煉油裝置流程模擬及優化系統設計與應用

楊小健，孫忠瀟

（南京工業大學電子與信息工程學院，南京210009）

1 前 言

近年來原油重質化、高硫化、高酸化趨勢越來越明顯，我國煉油企業正面臨前所未有的深層次挑戰。借助于計算機技術的發展，流程模擬技術的應用已經取得了一定的成效［1－2］。但是煉油產業的信息化問題始終缺乏一個完善的模擬與優化方案，難點在于生產裝置產生的數據量巨大，數據庫種類不一，裝置模型的機理復雜，并且現行的模擬軟件在全流程模擬和優化上存在缺陷：大部分軟件難以達到高精度，部分基于分子結構集總的反應器模型卻存在與分餾部分所使用的餾程集總不兼容的問題；煉油流程模擬軟件操作復雜，不依靠外部計算支持難以單獨實現全流程優化，更無法給煉油生產以合理化的生產指導。因此進一步提高煉油流程模擬技術勢在必行。為解決上述問題，本課題設計出一種煉油流程模擬與優化系統，旨在綜合利用分布廣泛的裝置資源和數據資源，解決反應器與分餾部分集總不兼容的問題，以提高系統應用效率，從而為優質優產提供可靠的優化方案。

2 煉油裝置流程模擬與優化系統架構設計

當前流行的煉油流程模擬軟件包括Aspen Plus，HYSYS，PRO/II，Unisim等，在各個煉油企業中應用廣泛［3－5］。但是共同存在著一些缺點：①反應器模型使用的集總與分餾部分使用的集總不同，導致無法實現兩部分模型結合時的自動轉換，從而無法實現真正意義上的全流程模擬；②沒有為用戶考慮數據采集的接口，用戶必須通過繁雜的操作與數據處理運算才能得到有效的穩態數據，然后手動填入到對應的位置上；③大部分流程模擬軟件的輸入信息量大，且界面布局分散，使一般用戶難以熟練掌握其使用方法，工作效率低下；④當采用分餾部分實沸點集總時，無法準確計算出一些由原子結構數據推算出的信息，如重石腦油的芳構值。

為解決煉油裝置流程模擬軟件存在的問題，本課題提出一個新的煉油裝置模擬與優化系統架構，見圖1。該系統包含數據采集和處理、流程模擬與優化、人機接口三個模塊。數據采集和處理模塊能夠采集實時位號數據庫和實驗室化驗數據庫中的設備數據和生產實時數據［6－7］，對這些數據做平滑濾波處理以及消除顯著誤差處理，并具備自動傳輸到流程模擬模型的功能。流程模擬與優化模塊主要實現煉油裝置的流程模擬與優化功能，同時集成了不同集總自動轉化功能以及智能建模模塊。智能建模模塊主要針對集總轉換后可能造成的分子結構信息缺失的情況，利用大量歷史數據來擬合內部關系，并預測產品指標。此外，還提供一個優化數據產生的接口，可與人機接口模塊相連接。

為了克服現行模擬軟件頁面多、輸入參數多且分散、難以被工作人員熟練掌握的難題，引入并開發了人機接口模塊，將所模擬的裝置流程圖展現在導航欄中，對應的裝置上有鏈接可以跳到對應的裝置信息輸入頁面，從而集中方便地對該裝置的參數進行調配輸入；啟動模擬到運行結束后，產品的物流信息、餾程數據和質量數據也會在對應的表單上清晰地列出，方便用戶查看；此外還為用戶進行優化生產提供分析界面和工具。

圖1 煉油裝置模擬與優化系統架構

3 煉油裝置流程模擬與優化系統的實現

3.1 數據采集與處理模塊

實驗室化驗數據庫中的分析數據一般需要儀器分析和人工記錄，數據間隔時間較長，單位為h。而實時位號數據來自現場DCS系統，采樣頻率高，單位為s。為解決不同數據采樣時間上的不對應問題，利用穩態檢測技術自動在現場實時位號數據中找到平穩操作階段，即工況穩定保持的時間段。然后在實驗室化驗數據庫中搜尋相同時間段內的質量數據，通過顯著誤差消除與濾波，得到用于穩態建模的完整數據。整個過程通過編寫腳本文件可以自動執行，并為用戶提供時間段選擇接口，只要輸入采集起始與終止時間，該系統就可以從各個數據庫中抽取該時間段內的實時數據和分析數據，經過平穩處理，自動填入已與模型輸入相連接的表單中，同時生成數據表格報告。

3.2 流程模擬與優化模塊

煉油裝置主要由反應部分和分餾部分構成（部分裝置只包括其中一部分），前者發生化學反應，后者主要發生物理變化?，F行的很多流程模擬軟件有些帶有封裝好的反應器模型，有些不提供，需要根據機理自編反應器模塊。這些模塊內嵌的描述反應機理的動力學方程使用的集總多是以分子結構劃分的，用分子結構的變化來表征反應器中的化學反應。分餾塔模型一般不含化學反應，主要是根據物流的沸點來分割出餾程不同的產品，為了精確分離產品必須使用實沸點集總，在連接為完整模型時與反應器模型使用的基于分子結構的集總存在兼容性不佳的問題，即使使用模擬軟件自帶的閃蒸計算轉換方法也會造成較大的誤差。為解決該問題，利用文獻［8］中提供的物性計算公式計算出集總轉換后的各個物性數據。但是為了實現整套裝置的優化計算，必須要實現全套裝置的連貫運行。采用VBA編寫集總自動轉換代碼嵌入餾程模擬軟件的方法實現反應集總到分餾集總的自動轉換。集總自動轉換使得整個模型可以完成任意工況的模擬，可以彌補不轉換情況下餾程模擬不準確的問題，為優化分析提供前提。

對于以分子結構集總為基礎的分子模型，其蒸餾曲線不連續，導致計算餾程數據有偏差；對于以實沸點集總為基礎的模型，在保證實沸點連續的情況下，卻會造成PONA值計算不準確。為了解決這個問題，本模塊集成了智能建模子模塊，以數據庫中采集到的數據作為建模基礎，進行智能建模，結合模擬模型計算出的數據對某些無法直接計算得到的指標進行預測。智能建模模塊可采用反向傳播（BP）神經網絡，該網絡包含輸入層節點、輸出層節點和隱藏層節點，是一種不含反饋的前向網絡，它可以實現從輸入到輸出的非線性映射。根據數據庫中提取出的數據對網絡進行訓練，擬合出輸入、輸出之間的關系，然后根據模型模擬結果作為網絡輸入，得到預測的輸出。可以采用COM技術完成模塊接口的銜接，通過VBA技術將網絡的擬合關系嵌入到模型中，實現該智能模塊與流程模擬優化模塊的連接。

以上各個子模塊共同構建了一個能夠進行煉油裝置全流程模擬與優化的模塊。為了擴展和豐富該系統的功能，在流程模擬優化模塊里提供一個基于外部功能的擴展接口，可以通過VBA編程為擴展出新功能模塊提供可能性。

3.3 人機接口模塊

人機接口模塊包括導航界面、模擬輸入界面、結果查詢界面以及優化分析界面。導航界面為用戶呈現模擬裝置的流程圖，并配有超鏈接連接到模擬輸入界面中對應裝置的輸入表單，表單中的單元格連接到模擬模型的輸入單元。該模塊為一般操作人員降低了流程模擬軟件的使用門檻：將原本布局分散的輸入、輸出方式轉化為集中表單式輸入，使用戶一目了然，使用起來更方便。在此基礎上，用戶可以通過優化分析界面進行優化操作分析，為解決實際復雜工業過程的優化提供合理化建議。通過優化接口模塊，可以將流程模擬的模型與人機界面有機聯動起來，用戶可以給出向量賦值到某個參數中，人機界面可以自動賦值啟動模型運算，待運算結束后，將關注的結果返回到界面上，供用戶查看計算結果以及變化趨勢。

4 應用案例

煉油裝置流程模擬與優化系統在某加氫裂化裝置上進行了應用。該裝置的反應器部分由精制器和裂化器串聯構成，經過高、低壓分離器，進入脫戊烷塔，然后再經過兩個分餾塔分餾出各個產品。加氫裂化裝置流程示意見圖2。

圖2 加氫裂化裝置流程示意

使用數據采集與處理模塊從各個數據庫里采集數據，經過顯著誤差消除與濾波算法處理，將數據送入到模型輸入接口的同時，以Excel的格式產生易于閱讀的數據報告。

在流程模擬部分，使用HYSYS軟件建立加氫裂化流程的模型（包括反應器模型和分餾塔模型），輸入包括原料油性質（種類、組成、餾程、密度、硫含量、氮含量等）和操作可調參數（反應器進料量、氫油比、反應器各個床層入口溫度、催化劑的活性系數等）。輸出包括產品的產量、溫度、餾程、密度以及質量信息［尾油BMCI、重石腦油的芳構值（N＋2A）等］。

反應器模型根據以上輸入的進料信息進行基于分子結構集總的計算，得出反應產物（即進入分餾塔的生成油）的餾程、密度、質量、體積等數據信息。分餾塔模型以實沸點集總為基礎進行運算，實沸點集總中的每個組分按照餾程每5℃切割出一個虛擬組分，每個虛擬組分由6種物性（平均相對分子質量，液體密度，臨界溫度，臨界壓強，臨界體積，偏心因子）來表征。這些虛擬組分的物性數據計算方法如下：對進入分餾塔的生成油的離散餾程信息（餾程溫度和餾出體積分數）進行拉格朗日樣條插值得到反應器產物的蒸餾曲線，結合反應產物的質量流量和體積流量，按照文獻［8］中的物性計算公式，采用VBA技術在HYSYS腳本編輯器中嵌入集總轉換計算代碼，計算出實沸點集總中各個虛擬組分的物性信息，再將反應器模型與分餾塔模型連接起來使物性信息得以傳遞，從而實現兩個不同集總的自動轉化。以噴氣燃料為例，有集總轉換模型與不帶集總轉換模型的餾程模擬值與實際操作值的對比見圖3。從圖3可以看出，帶有集總轉換模型的模擬精度較高。

圖3 不同模型噴氣燃料餾程模擬精度對比— —不帶集總轉換的模擬值；— —帶有集總轉換的模擬值；●—實測值

在以Excel方式簡化模型操作的人機接口模塊，用戶通過導航界面進入數據輸入界面，查看數據采集模塊導入的數據或手動修改數據，待數據輸入完整后，點擊按鈕控件啟動模擬模型進行全流程模擬。模擬結果直接在人機接口的結果查詢子模塊中查看。

在分餾模型子模塊中，分餾塔模型是基于實沸點集總計算的，由于不知道重石腦油中的環烷烴和芳烴的質量分數，無法準確得出某些基于分子結構計算的質量指標（如重石腦油的芳構值）。因此，在智能建模模塊中采用BP神經網絡技術，根據數據庫中的數據訓練網絡后，再以分餾塔產品物流的模擬結果作為網絡輸入預測重石腦油的芳構值。重石腦油芳構值預測值與實際值的對比見表1。從表1可以看出，該智能模塊對實際裝置重石腦油的芳構值預測的相對誤差在1%以內。

人機接口界面的優化分析可以使用戶更自如地應對和掌控各種生產情況，根據當前市場行情，對生產做出相應調整，從而產生更大的經濟效益。如欲提高噴氣燃料產品的產量時，調整反應器入口溫度可以改變加氫裂化反應深度，但是調整到多少能實現增產噴氣燃料，僅憑經驗不足以得出結論。可以將可行的某床層溫度參數值以向量的形式輸入優化分析界面，經過后臺模型計算后，給出各種輸入情況下的所有產品的指標，從而協助廠方指定調整方案，提高生產效益。

表1 重石腦油芳構值的預測數據

5 結束語

煉油裝置模擬與優化系統是計算機流程模擬技術和煉油技術結合的產品，該系統集數據采集處理、流程模擬與優化、人機界面接口等計算機技術和神經網絡技術為一體，能夠極大地提高工作人員對裝置能力的認識和使用模型的效率，協助工作人員對生產做出決策。使用該系統能夠得到有效的生產解決方案，提高生產效率，創造巨大的經濟效益。

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