運籌學軟件CrystalBall在聯合化工生產過程的應用

屈澤中(萬華化學（寧波）有限公司315812)

增加產值、降低成本、縮短發展周期，作為決策者的高層每天都要面對這些目標并努力實現。沒有定量的風險分析，那我們在決策的時候就只能靠“差不多”、“大概”、“應該”這樣的模糊不清地進行。CrystallBall就是一款專門用于定量風險分析專業軟件。除了定量的風險分析，優化求解也是它的專項之一。本文著重介紹它在大型聯合化工生產計劃優化上的功能。

一、工藝流程簡介

該聯合化工公司的主要產品為Pro，CO、苯胺和甲醛是原料，CO為煤造氣工廠提供，苯胺由苯胺工廠提供。甲醛由甲醛工廠提供，甲醛的原料之一為甲醇合成氣，甲醇合成氣由造氣工廠提供，因此，整個聯合工廠的“氣源”為煤造氣工廠。

煤造氣工廠主要包含兩個工段：氣化和凈化工段，氣化工段主要原料是原煤與氧氣，水煤漿與O2反生成粗水煤氣，粗水煤氣通過物理處理分成兩股成分類似的氣體，分別經過變換爐和熱回收，從氣化爐中產生出來的氣體體積百分比分別為CO：38%,H 2：43%CO2：18%；

變換階段主要的化學反應如下：

CO+H2O---CO2+H2

氣體經過變換爐處理后，主要成分變成CO2+H2,經過熱回收處理的氣體的主要成分為CO和H2。該工序的流程圖如下：

凈化工序是煤化工工藝流程最復雜的部分，該工段的主要任務是：對氣化工段的氣體中的雜質進行提純，形成純的CO和H2及甲醇合成氣供下游工廠化學反應使用。甲醇合成主要反應式如下：

CO+2H2---CH3OH

H2與CO的理論體積比為2：1，考慮到實際反應過程中損耗及其他因素，實際配比一般為2.1－2.3之間。

其工藝流程如下：

二、CrysyalBall工廠建模

需要CO的生產線稱為碳線，需要H2的生產線稱為氫線，需要甲醇合成氣稱為合成線。

工廠數學建模總體思路：考慮到滿足在一定的負荷下的約束條件，從PRO產品到原煤進行逆向建立模型。建模過程如下：

Step1:建立碳線模型

由于煤造氣工廠有兩套CO冷箱(711與711B)，因此，將兩套CO的流量各自設置為決策變量。在CrystalBall軟件中設置如下：決策變量名稱為：原料CO。在設置邊界參數時，Low er:9000，Upper:20000，此為第一套冷箱的生產能力的上下限。

711冷箱提純CO的能力大約為85%，已知純CO流量后，進冷箱的CO流量為：純CO量/0.85，進冷箱的氣體為未變換氣，氣體的含量組分一定，CO與H2的組分比例為(NH2/NCO)=1.22。

根據物料平衡原理，氣體經過深冷精餾分離后，還有兩股氣體會排放出來，一股為富氫氣，一股為閃蒸氣，閃蒸氣中還還有主要是甲醇合成氣，富氫氣中含氫氣量比較高，因此該股氣一般情況是用于變壓吸附生產純氫氣，但考慮到甲醇合成氣配比可能氫氣不夠，該股氣體也可以給甲醇合成氣配氣。

富氫氣中CO的流量為冷箱進氣中CO流量的11.5%,富氫氣中的H2的流量為冷箱進氣中H2流量的87%。

第二套冷箱及分子篩系統工藝與第一套相同，只是冷箱出來的富氫氣只去704B系統。建模過程與第一套類似，這里不再敘述。截至到目前為止，碳線的數據模型建立完成，如下圖所示：

Step2:建立氫線模型

氫線：主要由低溫甲醇洗塔T1001的負荷來決定，氫線的建模按照從前往后進行。

在建模之前，需對T1001塔(以下簡稱T1塔)的工藝做簡單了解，變換之后的氣體進行T1001塔，脫除H2S、COS、H2O等雜質和部分CO2等酸性氣體，該塔有三處氣體采出，采出位置1為塔頂：氫氣含量極高的氣體，含量約為99.5%，用于下游的PSA生產氫氣；采出位置2為塔頂之下：氫氣含量稍低的氣體，含量為99%。采出位置3為塔頂第二層填料之下，H2含量82%，CO2含量約為18%，用于甲醇合成氣的配氣。

將T1001塔的采出三股氣量設定為決策變量，變量名稱：T1塔頂氫氣。Upper設定為：65000NM 3/H，Low er設定為40000NM 3/h；類型設定為：Continuous;變量名稱：T1塔頂甲醇合成氣。Upper設定為：30000NM 3/H，Low er設定為5000NM 3/h；變量名稱：甲醇合成氣CO2，Upper設定為：2000NM 3/H，Low er設定為0NM 3/h；

Step3：設定模型邏輯關系

采出位置1出來的氣體進入PSA系統生產氫氣，PSA系統根據處理氣體的流量和先后順序分為大PSA和小PSA，氣體進過大PSA后分為三股氣體，一股為提出后的純氫氣，一股為氫氣含量極高的解析氣，進行小PSA再次進行提純，一股為尾氣，排放至火炬。小PSA將大PSA的解析氣提純后也分為兩股，一股為較純凈的H2，重新回到大PSA入口，循環提純，一股為尾氣，排放至火炬。因此，在建模過程中需要注意：大PSA入口處的氣體有循環氣，需要迭代計算。根據實際情況進行建模。

除此之外，還有一股生產純氫氣的系統。在前面的描述中我們提到，704B系統有兩股進氣：既第一套冷箱與第二套冷箱的富氫氣，第一套冷箱的富氫氣可以選擇去704B或甲醇合成氣，因此，在建模過程中需要考慮這種變化。

氣體經過704B后分為三股氣體，一股為：純凈H2，作為苯胺生產的原料，一股為尾氣排放至火炬系統，一股少量氣體為甲醇合成氣配氣。

Step4建立合成氣模型

截至在目前為止，我們已知道有多股氣體流向甲醇合成線。甲醇合成氣最大的來源是與碳線平行的T1051塔，將T1051塔入口流量E55單元格設定為決策變量。變量名稱：T1051塔進氣。Upper設定為：40000NM 3/H，Low er設定為15000NM 3/h；類型設定為：Continuous;

經過T1051塔洗滌后，有效氣的摩爾組分為：NCO＝0.41，NH2=0.51，NCO2＝0.08。甲醇合成氣中各組分氫碳比的計算公式為：

(NH2-NCO2)/(NCO+NCO2)。

Step5確定預測變量

本次建模的最終目的，是要在滿足PRO負荷變化的情況下，最大化生產H 2。從以上建模過程可以看出，PRO負荷發生變化后CO需求量會發生變化，此時704B的進氣量會發生變化，碳線的氣量也會發生變化，甲醇合成氣中的CO含量會發生變化，生產過程受到各工廠及設備生產能力的限制。設定如下預測變量：預測變量1：總CO需求量。預測變量2：總H 2量;預測變量3：總有效氣量;預測變量4：甲醇對應PRO負荷,由于甲醇還需要考慮到多聚甲醛的生產，多聚甲醛按照年產2萬噸計算，剩余的甲醇用于PRO產品的生產。預測變量5：氫碳比。

Step6設置約束變量及最優化計算

在本案例中，第一套冷箱的富氫氣有兩種走向，對這兩種方案進行對比分析，看是否該氣體走向對最大化氫氣產量有影響。

方案1富氫氣去704B

選擇CrystalBall軟件，點擊OptQuest，設置目標為“總H 2量”最大化，需求條件有：“氫碳比”的均值在1.9－2.0之間，“CO總需求量”在27000－27500之間，即PRO負荷在102－104萬噸/年之間，“甲醇對應PRO負荷”在100－105萬噸/年之間。設置如下：

點擊“Nex t”,查看決策變量的設置情況，共有6個決策變量，“BaseCase”項為各決策變量在Excel表格中的初始值。點擊“Run”,結果如下圖所示：

在冷箱1的富氫氣去704B的情況下，滿足氫碳比、總CO需求量和甲醇對應PRO負荷的情況下，氫氣的最高產量為61349NM 3/h左右。約束條件基本上都達到上限值水平，詳細情況見OptQuestResults。

方案2：冷箱1的富氫氣配甲醇合成氣，將Excel模型中Q20單元格輸入“1”，其他條件不變重新對模型進行計算，計算結果如下：

小結

對比兩種方案來看，冷箱1富氫氣的走向對氫氣的產量有一定影響，方案1產氫氣量較方案2高，最大值之間相差約1700NM 3/h左右。從兩組方案對比分析可以看出，單元格U 23未達到約束上限，而D68一直處于約束上限水平，從Excel模型中可以看出，實際就是碳線未達到滿負荷生產，而氫線一直處于滿負荷生產。由此，我們可以得出以下結論和建議：

1.冷箱1的富氫氣給704B作為原料氣較去甲醇合成產氫氣量大；

2.想要進一步擴大氫氣產能，需將碳線的一部分生產能力轉移至氫線，需要進行改造。

3.碳線的負荷主要由T1051塔決定，因此，改造方案主要考慮將T1051塔進行改造或增大T1塔的能力。

利用CrystalBall不僅可以快速響應生產負荷的變化，而可以在極短的時間內生成最優的生產計劃，幫助企業降低成本。目前該數學模型已應用到企業的日常運營管理當中。除了可以幫企業分析流程中的關鍵瓶頸外，還大大減少了繁瑣的人工計算，提高工作效率。