炼化行业价值链之实时优化

文／吴小任

实时优化以优化企业效益入手，推动炼化行业可持续发展。

在日常运营中，炼化行业的价值链相当复杂，需要多个专业团队通力协作才能实现总体经济效益的最大化。从生产端看，炼化行业又是典型的超长流程行业，系统内变量强耦合、非线性、大滞后，原料物性变化、负荷变化、燃料气热值波动等因素都会对工艺运行产生影响。

所以，在保证安全生产并稳定产品质量的前提下，在工艺流程工作中获得最优经济效益是企业在运营中努力追求的目标，而实时优化（Real Time Optimization —RTO）就是其中的一项关键技术。

实时优化能做什么

严格在线实时优化解决方案，是建立在开放方程基础上的数据实时获取、综合数据整定、模拟、在线实时开环优化、在线实时闭环优化等综合先进应用解决方案。在日常生产工作中，实时优化能够更好地响应原料物性的变化、更好地响应工艺的扰动、更好地响应下游处理装置的负荷变化及产品质量变化、更好地接近工艺的约束、降低单位产品能耗。

通过这些功能来将各生产环节有效贯通，从而实现装置的区域优化和效益最大化。

实时优化怎么做

实时优化依据计划调度的要求，结合当前工况、各项财务数据及装置的各种约束条件，通过机理模型得出工艺运行的最佳工作点，传递给下层的先进控制（Advanced Process Control-APC），最后通过过程控制实现装置运行的最优化。

实时优化的实施，首先要做流程模拟，即以设计数据为依据开发全流程的机理模型（即全流程的数字孪生）。这需要严格的热力学模型和稳态模拟技术，特别是完整的物性数据库的支撑，目前大型的通用流程模拟系统数据库的组分数目已达到1700种以上。化工模型的高度非线性是考验实时优化软件的一个关键。

模块开发完成后，实时优化要通过四步完成，一般情况下以小时级的间隔给出一组优化值。首先要读取各类工艺实时数据，判断目标流程是否工作在稳态，若在稳态条件下，则转向第二步。在第二步中进行数据整定，以仪表数据为依据进行偏差核准，还原生产实际。第三步是机理模型参数的更新。第四步是优化计算，即在给定的优化范围内，寻找经济效益最高的参数，实现全局最优。

为保证实时优化的顺利实施，还需要满足几个重要条件。首先，在实施过程中要保障现场仪表数据的可靠和准确，并且尽量减少模型中未测量变量的估计数。其次是运行良好的先进控制APC。APC解决的是装置的平稳操作问题，由系统自动在约束区间内高频调整，而实时优化是在约束范围内找到最优参数。APC在不影响生产平稳下，要尽量贴近最优化参数，兼顾实现经济效益最大化和生产安稳长满优。

在实时优化和APC的组合中，效益的60%-70%是由实时优化贡献的。实际操作时，将实时优化和APC统一实施会达到一个比较好的效果。在这种模式下，要控制优化策略统一，保持项目实施界面清晰。当实时优化不运行时可迅速切回APC，不影响装置运行，必要时可以改变APC原有的控制方式，从而保证APC与实时优化合理的联动。

对于PID控制，PID参数的整定不可或缺。大多数工厂都设有实时数据库（Realtime Database - RTDB），采用RTDB作为实时优化、PID整定和APC的接口，可以降低DCS的数据读写量，避免对DCS产生过多干扰，同接口部署也使APC和实时优化的联系更紧密，以保障实时优化的优化参数得以执行落实。

供图/施耐德电气

实时优化的应用实践

实时优化除了适用于反应器模型及各类装置（烷基化、催化裂化、重整、加氢精制、加氢裂化、减粘、延迟焦化、异构化等）外，还可以适用于其他通过优化关键操作参数以提高产率、降低能耗的场景。

以南方某石化公司为例。这是一家拥有千万吨炼油、百万吨乙烯的特大型石化企业。其乙烯装置使用施耐德电气的实时优化软件ROMeo（Rigorous On-line Modeling with Equation-based Optimization），对于裂解炉、急冷区、汽油汽提塔和凝液汽提塔进行在线闭环优化。

方案中利用SPYRO软件优化乙烯装置裂解炉原料，同时优化裂解炉运行参数，以效益最大化为原则进行优化。先建立价格体系，模拟乙烯、丙烯、丁二烯等产品的市场价格；中间产品通过建立数学模型进行计算；价格体系建立后，对裂解炉炉管出口温度、稀释蒸汽比进行优化，以得到最佳操作点。

ROMeo除了调用SPYRO模型对裂解原料和炉管辐射段进行模拟以提升时效性以外，还结合全局约束与全局效益最大化的目标进行了统筹优化。另外，根据用户需求分析，定制优化目标，切实满足客户希望生产效益最大化的需求。从时效性、覆盖范围、优化策略三个方面的改进来更高效地指导生产，为企业带来更大的效益。

本方案中设立实时优化变量70多个，配套APC控制器（采用施耐德电气的APC软件）20多个。在一个月的标定期内，实时优化变量有效投用率达100%，APC的综合投用率接近100%。核算总体经济效益超3000万/年。目前该方案已经连续运行数年，达到世界领先水平。

再举一个海外的案例。韩国某特大型合资炼化企业，其实时优化的实施是分步进行的。从2014年的4#常减压开始使用施耐德电气的ROMeo，先后在四套常减压装置、两套重油催化裂化装置、两套加氢裂化装置、两套芳烃装置以及聚丙烯装置上使用了施耐德电气的ROMeo和APC软件，均取得显著的经济效益，其中仅4#常减压装置的年经济效益就达430万美元。多年的分步实施培养了有经验的操作人员和实施人员，为该企业业绩的持续优良打下了坚实基础。

实时优化是全价值链优化中的一项关键技术，除了在线优化，还可以做离线情景模拟、仪表设备性能诊断、全厂公用工程优化、给计划模型更新LP结构等等。实时优化通常可以做到一年内收回全部投资。选择有良好业绩的实时优化软件，配以经验丰富的实施团队，就能取得满意的效果。

目前，中国经济正转向高质量发展阶段，双碳目标的提出和能耗双控的要求，对于炼化行业既是挑战也是机遇。以实时优化入手，从全价值链的角度实现企业经济效益的最优化，能够有效推动炼化行业的可持续发展。