煉化行業價值鏈之實時優化

文／吳小任

實時優化以優化企業效益入手，推動煉化行業可持續發展。

在日常運營中，煉化行業的價值鏈相當復雜，需要多個專業團隊通力協作才能實現總體經濟效益的最大化。從生產端看，煉化行業又是典型的超長流程行業，系統內變量強耦合、非線性、大滯后，原料物性變化、負荷變化、燃料氣熱值波動等因素都會對工藝運行產生影響。

所以，在保證安全生產并穩定產品質量的前提下，在工藝流程工作中獲得最優經濟效益是企業在運營中努力追求的目標，而實時優化（Real Time Optimization —RTO）就是其中的一項關鍵技術。

實時優化能做什么

嚴格在線實時優化解決方案，是建立在開放方程基礎上的數據實時獲取、綜合數據整定、模擬、在線實時開環優化、在線實時閉環優化等綜合先進應用解決方案。在日常生產工作中，實時優化能夠更好地響應原料物性的變化、更好地響應工藝的擾動、更好地響應下游處理裝置的負荷變化及產品質量變化、更好地接近工藝的約束、降低單位產品能耗。

通過這些功能來將各生產環節有效貫通，從而實現裝置的區域優化和效益最大化。

實時優化怎么做

實時優化依據計劃調度的要求，結合當前工況、各項財務數據及裝置的各種約束條件，通過機理模型得出工藝運行的最佳工作點，傳遞給下層的先進控制（Advanced Process Control-APC），最后通過過程控制實現裝置運行的最優化。

實時優化的實施，首先要做流程模擬，即以設計數據為依據開發全流程的機理模型（即全流程的數字孿生）。這需要嚴格的熱力學模型和穩態模擬技術，特別是完整的物性數據庫的支撐，目前大型的通用流程模擬系統數據庫的組分數目已達到1700種以上。化工模型的高度非線性是考驗實時優化軟件的一個關鍵。

模塊開發完成后，實時優化要通過四步完成，一般情況下以小時級的間隔給出一組優化值。首先要讀取各類工藝實時數據，判斷目標流程是否工作在穩態，若在穩態條件下，則轉向第二步。在第二步中進行數據整定，以儀表數據為依據進行偏差核準，還原生產實際。第三步是機理模型參數的更新。第四步是優化計算，即在給定的優化范圍內，尋找經濟效益最高的參數，實現全局最優。

為保證實時優化的順利實施，還需要滿足幾個重要條件。首先，在實施過程中要保障現場儀表數據的可靠和準確，并且盡量減少模型中未測量變量的估計數。其次是運行良好的先進控制APC。APC解決的是裝置的平穩操作問題，由系統自動在約束區間內高頻調整，而實時優化是在約束范圍內找到最優參數。APC在不影響生產平穩下，要盡量貼近最優化參數，兼顧實現經濟效益最大化和生產安穩長滿優。

在實時優化和APC的組合中，效益的60%-70%是由實時優化貢獻的。實際操作時，將實時優化和APC統一實施會達到一個比較好的效果。在這種模式下，要控制優化策略統一，保持項目實施界面清晰。當實時優化不運行時可迅速切回APC，不影響裝置運行，必要時可以改變APC原有的控制方式，從而保證APC與實時優化合理的聯動。

對于PID控制，PID參數的整定不可或缺。大多數工廠都設有實時數據庫（Realtime Database - RTDB），采用RTDB作為實時優化、PID整定和APC的接口，可以降低DCS的數據讀寫量，避免對DCS產生過多干擾，同接口部署也使APC和實時優化的聯系更緊密，以保障實時優化的優化參數得以執行落實。

供圖/施耐德電氣

實時優化的應用實踐

實時優化除了適用于反應器模型及各類裝置（烷基化、催化裂化、重整、加氫精制、加氫裂化、減粘、延遲焦化、異構化等）外，還可以適用于其他通過優化關鍵操作參數以提高產率、降低能耗的場景。

以南方某石化公司為例。這是一家擁有千萬噸煉油、百萬噸乙烯的特大型石化企業。其乙烯裝置使用施耐德電氣的實時優化軟件ROMeo（Rigorous On-line Modeling with Equation-based Optimization），對于裂解爐、急冷區、汽油汽提塔和凝液汽提塔進行在線閉環優化。

方案中利用SPYRO軟件優化乙烯裝置裂解爐原料，同時優化裂解爐運行參數，以效益最大化為原則進行優化。先建立價格體系，模擬乙烯、丙烯、丁二烯等產品的市場價格；中間產品通過建立數學模型進行計算；價格體系建立后，對裂解爐爐管出口溫度、稀釋蒸汽比進行優化，以得到最佳操作點。

ROMeo除了調用SPYRO模型對裂解原料和爐管輻射段進行模擬以提升時效性以外，還結合全局約束與全局效益最大化的目標進行了統籌優化。另外，根據用戶需求分析，定制優化目標，切實滿足客戶希望生產效益最大化的需求。從時效性、覆蓋范圍、優化策略三個方面的改進來更高效地指導生產，為企業帶來更大的效益。

本方案中設立實時優化變量70多個，配套APC控制器（采用施耐德電氣的APC軟件）20多個。在一個月的標定期內，實時優化變量有效投用率達100%，APC的綜合投用率接近100%。核算總體經濟效益超3000萬/年。目前該方案已經連續運行數年，達到世界領先水平。

再舉一個海外的案例。韓國某特大型合資煉化企業，其實時優化的實施是分步進行的。從2014年的4#常減壓開始使用施耐德電氣的ROMeo，先后在四套常減壓裝置、兩套重油催化裂化裝置、兩套加氫裂化裝置、兩套芳烴裝置以及聚丙烯裝置上使用了施耐德電氣的ROMeo和APC軟件，均取得顯著的經濟效益，其中僅4#常減壓裝置的年經濟效益就達430萬美元。多年的分步實施培養了有經驗的操作人員和實施人員，為該企業業績的持續優良打下了堅實基礎。

實時優化是全價值鏈優化中的一項關鍵技術，除了在線優化，還可以做離線情景模擬、儀表設備性能診斷、全廠公用工程優化、給計劃模型更新LP結構等等。實時優化通?？梢宰龅揭荒陜仁栈厝客顿Y。選擇有良好業績的實時優化軟件，配以經驗豐富的實施團隊，就能取得滿意的效果。

目前，中國經濟正轉向高質量發展階段，雙碳目標的提出和能耗雙控的要求，對于煉化行業既是挑戰也是機遇。以實時優化入手，從全價值鏈的角度實現企業經濟效益的最優化，能夠有效推動煉化行業的可持續發展。