连续重整装置实时优化解决方案

2021-12-15谢勇勇中海石油宁波大榭石化有限公司浙江宁波315812

化工管理 2021年34期

谢勇勇(中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江宁波 315812)

0 引言

2018年大榭石化连续重整装置与浙江中控软件技术有限公司合作，运用实时优化技术，根据连续重整工艺特点，实施实时优化项目，耦合APC控制系统，提高装置运行水平，消除生产瓶颈，进一步挖潜增效提升装置芳烃收率和经济效益[1]。

1 实时优化技术介绍

实时优化(real-time optimization，RTO)技术是全流程优化控制技术发展到现阶段最先进的优化技术，其把最优化技术应用于化工生产过程控制，在满足各项生产技术指标的要求下，自动寻求使目标函数达到最优的一组操作参数，对工艺参数进行最佳设定，并在线下发给APC(先进控制)使整个生产系统运行并维持在最优状态。

RTO系统以生产效益最大化、全局最优为目标，结合实际运行数据及操作条件等信息进行优化计算。整个RTO系统从取数到优化计算，再到输出外部目标值供APC执行，全流程闭环运行，无需人工干预。APC系统会持续按照RTO系统优化计算所得的指定目标进行控制，不断将装置调整到当前工况下的最优操作点。

2 连续重整装置实时优化解决方案

大榭石化连续重整装置实时优化解决方案的系统架构如图1所示。

图1 连续重整装置RTO系统架构

大榭石化连续重整装置RTO系统以装置工艺实时数据及在线近红外分析数据为基础，在实时优化平台内完成优化计算，优化计算结果下发给APC，通过APC的执行实现装置优化目标。

2.1 实时优化平台

实时优化平台是连续重整装置实时优化解决方案的核心。大榭石化连续重整装置实时优化平台的技术架构如图2所示，分为底层数据处理和上层业务应用。

数据接口采用的中控标准数据服务(Supcon-Std Data Service)是浙江中控自主开发的支持实时数据库访问的接口，目前支持浙江中控自主开发的ISYS实时数据库以及第三方的PI、PHD和IP21等实时数据库。通过调用封装的中控标准数据服务接口，实现对实时数据库数据进行采集和写入，即实现与DCS的数据通讯。

实时优化平台的核心是连续重整机理模型、优化模型及稳态检测算法。大榭石化连续重整装置机理模型，包含预加氢单元、重整反应及再接触单元、重整分馏单元。重整反应模型采用35集总模型，包括5个烷烃异构反应、6个烷烃脱氢环化反应、5个环烷烃异构化反应、6个环烷烃脱氢(芳构化)反应、9个芳烃脱烷基(氢解)反应、40个烷烃加氢裂化反应，总计71个反应。

优化模型以提高装置经济效益为目标，以提高重整反应温度、优化进料组成、调整分馏塔操作为优化变量，采用SQP优化算法进行优化求解。装置经济效益如公式(1)所示，以各产品流量与价格的乘积之和所得金额扣除同样方式计算的原料及公用工程金额。计算经济效益用到的原料、产品及公用工程的价格体系如表1所示。优化模型采用的优化变量见表2所示，通过优化预加氢分馏塔操作，提高重整进料初馏点，优化进料组成；通过提高重整反应温度，增加芳烃转化率[2-3]；在保证产品质量的前提下，调整脱戊烷塔、C4/C5分馏塔操作，降低塔能耗。

表1 价格体系单位：元/吨

表2 重整装置优化变量

图2 连续重整装置RTO系统架构

在实时优化(RTO)过程中，优化模型只有在装置达到稳态的前提下，对优化计算结果下放给APC才有实际意义。大榭石化连续重整装置实时优化平台采用的稳态检测算法为启发法(Heuristic)，通过比较过程变量滤波前后的差异和允许变化限度来确定过程是否处于稳态。

RTO平台中需要建立与连续重整装置DCS位号相对应的位号，以实现与实时数据库数据(即DCS位号数据)的交互；还需建立装置DCS位号与重整模型变量之间的映射关系，以实现装置数据与模型间的交互。这个过程称为数据组态，数据组态分为两部分：RTO与DCS间的位号组态、RTO与重整模型变量间的位号组态，最终实现重整模型与DCS间的数据通讯，如图3所示。

图3 数据组态

首先，建立SSRTO与DCS间的位号数据通讯，SSRTO中需要建立的位号类型有：一次位号、二次位号、自定义位号。一次位号指需要用到的DCS中的位号，如：重整进料流量、重整反应器入口温度、重整汽油流量等，包含新增的近红外位号；二次位号指DCS中不存在的，但可以通过DCS位号的简单组合计算得到的，如：芳烃收率、芳潜等；自定义位号指DCS中不存在的，且无法通过DCS位号的简单组合计算得到的，如：价格位号、优化变量步长位号等。

其次，对RTO中建立的位号进行平均值处理，即建立对应的平均值位号。由于装置波动、仪表测量等原因，DCS位号(瞬时)值具有震荡、波动趋势，无法代表装置真实运行状况，因此进行平均值处理，取一段时间内的平均值。

最后，建立RTO平均值位号或其他位号与重整模型变量间的数据通讯，即位号变量映。

2.2 实时优化平台服务器部署

实时优化平台部署在单独的RTO服务器上，RTO服务器与OPC服务器、APC服务器的网络部署，如图4所示。这种部署方式能够避免RTO和APC的直接接触，并可在线完成RTO服务器的部署，无需切断APC服务器与OPC服务器的连接。

图4 RTO服务器网络部署图

RTO服务器上同时部署数据库软件APC-isys，APC-isys从OPC服务器获取数据，供实时优化平台使用；实时优化平台的优化结果通过APC-isys通讯至OPC服务器，进而控制APC。APC-isys中配置与OPC服务器相同的位号，包含装置位号、近红外位号等。

2.3 在线近红外分析仪

在线近红外分析仪为实时优化平台提供分钟频率的装置原料及产品分析数据，是实时优化平台进行优化计算的基础。基于重整机理模型的要求，在线近红外分析仪分析流股包括预加氢进料、重整进料及重整汽油，具体分析项目包括：馏程、密度、C2-C10的PNA族组成，如表3所示。

表3 在线近红外分析仪分析流股及分析项目表

采用的在线近红外分析仪为德国 BRUKER 在线傅立叶变换近红外光谱分析仪，型号为MATRIX-F。近红外光纤和探头通过法兰密封连接到管线中，近红外探头插入到管线中进行光谱采集；近红外分析仪通过多模通讯光缆与主控制室的控制计算机(工程师站)连接实现分析控制，主控制室的控制计算机将近红外分析结果通过RS485通讯接口以Modbus协议方式将数据传输到连续重整装置DCS控制系统。在线近红外分析检测系统与优化控制系统通讯原理图如图5所示。

图5 在线近红外分析检测系统通讯原理图

在线近红外分析仪是二次分析工具，需采用化验室分析数据进行校准，建立在线近红外分析模型。在线近红外分析仪的模型校准及更新方法如下：

(1)化验室采样分析，时间间隔为8 h，并详细记录采样时间，样品数量不小于200组；

(2)采用化验室分析结果及对应时间的在线近红外分析仪分析谱图，使用偏最小二乘法建立在线近红外分析光谱与化验室分析结果间的数学关系，即在线近红外分析仪模型；

(3)定期比较化验室分析数据与在线近红外分析仪分析结果的偏差，如偏差较大(相对偏差大于3%或绝对偏差大于0.5%)，则按照步骤(2)进行在线近红外分析仪模型的更新。

2.4 实时优化平台与APC的联动

RTO与APC的联动以安全为前提和首要目标，联动方案充分考虑RTO的各种突发状况，从RTO层面及APC层面进行安全设计，从数据稳定性、优化结果可靠性、联动切除的方便性等进行设计。

RTO与APC的联动存在可能引起不安全的因素有：(1)RTO优化输出操作条件与装置当前操作条件相比变化大，通过APC执行后引起装置波动大；(2)RTO长时间未进行优化计算致使优化输出保持长时间不变，与装置当前运行状态不符；(3)RTO异常，停止服务。

为避免上述情况发生，或者在上述情况发生后不对装置正常操作造成影响，设计了RTO与APC的安全联动及无扰切换逻辑，如图6所示。当RTO的输出满足RTO运行状态、且RTO开关及APC开关为开时，APC被控变量设定值接收RTO输出值，进入RTO与APC联动模式；否则，APC被控变量设定值由操作人员手动设定，回归APC单独运行模式。

图6 RTO与APC的联动及无扰切换机制

3 连续重整装置实时优化解决方案效果

经校准后，在线近红外分析仪分析结果与化验室采样分析结果相对偏差基本控制在3%以内，如图7所示，分析精度较高，满足实时优化平台要求。重整汽油C5P、C8P，重整进料二甲苯，预加氢进料二甲苯，由于含量较低(0.5%、0.8%、1.6%、2.2%、2.5%)，虽然相对偏差较大(大于3%)，但绝对偏差较小(小于0.5%),满足分析仪精度要求。

图7 在线近红外分析仪分析结果相对偏差

大榭石化连续重整装置实时优化实施后，选取2020年10月16—25日投用前后的装置运行结果进行分析，系统总体投用率85%，RTO运行稳定，与APC的联动安全、执行到位，芳烃收率平均值由投用前75.0%提升到75.31%；按照2.1章节的公式(1)计算，提升装置经济效益约1 683元/小时，投用效果明显。