連續(xù)重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化解決方案

謝勇勇(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

0 引言

2018年大榭石化連續(xù)重整裝置與浙江中控軟件技術(shù)有限公司合作，運(yùn)用實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)，根據(jù)連續(xù)重整工藝特點(diǎn)，實(shí)施實(shí)時(shí)優(yōu)化項(xiàng)目，耦合APC控制系統(tǒng)，提高裝置運(yùn)行水平，消除生產(chǎn)瓶頸，進(jìn)一步挖潛增效提升裝置芳烴收率和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1 實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)介紹

實(shí)時(shí)優(yōu)化(real-time optimization，RTO)技術(shù)是全流程優(yōu)化控制技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段最先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)，其把最優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于化工生產(chǎn)過程控制，在滿足各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的要求下，自動(dòng)尋求使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的一組操作參數(shù)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行最佳設(shè)定，并在線下發(fā)給APC(先進(jìn)控制)使整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行并維持在最優(yōu)狀態(tài)。

RTO系統(tǒng)以生產(chǎn)效益最大化、全局最優(yōu)為目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及操作條件等信息進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。整個(gè)RTO系統(tǒng)從取數(shù)到優(yōu)化計(jì)算，再到輸出外部目標(biāo)值供APC執(zhí)行，全流程閉環(huán)運(yùn)行，無需人工干預(yù)。APC系統(tǒng)會(huì)持續(xù)按照RTO系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算所得的指定目標(biāo)進(jìn)行控制，不斷將裝置調(diào)整到當(dāng)前工況下的最優(yōu)操作點(diǎn)。

2 連續(xù)重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化解決方案

大榭石化連續(xù)重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化解決方案的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 連續(xù)重整裝置RTO系統(tǒng)架構(gòu)

大榭石化連續(xù)重整裝置RTO系統(tǒng)以裝置工藝實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及在線近紅外分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)內(nèi)完成優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果下發(fā)給APC，通過APC的執(zhí)行實(shí)現(xiàn)裝置優(yōu)化目標(biāo)。

2.1 實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)

實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)是連續(xù)重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化解決方案的核心。大榭石化連續(xù)重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示，分為底層數(shù)據(jù)處理和上層業(yè)務(wù)應(yīng)用。

數(shù)據(jù)接口采用的中控標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)服務(wù)(Supcon-Std Data Service)是浙江中控自主開發(fā)的支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫訪問的接口，目前支持浙江中控自主開發(fā)的ISYS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫以及第三方的PI、PHD和IP21等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。通過調(diào)用封裝的中控標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和寫入，即實(shí)現(xiàn)與DCS的數(shù)據(jù)通訊。

實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)的核心是連續(xù)重整機(jī)理模型、優(yōu)化模型及穩(wěn)態(tài)檢測(cè)算法。大榭石化連續(xù)重整裝置機(jī)理模型，包含預(yù)加氫單元、重整反應(yīng)及再接觸單元、重整分餾單元。重整反應(yīng)模型采用35集總模型，包括5個(gè)烷烴異構(gòu)反應(yīng)、6個(gè)烷烴脫氫環(huán)化反應(yīng)、5個(gè)環(huán)烷烴異構(gòu)化反應(yīng)、6個(gè)環(huán)烷烴脫氫(芳構(gòu)化)反應(yīng)、9個(gè)芳烴脫烷基(氫解)反應(yīng)、40個(gè)烷烴加氫裂化反應(yīng)，總計(jì)71個(gè)反應(yīng)。

優(yōu)化模型以提高裝置經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，以提高重整反應(yīng)溫度、優(yōu)化進(jìn)料組成、調(diào)整分餾塔操作為優(yōu)化變量，采用SQP優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化求解。裝置經(jīng)濟(jì)效益如公式(1)所示，以各產(chǎn)品流量與價(jià)格的乘積之和所得金額扣除同樣方式計(jì)算的原料及公用工程金額。計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益用到的原料、產(chǎn)品及公用工程的價(jià)格體系如表1所示。優(yōu)化模型采用的優(yōu)化變量見表2所示，通過優(yōu)化預(yù)加氫分餾塔操作，提高重整進(jìn)料初餾點(diǎn)，優(yōu)化進(jìn)料組成；通過提高重整反應(yīng)溫度，增加芳烴轉(zhuǎn)化率[2-3]；在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，調(diào)整脫戊烷塔、C4/C5分餾塔操作，降低塔能耗。

表1 價(jià)格體系 單位：元/噸

表2 重整裝置優(yōu)化變量

圖2 連續(xù)重整裝置RTO系統(tǒng)架構(gòu)

在實(shí)時(shí)優(yōu)化(RTO)過程中，優(yōu)化模型只有在裝置達(dá)到穩(wěn)態(tài)的前提下，對(duì)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果下放給APC才有實(shí)際意義。大榭石化連續(xù)重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)采用的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)算法為啟發(fā)法(Heuristic)，通過比較過程變量濾波前后的差異和允許變化限度來確定過程是否處于穩(wěn)態(tài)。

RTO平臺(tái)中需要建立與連續(xù)重整裝置DCS位號(hào)相對(duì)應(yīng)的位號(hào)，以實(shí)現(xiàn)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)(即DCS位號(hào)數(shù)據(jù))的交互；還需建立裝置DCS位號(hào)與重整模型變量之間的映射關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)裝置數(shù)據(jù)與模型間的交互。這個(gè)過程稱為數(shù)據(jù)組態(tài)，數(shù)據(jù)組態(tài)分為兩部分：RTO與DCS間的位號(hào)組態(tài)、RTO與重整模型變量間的位號(hào)組態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)重整模型與DCS間的數(shù)據(jù)通訊，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)組態(tài)

首先，建立SSRTO與DCS間的位號(hào)數(shù)據(jù)通訊，SSRTO中需要建立的位號(hào)類型有：一次位號(hào)、二次位號(hào)、自定義位號(hào)。一次位號(hào)指需要用到的DCS中的位號(hào)，如：重整進(jìn)料流量、重整反應(yīng)器入口溫度、重整汽油流量等，包含新增的近紅外位號(hào)；二次位號(hào)指DCS中不存在的，但可以通過DCS位號(hào)的簡單組合計(jì)算得到的，如：芳烴收率、芳潛等；自定義位號(hào)指DCS中不存在的，且無法通過DCS位號(hào)的簡單組合計(jì)算得到的，如：價(jià)格位號(hào)、優(yōu)化變量步長位號(hào)等。

其次，對(duì)RTO中建立的位號(hào)進(jìn)行平均值處理，即建立對(duì)應(yīng)的平均值位號(hào)。由于裝置波動(dòng)、儀表測(cè)量等原因，DCS位號(hào)(瞬時(shí))值具有震蕩、波動(dòng)趨勢(shì)，無法代表裝置真實(shí)運(yùn)行狀況，因此進(jìn)行平均值處理，取一段時(shí)間內(nèi)的平均值。

最后，建立RTO平均值位號(hào)或其他位號(hào)與重整模型變量間的數(shù)據(jù)通訊，即位號(hào)變量映。

2.2 實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)服務(wù)器部署

實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)部署在單獨(dú)的RTO服務(wù)器上，RTO服務(wù)器與OPC服務(wù)器、APC服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)部署，如圖4所示。這種部署方式能夠避免RTO和APC的直接接觸，并可在線完成RTO服務(wù)器的部署，無需切斷APC服務(wù)器與OPC服務(wù)器的連接。

圖4 RTO服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)部署圖

RTO服務(wù)器上同時(shí)部署數(shù)據(jù)庫軟件APC-isys，APC-isys從OPC服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，供實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)使用；實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)的優(yōu)化結(jié)果通過APC-isys通訊至OPC服務(wù)器，進(jìn)而控制APC。APC-isys中配置與OPC服務(wù)器相同的位號(hào)，包含裝置位號(hào)、近紅外位號(hào)等。

2.3 在線近紅外分析儀

在線近紅外分析儀為實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)提供分鐘頻率的裝置原料及產(chǎn)品分析數(shù)據(jù)，是實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算的基礎(chǔ)?；谥卣麢C(jī)理模型的要求，在線近紅外分析儀分析流股包括預(yù)加氫進(jìn)料、重整進(jìn)料及重整汽油，具體分析項(xiàng)目包括：餾程、密度、C2-C10的PNA族組成，如表3所示。

表3 在線近紅外分析儀分析流股及分析項(xiàng)目表

采用的在線近紅外分析儀為德國 BRUKER 在線傅立葉變換近紅外光譜分析儀，型號(hào)為MATRIX-F。近紅外光纖和探頭通過法蘭密封連接到管線中，近紅外探頭插入到管線中進(jìn)行光譜采集；近紅外分析儀通過多模通訊光纜與主控制室的控制計(jì)算機(jī)(工程師站)連接實(shí)現(xiàn)分析控制，主控制室的控制計(jì)算機(jī)將近紅外分析結(jié)果通過RS485通訊接口以Modbus協(xié)議方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭B續(xù)重整裝置DCS控制系統(tǒng)。在線近紅外分析檢測(cè)系統(tǒng)與優(yōu)化控制系統(tǒng)通訊原理圖如圖5所示。

圖5 在線近紅外分析檢測(cè)系統(tǒng)通訊原理圖

在線近紅外分析儀是二次分析工具，需采用化驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，建立在線近紅外分析模型。在線近紅外分析儀的模型校準(zhǔn)及更新方法如下：

(1)化驗(yàn)室采樣分析，時(shí)間間隔為8 h，并詳細(xì)記錄采樣時(shí)間，樣品數(shù)量不小于200組；

(2)采用化驗(yàn)室分析結(jié)果及對(duì)應(yīng)時(shí)間的在線近紅外分析儀分析譜圖，使用偏最小二乘法建立在線近紅外分析光譜與化驗(yàn)室分析結(jié)果間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即在線近紅外分析儀模型；

(3)定期比較化驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)與在線近紅外分析儀分析結(jié)果的偏差，如偏差較大(相對(duì)偏差大于3%或絕對(duì)偏差大于0.5%)，則按照步驟(2)進(jìn)行在線近紅外分析儀模型的更新。

2.4 實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)與APC的聯(lián)動(dòng)

RTO與APC的聯(lián)動(dòng)以安全為前提和首要目標(biāo)，聯(lián)動(dòng)方案充分考慮RTO的各種突發(fā)狀況，從RTO層面及APC層面進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，從數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、優(yōu)化結(jié)果可靠性、聯(lián)動(dòng)切除的方便性等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

RTO與APC的聯(lián)動(dòng)存在可能引起不安全的因素有：(1)RTO優(yōu)化輸出操作條件與裝置當(dāng)前操作條件相比變化大，通過APC執(zhí)行后引起裝置波動(dòng)大；(2)RTO長時(shí)間未進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算致使優(yōu)化輸出保持長時(shí)間不變，與裝置當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)不符；(3)RTO異常，停止服務(wù)。

為避免上述情況發(fā)生，或者在上述情況發(fā)生后不對(duì)裝置正常操作造成影響，設(shè)計(jì)了RTO與APC的安全聯(lián)動(dòng)及無擾切換邏輯，如圖6所示。當(dāng)RTO的輸出滿足RTO運(yùn)行狀態(tài)、且RTO開關(guān)及APC開關(guān)為開時(shí)，APC被控變量設(shè)定值接收RTO輸出值，進(jìn)入RTO與APC聯(lián)動(dòng)模式；否則，APC被控變量設(shè)定值由操作人員手動(dòng)設(shè)定，回歸APC單獨(dú)運(yùn)行模式。

圖6 RTO與APC的聯(lián)動(dòng)及無擾切換機(jī)制

3 連續(xù)重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化解決方案效果

經(jīng)校準(zhǔn)后，在線近紅外分析儀分析結(jié)果與化驗(yàn)室采樣分析結(jié)果相對(duì)偏差基本控制在3%以內(nèi)，如圖7所示，分析精度較高，滿足實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)要求。重整汽油C5P、C8P，重整進(jìn)料二甲苯，預(yù)加氫進(jìn)料二甲苯，由于含量較低(0.5%、0.8%、1.6%、2.2%、2.5%)，雖然相對(duì)偏差較大(大于3%)，但絕對(duì)偏差較小(小于0.5%),滿足分析儀精度要求。

圖7 在線近紅外分析儀分析結(jié)果相對(duì)偏差

大榭石化連續(xù)重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化實(shí)施后，選取2020年10月16—25日投用前后的裝置運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，系統(tǒng)總體投用率85%，RTO運(yùn)行穩(wěn)定，與APC的聯(lián)動(dòng)安全、執(zhí)行到位，芳烴收率平均值由投用前75.0%提升到75.31%；按照2.1章節(jié)的公式(1)計(jì)算，提升裝置經(jīng)濟(jì)效益約1 683元/小時(shí)，投用效果明顯。

圖8 RTO閉環(huán)投用前后芳烴收率和經(jīng)濟(jì)效益變化

4 結(jié)語

大榭石化連續(xù)重整裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化解決方案以實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺(tái)(RTO)為核心，通過安裝在線近紅外分析儀、部署RTO服務(wù)器、設(shè)計(jì)并實(shí)施RTO與APC聯(lián)動(dòng)方案，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)優(yōu)化(RTO)在連續(xù)重整裝置上的成功應(yīng)用。經(jīng)標(biāo)定，RTO投用后，裝置芳烴收率提高0.31%，經(jīng)濟(jì)效益提高1 683元/小時(shí)，效果顯著。