動態實時優化在連續重整裝置中的應用

劉雙民 陳玉石 金煒 司翔宇

摘要：針對某公司連續重整裝置的工藝特點，開發工藝計算模塊、構建機理模型、搭建動態實時優化平臺，進行先進控制模型增益在線時時更新，以提升裝置控制水平。同時為進一步挖潛增效，針對連續重整裝置的優化空間進行深度挖掘，開發了三種加工方案切換的優化控制平臺，實現整個連續重整裝置的區域動態實時優化，總芳烴收率提高了1.5%，氫氣產量提高0.45%，能耗降低0.69%，年增效1700萬元以上。

關鍵詞：連續重整、先進控制、動態實時優化

前言

隨著大型煉油企業數字化智能工廠的建設，總的發展趨勢是生產執行系統（MES）、先進計劃調度（APS）系統到實時優化（RTO）、先進控制（APC）系統的有機整合，使企業能夠快速適應市場的變化，生產市場所需的高附加值產品，提高企業的競爭力和經濟效益。在這當中，實現一個實時的、穩定的、可靠的實時優化系統尤為重要。

石化行業在提高煉化企業的自動化水平，數字化和智能化生產方面一直在不斷的實踐和探索。先進控制及實時優化作為智能工廠建設中重要一環，也越來越受到大家的重視。但目前由于受到技術或應用水平的限制，極大部分的應用集中在先進控制層面，在線實施優化技術目前在煉油裝置上剛剛開始試點，如常減壓裝置、連續重整、S Zorb裝置等。[1]

1實時優化技術原理概述

當前實時優化技術分為兩類：一類是穩態優化，采用穩態機理模型，大多利用基于工藝機理方程的求解技術直接求解優化目標值，然后由下層的控制器控制到目標值;另一類是動態實時優化，采用動態模型，輔之機理模型或經驗模型對動態模型進行更新，然后利用動態模型進行動態實時優化，計算優化目標值和動態運動軌跡。

實時優化技術的應用可以實現物理實體和虛擬模型進行實時交互，并根據虛擬模型優化計算的結果指導裝置的動態控制，使生產裝置產生更大的經濟效益。實時優化技術利用數學和機理模型，結合原料、產品和公用工程的市場價格，依據煉油、化工裝置當前的運行狀態和裝置約束，實時模擬和優化裝置操作參數，并將優化結果傳送到先進控制系統，達到裝置效益提升或節能的目的。

工藝技術人員輸入實時優化計算所需的操作約束數據、原料分析數據和價格體系數據，實時優化系統（Real Time Optimization，RTO）會依據這些數據，并結合現場裝置的實時運行數據進行優化計算，最終將優化計算結果傳輸給先進控制系統（ Advanced Process Control，APC），將裝置的運行控制到最優的操作點上，真正實現了煉油化工裝置物理實體和虛擬模型的交互。

2 工藝流程描述

天津分公司連續重整裝置由預加氫單元、重整反應單元、催化劑再生單元、分餾單元、抽提蒸餾單元、芳烴精餾單元、產汽部分和公用工程系統組成。其中重整反應單元、催化劑再生單元采用Honeywell UOP第三代超低壓連續重整工藝成套專利技術，重整催化劑采用用中國石化石油化工科學研究院研制開發的PS-Ⅵ催化劑[2]。抽提蒸餾單元采用石科院開發的抽提蒸餾技術，以環丁砜為溶劑分別將重整C6/C7餾分油和乙烯C6/C7餾分油中的芳烴抽出，重整C6/C7餾分油的抽余油作為乙烯裂解料送往乙烯裝置，乙烯C6/C7餾分油的抽余油經預處理后進重整反應系統。

連續重整裝置在煉油企業中占有的重要的地位，在國、內外具有多套成熟的先進控制[3]應用，并且取得了很好的效果。但是重整反應過程非線性很強，難以用線性模型表征，因此需要利用機理模型模擬出裝置中個單元進出物料的溫度、壓力、流量和組分，表征出裝置實際運行的基本情況。再結合先進控制系統優化實際操作，為裝置實現智能化和精細化操作提供有效保障。在線優化技術在重整裝置上實施具有重要的開拓性意義。

2015年，天津分公司的連續重整裝置上已經成功實施了APC先進控制，應用效果已經得到裝置技術人員的認可，為下一步實施重整單元的整體優化建立堅實的基礎。

3動態實時優化技術設計

2019年天津分公司和石化盈科聯合對連續重整裝置的石腦油加氫預處理、重整反應器、催化劑再生、重整精餾部分，以提高重整生成油芳烴收率、裝置加工處理能力和降低裝置能耗為目標，進行連續重整在線實時優化技術應用開發。設計了三種優化方案和相應的三個目標函數：芳烴收率最大化方案、重整液收最大化方案、處理量最大方案，由操作指令在線切換完成目標函數在允許最大移動范圍內將決策變量移動到新的最優點。在重整裝置上實現了多單元整體在線技術優化，在國內尚屬首次。[4]

首先對已經實施了先進控制的100單元、200單元的控制器進行了符合區域實時優化要求的控制策略調整;同時新建了重整裝置總經濟目標產值控制器，并開發了300單元的再生多變量控制器，使控制器功能更加完整，以便更好地服務優化平臺;再利用工藝專利商UOP的重整工藝計算包對國產催化劑[3]進行相應模型參數調整，用于表征裝置反應及精餾部分的非線性特征，基于嚴格機理的精餾塔Unisim模型進一步對上述裝置增加工藝參數計算;結合先進的在線模型增益更新技術和Profit Optimizer動態實時優化技術，實現了增益計算值實時更新控制器增益，在國內首次完成了連續重整裝置分鐘級的區域協調動態實時優化。提高了裝置加工處理能力和重整生成油中的芳烴含量、提升了裝置運行平穩性及控制水平、降低了操作人員勞動強度，實現了裝置的精細化和智能化操作。

重整工藝計算包集合了重整工藝機理模型，并集成在先進控制和優化運行平臺中。利用重整機理模型，收集過程參數和分析儀的進料組分信息，計算出重整反應產品中芳烴的含量、催生劑上的積炭百分比（含焦率）、結焦速率（結焦率）等的關鍵參數并提供實時模型增益計算輸入到先進控制層和優化層，克服反應過程的非線性。

UniSim Design是流程模擬軟件，在設計模型的時候有專門的算法模塊，模型開發組成可根據實際裝置的單元劃分。針對汽提塔、脫戊烷塔和脫丁烷塔等部分，在UniSim過程模擬和優化組件中建立工藝模型。在統一的實時運行平臺URT的調度下，從工藝模型中實時提取模型增益并實時更新先進控制模型和優化模型，結合實時的過程反饋信息使它們很好適用于非線性的工藝過程控制和優化。

在裝置優化層面，采用Profit Optimizer進行區域-動態協調和優化。對各先進控制器之間的交互影響，通過建立橋模型、源-克隆模型來反映。設立全局變量如芳烴總收率等，使多個控制器可以協調聯動。實現了分鐘級高頻次優化。同時優化器與APC聯合求解，使動態優化的每一個優化解都滿足動態約束，在APC層都為可行解，從而實現區域-動態實時優化。

4 應用效果分析

天津分公司連續重整裝置在線實時優化技術于2020年8月正式投運，投用效果良好，對比見圖3、4、5及表1;投用率達到95%以上。經過標定裝置總芳烴收率提高了1.5%以上，氫氣產量提高0.45%，能耗降低0.69%，年增效1700萬元以上。應用效果明顯，整體技術達到國際先進水平。

4 結束語

煉化企業連續重整裝置在線優化技術在天津石化企業的成功實施表明，基于動態實時優化技術、UOP的重整工藝計算包對國產催化劑進行相應模型參數調整、基于嚴格機理的精餾塔Unisim模型和先進的在線模型更新技術，在國內連續重整類裝置上在線實施優化是可行的。

隨著國內對環保要求提高，對低硫、低烯烴、高辛烷值汽油需求增加，同時下游企業對芳烴和煉廠對低成本氫源等需求增加，利用在線優化技術提高重整裝置的生產能力、提高重整反應的芳烴收率/辛烷值或提高重整裝置的液收，具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]劉志文（中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司化工一廠），侯晶.實時優化（RTO）技術在燕山乙烯裝置的工業應用[J].自動化博覽，2013，（09）： 102-104.

[2]鄧克林.中國石化天津石化分公司芳烴聯合裝置全面應用自主知識產權催化劑[J].石化技術與應用2010，（09）：343

[3]趙凌燕（石油化工科學研究院），房韡，邱建章，等.連續重整裝置的先進控制研究與應用[J].中國石油和化工標準與質量，2011，（11）：281-282.

[4]呂建新.中石化天津分公司連續重整裝置應用在線優化技術實現同類裝置首創[J].中外能源，2020，（09）：40.

作者簡介：劉雙民 （1970-），通信作者，男，河北黃驊人，大學本科，高級工程師，目前從事煉油技術質量管理工作。