數字孿生技術在提高LPG回收率方面的應用探索

石涵 郭偉 樊春明 岳彩利 王彬

一、引言

數字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學科屬性，具有實時同步、忠實映射、高保真度特性，能夠實現物理世界與信息世界交互與融合的技術手段。隨著數字孿生車間概念的提出，數字孿生在智能制造中的應用潛力得到越來越多的關注。強調實時監控物理實體的變化，利用虛擬模型精確模擬物理實體，從而優化實際系統的操作。石油化工領域實現數字孿生應用需要融合的關鍵技術包括：流程模擬技術、傳感和監測技術、機器學習技術、實時優化技術、數字孿生平臺技術等。

由于國內的實時優化技術起步較晚，目前還沒有成熟的商業化系統平臺誕生。國外成熟的商業化平臺有AspenTech公司的RT-OPT平臺和Schneider Electric公司的ROMeo平臺。實時優化系統涉及的裝置主要在乙烯、常減壓、催化裂化和連續重整等煉油化工裝置，天然氣加工領域還未有實時優化系統實施的先例。

中海油某天然氣加工終端，設計加工能力66億立方米/年。天然氣外輸近50億立方米/年，液態產品銷售70余萬噸/年，是亞洲最大的天然氣處理終端。海上來氣經過脫碳、脫水、制冷、分餾等工藝之后產出干氣、丙烷、丁烷、液化氣、穩定輕烴、穩定凝析油等產品。該終端由于海上來氣組成變化以及環境溫度變化等因素，LPG回收率仍有提升空間，本文將采用斯倫貝謝的數字孿生技術進行提高LPG回收率的有效途徑研究。

Process Advisor是斯倫貝謝公司開發的生產加工過程的數字孿生系統，它結合了斯倫貝謝九十多年的油氣生產經驗，以及最先進的過程模擬技術平臺Symmetry。本文將使用Symmetry軟件特有的天然氣加工專用熱力學方法以及單元操作，首先利用設計數據建立制冷單元及分餾單元的嚴格的機理型基礎模型，然后利用標定數據對建立的基礎模型進行整定，最后根據海量的生產數據確立裝置的實際生產模型。在此基礎上，根據裝置的實際模型、當前的原料及產品價格，公用工程價格以及相關的設備制約條件，以LPG回收率為目標優化計算，尋找最佳操作條件，從而提高LPG回收率。

二、熱力學方法選擇

本文選擇Symmetry平臺特有的熱力學方法為Advanced Peng-Robinson for Natural Gas 2， 它是斯倫貝謝開發的天然氣加工專用的熱力學方法，包含了天然氣行業最新的科研成果，與其他熱力學方法相比，計算結果更準確可靠。該熱力學方法已經成為國際油氣加工協會推薦的方法。

本文建立的模型還能夠對天然氣加工所需要的物性（例如熱值、華白指數、露點、蒸汽壓等等）進行詳細計算；并能夠進行干冰、天然氣水合物、結蠟等固體的形成預測，滿足產品質量指標約束需求。

三、數字孿生模型的開發

本文首先利用設計數據建立制冷單元及分餾單元的嚴格的機理型基礎模型（見圖1），然后利用標定數據對建立的基礎模型進行整定，最后根據海量的生產數據確立裝置的實際生產模型。

將操作工況模型的計算結果與實際生產數據進行了對比，結果表明關鍵的工藝參數誤差小于5%，關鍵的操作溫度誤差<5℃，數字孿生模型與裝置實際運行匹配度高，在此基礎上進行優化具有較高的可靠性。

四、數字孿生模型優化器開發

（一）優化目標、操作變量和約束變量的選取

本天然氣處理終端的主要任務就是對海管來氣進行脫水、脫二氧化碳處理，在確保天然氣熱值的前提下最大限度回收高附加值的LPG，從而提高經濟效益。因此本文的優化目標為最大化LPG回收率。

制冷單元以膨脹機減壓膨脹制冷為系統提供冷量，通過冷箱換熱調整各流道溫度，從而改變組份間的相對揮發度，從而實現分離提純。因此選取冷箱各流道的出口溫度為操作變量。脫乙烷塔將天然氣中的C2+成分與甲烷進行分離，較低的塔釜溫度可以提高LPG的回收率，但是會使得液化烴中的甲烷含量升高，從而降低液化烴的飽和蒸汽壓，使得產品質量不合格，過高的塔釜溫度會使得C2+成分進入天然氣產品，從而降低LPG收率，降低裝置效益。因此選取脫乙烷塔塔釜溫度為操作變量，可以尋找最優的塔釜操作溫度在確保液化烴飽和蒸汽壓合格的條件下最大化LPG回收率。

液化烴的飽和蒸汽壓及C2含量有明確的產品指標要求，操作條件改變勢必要影響該指標，因此將該指標作為約束條件。

（二）優化器開發

本文利用Symmetry軟件中的優化工具開發工藝操作條件的自動優化計算模型，本文設定的目標函數是LPG回收率最大化，根據先進控制系統APC控制器設定和工藝原理設定的操作變量包括冷箱的出口溫度、脫乙烷塔的塔底溫度等，設定的約束條件是設備的約束條件以及產品質量指標。優化算法采用Nelder-Mead。詳細設置如圖2所示。

（三）優化計算結果：

從圖3中可以看出，通過操作條件的優化，裝置的LPG回收率可從93%提高到95%左右。按照干氣與LPG的差價計算，預計操作條件優化后可取得經濟效益上千萬元/年。

五、模型在線化

數字孿生技術是全流程優化控制技術發展到現階段最先進的優化技術，其把最優化技術應用于化工生產過程控制，在滿足各項生產技術指標的要求下，24小時不間斷的自動尋求使目標函數達到最優的一組操作參數，對工藝參數進行最佳設定，并在線下發給APC（先進控制）生產系統，持續的將裝置推到最佳的操作狀態，本文通過OPC接口將DCS系統與數字孿生系統進行數據傳輸，通過Python語言開發模型在線化實時控制序列程序，自動的定時將DCS數據輸入數字孿生模型，并自動控制數字孿生模型的數據處理，優化計算，優化結果輸出，以及各種安全邏輯判斷，確保系統的持續運行以及裝置安全運行。

六、研究結論

本文利用斯倫貝謝的工藝加工數字孿生技術（Process Advisor）， 對某天然氣加工終端進行在線化數字孿生技術探索實踐，建立了核心加工單元實際生產工況的嚴格機理性模型，進行了提高LPG回收率的研究，研究結果表明通過優化工藝操作條件，可以提高該終端的LPG回收率，并可取得顯著的經濟效益。本套系統是國內天然氣處理終端第一套在線化數字孿生系統，對其他天然氣處理終端數字化應用具有重要的借鑒意義。

作者單位：石涵、郭偉、樊春明 中海石油深海開發有限公司

岳彩利、王彬 斯倫貝謝科技服務（北京）有限公司