动态实时优化在连续重整装置中的应用

刘双民 陈玉石 金炜 司翔宇

摘要：针对某公司连续重整装置的工艺特点，开发工艺计算模块、构建机理模型、搭建动态实时优化平台，进行先进控制模型增益在线时时更新，以提升装置控制水平。同时为进一步挖潜增效，针对连续重整装置的优化空间进行深度挖掘，开发了三种加工方案切换的优化控制平台，实现整个连续重整装置的区域动态实时优化，总芳烃收率提高了1.5%，氢气产量提高0.45%，能耗降低0.69%，年增效1700万元以上。

关键词：连续重整、先进控制、动态实时优化

前言

随着大型炼油企业数字化智能工厂的建设，总的发展趋势是生产执行系统（MES）、先进计划调度（APS）系统到实时优化（RTO）、先进控制（APC）系统的有机整合，使企业能够快速适应市场的变化，生产市场所需的高附加值产品，提高企业的竞争力和经济效益。在这当中，实现一个实时的、稳定的、可靠的实时优化系统尤为重要。

石化行业在提高炼化企业的自动化水平，数字化和智能化生产方面一直在不断的实践和探索。先进控制及实时优化作为智能工厂建设中重要一环，也越来越受到大家的重视。但目前由于受到技术或应用水平的限制，极大部分的应用集中在先进控制层面，在线实施优化技术目前在炼油装置上刚刚开始试点，如常减压装置、连续重整、S Zorb装置等。[1]

1实时优化技术原理概述

当前实时优化技术分为两类：一类是稳态优化，采用稳态机理模型，大多利用基于工艺机理方程的求解技术直接求解优化目标值，然后由下层的控制器控制到目标值;另一类是动态实时优化，采用动态模型，辅之机理模型或经验模型对动态模型进行更新，然后利用动态模型进行动态实时优化，计算优化目标值和动态运动轨迹。

实时优化技术的应用可以实现物理实体和虚拟模型进行实时交互，并根据虚拟模型优化计算的结果指导装置的动态控制，使生产装置产生更大的经济效益。实时优化技术利用数学和机理模型，结合原料、产品和公用工程的市场价格，依据炼油、化工装置当前的运行状态和装置约束，实时模拟和优化装置操作参数，并将优化结果传送到先进控制系统，达到装置效益提升或节能的目的。

工艺技术人员输入实时优化计算所需的操作约束数据、原料分析数据和价格体系数据，实时优化系统（Real Time Optimization，RTO）会依据这些数据，并结合现场装置的实时运行数据进行优化计算，最终将优化计算结果传输给先进控制系统（ Advanced Process Control，APC），将装置的运行控制到最优的操作点上，真正实现了炼油化工装置物理实体和虚拟模型的交互。

2 工艺流程描述

天津分公司连续重整装置由预加氢单元、重整反应单元、催化剂再生单元、分馏单元、抽提蒸馏单元、芳烃精馏单元、产汽部分和公用工程系统组成。其中重整反应单元、催化剂再生单元采用Honeywell UOP第三代超低压连续重整工艺成套专利技术，重整催化剂采用用中国石化石油化工科学研究院研制开发的PS-Ⅵ催化剂[2]。抽提蒸馏单元采用石科院开发的抽提蒸馏技术，以环丁砜为溶剂分别将重整C6/C7馏分油和乙烯C6/C7馏分油中的芳烃抽出，重整C6/C7馏分油的抽余油作为乙烯裂解料送往乙烯装置，乙烯C6/C7馏分油的抽余油经预处理后进重整反应系统。

连续重整装置在炼油企业中占有的重要的地位，在国、内外具有多套成熟的先进控制[3]应用，并且取得了很好的效果。但是重整反应过程非线性很强，难以用线性模型表征，因此需要利用机理模型模拟出装置中个单元进出物料的温度、压力、流量和组分，表征出装置实际运行的基本情况。再结合先进控制系统优化实际操作，为装置实现智能化和精细化操作提供有效保障。在线优化技术在重整装置上实施具有重要的开拓性意义。

2015年，天津分公司的连续重整装置上已经成功实施了APC先进控制，应用效果已经得到装置技术人员的认可，为下一步实施重整单元的整体优化建立坚实的基础。

3动态实时优化技术设计

2019年天津分公司和石化盈科联合对连续重整装置的石脑油加氢预处理、重整反应器、催化剂再生、重整精馏部分，以提高重整生成油芳烃收率、装置加工处理能力和降低装置能耗为目标，进行连续重整在线实时优化技术应用开发。设计了三种优化方案和相应的三个目标函数：芳烃收率最大化方案、重整液收最大化方案、处理量最大方案，由操作指令在线切换完成目标函数在允许最大移动范围内将决策变量移动到新的最优点。在重整装置上实现了多单元整体在线技术优化，在国内尚属首次。[4]

首先对已经实施了先进控制的100单元、200单元的控制器进行了符合区域实时优化要求的控制策略调整;同时新建了重整装置总经济目标产值控制器，并开发了300单元的再生多变量控制器，使控制器功能更加完整，以便更好地服务优化平台;再利用工艺专利商UOP的重整工艺计算包对国产催化剂[3]进行相应模型参数调整，用于表征装置反应及精馏部分的非线性特征，基于严格机理的精馏塔Unisim模型进一步对上述裝置增加工艺参数计算;结合先进的在线模型增益更新技术和Profit Optimizer动态实时优化技术，实现了增益计算值实时更新控制器增益，在国内首次完成了连续重整装置分钟级的区域协调动态实时优化。提高了装置加工处理能力和重整生成油中的芳烃含量、提升了装置运行平稳性及控制水平、降低了操作人员劳动强度，实现了装置的精细化和智能化操作。

重整工艺计算包集合了重整工艺机理模型，并集成在先进控制和优化运行平台中。利用重整机理模型，收集过程参数和分析仪的进料组分信息，计算出重整反应产品中芳烃的含量、催生剂上的积炭百分比（含焦率）、结焦速率（结焦率）等的关键参数并提供实时模型增益计算输入到先进控制层和优化层，克服反应过程的非线性。

UniSim Design是流程模拟软件，在设计模型的时候有专门的算法模块，模型开发组成可根据实际装置的单元划分。针对汽提塔、脱戊烷塔和脱丁烷塔等部分，在UniSim过程模拟和优化组件中建立工艺模型。在统一的实时运行平台URT的调度下，从工艺模型中实时提取模型增益并实时更新先进控制模型和优化模型，结合实时的过程反馈信息使它们很好适用于非线性的工艺过程控制和优化。

在装置优化层面，采用Profit Optimizer进行区域-动态协调和优化。对各先进控制器之间的交互影响，通过建立桥模型、源-克隆模型来反映。设立全局变量如芳烃总收率等，使多个控制器可以协调联动。实现了分钟级高频次优化。同时优化器与APC联合求解，使动态优化的每一个优化解都满足动态约束，在APC层都为可行解，从而实现区域-動态实时优化。

4 应用效果分析

天津分公司连续重整装置在线实时优化技术于2020年8月正式投运，投用效果良好，对比见图3、4、5及表1;投用率达到95%以上。经过标定装置总芳烃收率提高了1.5%以上，氢气产量提高0.45%，能耗降低0.69%，年增效1700万元以上。应用效果明显，整体技术达到国际先进水平。

4 结束语

炼化企业连续重整装置在线优化技术在天津石化企业的成功实施表明，基于动态实时优化技术、UOP的重整工艺计算包对国产催化剂进行相应模型参数调整、基于严格机理的精馏塔Unisim模型和先进的在线模型更新技术，在国内连续重整类装置上在线实施优化是可行的。

随着国内对环保要求提高，对低硫、低烯烃、高辛烷值汽油需求增加，同时下游企业对芳烃和炼厂对低成本氢源等需求增加，利用在线优化技术提高重整装置的生产能力、提高重整反应的芳烃收率/辛烷值或提高重整装置的液收，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]刘志文（中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司化工一厂），侯晶.实时优化（RTO）技术在燕山乙烯装置的工业应用[J].自动化博览，2013，（09）： 102-104.

[2]邓克林.中国石化天津石化分公司芳烃联合装置全面应用自主知识产权催化剂[J].石化技术与应用2010，（09）：343

[3]赵凌燕（石油化工科学研究院），房韡，邱建章，等.连续重整装置的先进控制研究与应用[J].中国石油和化工标准与质量，2011，（11）：281-282.

[4]吕建新.中石化天津分公司连续重整装置应用在线优化技术实现同类装置首创[J].中外能源，2020，（09）：40.

作者简介：刘双民 （1970-），通信作者，男，河北黄骅人，大学本科，高级工程师，目前从事炼油技术质量管理工作。