流程工业生产过程优化技术发展趋势探讨

作者:查重猫     发表时间:2021-04-28 01:38:35   浏览次数:27



  摘要流程工业在国民经济中是占主导地位的行业,其发展状况直接影响国家的经济基础。流程行业,特别是石油化工行业因其生产过程连续、生产工艺复杂、生产环境苛刻、产品结构复杂、对公用工程的供应和设备的自动化要求比较高等特点,其对生产过程的优化提出更高的要求。在分析石油化工行业生产过程特点和优化需求的基础上,对行业生产过程优化的未来发展方向进行探索,认为如在线实时优化、分子管理和分子炼油、基于机理的动态仿真、区域优化和全厂动态优化以及结合大数据和人工智能的生产决策优化技术等将会是将来的重点发展方向,这些技术领域的突破和国产化进程,将会促进生产过程的智能化,为实现流程企业“安、稳、长、满、优”生产,提升企业的盈利水平和竞争力提供重要的保障,为生产企业的数字化转型提供重要源动力。

  关键词流程工业实时优化区域优化大数据人工智能

  1前言

  石油、石化、化工、轻工、医药等流程工业是国民经济的支柱产业,但与国外相比,技术与产品质量不高、物耗与能耗较高、环境污染严重,制约了行业和国民经济的快速发展,中国加入WTO后面临更加严峻的形势。炼油与石油化工是化工过程中两个非常重要的与石油相关的流程工业,因为它们是提供能源、化学纤维,尤其是交通运输燃料和有机化工原料的最重要的流程工业[1]。流程工业在国民经济中是占主导地位的行业,其发展状况直接影响国家的经济基础。

  因此,如何加快老企业的技术改造,组织装置达标和新技术开发,如何在装置达标后,保标、超标,进一步挖潜增效以使企业的生产能力和效率赶上世界先进水平,已成为一个非常迫切的企业战略决策问题。在这一背景下,本论文在研究流程工业特点的基础上,对生产过程优化的未来发展趋势进行探索,为智能工厂的建设,实现流程企业“安、稳、长、满、优”生产运行,提升企业的盈利水平和竞争力提供参考[2,3]。

  2炼化企业优化需求分析

  目前全球炼化企业面临越来越高的环保压力和日益激烈的竞争,如何提高炼化企业的竞争力是备受关注的问题。中国石油化工行业在高速发展的同时,还面临着一些问题:

  ①由于产品质量升级、环保、炼化一体化发展等因素,炼化企业复杂度持续提高,增加了操作的复杂性,要取得效益最大化,每套装置都需要更加精细、科学地操作。

  ②国内炼油企业日益加重的产品结构调整任务,让操作变得更加复杂。

  ③大部分炼化企业面临减员增效压力,以及经验丰富的老操作人员退休引起的企业人才接续的压力。技能操作人员的减少带来在职技能操作人员工作强度的提升,老技能操作人员的退休又导致操作人员整体技能水平的降低,这给一线生产带来比较大的工作压力。

  ④市场波动大。特别是炼化一体化的企业,化工市场的波动较大,逆向传导,需要企业能够具备跟随市场快速调整生产的能力,才能获取较好的效益。而以炼油为主的企业,原油价格、炼油小产品的价格、供需能力等的波动,也比过去有明显的提升,同样需要企业能够具备跟随市场快速调整生产的能力。

  对于一个炼油化工生产企业来说,从原油进厂,到原油加工,再到成品油出厂,都需要面临一系列优化问题,才能提升企业的盈利水平和竞争力。图1是炼化企业生产过程全流程优化业务图。

  从图1可以看出,原油进厂前,要进行原油采购优化、原油调和优化、原油配置优化和原油储运优化,以保证在现有的炼化装置结构以及产品需求的情况下,炼油厂能够加工最合适的原油。原油进厂后,需要进行从设备到装置,从物流到系统的四个层次优化,以尽可能发挥设备和装置的最大潜能,以最小的成本代价生产合格的满足市场需求的产品。原油加工后,油品出厂要进行油品调和优化、油品结构优化、油品储运优化和二次配送优化等一系列优化。对于中国石化和中国石油这种集团级的企业,还需要进行区域资源优化,包括原油资源优化、原料互供优化、半成品加工优化、公用工程互供优化、冷热电联产优化等,以保证集团级资源的最优化利用。

  3生产过程优化发展趋势分析

  3.1在线实时优化(RTO)将成为装置优化的最高阶段,未来五年必将迎来蓬勃发展

  流程工业生产装置的在线实时优化(real-timeoptimization,RTO)是指结合工艺知识和现场操作数据,通过快速、高效地优化计算技术对操作运行中的生产装置参数进行优化调整,增强其对环境变化、原材料波动、市场变化等的适应能力,保持生产装置始终处于高效、低耗并且安全的最优工作状态的技术[4]。炼化装置实施RTO后,可以实时跟踪原料性质的变化,在满足工艺、设备约束的前提下,以产品、公用工程价格为导向,持续不断地对装置进行优化计算,结果既可以离线对工艺人员进行操作指导,又可以与先进控制(APC)系统相结合实现在线闭环控制,以实现装置生产尽量达到或靠近最佳的经济效益操作点[5]。RTO和APC的区别如图2所示。

  一个工业装置一旦投入运行,将始终被一系列的影响因素所干扰,使得现场运行的操作点逐渐偏离原先最优设计时确定的最佳工作点。这些影响因素可分为外部不确定性和内部不确定性两种:

  ①外部不确定性:原料变化,包括进料量、原料特性(组成、温度等);公用资源的供应约束,如能耗;市场需求变化,来自决策部分的产品规格发生的调整;气候变化。

  ②内部不确定性:装置设备性能漂移,如换热器结垢、催化剂活性发生变化,以及来自流程中其他单元的影响,如蒸汽流量波动、循环物料。

  其中第①类外部不确定性影响因素主要来自上层环节,第②类内部不确定性因素主要来自下层环节和过程装备。RTO的目标为,通过实时采集生产数据,检测过程运行状况,在满足所有约束条件的前提下,不断实时地调整下层环节的工作点,以克服内部和外部不确定性因素,从而保证过程始终能够得到最佳的经济效益。RTO系统具有在线自动运行的特点,从数据采集、模型修正,到优化计算和实施,构成一个闭环,无需人工干预[6]。

  开展装置在线实时优化技术,需要解决几大核心技术,包括:①装置稳态判断技术;②数据整定技术;③通用流程模拟技术;④炼化过程专用机理建模技术;⑤先进控制技术;⑥数据接口技术;⑦在线分析技术;⑧优化算法;⑨RTO优化平台。企业应该加大以上这些技术的研发力度,掌握实现在线实时优化的每一项关键核心技术,开发在线实时优化的成套软件和技术,实现在线实时优化关键工业软件的国产化,打破国外垄断。

  3.2分子管理与分子炼油是当今炼油化工重要发展方向

  利用好每一滴石油是炼化企业的终极目标,针对炼油厂加工流程中的油品,通过构建分子结构模型,结合实验室分析数据,从分子尺度表征油品性质,建立分子组成的结构模型,借助性质预测模型预测油品各类性质,开展分子炼油技术在炼油厂加工流程优化中的深化应用,以实现分子水平上的模拟和调控,利用好每一个石油分子,提高油品利用价值,实现石油加工过程的重构和供应链优化[7]。

  近年来色谱和质谱等分析技术发展迅速,解决了石油分子组成分析中的许多技术难题,可以对大部分化合物进行更多组分的分析检测,从而有条件建立面向全组分分析的定量分析方法。计算机技术的发展为大规模计算提供了条件,基于数万分子集总的性质与反应计算已经可以在普通计算机上完成,同时新算法、新模型的出现为分子炼油技术提供了强力支撑[8]。

  分子炼油技术在催化重整、催化裂化、加氢裂化、延迟焦化等主要石油加工过程的分子水平反应动力学研究均取得了令人较为满意的成果,未来,分子炼油技术的深化应用应该建立在现有工艺过程分子水平动力学的基础上,推广到其他加工过程直至炼油厂总流程的优化应用,深度把脉加工总流程优化,促进加工流程优化水平的持续提高。

  3.3区域优化或全厂动态优化是APC应用的发展趋势

  目前国内生产装置实施先进控制的成功案例比较多,通过实施先进控制,改善了过程动态控制的性能,减少了过程变量的波动幅度。由于波动幅度的降低,使生产装置能够在接近其约束边界条件下运行,在卡边操作上也取得了一定的经济效益。但先进控制不能确定装置的最优工况以及其对应的生产参数,因此在先进控制基础上又产生了在线实时优化技术,把流程模拟技术和先进控制技术有机结合,将流程模拟计算出的优化参数实时传递给先进控制执行,推动装置持续在最优化状态下运行。

  炼化企业全厂装置相互关联,如常顶石脑油干点会影响重整装置操作,VGO的性质会对加氢裂化装置有较大影响,蜡油加氢或渣油加氢的深度会影响催化裂化装置的性能;对于炼化一体化企业来说,上游来的乙烯原料会对乙烯裂解性能影响较大等。如能在某些关键控制点实现联动、联合优化或区域优化,将对整个炼油厂的生产稳定性和经济效益带来很大的提升。通过在多个装置应用实时优化,可以获得更大的整体效益。先进控制获得的是单个生产装置的局部优化,它有可能没有考虑到对其他相关联装置造成的影响,而多装置的区域优化乃至全炼油厂的优化,才是更全面的优化。因此,笔者认为:区域优化或超级动态联合优化是将来APC的一个发展趋势。图3是区域优化或全厂动态优化的示意图。

  3.4流程模拟技术和计划优化(PIMS)集成,使全局优化又快又准,应用前景广阔

  目前PIMS模型已经在炼化企业全面应用,广泛应用于年度、季度和月度排产,以及原油选购、加工方案、产品结构和油品调和计划的优化、财务预算、产品质量升级评估等方面,提高了管理效率和科学决策水平,提高了企业整体经济效益。PIMS模型在选购原油品种、计划排产、炼油厂及区域规划、资源优化利用等方面有不可替代的作用。但PIMS模型准确与否主要取决于原油数据库和装置Delta-Base结构预测的准确程度。

  相关期刊推荐:《中外能源杂志》是中央级科技期刊,于1996年创刊,刊发内容主要立足能源领域,特别是石油、天然气、煤炭及新型能源和可再生能源领域,就新工艺、新技术、新材料、新产品的开发应用进行报道。主要栏目有能源战略与政策研究、新能源与可再生能源、油气勘探与开发、石油炼制与化学工程、环境保护与安全、节能政策与技术、国内外能源简讯、能源百家谈等。读者对象适合能源界专业人士、大专院校师生及相关科研机构、生产制造企业的决策和工程技术人员。

  但PIMS模型在维护和更新装置Delta-Base结构时普遍遇到很大困难,炼油厂技术人员无法得到比较准确的Delta-Base模型以反映装置生产方案、原料性质和操作参数的变化。PIMS不能适应以下几种情况:①非线性的二次加工装置;②原油结构变化;③运营条件变化;④催化剂更换;⑤炼油厂改造等。

  目前石化企业现有的PIMS模型仅采用了少量的Delta-Base结构来关联装置产品分布和原料及操作条件的关系,且只传递密度和硫含量等少数性质,这与国外先进水平差距较大。

  采用流程模拟工具的DGA技术生成PIMS专用的Delta-Base子模型,提升现有的PIMS模型,提高PIMS模型提升排产的准确度,提高PIMS模型指导炼油生产优化的功能,使优化过程又快又准,建议流程模拟团队和PIMS计划优化团队紧密配合,合理部署,推动这一技术的普及应用,见图4。

  3.5基于机理模型和动态模拟技术的仿真培训(OTS)仍将有较大的市场

  OTS(OperatorTrainingSystem),即操作员培训系统,其核心是仿真模拟技术,即在计算机上仿真模拟化工/石化/炼油等行业各流程的真实生产过程和控制逻辑,建立对应的“虚拟工厂”,在此基础上,实现对工厂生产过程和控制逻辑的模拟、调整和培训。这种仿真模拟技术可逼真地模拟工厂的开车、停车、正常运行和各种事故过程的现象和操作,是对生产装置操作工培训和研究工艺方案的高效手段。

  仿真培训是传统的培训方式,国内外研究也比较多,笔者认为在未来一段时间内仍有较大的需求,具体因素如下:①中国石化和中国石油两大集团公司是国内OTS产品装置应用覆盖率最高的市场,但实际应用中存在系统维护不及时,管理与生产脱节等因素影响,实际应用不到全部生产装置的30%;②新建厂和新建装置,需要OTS产品;③科研机构中小型试验装置也存在提高操作员技能水平,强化操作技能培训的需求;④传统的OTS技术已无法满足要求,如装置操作优化/控制系统实验/动态模拟等;⑤OTS无疑将成为石化企业重要的技能人才培养和缓解人才流失风险控制的手段。

  目前国内市场90%以上的仿真培训系统应用还处于低端水平,主要是应用于操作工的操作技能培训、技能鉴定考核、技能竞赛、生产安全分析等,绝大部分未与工艺机理模型结合,不能真正反映生产装置的实际运行状态,不能指导生产装置的优化,也尚未与APC和RTO系统结合。建议加大研发投入,在常规仿真培训基础上,结合流程模拟和先进控制,面向炼油、化工、煤化工等流程行业,开发基于严格机理模型、具有丰富控制逻辑算法和物性数据的通用仿真模拟平台,具备操作技能培训、技能鉴定考核、生产安全分析、装置操作优化、控制系统试验等功能的一站式OTS平台,并与ProMACE结合,提供“互联网+”的仿真培训服务。功能架构如图5所示。

  3.6大数据技术必将在能源行业带来广泛应用,结合流程模拟技术,为生产决策提供最可靠支撑

  大数据技术是从海量的、多样化的数据中,利用各种大数据分析工具,高效运用机器学习技术与手段,形成建立炼化生产过程的大数据预测模型,挖掘出内部隐藏的相关性或关联性,快速获取有价值的信息的技术。图6是利用大数据建模技术对核心动设备进行故障诊断的示意图[9,10]。

  流程模拟技术是基于“三传一反”的严格工艺机理建模理念,通过流程模拟工具,对流程行业的设备以及生产过程,包括反应、精馏、吸收、萃取、换热、结晶等,根据所给过程的条件,如温度、压力、流量、设备尺寸、原料和产品性质等,对相应过程进行物料平衡、能量平衡、相平衡及化学平衡的计算,从而预测生产过程中可能发生的现象,指导科研、设计、生产部门的工作。

  流程行业生产过程非常复杂,有些生产过程机理明确,具有一定规律可循,可以用工艺机理模型来表征,而有些复杂过程根本无规律可循。因此对于生产过程的优化,需要结合大数据模型和流程模拟模型,两者互为补充,为流程行业生产过程服务,支撑生产过程决策。——论文作者:王建平1,王乐2

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