煉化過程系統優化技術發展趨勢

游曉艷 段偉（中國石油規劃總院）

煉化過程系統優化技術發展趨勢

游曉艷 段偉（中國石油規劃總院）

面對日益嚴格的節能減排要求和激烈的市場競爭，國內外煉化企業正圍繞生產、運營、決策等環節積極研究并開展系統優化工作。為實現生產運營整體優化，我國煉化企業需進一步加強自主優化技術的研發、先進控制技術與模擬優化技術的集成、過程系統優化技術的推廣，以及石油化工與信息技術復合型人才的培養等，并通過研究開發與實際應用，提升煉化一體化水平。

煉化 優化 生產 運營 決策

1 引言

面對日益嚴格的環保要求和激烈的市場競爭局面，國際先進煉化企業正在充分依托技術進步，從生產經營全局入手，加大以生產運行過程為主的過程系統優化和精細化管理，以提升企業經濟效益和國際市場競爭力。要實現生產經營過程的系統優化，需要對物流、能流、資金流、信息流等過程流進行綜合優化，使全廠和局部系統保持最優狀態，實現能耗、物耗最低和效益最大。發展上述過程流的空間集成與實時優化技術，轉變煉化企業傳統的人工管理模式，最終實現整體智能優化運行，已成為當前國內外煉化企業生產過程優化的研究熱點。

煉化企業過程流的管理與優化涉及生產、運營、決策三大重要環節。其中，生產環節是基礎，主要由過程優化和先進控制構成；運營環節是核心，主要包括供應鏈管理、銷售管理和財務管理；決策環節是關鍵，由市場預測和決策分析組成[1]。當前，生產環節的優化技術在控制程度上朝著過程系統閉環優化的方向發展，在優化深度上向著以最終產品為目標的原料分子結構的優化深入；運營環節中，供應鏈管理優化是研究熱點，利用人工智能技術，發展面向供應鏈的智能計劃調度系統是未來趨勢；決策環節中，在進一步發展完善數據倉庫、聯機分析處理、數據挖掘、模型庫、數據庫等配套技術的基礎上，未來將朝著與專家規則和推理相集成的方向發展，實現定性分析和定量分析的有效結合，提高不確定性決策的科學性和可靠性。由于煉化行業是技術密集行業，其生產過程尤為復雜，整體優化難度大，因此，近年來生產環節的優化又成為當前國際先進煉化企業過程優化的研究重點。

2 國際煉化過程優化關鍵技術現狀與發展趨勢

2.1 生產環節的優化技術

生產環節中，自20世紀50年代至今，煉化生產過程模擬、控制與優化技術領域已發展了穩態流程模擬與優化技術、動態模擬技術、先進控制技術、實時優化技術等，其總體發展趨勢主要包括以下3方面。

2.1.1 穩態流程模擬與優化技術不斷擴充模擬物系，并向微觀與宏觀兩個方向延伸

穩態流程模擬技術是指取得有代表性的穩態生產數據，采用適當的過程模擬軟件模擬實際的穩態生產過程，得到詳細的物料平衡和能量平衡，所建立的模擬模型可用于過程設計、過程改造、優化生產過程操作以及節能增效的重要分析工具[2]。經過50余年的發展，穩態流程模擬與優化技術已趨成熟，并得到較為廣泛的應用。據報道，Aspen Tech的流程模擬等軟件已為中國企業創造了數億元的效益。結合實際應用的需要，今后穩態流程模擬與優化技術的發展將呈現出一系列新的特征：

1）物性數據庫不斷擴充與完善，多相態流體模擬日益受到重視。

目前國內外大型的通用流程模擬系統數據庫的組分數目已達到2000種以上，為適應不同生產過程對流程模擬技術的需求，如潤滑油生產過程、聚合物生產過程等，有針對性地開發物性表征與模擬技術，發展氣、汽、液、固多相態的物性數據庫和模擬技術，是穩態流程模擬技術的重點發展方向之一。

例如，傳統潤滑油生產過程涉及溶劑萃取、溶劑脫蠟以及吸附精制過程，由于缺乏相關原料和產品的物性數據，目前國際上還無法實現對潤滑油生產過程較為精確的模擬。在化工方面，常用于聚烯烴生產全流程模擬的Po l y m e r Pl u s軟件由于數據庫有限，仍需通過文獻查找缺少的數據，同時，其熱力學模型無法將聚合物獨立成一個固相，不能同時進行聚合反應及單元操作的模擬，經過假定簡化的模型難以實現聚合物生產過程的精確模擬[3]。

為此，近年來國內外學者都在圍繞特定生產過程的穩態流程模擬技術開展研究，未來不斷擴充的物性數據庫以及不斷發展的多相態模擬技術將為穩態流程模擬技術的廣泛應用提供強有力的支持。

2）研究和應用范疇向微觀與宏觀兩個尺度延伸。

微觀方面，為了進一步發揮原料中每一個分子的價值，煉化生產過程優化的研究范疇已開始向分子水平深入，并以分子模擬為基礎逐漸實現“分子優化”。近年來，Ex x o n M o b i l公司實施并推廣了分子管理項目，利用其獨特的詳細組分模型和原料表征手段，模擬得到精確的產品分布以及各產品對化工裝置和煉廠效率的影響[4]，實現了低價原油的有效利用，降低了原料成本和操作成本，并通過實時優化每一股產品流，最大化高附加值產品的收率，效益顯著。在此基礎上，Ex x o n M o b i l公司不斷發展完善其分子管理技術體系，在未知原料及物流組分的預測等方面已形成多項專利，今后還將繼續深化發展。華東理工大學具有自主知識產權的基于分子管理的石腦油資源優化利用技術，從分子管理與產品工程的角度，通過分子篩吸附分離石腦油中的正構烷烴，使乙烯裂解與催化重整工藝實現合理的原料調配[5]。清華大學采用分子矩陣表征煉油生產過程相關的物流分子組成，建立了催化重整、加氫脫硫、汽油穩定塔和油品調和4個過程基于分子矩陣的過程模型，并利用物性-分子矩陣的轉換關系得到物流的物性，該方法既能夠提供比傳統虛擬組分模型更為詳細的分子信息，又能統一不同過程的虛擬組分與集總參數間的差異[6]。

宏觀方面，為了實現全廠流程的最優化，穩態流程模擬的研究和應用范圍已從單裝置模擬擴大到全廠生產過程與周邊生產企業和生活設施集成的大系統過程模擬。目前，K BC公司已為全球幾十個煉油廠和化工廠實施了全廠能量系統優化項目，節能和增效效果顯著。隨著企業對節能增效的日益關注，一些煉化企業正在探索將企業的低溫位熱源用于周圍生產和生活設施，實現循環經濟，較好地解決了資源綜合利用的問題。

2.1.2 先進控制技術從單一的控制策略向與過程模擬和實時優化相集成的方向發展

先進控制技術（A PC）是在現有D CS控制基礎上通過實時縮小與設定值之間的差距而實現挖潛增效的一種有效手段，它可以解決包括時變、非線性、大時滯在內的難以控制的化工過程問題，提高裝置的操作水平與經濟效益[7]。在世界范圍內A PC技術趨于成熟，在煉油化工裝置上的應用日益增多。據報道，國外80%~90%的煉化企業在重點裝置上投用了A PC技術，國內大型石化企業也相繼開發、應用了此技術，并獲得了很好的經濟效益，如齊魯石化常減壓、催化裂化、延遲焦化3套先進控制裝置投用后的年經濟效益超過2800萬元[8]。盡管A PC解決了設定值下裝置的平穩操作問題，但要使各個設定值成為最佳工藝條件，最大化經濟效益，則要求A PC與在線過程模擬和實時優化（RTO）相結合。根據A s p e n Te c h的數據，通過實施過程建模以及直接依靠模型的先進控制與優化，每年可增效400~1500萬美元[9]。韓國現代石化公司達山35×104t/a乙烯聯合裝置實施RTO和A PC構成的優化控制策略，實現節能8.5%，總效益增加11.7%[10]。新加坡煉廠重油催化裂化裝置在流程模擬的基礎上，采用In v e n s y s公司的ROM e o軟件進行閉環實時優化，實現年增效約600萬美元。先進控制技術與過程模擬和閉環實時優化的集成技術將替代單一的控制策略，成為重點發展方向。

2.1.3 實時優化配套技術不斷完善，從開環優化走向閉環優化

實時優化即通過監測生產過程的運行狀況，在給定的約束條件下及時調整操作，最大化經濟效益，包括在線優化、人工選擇性實施和在線優化、閉環自動反饋兩種，二者的數據均來自現場控制D CS系統，但前者的優化結果僅作為操作人員的參考，以確保操作的安全性；后者則首先對優化結果進行可靠性核查，確保安全后再將其作為設定值自動投入先進控制/D CS。據統計，早在1997年以前全世界已完成和進行中的閉環實時優化項目就有52套裝置，這些項目分布在美國、英國、荷蘭、瑞典和日本等國家[11]。目前，基于穩態模型的實時優化軟件主要有Aspen Tech公司的Aspen Plus Optimizer、Invensys公司的ROMeo和Honeywell公司的Pr o f i t M a x。但由于對實時優化而言，現有的通用過程模擬軟件的模型精度有限，其工程化的難度較高，國內在該領域的應用尚處于起步階段。隨著穩態流程模擬技術精度的提高、數據校正技術和操作參數的一致性檢驗等實時優化配套技術的深入發展，加上煉化企業現場檢測水平的提高，今后實時優化技術必將從開環優化走向閉環優化，從單裝置閉環優化走向全廠閉環優化。

2.1.4 煉化一體化快速發展，煉化企業盈利能力進一步提升

由于煉化一體化有利于原料的優化配置和綜合利用，目前國際大石油公司均將其作為降低成本、提升效益的重要手段。例如，Sh e l l公司通過煉化一體化建設，實現乙烯裂解原料的84.5%為煉油廠生產的石腦油和柴油，煉化一體化建設的乙烯生產能力達到282×104t/a以上。ExxonMobil公司通過裝置規模的大型化降低投資及生產成本，通過實施煉化一體化實現更高層次的節能降耗。Ex x o n的煉廠平均規模為776×104t/a，M o b i l為901×104t/a，位居世界前列。ExxonMobil公司80%以上的煉油裝置實現了與化學品或潤滑油的一體化，90%以上的化工能力與煉油裝置或上游氣體加工裝置相鄰一體化，實現了煉廠進料25%以上轉化為更高價值的石化產品，聯合企業回報率提高了2%~5%，產生了良好的經濟效益[12-13]。

國內方面，據統計，2010年千萬噸級煉化一體化企業有18個，形成了一定的規模，但與國外先進水平相比，煉化一體化程度較低，仍有很大的優化潛力。因此，對現有煉化一體化企業加強物料優化和能量系統優化，對新建項目結合資源特點合理規劃化工規模，從設計開始將煉油、化工進行能量系統優化和統籌考慮，以大幅優化資源配置、提高能源利用效率，將是今后的研究重點。

2.2 運營環節的優化技術

運營環節主要包括供應鏈管理、銷售管理和財務管理。目前，涉及財務管理和銷售管理等的企業資源計劃系統（ERP）已發展成熟并在國內外得到廣泛應用。據統計，國外排名前50名的石化公司、近90%的石油天然氣企業普及應用了ERP，國內中國石油、中國石化也進行了ERP建設，實現了企業內部的物流、資金流、信息流的整合，優化了資源配置。然而，ERP無法將產、供、銷直接集成并進行優化，還需要與供應鏈管理進一步集成，因此，以下著重闡述供應鏈管理的發展趨勢。

一般認為，供應鏈管理是在計劃優化的基礎上發展起來的，而企業生產計劃最終還需生產調度系統去實現，因此，計劃和調度系統是供應鏈管理的重要組成部分。計劃管理是根據市場需求進行生產、分銷、采購和庫存計劃的編制，解決生產資源的靜態最優分配；調度實施系統則是將有限的資源合理分配給各項計劃中的任務，解決生產資源的短期最優動態分配問題[1]。目前，美國70%的煉油廠、世界煉油加工總量的40%，都在使用生產計劃調度與資源優化軟件[8]。擁有全球最復雜供應鏈的ExxonMobil公司還專門實施METEORITE供應鏈項目以優化全球的調度、產品及原料運輸路線。中國石油、中國石化也在近年完成了煉化物料優化與排產系統的建設，有力支持了總部及各煉化企業的年度、季度、月度排產計劃制定，取得了良好的效果，但在煉化企業內部的生產調度管理方面，目前國內大多數煉化企業仍以人工經驗為主，已實施的調度系統主要著眼于調度的模擬，尚不能完整地求解實際生產調度的優化問題，難以從全局角度進行優化。

隨著經濟全球化的發展，基于供應鏈的綜合資源競爭成為企業之間的重要競爭之一，面向整個供應鏈聯盟的計劃調度系統既要考慮系統優化，又要考慮沖突、協調與決策，對生產運營各環節進行獨立管理和優化的方式以及傳統的人工管理模式已無法適應精細化管理的要求，因此，研究面向供應鏈整體優化的計劃調度優化技術，并融合人工智能技術，解決當前模擬型調度系統無法提供最優方案的問題，是供應鏈管理的必然趨勢。

2.3 決策環節的優化技術

決策支持系統（Decision support systems，DSS）是一種輔助決策過程的計算機系統，通常使用模型并通過交互和遞歸過程來建立，其決策過程中每一個問題的求解都需要采用人工智能技術[14]。在過去的30余年中，我國決策支持系統在政府宏觀管理、產業規劃與管理、水資源調配與防洪、資源開發利用、生態環境控制、金融投資決策以及企業生產運作管理等領域的研究與應用取得了不少成果，但在煉化領域的研究應用中，僅在石油儲運、煉化設備維修、運營計劃管理一體化優化等方面有少量報道。例如，有學者在建立基于遞推算法化工流程企業投入產出分析模型和基于時間序列市場預測模型的基礎上，構建了由銷售結構、銷售計劃、生產計劃、采購計劃優化模型及效益評價模型構成的化工流程企業運營計劃一體化優化模型體系，并結合D SS總體架構以及數據倉庫的建立、D SS運行系統功能模型、人機對話界面等的研究，在某化工企業中進行了應用，為企業運營計劃的整體優化提供了決策支持[15]。然而由于現有的人工智能系統知識庫規模有限，加上專家規則編制與調試工作量龐大，實用性較差、開發成本較高，仍需不斷研究發展新技術以進一步升級、完善。未來，智能決策支持系統將朝著數據倉庫、聯機分析處理、數據挖掘、模型庫、數據庫與專家系統相集成的方向發展，解決多重供應鏈環節業務復雜的綜合優化問題，例如，從原油生產到終端產品市場銷售的跨部門、跨地區、跨業務構成的上下游一體化優化問題。

3 啟示

研究國際煉化企業生產、運營、決策三大環節過程流的管理與系統優化，對我國加快提高煉化過程系統優化具有重要現實意義。

為了適應今后國內煉化業務快速增長對生產運營整體優化的技術需求，提升煉化企業經濟效益，縮小與國際先進水平的差距，在未來的一段時間內，需要重點做好以下6項工作：

1）要盡快發展形成自主的優化技術和現狀評價技術，如用能現狀評價技術。

2）培養石油化工與信息技術的復合型人才，建立企業自有的專家團隊，保障煉化企業生產、運營、決策各環節優化技術的實施效果，并為進一步發展煉化過程優化技術提供人才支持。

3）結合國際發展趨勢，加快以節能增效為主導的過程系統優化技術的推廣，包括離線模擬優化和在線模擬優化，為條件具備的企業盡快實現關鍵數據的現場動態測量，為實時優化打下重要基礎。近期內以離線模擬優化為主，在具備條件的企業內進行在線優化試點，并向實時優化方向發展。

4）加快先進控制技術在煉化生產裝置的應用步伐并與過程模擬和系統優化技術相集成，使在線過程模擬優化方案與先進控制有效結合，使優化效果得到更加充分的實現。

5）要加快專家規則的研究，緊跟人工智能技術前沿，發展計劃調度優化等智能化配套技術，加快智能型煉化企業的建設步伐。

6）要加快對煉化一體化系統優化關鍵技術的研發和應用，系統優化資源配置方案及加工方案，優化儲運及公用工程，提高一體化技術水平。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.005

游曉艷，2010年畢業于清華大學，從事能量系統優化工作，E-mail：xiehongjun@petrochina.com.cn，地址：北京市海淀區志新西路3號中國石油規劃總院，100083。

2012-01-13）