jiàn)的一項(xiàng)操作單元，常見(jiàn)的換熱器結(jié)構(gòu)形式可以分為列管式、套管式以及夾套式等多種不同類型，構(gòu)建換熱器動(dòng)態(tài)模型對(duì)于現(xiàn)代化的石油化工生產(chǎn)管理水平的提升具有重大影響。通常情況下，換熱器單元兩側(cè)的物流狀態(tài)與動(dòng)態(tài)模型的結(jié)構(gòu)形式也存在一定的聯(lián)系，當(dāng)物流進(jìn)行充分混合并且完成換熱之時(shí)，可以將此種運(yùn)行狀態(tài)近似地看成集中參數(shù)模型。因此，當(dāng)石油化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的換熱系統(tǒng)較大并且相對(duì)復(fù)雜之時(shí)，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)工作人員可以采取較為簡(jiǎn)單的集中參數(shù)模型對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，確保其不斷提升發(fā)展水平，適應(yīng)仿真管理的需要。

(3)精餾塔模型

除了上述兩種建模方法之外，在石油化工生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中與實(shí)際生產(chǎn)最為接近的建模方式為精餾塔仿真模型。精餾塔仿真模型有效結(jié)合了非平衡級(jí)模型和三維混合池模型等兩種模型的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中，非平衡級(jí)模型的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且需要充分考慮傳熱阻力。此種仿真模型在運(yùn)算的過(guò)程中會(huì)涉及到數(shù)量巨大的方程運(yùn)算，非線性度較大，計(jì)算較為困難。目前，在該領(lǐng)域當(dāng)中通常會(huì)采用基于理論塔板概念的平衡級(jí)模型，在各類工藝設(shè)計(jì)和模擬實(shí)驗(yàn)中具有較好的應(yīng)用效果。

2.常減壓裝置的多分辨率仿真測(cè)試

(1)初餾塔仿真測(cè)試

本文研究的常減壓裝置多分辨率仿真測(cè)試涉及到的模型主要包括了初餾塔、低壓塔和常壓塔等三個(gè)組成部分，其中初餾塔可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化分為四個(gè)塔段，通過(guò)對(duì)四個(gè)塔段分別進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，能有效增強(qiáng)模擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)程度。在塔頂油氣抽出以及塔頂回流反塔的精餾塔段一當(dāng)中，氣相流量對(duì)應(yīng)的模型方程為V1=K1（T1-TC）、液相流量對(duì)應(yīng)的模型方程為L(zhǎng)1=(h1/0.006)3/2·ρL·lw·、√g、塔板滯液量對(duì)應(yīng)的模型方程為M1=Aa·ρL·（hw+h1）。

在構(gòu)建初餾塔模型的過(guò)程中，需要充分考慮到初餾塔的工藝，在沒(méi)有加熱爐和中斷回流的情況下，確保塔底的水蒸氣汽提在400℃以上，在塔頂應(yīng)用冷凝器設(shè)備對(duì)設(shè)備中的油氣進(jìn)行冷凝提取。經(jīng)過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)可以得出，當(dāng)進(jìn)料的流量以5%的速度增加時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)，此時(shí)的初餾塔進(jìn)料溫度為241℃，當(dāng)進(jìn)料流量不斷增加時(shí)，設(shè)備內(nèi)部的溫度和氣相流量也會(huì)隨之提升，從而帶動(dòng)整個(gè)初餾塔內(nèi)溫度全面升高。

(2)低壓塔低分辨率仿真測(cè)試

低壓塔內(nèi)部的各個(gè)物料入口位置采用全填料干式減壓的方法，在設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭畷r(shí)需要注意在塔底位置預(yù)留注入蒸汽的端口，確保微濕式的減壓蒸餾工作可以順利完成。例如，我國(guó)某地區(qū)的石油化工生產(chǎn)部門在對(duì)低壓塔低分辨率的裝置進(jìn)行仿真測(cè)試的過(guò)程中，明確規(guī)定了塔頂?shù)脑O(shè)計(jì)溫度需要控制在75℃，殘壓保持在15mmHg至20mmHg之內(nèi)。經(jīng)過(guò)仿真模擬測(cè)試可以得出，當(dāng)進(jìn)料的流量增加5%時(shí)，低壓塔內(nèi)部的進(jìn)料溫度維持在391℃左右，進(jìn)料段的溫度為381℃，此時(shí)的進(jìn)料溫度大于進(jìn)料段溫度。根據(jù)熱平衡原理，進(jìn)料段T7的溫度會(huì)持續(xù)升高，此時(shí)各進(jìn)料段的溫度也會(huì)隨之升高，氣相流量變大，各塔板的液相流量同樣也會(huì)擴(kuò)大。當(dāng)進(jìn)料的溫度增加5%時(shí)，低壓塔內(nèi)部的進(jìn)料溫度變?yōu)?95℃，同樣高于進(jìn)料端的溫度，此時(shí)全塔內(nèi)部的熱量均會(huì)增加，各塔板的溫度升高帶動(dòng)了內(nèi)部的氣相流量隨之上升，根據(jù)塔板內(nèi)部物料平衡特征可以得出，此時(shí)的液相流量也會(huì)升高。

(3)常壓塔多分辨率聚合測(cè)試

除了上述多分辨率仿真測(cè)試方法之外，常壓塔的多分辨率聚合測(cè)試同樣也能幫助發(fā)現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用環(huán)節(jié)的問(wèn)題，并且提出更加合理有效的解決方法，優(yōu)化常減壓裝置的實(shí)際應(yīng)用效率。例如，我國(guó)某地區(qū)的石油化工生產(chǎn)企業(yè)采用了多分辨率建模方法，結(jié)合記錄分析和數(shù)據(jù)集成分解的方法，對(duì)不同粒度的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效地聚合和解聚。在不同的聚合和解聚關(guān)系下，當(dāng)?shù)厥突どa(chǎn)管理部門工作人員采用了不同的聚合解聚原則與實(shí)驗(yàn)方法，借助機(jī)理分析的數(shù)據(jù)推導(dǎo)方法，完成不同層次信息和數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過(guò)不同的數(shù)學(xué)模型工具，完成聚合解散。除此之外，該地區(qū)常減壓裝置管理部門的技術(shù)人員還積極應(yīng)用了人工智能的方法和技術(shù)，構(gòu)建了多分辨率模型，全面提升了生產(chǎn)和發(fā)展水平。人工智能技術(shù)的快速發(fā)展在一定程度上豐富了常減壓裝置模型構(gòu)建的理論體系，優(yōu)化了模擬仿真的檢驗(yàn)指標(biāo)，有利于優(yōu)化模型整體結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

綜上，通過(guò)對(duì)常減壓裝置監(jiān)理全流程的數(shù)學(xué)仿真模型，能在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)常減壓裝置無(wú)組分模型以及組分模型的認(rèn)知水平，進(jìn)而確保多分辨率建模技術(shù)可以更好地介入到常減壓裝置管理環(huán)節(jié)，通過(guò)構(gòu)建常減壓裝置多分辨率仿真模型，可以有效完成多分辨率模型的聚合測(cè)試。精餾塔無(wú)組分模型的仿真測(cè)試，建立不同的分辨率模型，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可以構(gòu)建更加復(fù)雜和完整的通用仿真平臺(tái)。

?【參考文獻(xiàn)】

[1]毛華超,彭功狀,張和明等.面向模型粒度控制的多分辨率建模方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2015,27(11):2630-2637.

[2]孔晨妍,于麗蓉.組件化的指控仿真系統(tǒng)多分辨率建模研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2017,45(4).