發布時間：2021-04-22所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要流程工業在國民經濟中是占主導地位的行業，其發展狀況直接影響國家的經濟基
摘要流程工業在國民經濟中是占主導地位的行業，其發展狀況直接影響國家的經濟基礎。流程行業，特別是石油化工行業因其生產過程連續、生產工藝復雜、生產環境苛刻、產品結構復雜、對公用工程的供應和設備的自動化要求比較高等特點，其對生產過程的優化提出更高的要求。在分析石油化工行業生產過程特點和優化需求的基礎上，對行業生產過程優化的未來發展方向進行探索，認為如在線實時優化、分子管理和分子煉油、基于機理的動態仿真、區域優化和全廠動態優化以及結合大數據和人工智能的生產決策優化技術等將會是將來的重點發展方向，這些技術領域的突破和國產化進程，將會促進生產過程的智能化，為實現流程企業“安、穩、長、滿、優”生產，提升企業的盈利水平和競爭力提供重要的保障，為生產企業的數字化轉型提供重要源動力。
關鍵詞流程工業實時優化區域優化大數據人工智能
1前言
石油、石化、化工、輕工、醫藥等流程工業是國民經濟的支柱產業，但與國外相比，技術與產品質量不高、物耗與能耗較高、環境污染嚴重，制約了行業和國民經濟的快速發展，中國加入WTO后面臨更加嚴峻的形勢。煉油與石油化工是化工過程中兩個非常重要的與石油相關的流程工業，因為它們是提供能源、化學纖維，尤其是交通運輸燃料和有機化工原料的最重要的流程工業[1]。流程工業在國民經濟中是占主導地位的行業，其發展狀況直接影響國家的經濟基礎。
因此，如何加快老企業的技術改造，組織裝置達標和新技術開發，如何在裝置達標后，保標、超標，進一步挖潛增效以使企業的生產能力和效率趕上世界先進水平，已成為一個非常迫切的企業戰略決策問題。在這一背景下，本論文在研究流程工業特點的基礎上，對生產過程優化的未來發展趨勢進行探索，為智能工廠的建設，實現流程企業“安、穩、長、滿、優”生產運行，提升企業的盈利水平和競爭力提供參考[2，3]。
2煉化企業優化需求分析
目前全球煉化企業面臨越來越高的環保壓力和日益激烈的競爭，如何提高煉化企業的競爭力是備受關注的問題。中國石油化工行業在高速發展的同時，還面臨著一些問題：
①由于產品質量升級、環保、煉化一體化發展等因素，煉化企業復雜度持續提高，增加了操作的復雜性，要取得效益最大化，每套裝置都需要更加精細、科學地操作。
②國內煉油企業日益加重的產品結構調整任務，讓操作變得更加復雜。
③大部分煉化企業面臨減員增效壓力，以及經驗豐富的老操作人員退休引起的企業人才接續的壓力。技能操作人員的減少帶來在職技能操作人員工作強度的提升，老技能操作人員的退休又導致操作人員整體技能水平的降低，這給一線生產帶來比較大的工作壓力。
④市場波動大。特別是煉化一體化的企業，化工市場的波動較大，逆向傳導，需要企業能夠具備跟隨市場快速調整生產的能力，才能獲取較好的效益。而以煉油為主的企業，原油價格、煉油小產品的價格、供需能力等的波動，也比過去有明顯的提升，同樣需要企業能夠具備跟隨市場快速調整生產的能力。
對于一個煉油化工生產企業來說，從原油進廠，到原油加工，再到成品油出廠，都需要面臨一系列優化問題，才能提升企業的盈利水平和競爭力。圖1是煉化企業生產過程全流程優化業務圖。
從圖1可以看出，原油進廠前，要進行原油采購優化、原油調和優化、原油配置優化和原油儲運優化，以保證在現有的煉化裝置結構以及產品需求的情況下，煉油廠能夠加工最合適的原油。原油進廠后，需要進行從設備到裝置，從物流到系統的四個層次優化，以盡可能發揮設備和裝置的最大潛能，以最小的成本代價生產合格的滿足市場需求的產品。原油加工后，油品出廠要進行油品調和優化、油品結構優化、油品儲運優化和二次配送優化等一系列優化。對于中國石化和中國石油這種集團級的企業，還需要進行區域資源優化，包括原油資源優化、原料互供優化、半成品加工優化、公用工程互供優化、冷熱電聯產優化等，以保證集團級資源的最優化利用。
3生產過程優化發展趨勢分析
3.1在線實時優化(RTO)將成為裝置優化的最高階段，未來五年必將迎來蓬勃發展
流程工業生產裝置的在線實時優化(real-timeoptimization，RTO)是指結合工藝知識和現場操作數據，通過快速、高效地優化計算技術對操作運行中的生產裝置參數進行優化調整，增強其對環境變化、原材料波動、市場變化等的適應能力，保持生產裝置始終處于高效、低耗并且安全的最優工作狀態的技術[4]。煉化裝置實施RTO后，可以實時跟蹤原料性質的變化，在滿足工藝、設備約束的前提下，以產品、公用工程價格為導向，持續不斷地對裝置進行優化計算，結果既可以離線對工藝人員進行操作指導，又可以與先進控制(APC)系統相結合實現在線閉環控制，以實現裝置生產盡量達到或靠近最佳的經濟效益操作點[5]。RTO和APC的區別如圖2所示。
一個工業裝置一旦投入運行，將始終被一系列的影響因素所干擾，使得現場運行的操作點逐漸偏離原先最優設計時確定的最佳工作點。這些影響因素可分為外部不確定性和內部不確定性兩種：
①外部不確定性：原料變化，包括進料量、原料特性(組成、溫度等);公用資源的供應約束，如能耗;市場需求變化，來自決策部分的產品規格發生的調整;氣候變化。
②內部不確定性：裝置設備性能漂移，如換熱器結垢、催化劑活性發生變化，以及來自流程中其他單元的影響，如蒸汽流量波動、循環物料。
其中第①類外部不確定性影響因素主要來自上層環節，第②類內部不確定性因素主要來自下層環節和過程裝備。RTO的目標為，通過實時采集生產數據，檢測過程運行狀況，在滿足所有約束條件的前提下，不斷實時地調整下層環節的工作點，以克服內部和外部不確定性因素，從而保證過程始終能夠得到最佳的經濟效益。RTO系統具有在線自動運行的特點，從數據采集、模型修正，到優化計算和實施，構成一個閉環，無需人工干預[6]。
開展裝置在線實時優化技術，需要解決幾大核心技術，包括：①裝置穩態判斷技術;②數據整定技術;③通用流程模擬技術;④煉化過程專用機理建模技術;⑤先進控制技術;⑥數據接口技術;⑦在線分析技術;⑧優化算法;⑨RTO優化平臺。企業應該加大以上這些技術的研發力度，掌握實現在線實時優化的每一項關鍵核心技術，開發在線實時優化的成套軟件和技術，實現在線實時優化關鍵工業軟件的國產化，打破國外壟斷。
3.2分子管理與分子煉油是當今煉油化工重要發展方向
利用好每一滴石油是煉化企業的終極目標，針對煉油廠加工流程中的油品，通過構建分子結構模型，結合實驗室分析數據，從分子尺度表征油品性質，建立分子組成的結構模型，借助性質預測模型預測油品各類性質，開展分子煉油技術在煉油廠加工流程優化中的深化應用，以實現分子水平上的模擬和調控，利用好每一個石油分子，提高油品利用價值，實現石油加工過程的重構和供應鏈優化[7]。
近年來色譜和質譜等分析技術發展迅速，解決了石油分子組成分析中的許多技術難題，可以對大部分化合物進行更多組分的分析檢測，從而有條件建立面向全組分分析的定量分析方法。計算機技術的發展為大規模計算提供了條件，基于數萬分子集總的性質與反應計算已經可以在普通計算機上完成，同時新算法、新模型的出現為分子煉油技術提供了強力支撐[8]。
分子煉油技術在催化重整、催化裂化、加氫裂化、延遲焦化等主要石油加工過程的分子水平反應動力學研究均取得了令人較為滿意的成果，未來，分子煉油技術的深化應用應該建立在現有工藝過程分子水平動力學的基礎上，推廣到其他加工過程直至煉油廠總流程的優化應用，深度把脈加工總流程優化，促進加工流程優化水平的持續提高。
3.3區域優化或全廠動態優化是APC應用的發展趨勢
目前國內生產裝置實施先進控制的成功案例比較多，通過實施先進控制，改善了過程動態控制的性能，減少了過程變量的波動幅度。由于波動幅度的降低，使生產裝置能夠在接近其約束邊界條件下運行，在卡邊操作上也取得了一定的經濟效益。但先進控制不能確定裝置的最優工況以及其對應的生產參數，因此在先進控制基礎上又產生了在線實時優化技術，把流程模擬技術和先進控制技術有機結合，將流程模擬計算出的優化參數實時傳遞給先進控制執行，推動裝置持續在最優化狀態下運行。
煉化企業全廠裝置相互關聯，如常頂石腦油干點會影響重整裝置操作，VGO的性質會對加氫裂化裝置有較大影響，蠟油加氫或渣油加氫的深度會影響催化裂化裝置的性能;對于煉化一體化企業來說，上游來的乙烯原料會對乙烯裂解性能影響較大等。如能在某些關鍵控制點實現聯動、聯合優化或區域優化，將對整個煉油廠的生產穩定性和經濟效益帶來很大的提升。通過在多個裝置應用實時優化，可以獲得更大的整體效益。先進控制獲得的是單個生產裝置的局部優化，它有可能沒有考慮到對其他相關聯裝置造成的影響，而多裝置的區域優化乃至全煉油廠的優化，才是更全面的優化。因此，筆者認為：區域優化或超級動態聯合優化是將來APC的一個發展趨勢。圖3是區域優化或全廠動態優化的示意圖。
3.4流程模擬技術和計劃優化(PIMS)集成，使全局優化又快又準，應用前景廣闊
目前PIMS模型已經在煉化企業全面應用，廣泛應用于年度、季度和月度排產，以及原油選購、加工方案、產品結構和油品調和計劃的優化、財務預算、產品質量升級評估等方面，提高了管理效率和科學決策水平，提高了企業整體經濟效益。PIMS模型在選購原油品種、計劃排產、煉油廠及區域規劃、資源優化利用等方面有不可替代的作用。但PIMS模型準確與否主要取決于原油數據庫和裝置Delta-Base結構預測的準確程度。
相關期刊推薦：《中外能源雜志》是中央級科技期刊，于1996年創刊，刊發內容主要立足能源領域，特別是石油、天然氣、煤炭及新型能源和可再生能源領域，就新工藝、新技術、新材料、新產品的開發應用進行報道。主要欄目有能源戰略與政策研究、新能源與可再生能源、油氣勘探與開發、石油煉制與化學工程、環境保護與安全、節能政策與技術、國內外能源簡訊、能源百家談等。讀者對象適合能源界專業人士、大專院校師生及相關科研機構、生產制造企業的決策和工程技術人員。
但PIMS模型在維護和更新裝置Delta-Base結構時普遍遇到很大困難，煉油廠技術人員無法得到比較準確的Delta-Base模型以反映裝置生產方案、原料性質和操作參數的變化。PIMS不能適應以下幾種情況：①非線性的二次加工裝置;②原油結構變化;③運營條件變化;④催化劑更換;⑤煉油廠改造等。
目前石化企業現有的PIMS模型僅采用了少量的Delta-Base結構來關聯裝置產品分布和原料及操作條件的關系，且只傳遞密度和硫含量等少數性質，這與國外先進水平差距較大。
采用流程模擬工具的DGA技術生成PIMS專用的Delta-Base子模型，提升現有的PIMS模型，提高PIMS模型提升排產的準確度，提高PIMS模型指導煉油生產優化的功能，使優化過程又快又準，建議流程模擬團隊和PIMS計劃優化團隊緊密配合，合理部署，推動這一技術的普及應用，見圖4。
3.5基于機理模型和動態模擬技術的仿真培訓(OTS)仍將有較大的市場
OTS(OperatorTrainingSystem)，即操作員培訓系統，其核心是仿真模擬技術，即在計算機上仿真模擬化工/石化/煉油等行業各流程的真實生產過程和控制邏輯，建立對應的“虛擬工廠”，在此基礎上，實現對工廠生產過程和控制邏輯的模擬、調整和培訓。這種仿真模擬技術可逼真地模擬工廠的開車、停車、正常運行和各種事故過程的現象和操作，是對生產裝置操作工培訓和研究工藝方案的高效手段。
仿真培訓是傳統的培訓方式，國內外研究也比較多，筆者認為在未來一段時間內仍有較大的需求，具體因素如下：①中國石化和中國石油兩大集團公司是國內OTS產品裝置應用覆蓋率最高的市場，但實際應用中存在系統維護不及時，管理與生產脫節等因素影響，實際應用不到全部生產裝置的30%;②新建廠和新建裝置，需要OTS產品;③科研機構中小型試驗裝置也存在提高操作員技能水平，強化操作技能培訓的需求;④傳統的OTS技術已無法滿足要求，如裝置操作優化/控制系統實驗/動態模擬等;⑤OTS無疑將成為石化企業重要的技能人才培養和緩解人才流失風險控制的手段。
目前國內市場90%以上的仿真培訓系統應用還處于低端水平，主要是應用于操作工的操作技能培訓、技能鑒定考核、技能競賽、生產安全分析等，絕大部分未與工藝機理模型結合，不能真正反映生產裝置的實際運行狀態，不能指導生產裝置的優化，也尚未與APC和RTO系統結合。建議加大研發投入，在常規仿真培訓基礎上，結合流程模擬和先進控制，面向煉油、化工、煤化工等流程行業，開發基于嚴格機理模型、具有豐富控制邏輯算法和物性數據的通用仿真模擬平臺，具備操作技能培訓、技能鑒定考核、生產安全分析、裝置操作優化、控制系統試驗等功能的一站式OTS平臺，并與ProMACE結合，提供“互聯網+”的仿真培訓服務。功能架構如圖5所示。
3.6大數據技術必將在能源行業帶來廣泛應用，結合流程模擬技術，為生產決策提供最可靠支撐
大數據技術是從海量的、多樣化的數據中，利用各種大數據分析工具，高效運用機器學習技術與手段，形成建立煉化生產過程的大數據預測模型，挖掘出內部隱藏的相關性或關聯性，快速獲取有價值的信息的技術。圖6是利用大數據建模技術對核心動設備進行故障診斷的示意圖[9，10]。
流程模擬技術是基于“三傳一反”的嚴格工藝機理建模理念，通過流程模擬工具，對流程行業的設備以及生產過程，包括反應、精餾、吸收、萃取、換熱、結晶等，根據所給過程的條件，如溫度、壓力、流量、設備尺寸、原料和產品性質等，對相應過程進行物料平衡、能量平衡、相平衡及化學平衡的計算，從而預測生產過程中可能發生的現象，指導科研、設計、生產部門的工作。
流程行業生產過程非常復雜，有些生產過程機理明確，具有一定規律可循，可以用工藝機理模型來表征，而有些復雜過程根本無規律可循。因此對于生產過程的優化，需要結合大數據模型和流程模擬模型，兩者互為補充，為流程行業生產過程服務，支撐生產過程決策。——論文作者：王建平1，王樂2
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