实时优化技术在乙烯装置在线优化中的应用

赵毅，李超，田健辉

（石化盈科信息技术有限责任公司，北京 100007）



实时优化技术在乙烯装置在线优化中的应用

赵毅，李超，田健辉

（石化盈科信息技术有限责任公司，北京 100007）

摘要：乙烯产业是重要的石化基础产业，对国民经济、石油化工产业及工业社会起着举足轻重的作用，近年来在我国经济增长过程中保持着蓬勃发展的态势，但是，由于我国乙烯生产总体技术水平的相对滞后以及乙烯工业所供原料复杂等因素，导致我国目前乙烯装置与世界乙烯生产先进水平存在一定差距，为了减小这一差距，达到世界先进水平，离不开工业过程自动化和运用实时优化技术。为此，本文介绍了实时优化技术的国内外发展现状和该技术在乙烯装置的应用情况，并通过实时优化系统的实施，建立了乙烯装置的全流程严格机理模型，可以实时跟踪乙烯装置的生产情况，持续不断对装置进行在线优化，使装置的操作达到最佳的经济效益操作点，此外，在优化中以装置的原料、产品和公用工程等价格为导向，对全装置生产过程自动操作执行，减少了优化计算和结果执行中的人为干预。分析表明实时优化技术有效实现了乙烯装置增产、节能和降耗的目标，可为乙烯生产企业创造新增经济效益。

关键词：实时优化；在线优化；先进控制；乙烯装置

乙烯产业是重要的石化基础产业，对国民经济、石油化工产业及工业社会起着举足轻重的作用，近年来在我国经济增长过程中保持着蓬勃发展的态势[1]。然而，由于我国乙烯生产总体技术水平的相对滞后，以及乙烯工业所供原料复杂等因素，导致我国目前乙烯装置与世界乙烯生产先进水平存在一定差距[2-5]。为了减小这一差距，达到世界先进水平，离不开工业过程自动化和运用实时优化技术（real-time optimization，RTO）。

目前，发达国家的乙烯装置已经完成了先进控制系统的实施，正在进行以乙烯装置效益最大化为目标的实时优化技术的开发和应用[5-6]。美国康菲石油公司应用Aspen Tech公司的RT-OPT技术完成对乙烯全厂的实时优化，RT-OPT建立了18000个方程联立求解，每次运行需45min，实时优化系统经过一年的投用，收回全部投资[4]。日本出光石化公司利用Schneider Electric公司（2013年Schneider Electric收购Invensys）的ROMeo（rigorous online modeling and equation-based optimization）实时优化系统[7]，对乙烯装置进行精确模拟，整个计算过程大约需要2h，可以提高乙烯产率0.35%。

我国在乙烯装置先进控制（advanced process control，APC）和实时优化技术方面的应用和研发起步较国外滞后，但近几年也取得了显著的成绩。华东理工大学钱锋教授的团队成功开发了扬子石化裂解炉先进控制和实时优化系统，通过现场实施，优化了原料的利用，提高了高附加值产品的产率，减少了能耗和物耗[8]。中国石化燕山分公司采用Aspen Tech公司的RT-OPT技术实施乙烯装置实时优化，据统计分析，实时优化系统上线17个月，所带来的效益增量在3000～6000万元[9-10]。吉林石化公司乙烯装置采用了ROMeo实时优化系统，对乙烯装置实施了全流程的节能优化，整个乙烯装置的综合能耗下降了5%以上，为企业带来了巨大的经济效益[11]。

国内外实时优化技术在乙烯装置的应用情况表明，实时优化技术是乙烯企业提高经济效益、降低能耗和优化原料利用的重要手段之一。如何利用实时优化技术指导生产装置操作成为乙烯企业的迫切需求。本文根据对实时优化技术的研究，阐述了实时优化技术的发展现状，并结合实时优化技术在乙烯企业的实际应用，具体描述了实时优化技术的实施内容和效果。

1 实时优化技术的发展现状

实时优化技术处于流程生产过程的第三层[12]（图1），起到对流程过程中的优化变量进行优化、并将优化结果传递给APC的作用，运行周期为几分钟至几小时。

图1 流程生产过程分层结构图

目前随着RTO理论的日趋成熟，计算机软、硬件和网络技术的迅猛发展，过程控制系统供应商、软件开发公司和高校投入了大量的人力、物力，研究和开发了多款实时优化系统，如华东理工大学开发的乙烯实时优化系统[8]、浙江大学开发的PTA （pure terephthalic acid，精对苯二甲酸）实时优化系统[13-14]、北京优化佳控制技术有限公司开发的相关积分法催化裂化实时优化控制系统[15]、Aspen Tech公司的RT-OPT、Schneider Electric公司的ROMeo和Honeywell公司的ProfitMax等。RTO的应用领域涉及乙烯装置、原油蒸馏和分馏、催化裂化、连续重整等。根据实时优化系统的运行状态，系统可分为稳态和动态两种类型。

1.1 稳态实时优化技术

典型的稳态实时优化系统流程如图2所示，主要包括稳态检测、数据整定、模型参数更新、优化计算和APC动态控制5个模块。稳态检测是稳态与动态实时优化最重要的区别，稳态实时优化系统在运行之前，要确保过程系统处于相对稳定的状态。此外，相对于动态实时优化，稳态实时优化技术主要采用机理模型作为过程建模方法，模型的适应性强，适用于解决大范围非线性优化问题。

1.2 动态实时优化技术

稳态实时优化系统针对的是过程参数变化较为

图2 稳态实时优化系统流程示意图

图3 动态和稳态实时优化效益对比示意图

缓慢的系统，在这样的系统中RTO运行周期要远远大于控制周期[16]，然而还有一些系统过程参数变化较快，需要RTO运行周期与控制周期非常接近，否则将会降低实时优化所带来的经济效益，如图3所示。因此就需要利用动态实时优化技术来解决这个问题，即在一个周期内同时实现实时优化和优化控制的功能。动态实时优化免除了系统等待稳态的时间，有效地提高了实时优化系统的实时性，在过程参数变化较快的过程系统中，提高了经济效益。

2 稳态实时优化技术在乙烯装置在线优化中的应用

稳态实时优化技术在乙烯装置中的开发和实施需要经过乙烯流程梳理、确定模型优化和约束变量、系统功能设计、模拟模型开发、数据整定模型开发、优化模型开发、实时系统开发、实时数据库部署、DCS界面开发、离线优化测试、开环优化测试和闭环优化测试12个阶段。

图4 稳态实时优化系统总体架构

稳态实时优化系统的总体架构见图4，通过图4可以看出，工艺实时数据经实时数据库（real time database，RTDB）进入RTO，首先进行稳态检测，当过程系统进入稳定状态后，模型序列控制系统（model sequence active control，MSAC）启动实时系统（real time system，RTS）对过程优化系统（process optimization system，POS）的逻辑控制，实时系统控制过程优化系统执行数据输入、逻辑判断、数据整定、优化计算和数据输出等操作。当完成优化计算后，将优化计算结果经实时数据库返回DCS，作为先进控制受控变量（controlled variable，CV）的设定值，然后通过先进控制对乙烯装置进行控制操作，最终使乙烯装置达到最优操作状态。如果装置处于稳定状态，此过程每2h执行1次，完成1个周期的优化运算大约需要1.5h的时间。

2.1 乙烯流程梳理

本文稳态实时优化在顺序分离流程的乙烯装置上实施，基本流程见图5。该装置液化石油气、石脑油和加氢裂化尾油等原料进入裂解炉进行高温裂解，为了减少裂解炉出口裂解气副反应发生，裂解气被迅速送入急冷区进行降温，出急冷区气体通过五段离心压缩机从0.025MPa压缩到约4.0MPa。然后裂解气送至裂解气干燥器进行干燥，干燥后的裂解气送入深冷分离单元，裂解气进入脱甲烷塔进行分离，塔顶产物得到甲烷，而塔釜物料依次通过脱乙烷塔、脱丙烷塔和脱丁烷塔，分别得到C2、C3、C4的产物。C2、C3分别经过碳二加氢反应器和碳三加氢反应器经过加氢后，精馏生成乙烯、丙烯产品。

2.2 乙烯稳态实时优化问题

图5 乙烯装置顺序分离流程图

乙烯生产是一个十分复杂的过程，包括许多涉及多变量优化的单元操作。并且乙烯生产与许多其他石油化工过程不同，其优化操作点随时间不断变化，过程具有高度的复杂性，单纯由技术人员根据设计参数和经验确定操作值，不能达到最优化的操作。所以，需要实时优化系统，不断根据当前生产状况，调整对装置的操作。

稳态实时优化系统的实施是以经济效益最大化为目标，目标函数见式(1)。

式中，Pi为产品价格；Fj为原料价格；Uk为公用工程价格。

本文实时优化范围仅对裂解炉进料分配系统、裂解炉区、急冷区和裂解气压缩区进行优化，其他区域仅考虑约束条件。通过对乙烯装置数据的采集和初步分析，为了实现乙烯装置效益最大化，实时优化系统所需的部分优化变量和约束变量见表1。

2.3 模型开发

模型开发是实时优化系统最重要的实施部分，直接关系到优化实施的效果。模型开发需要经过5个阶段：模型功能设计、模拟模型开发、数据整定模型开发、优化模型开发和实时序列模型开发。以乙烯裂解炉模型开发为例，乙烯裂解炉的基本结构如图6(a)所示，结构主要分为对流段和辐射段。根据裂解炉的结构、工艺过程和优化方案，可将裂解炉的主要工艺简化为如图6(b)的功能设计图。其他操作单元依据裂解炉功能设计方法，完成绘制整个乙烯装置的功能设计图。

表1 乙烯装置部分优化和约束变量

图6 乙烯裂解炉的基本结构和功能设计图

然后根据功能设计图、实时操作数据和乙烯装置设计数据等信息，建立乙烯装置的严格机理模型，并利用多工况数据对模型进行数据整定，在对模拟结果分析的基础上对上述模型进行校正，使之与实际生产情况相符合。数据整定问题可以表达为式(2)的数学优化命题形式，通过求解优化命题使目标函数在满足约束条件的同时，达到总体误差最小。

以裂解炉裂解气模型计算值与在线分析仪测量值对比为例，如表2所示，数据整定过程会使表2中目标函数贡献值的加和值达到最小。此外，通过每个分析项对目标函数贡献值的大小，可以判断模型计算结果是否合理，表2中裂解气分析C2H4对目标函数贡献值为47.01，在所有分析项中贡献值最大，考虑模型存在偏差，需要对模型相应参数进行调整，使模型计算结果更接近于实际工况。

表2 数据整定结果报告 单位：%

2.4 实时优化系统的实施

模型开发完成并验证准确后，进入实时优化系统的现场实施阶段，该阶段主要分为三个步骤：离线优化、开环优化和闭环优化。由于在线优化涉及生产层面，在实施过程中需要采取较为谨慎的态度。本文实施的乙烯装置实时优化方案包括799个测量值、99个优化变量和127个约束变量，系统在计算过程中会创建62万个变量、62万个方程式和超过243万个非零值。为了验证系统的可靠性，系统先进行离线优化，逐渐过渡到开环优化，待开环优化的结果能够保证装置可靠运行后，系统进行闭环的建设。

开环优化阶段，系统会自动生成连续的优化方案，根据实际工况，对优化方案（见表3，1台石脑油裂解炉的优化方案）进行不断地验证，并对优化模型进行相应的调整，直到验证实时优化系统优化模型的鲁棒性。

实时优化系统优化模型的鲁棒性得到开环测试的确认，实施进入闭环测试阶段，在此期间优化目标将逐步加入到现有的先进控制系统（APC）。实时优化系统的闭环运行过程如图7(a)所示，优化模型随时间连续地运行，该图时间段内模型共进行8次运算，其中5次收敛（峰值为3，3代表收敛），3次不收敛（峰值为10和11，10代表数据整定计算结果无效，11代表数据整定计算失败）。图7(b)为图7(a)圆圈区域运行过程时间分配的放大显示，优化模型完成一个收敛周期需要经过系统等待、数据整定、优化计算和计算结果输出4个阶段，平均用时大约需要1.5h，其中数据整定用时最长。

表3 石脑油裂解炉优化方案

图7 实时优化系统连续运行收敛状态和一个收敛周期的时间分配

2.5 实施效益

在乙烯装置上实施实时优化技术，经过分析测算，将在以下几个方面增加效益。①裂解原料：目前单台裂解炉的操作基本保持进料不变，因此在尊重装置约束的条件下，优化每台炉子的进料分配；②裂解炉区：受原料变化、炉子运行周期、燃料等各种因素的影响，裂解炉炉管出口温度和稀释蒸汽用量有一定的优化空间，通过对裂解深度和稀释比的优化，可以提高高附加值产品的产率；③急冷区：优化点在于有效地提高急冷塔的热量回收效率，多产稀释蒸汽，减少外补蒸汽量；④燃料气系统优化：最小化燃料气的消耗，以此来实现增加效益。除去上述提到的优化点外，在实时优化系统的实施过程中，会制定相应的优化方案，以保证生产装置的经济效益最大化。

由于价格体系的差异对实施效益计算有较大影响，根据2015年3月中旬价格体系进行计算，单次优化计算后，产品优化前后效益贡献随产量变化情况见图8，每小时的效益增加两千元左右，以此计算结果推算，实时优化系统在投用后将会带来年效益增量在1500万～3000万元。

3 结 论

图8 产品优化前后效益贡献随产量变化情况（2015年3月中旬乙烯装置价格体系）

乙烯装置实时优化系统在不增加重大设备投资的情况下，充分发挥了现有生产装置的运行潜力，有效实现了增产、节能和降耗的目标，为企业创造了新增效益。通过实时优化系统研究和实施，不仅为目前已经实施的乙烯装置提高了高附加值产品的收率、使装置的生产运行更好地接近工艺约束、更好地响应工艺的扰动、提高了安全操作、最小化能量的消耗、实现了故障仪表检测和装置脱瓶颈等，而且也为将来实时优化系统在其他装置上推广实施和实时优化系统的研究开发，提供了可行的方案和思路。

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综述与专论

Application of real -time optimization in on-line optimization of ethylene plant

ZHAO Yi，LI Chao，TIAN Jianhui
（Petro-Cyber Works Information Technology Co.，Ltd.，Beijing 100007，China）

Abstract：Ethylene production as an important basic industry plays an important role in national economy，petrochemical industry and industrial society，and maintains a booming trend in economic growth. But because of the overall technical level of ethylene production in China as well as complex raw material supply and other factors，China’s current ethylene plant lags behind world’s advanced level. In order to catch up with world advanced level，process automation and real-time optimization is essential. This paper describes real-time optimization development status and application of this technology in ethylene plant. Through implementation of real-time optimization system and establishment of a whole process mechanism model for ethylene plant，real-time tracking of production and on-line optimization can be realized to achieve the best economic operating point. In addition，oriented by prices of raw materials，products and utilities，automatic operation of the whole plant is performed to reduce human intervention in optimization and implementation. Through research and analysis of RTO technology，the goals of yield increase，energy saving and consumption reduction could be achieved.

Key words：real-time optimization; online optimization; advanced process control (APC); ethylene plant

收稿日期：2015-08-14；修改稿日期：2015-09-17。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.004

中图分类号：TP 15; TE 626

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）03–0679–06

第一作者及联系人：赵毅（1979—），男，博士，高级顾问，主要研究方向为实时优化、流程模拟、化学计量学和化工应用软件开发。E-mail yee.zhao@pcitc.com。