基于化工機理與工業(yè)數(shù)據(jù)孿生建模的甲醇精餾過程優(yōu)化

王雄，楊振寧，李越，申威峰

（1 重慶大學化學化工學院，重慶 400044；2 重慶長風化學工業(yè)有限公司，重慶 400021）

利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建化工生產(chǎn)的數(shù)字模型映射，是實現(xiàn)化工領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵路徑?；どa(chǎn)過程存在非線性、多變量耦合和時間滯后性等特點，使化工過程的數(shù)字孿生建模存在極大的難度?；瘜W工業(yè)亟需數(shù)字孿生技術(shù)賦能，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)過程深度融合[1]。數(shù)字孿生技術(shù)最早被定義為以數(shù)字化的方式映射物理實體，建立動態(tài)虛擬模型，并通過虛擬模型對數(shù)據(jù)仿真、模擬和分析來監(jiān)控、預測和控制物理實體的屬性、行為等[2]。在石油化工領(lǐng)域，目前數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應用主要集中在生產(chǎn)流程的維護上，即油氣的開發(fā)與石油工程設(shè)備的全生命周期等方面[3-4]。在數(shù)據(jù)孿生建模的過程中，分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）記錄的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)作為反映過程生產(chǎn)狀況的關(guān)鍵信息，其有效性和可靠性對數(shù)據(jù)孿生精準建模和優(yōu)化至關(guān)重要。但實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)受一些因素影響，使DCS 數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差[5]，誤差的存在使數(shù)據(jù)孿生建模過程無法體現(xiàn)真實的工況。其中，誤差按照產(chǎn)生的原因可以分為隨機誤差和顯著誤差，隨機誤差的產(chǎn)生來源于儀表自身的因素，在數(shù)學上符合一定的統(tǒng)計學規(guī)律；而顯著誤差一般不符合統(tǒng)計規(guī)律，無法有效地基于統(tǒng)計學模型進行預測和處理。此外，考慮到工藝限制、測量成本和苛刻的生產(chǎn)條件，部分工藝參數(shù)無法檢測、過程數(shù)據(jù)的不平衡和不完全，使過程穩(wěn)態(tài)檢測[6]、操作優(yōu)化[7]、故障檢測和診斷[8]變得十分困難，并導致工業(yè)的過程建模、過程控制的有效性也無法保證[9]。數(shù)據(jù)校正作為處理這項問題的重要技術(shù)，在降低數(shù)據(jù)的誤差和提高數(shù)據(jù)的可信度方面已體現(xiàn)了它顯著的優(yōu)越性。20 世紀60 年代，Kuehn和Davidson[10]提出了數(shù)據(jù)校正的概念，準則為“在滿足物料平衡和熱量平衡的條件下，要求校正值與對應測量值的偏差平方和最小”。校正后的數(shù)據(jù)更符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律[11]。之后許多學者又進一步改進數(shù)據(jù)校正的理論方法[12-14]。數(shù)據(jù)校正逐漸從線性問題拓展到非線性問題[15]，大規(guī)模的非線性約束應用也逐漸應用到數(shù)據(jù)校正建模過程中[16-17]。數(shù)據(jù)校正問題也逐漸從穩(wěn)態(tài)拓展到動態(tài)，傳統(tǒng)的動態(tài)校正技術(shù)通常采用卡爾曼濾波的方法，針對化工過程中有約束的狀態(tài)估計問題，Khodadadi 等[18]利用擴展卡爾曼濾波進行動態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。Prakash 等[19]對擴展的卡爾曼濾波器進一步改進，使狀態(tài)估計方案更加有效。但當數(shù)據(jù)存在顯著誤差時，卡爾曼濾波器的性能就會顯著降低。為減少顯著誤差對卡爾曼濾波的影響，Liebman 等[20]將含顯著誤差的數(shù)據(jù)作為一個參數(shù)進行估計，并提出了一種非線性動態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)的方案。Gandhi等[21]提出基于廣義最大似然類型估計器的魯棒卡爾曼濾波的方法，用于檢測和限定離散線性系統(tǒng)中異常值的影響。上述方法雖在降低顯著誤差對協(xié)調(diào)值的影響有顯著效果，卻無法對顯著誤差進行定位。另外，傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)校正技術(shù)只對不含有顯著誤差的數(shù)據(jù)有效，所以需要在數(shù)據(jù)校正前盡可能地消除顯著誤差?，F(xiàn)有研究中，一部分工作聚焦于先進行顯著誤差檢測，然后進行數(shù)據(jù)校正的兩步法[22]；另一部分研究為減小顯著誤差對于數(shù)據(jù)校正的影響，開發(fā)了魯棒性的估計器來減小數(shù)據(jù)校正結(jié)果的實質(zhì)性偏差。Llanos等[23]對擬加權(quán)最小二乘和相關(guān)M-估計的不同魯棒估計方法進行比較。Xie 等[24]提出了一種新的魯棒估計器來提高數(shù)據(jù)校正的魯棒性。但目前這些方法只應用于低維度的簡單系統(tǒng)，并未在實際的化工過程中得到應用。甲醇雙效精餾過程作為一個高度非線性的耦合系統(tǒng)，在不考慮過程工業(yè)生產(chǎn)實際的情況下進行數(shù)據(jù)校正可能會導致不準確的校正值，進而導致對過程的控制和優(yōu)化出現(xiàn)次優(yōu)的結(jié)果[25]。Li 等[26]提出了一種用于識別實際系統(tǒng)的機理與數(shù)據(jù)混合驅(qū)動框架。有利于實現(xiàn)數(shù)字孿生建模的在線識別。數(shù)據(jù)校正減小測量誤差的同時，使測量變量之間更加符合物料守恒和能量守恒的約束，是數(shù)字孿生建模系統(tǒng)的重要組成部分。另一方面，在數(shù)據(jù)校正過程中，若同時給出各個工藝變量測量的置信分數(shù)，可為實際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)甄別、儀表檢修等提供理論指導。因此，在實際化工過程的強化與優(yōu)化時，將工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗、測量值置信度分析與數(shù)據(jù)校正過程進行結(jié)合，對實際化工過程的強化與優(yōu)化至關(guān)重要[27]。

本工作在結(jié)合化工機理、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析及工業(yè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從底層邏輯設(shè)計出發(fā)，提出一種基于甲醇精餾工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與化工機理孿生建模與過程精準優(yōu)化的框架。在穩(wěn)態(tài)操作狀態(tài)下，考慮測量變量需符合的物料守恒和能量守恒約束條件，基于測量變量的空間冗余性建立約束方程，并基于測量變量的時間冗余性進行數(shù)據(jù)校正?；贒CS 實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將儀表的測量范圍作為權(quán)重賦予測量變量，使用非線性規(guī)劃算法基于化工機理約束對測量變量進行校正并求解校正值。并結(jié)合校正值和工業(yè)經(jīng)驗提出流量、溫度、組成的置信分數(shù)模型，實現(xiàn)對測量變量的置信評價?；谛Ｕ蟮臏y量變量建立更貼近工業(yè)實際的甲醇雙效精餾過程模型并實現(xiàn)對其更精準的過程工藝優(yōu)化。

1 甲醇雙效精餾生產(chǎn)工藝與研究方法

1.1 甲醇雙效精餾過程機理建模

1.1.1 甲醇雙效精餾工藝流程

以某化工廠甲醇雙效精餾工段2021年3月1日00:00:00到2021年9月17日23:59:00的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為研究對象，工藝流程見圖1。從預精餾塔塔底產(chǎn)出的甲醇由T0402 進料泵P0402A/B 送至加壓精餾塔T0402，加壓精餾塔塔頂出來的甲醇氣，經(jīng)過冷凝器/再沸器E0406 冷凝，同時也作為常壓精餾塔T0403的再沸器供給該塔熱量。冷凝下來的甲醇進T0402 回流槽V0402，T0402 回流槽的甲醇一部分通過T0402 回流泵P0403A/B 送入T0402 作為回流；T0402 再沸器E0405 所需熱量由低壓蒸汽冷凝熱提供，塔底液體直接送至常壓精餾塔T0403。從T0403 塔頂出來的氣體，經(jīng)T0403 冷凝器E0408 冷卻到40℃后進T0403 回流槽V0403，并經(jīng)T0403 回流泵P0404A/B 將其中的一部分回流至T0403 作為回流。塔底的液體則由T0404 進料泵P0405A/B 送至甲醇T0404。T0404 塔頂氣體經(jīng)T0404 冷凝器E0410 冷凝后，進入到T0404 回流槽V0404，然后通過T0404 回流泵P0406A/B 將一部分甲醇送至T0404 作為回流，另一部分與T0403 產(chǎn)品混合至甲醇貯槽。在靠近T0404 底部的地方設(shè)有側(cè)線抽出，抽出的雜醇油進雜醇油緩沖槽V0408，再由雜醇油泵P0410A/B 送至界區(qū)外。塔底含醇水送至污水處理裝置，T0404所需熱量由低壓蒸汽冷凝熱提供。

圖1 某工廠甲醇雙效精餾工藝流程

1.1.2 機理模型操作參數(shù)

由于實際生產(chǎn)的DCS 數(shù)據(jù)無法檢測一些關(guān)鍵的操作參數(shù)，基于設(shè)計數(shù)據(jù)建立初步機理模型可對這些參數(shù)進行初步估算。該系統(tǒng)中加壓塔的進料是來自于預精餾塔的塔底出料，其中加壓塔進料組成主要為甲醇、水、乙醇和正丁醇，如表1所示。

表1 加壓塔進料的主要組成及含量

加壓塔、常壓塔和回收塔的操作參數(shù)如表2。利用Aspen Plus V12 建立機理模型，若使用Aspen Plus V12 中的兩個Radfrac 獨立模塊進行模擬，可輸入操控變量較少，無法實現(xiàn)與實際工業(yè)數(shù)據(jù)測量位點的完全適配，使機理建模與工業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。因此，本工作通過對Radfrac 模塊進行更詳細的拆分，將加壓塔塔頂?shù)睦淠鞑鸱譃閾Q熱器、閃蒸罐、回流泵等，比如將塔頂精甲醇通過分流器部分采出。在搭建雙效精餾模型過程中，由于流股間換熱器較難收斂，將常壓塔塔釜的熱負荷作為流股間換熱器的熱負荷進行輸入，模擬結(jié)果與工業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)基本吻合，如表3。

表2 甲醇雙效精餾三塔的操作參數(shù)

表3 重要物流設(shè)計數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比表

1.1.3 平衡約束條件

基于DCS 數(shù)據(jù)的測量位點的約束類型主要包括物料守恒和能量守恒，將這兩類守恒條件作為數(shù)據(jù)校正過程的約束條件。

（1）物料守恒約束

假設(shè)甲醇精餾過程為一個穩(wěn)態(tài)連續(xù)過程，本工作對該系統(tǒng)做物料衡算，將精餾過程的物料平衡建模過程如下，其中f表示各物料的流量，y表示每個物料中各組分的質(zhì)量分率。組分主要考慮CH3OH、H2O、C2H5OH。進入加壓塔的物料量f3與加壓塔塔頂f4、常壓塔塔頂f5、回收塔塔頂f6、回收塔塔底廢水f7、回收塔雜醇油側(cè)線采出f8之和相等，見式(1)。

進入加壓塔的甲醇的流量與加壓塔塔頂、常壓塔塔頂、回收塔塔頂、回收塔雜醇油側(cè)線采出，回收塔塔底廢水中甲醇的流量的和相等，見式(2)。

進入加壓塔的H2O、C2H5OH 的流量也與加壓塔塔頂、常壓塔塔頂、回收塔塔頂、回收塔雜醇油側(cè)線采出，回收塔塔底廢水中H2O、C2H5OH 的流量相等，見式(3)、式(4)。

加壓塔塔頂f4、常壓塔塔頂f5、回收塔塔頂f6的流量之和與精甲醇產(chǎn)品罐的匯總f12的流量相等，見式(5)。

加壓塔、常壓塔、回收塔塔頂?shù)腃H3OH、H2O、C2H5OH 流量和與精甲醇產(chǎn)品罐中的CH3OH、H2O、C2H5OH匯總的流量值相等，見式(6)～式(8)。

（2）熱量守恒約束

將加壓塔塔釜再沸器和回收塔塔釜再沸器的低壓蒸汽提供的熱量、加壓塔帶入體系的熱量以及系統(tǒng)中所用的泵做的功作為輸入該體系的熱量。其中加壓塔與回收塔塔釜再沸器的低壓蒸汽汽化潛熱見表4。將加壓塔、常壓塔以及回收塔相關(guān)設(shè)備作為一個系統(tǒng)整體，該系統(tǒng)的熱量輸出主要包括兩部分：一部分是三個塔頂產(chǎn)品流股、回收塔側(cè)線采出以及塔底廢水帶出的熱量，另一部分是三個塔頂換熱器被循環(huán)水帶走的熱量。各個流股的熱力學參數(shù)見表5。輸入和輸出流股的焓值計算以0℃、101.325kPa為基準值，可以利用式(9)進行計算，由于實際生產(chǎn)中流股的壓力數(shù)據(jù)未作記錄，采用壓力平均值輸入Aspen Plus V12進行計算，求得各流股的熱量。

表4 低壓蒸汽的熱力學參數(shù)(焓值)

表5 流股的熱力學參數(shù)(質(zhì)量等壓熱容)

對于系統(tǒng)中包含的三個換熱器，以輸入熱量的5%作為熱損失。其中，循環(huán)水帶走的熱量與該流股經(jīng)過換熱器之后丟失的顯熱與潛熱之和相等。熱量衡算的公式見式(10)～式(21)。

1.1.4 DCS數(shù)據(jù)校正模型

（1）傳統(tǒng)數(shù)據(jù)校正模型

數(shù)據(jù)校正一般都是使變量的校正幅度盡可能小，因此可用式(22)、式(23)進行約束。

（2）基于量程約束的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)校正模型

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)校正方法是以測量數(shù)據(jù)的方差作為權(quán)重進行的，但對于實際數(shù)據(jù)而言，由于有些流股是間歇采出的，儀表數(shù)據(jù)的整體方差較難獲得，所以傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)校正方法在實際運行數(shù)據(jù)中通常無法取得很好的效果。本工作提出的數(shù)據(jù)校正方案利用儀表的測量范圍作為權(quán)重。在進行數(shù)據(jù)校正過程中，產(chǎn)生的校正量的大小會受工況變動的影響。如果變動是瞬時的且幅度較小，工藝過程運行一段時間之后會趨于穩(wěn)態(tài)，這種情況下對校正量的影響較??；如果變動屬于比較大的工況調(diào)整，產(chǎn)生的校正量也會較大。本工作為了減小工況變動對數(shù)據(jù)校正過程的影響，先將工況變動前后的過程數(shù)據(jù)劃分為互相獨立的數(shù)據(jù)集，再基于各自獨立的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)集求解校正量。為保證數(shù)據(jù)校正過程處于穩(wěn)態(tài)，需要對波動較大流量數(shù)據(jù)進行累加求和，發(fā)現(xiàn)20000min 左右數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，所以將20000min 為一組，將DCS數(shù)據(jù)可分為9組。之后，以質(zhì)量守恒和熱量守恒關(guān)系式為約束。以方程物料與熱量的絕對誤差的和最小為目標函數(shù)進行非線性規(guī)劃，校正后的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)與校正量乘以相應儀表量程的和，校正公式如式(24)所示。

式中，x?是DCS 數(shù)據(jù)的校正值；x是DCS 數(shù)據(jù)的原始值；r是各個DCS 儀表的量程。將所有方程聯(lián)立，以每個儀表對應的DCS 數(shù)據(jù)的校正值為變量，求解得出各個流股流量以及溫度測量數(shù)據(jù)的校正值和校正值與原測量值之間的相對誤差。

1.1.5 置信分數(shù)模型

本工作在數(shù)據(jù)校正模型的基礎(chǔ)上，建立一種基于DCS 數(shù)據(jù)的置信分數(shù)評價模型。通過數(shù)據(jù)校正使整個甲醇精餾系統(tǒng)更加符合物料守恒與能量守恒，在DCS 數(shù)據(jù)滿足以上約束的條件下，得出穩(wěn)態(tài)工況下各個儀表的校正量，以校正量為基礎(chǔ)并結(jié)合工業(yè)經(jīng)驗求解出各種類型儀表的置信函數(shù)，通過置信函數(shù)評價各類儀表的檢測質(zhì)量，并識別出故障儀表?；贒CS 數(shù)據(jù)的置信分數(shù)評價模型，可以對各種類型的儀表測量數(shù)據(jù)進行評價，及時發(fā)現(xiàn)異常的工業(yè)儀表與工況，并保證DCS 數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為工業(yè)數(shù)據(jù)孿生精準建模和優(yōu)化提供更有力的數(shù)據(jù)保證。該模型將物料衡算和熱量衡算與化工經(jīng)驗知識進行結(jié)合。首先分別對于所有的流量以及溫度設(shè)備儀表的平均值采用相同d來校正，之后考慮到各個儀表的量程，對于每個儀表采用量程進行約束，每個儀表得到一個關(guān)于量程約束的校正量，見式（25）～式（29）。其中流量校正分數(shù)為d1，溫度校正分數(shù)為d2，組分校正分數(shù)為d3。

式中，n為方程的個數(shù)；err為校正之后熱量、流量、組分的絕對誤差值。以校正之后的誤差絕對值最小作為目標函數(shù)，采用非線性規(guī)劃的方式進行校正，保證校正結(jié)果盡量符合物料平衡與熱量平衡?；诓煌钠胶夥匠谭謩e計算出流量、溫度和質(zhì)量分率的校正量d，并將校正值利于以下置信函數(shù)轉(zhuǎn)化為置信分數(shù)P，見式(30)。該置信函數(shù)的構(gòu)造思路是讓工業(yè)測量位點在工業(yè)經(jīng)驗認可的范圍內(nèi)相對穩(wěn)定，當變量超出工業(yè)經(jīng)驗認可的范圍時，該函數(shù)急速衰減。c為可調(diào)參數(shù)，可以通過各類儀表誤差的相關(guān)經(jīng)驗進行選取，可基于工業(yè)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)各測量變量類型的誤差經(jīng)驗值進行調(diào)整。

為建立合理的置信分數(shù)評價模型，本工作以置信度100分為滿分。對于流量測量儀表，將該儀表校正量達到量程的20%時的置信分數(shù)為50 分。對于溫度儀表，將該儀表校正量達到量程的5%時的置信分數(shù)為50 分。對于組分測量，將該儀表校正量達到量程的1%時的置信分數(shù)為50 分。評分越高，意味著該儀表需要校正量越小，即該儀表測量值更滿足物料與熱量平衡關(guān)系式，更有利于之后的建模使用；相反，如果測量數(shù)值的置信分數(shù)低于50 分，則判定該測量值不可信。結(jié)合相關(guān)工業(yè)經(jīng)驗可以求解出流量、溫度、質(zhì)量分數(shù)低的置信函數(shù)為式(31)～式(33)。

流量置信函數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 DCS數(shù)據(jù)校正結(jié)果

數(shù)據(jù)校正的結(jié)果如表6、表7 所示。據(jù)校正結(jié)果，f2（回收塔塔釜低壓蒸汽流量儀表）、f3（加壓塔塔進料流量儀表）、f7（回收塔塔釜廢水的流量儀表）、f11（回收塔塔頂回流的流量儀表）、t6（加壓塔塔頂?shù)臏囟葍x表）具有較大的相對誤差。根據(jù)工廠介紹，f7測量位點的流量儀表存在故障，且該位點的流股是間歇采出的，會產(chǎn)生較大波動，需要進行檢修。其余的流量測量儀表隨工況的改變而產(chǎn)生較大的波動，所以會與校正數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的偏差；t6測量位點的溫度檢測儀表也存在故障，通過數(shù)據(jù)校正建議進行檢修或者更換。校正后的數(shù)據(jù)能指示存在故障的測量儀表，且校正后的數(shù)據(jù)與故障儀表維護后的檢測數(shù)據(jù)基本保持一致。校正后基于流量測量數(shù)據(jù)的物料守恒方程總殘差降低了約87.3%；校正后基于流量和溫度測量數(shù)據(jù)的能量守恒方程總殘差降低了98.2%。校正后的數(shù)據(jù)更加符合物料守恒和能量守恒。因此，證明該數(shù)據(jù)校正方法具有有效性?；谛Ｕ蟮臄?shù)據(jù)，有利于建立更精確的過程模型，以及實現(xiàn)更加有效的過程優(yōu)化。

表6 DCS流量儀表數(shù)據(jù)校正結(jié)果及相對誤差

表7 DCS溫度儀表數(shù)據(jù)校正結(jié)果及相對誤差

2.2 置信分數(shù)評價

數(shù)據(jù)校正技術(shù)無法直觀的評價各個儀表的測量質(zhì)量，以式(30)～式(33)建立的置信分數(shù)評價體系，對甲醇變壓耦合精餾過程中的流量、溫度、質(zhì)量分數(shù)等過程變量進行置信分數(shù)評價，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出，流量測量儀表f9、f10、f11測得的加壓塔、常壓塔、回收塔塔頂回流量的置信分數(shù)較低，f12測得的精甲醇的匯總流量置信分數(shù)也較低，未超過70 分，得出這些儀表的可信度較低。原因是流量測量儀表受工況變動的影響較大；溫度測量儀表t6測得的溫度置信分數(shù)較低。與工廠交流得知，該儀表測量結(jié)果不準確，這與置信分數(shù)評價結(jié)果一致。

圖2 DCS測量變量的置信分數(shù)評價

此外，因溫度數(shù)據(jù)的測量儀表精度較高、波動較小，所以溫度的置信分數(shù)穩(wěn)定在較高的狀態(tài)；質(zhì)量分數(shù)測量儀表y1（加壓塔進料CH3OH 質(zhì)量分數(shù)）、y2（加壓塔進料H2O 的質(zhì)量分數(shù)）、y5（加壓塔頂精甲醇H2O的質(zhì)量分數(shù)）、y8（常壓塔塔頂H2O的質(zhì)量分數(shù)）的測量值可信度較低。其中y1、y2置信分數(shù)較低是由于進料組成缺少相應的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，此處進料的質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)設(shè)置為設(shè)計參數(shù)，因而與實際數(shù)據(jù)誤差較大，y5、y8的測量置信分數(shù)較低可能與實際數(shù)據(jù)在工廠上存在滯后性，難以體現(xiàn)當時工況的狀態(tài)有關(guān)。置信分數(shù)評價模型使測量變量的數(shù)據(jù)質(zhì)量評價更直觀，利用置信分數(shù)評價模型也可以直觀了解實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可信度，在可信度較高的數(shù)據(jù)上建模并優(yōu)化也更有意義。

2.3 基于校正后數(shù)據(jù)的過程工藝優(yōu)化

基于校正后DCS 數(shù)據(jù)，建立的機理模型進行驗證。并進一步對該甲醇雙效精餾流程進行優(yōu)化，以過程的經(jīng)濟效益為目標函數(shù)，如式(34)所示，其中主要的操作費用包括公用工程和電力消耗。

式中，F(xiàn)為該工段的總效益；f4、f5分別為加壓塔和常壓塔頂精甲醇的流量；CCH3OH為精甲醇的價格，查詢工廠相關(guān)財報可知均價為2700CNY/t；C水電為該工段的低壓蒸汽的費用，按照相應的溫度價格取270CNY/t。其中水電費用主要包括換熱器的循環(huán)水和加壓塔塔釜的低壓蒸汽的費用。約束條件為加壓塔塔頂與常壓塔塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量分率均達到0.9999以上。優(yōu)化變量為：加壓塔進料流量、加壓塔塔頂回流量、常壓塔塔頂回流量以及常壓塔塔底餾出物的流率等操作參數(shù)。

優(yōu)化后的流程及相關(guān)物流參數(shù)如圖3所示。

圖3 基于化工機理與工業(yè)數(shù)據(jù)孿生建模優(yōu)化后的甲醇雙效精餾過程

由表8 可以看出，通過調(diào)整回流比等操作參數(shù)，在產(chǎn)品質(zhì)量分率達標的前提下，換熱器熱負荷降低，過程總體經(jīng)濟效益提高。按照每年的操作時間為300 天計算。優(yōu)化前該系統(tǒng)總收益為19267.1×104CNY/a，優(yōu)化后該系統(tǒng)收益為19368.8×104CNY/a，低壓蒸汽節(jié)約1.75%。流股間換熱器E0406 節(jié)約能耗約6.1%?；趯嶋H生產(chǎn)數(shù)據(jù)和置信分數(shù)建模技術(shù)對甲醇雙效精餾過程精準建模與優(yōu)化，對降低系統(tǒng)能耗、提高經(jīng)濟效益有重要參考價值。

表8 甲醇雙效精餾過程優(yōu)化前后對比

3 結(jié)論

本工作針對DCS 數(shù)據(jù)因存在誤差而無法直接對實際化工過程進行精準建模與優(yōu)化的問題，在結(jié)合化工機理、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析及工業(yè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從底層邏輯設(shè)計出發(fā)，提出一種基于甲醇精餾工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與化工機理孿生建模與過程精準優(yōu)化的框架?；贒CS 實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將儀表的測量范圍作為權(quán)重賦予測量變量，使用非線性規(guī)劃算法基于化工機理約束對測量變量進行校正并求解校正值。并結(jié)合校正值和工業(yè)經(jīng)驗提出流量、溫度、組成的置信分數(shù)模型，實現(xiàn)了對測量變量的置信評價?；谛Ｕ蟮臏y量變量構(gòu)建更貼近工業(yè)實際的甲醇雙效精餾過程模型，實現(xiàn)了對其更精準的過程工藝優(yōu)化。優(yōu)化過程使甲醇雙效精餾過程的經(jīng)濟效益提高、能耗降低約1.75%。該工作提出的化工機理與工業(yè)數(shù)據(jù)孿生建模思想，將對構(gòu)建數(shù)字化工孿生系統(tǒng)和智能化工廠的數(shù)據(jù)甄別、工藝優(yōu)化等過程具有重要的科學意義和實際應用價值。此外，本工作目前尚未考慮因經(jīng)濟策略或市場因素導致的優(yōu)化目標及相關(guān)價格發(fā)生變動的情況。在未來研究中將加入動態(tài)擾動并結(jié)合相關(guān)經(jīng)濟策略進行更靈活的過程優(yōu)化強化研究。

符號說明

A——平衡約束方程

CCH3OH——精甲醇產(chǎn)品的銷售價格，CNY/kg

C水電——該工段的水電費用，CNY/kg

c——置信分數(shù)的修正常數(shù)

cp3——至加壓精餾塔T0402 甲醇液流股的質(zhì)量等壓熱容，kJ/(kg·K）

cp4——來自換熱器E0407 甲醇液流股的質(zhì)量等壓熱容，kJ/(kg·K)

cp5——來自常壓精餾塔T0403 精甲醇產(chǎn)品流股的質(zhì)量等壓熱容，kJ/(kg·K)

cp6——來自換熱器E0411 甲醇液流股的質(zhì)量等壓熱容，kJ/(kg·K)

cp7——來自泵P0407A/B 含醇水流股的質(zhì)量等壓熱容，kJ/(kg·K)

cp8——回收塔T0404 側(cè)線采出雜醇油流股的質(zhì)量等壓熱容，kJ/(kg·K)

cp9——加壓精餾塔T0402 回流股的質(zhì)量等壓熱容，kJ/(kg·K)

cp10——常壓精餾塔T0403 回流股的質(zhì)量等壓熱容，kJ/(kg·K)

cp11——回收精餾塔T0404 回流股的質(zhì)量等壓熱容，kJ/(kg·K)

d——流量、溫度和組成變量的校正量

err——校正前的絕對誤差

(err) ——置信分數(shù)的修正常數(shù)

f——流量的測量值，kg/h

f——流量的校正值，kg/h

P——測量變量的置信分數(shù)

Pi,i=1,2,3——分別為流量、溫度、組成的置信分數(shù)

Q4——加壓塔塔頂精甲醇帶出該系統(tǒng)的能量，kJ

Q5——常壓塔塔頂精甲醇帶出該系統(tǒng)的能量，kJ

Q6——回收塔塔頂甲醇帶出該系統(tǒng)的能量，kJ

Q7——回收塔塔底廢水帶出該系統(tǒng)的能量，kJ

Q8——回收塔側(cè)線采出雜醇油帶出該系統(tǒng)的能量，kJ

Q9——循環(huán)水帶走的換熱器E0406的熱量，kJ

Q10——循環(huán)水帶走的換熱器E0408的熱量，kJ

Q11——循環(huán)水帶走的換熱器E0410的熱量，kJ

Qin——進入該系統(tǒng)的熱量的總和，kJ

Qout——流出該系統(tǒng)的熱量的總和，kJ

Qr——該系統(tǒng)的熱損失，kJ

r——各個變量測量儀表的量程

t——溫度的測量值，℃

t?——溫度的校正值，℃

t標——環(huán)境溫度，℃

v——常壓塔冷凝器的氣相分率

xij——第i個被測變量的第j個測量值

x?ij——第i個被測變量的第j個協(xié)調(diào)值

y——質(zhì)量分數(shù)的測量值

y?——質(zhì)量分數(shù)的校正值

yi,i=1,2,3——分別為加壓塔進料粗甲醇中CH3OH、H2O、C2H5OH的質(zhì)量分數(shù)

yi,i=4,5,6——分別為加壓塔塔頂精甲醇中CH3OH、H2O、C2H5OH的質(zhì)量分數(shù)

yi,i=7,8,9——分別為常壓塔塔頂精甲醇中CH3OH、H2O、C2H5OH的質(zhì)量分數(shù)

yi,i=10,11,12——分別為回收塔塔頂精甲醇中CH3OH、H2O、C2H5OH的質(zhì)量分數(shù)

yi,i=13,14,15——分別為回收塔塔釜廢水中CH3OH、H2O、C2H5OH的質(zhì)量分數(shù)

yi,i=16,17,18——分別為回收塔側(cè)線采出中CH3OH、H2O、C2H5OH的質(zhì)量分數(shù)