煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用劉紅霞，鄒涵(南京工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 江蘇 南京 211816)摘要：針對煉油產(chǎn)業(yè)在傳統(tǒng)流程模擬中存在著模塊單一缺乏數(shù)據(jù)交互、操作復(fù)雜、數(shù)據(jù)集成度低擴(kuò)展性弱、模擬預(yù)測精度低等問題。設(shè)計(jì)出一個(gè)集合了數(shù)據(jù)采集預(yù)處理、流程模擬、數(shù)據(jù)存儲集成、人機(jī)界面應(yīng)用等功能的集成仿真系統(tǒng)。首先利用數(shù)據(jù)修正、缺失值補(bǔ)償和顯著誤差消除技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的處理；然后采用hysys軟件進(jìn)行建模；最后計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信存儲集成功能和人機(jī)交互功能。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于加氫裂化煉油裝置，并取得了良好的效果。關(guān)鍵詞：煉油裝置 流程模擬 仿真系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 軟測量 中圖分類號

2、：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：The Design and Application of Process Simulation System in Refining PlantLiu hong xia，Zouhan(CollegeofElectronicsAndInformationEngineering,NanJingUniversityofTechnology,NanjingJiangsu211816,China )Abstract: To solve the problems in the process simulation of the refining industry,

3、 such as structure fragmentation, operation complexity, weak scalability and low simulation accuracy, an Integrated Simulation Platform is designed which consists of a varieties of functions such as data collection preprocessing, process simulation, integrated data storage and application of human-c

4、omputer interaction. Firstly, laboratory data and field data are managed using data correction, compensation of missing values and significant error cancellation technology; then use hysys software for modeling; finally, data communication, data storage, data integration and human-computer interacti

5、on are realized by computer technologies. This platform has been successfully applied in hydrocracking refinery unit, and achieved good results.Key words: Oil Refining ；process simulation ；simulation system ；design；soft sensor0引言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，流程模擬技術(shù)的應(yīng)用取得了一定的成效1,但是工業(yè)信息化進(jìn)程中始終缺乏一個(gè)具有多功能性、數(shù)據(jù)完備性和易操作性的流程模擬仿真系

6、統(tǒng)。仿真系統(tǒng)要求現(xiàn)場數(shù)據(jù)具有高度集成性，用戶可以方便快捷的查詢各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以便更好的生產(chǎn)指導(dǎo)與決策。同時(shí)，針對生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵指標(biāo)需要進(jìn)行產(chǎn)品分析、質(zhì)量分析和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整等操作。作者簡介: 劉紅霞（1964-）女,漢族，副教授,研究方向：工業(yè)綜合自動化研究與實(shí)現(xiàn)。鄒涵（1990-）男,漢族，碩士，研究方向：復(fù)雜過程的先進(jìn)控制、流程模擬與優(yōu)化針對以上這些不足和需求，結(jié)合當(dāng)前流程企業(yè)生產(chǎn)過程的仿真技術(shù)，以煉油工藝加氫裂化裝置生產(chǎn)過程為案例，對傳統(tǒng)的流程模擬系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)擴(kuò)展，設(shè)計(jì)出了一個(gè)集合了數(shù)據(jù)采集預(yù)處理、流程模擬、數(shù)據(jù)存儲集成、人機(jī)交互應(yīng)用等功能的集成仿真系統(tǒng)。1煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)的

7、設(shè)計(jì)隨著石化工業(yè)的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的引進(jìn)，許多煉油流程模擬軟（Aspen Plus，PRO/II ，HYSYS）在石化企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但是當(dāng)前流程工業(yè)工藝過程模擬仿真技術(shù)存在著一些問題，主要有以下幾種：（1）沒有將數(shù)據(jù)采集功能集成進(jìn)去，用戶需要通過繁瑣的數(shù)據(jù)庫操作與數(shù)據(jù)處理才能得到有效的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。（2）針對大量的數(shù)據(jù)，難以進(jìn)行有效地存儲管理，不同軟件載體的模塊之間的數(shù)據(jù)難以進(jìn)行通信，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能高效利用。（3） 缺乏友好性、實(shí)用性和多功能性的人機(jī)交互界面，導(dǎo)致非專業(yè)人士和操作人員在使用時(shí)存在難度。（4）運(yùn)行模塊過分依賴模擬仿真軟件，存在關(guān)鍵變量難以測量的問題。針對當(dāng)前流程工業(yè)過程控制仿

8、真技術(shù)的不足，提出了以煉油裝置流程模擬為基礎(chǔ)的過程控制集成仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1所示。圖1煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)構(gòu)架圖煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)構(gòu)架主要包括數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊、流程模擬建模模塊、數(shù)據(jù)存儲集成模塊和可視化人機(jī)交互功能應(yīng)用模塊。數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊主要功能是數(shù)據(jù)的采集、整合與預(yù)處理，這些數(shù)據(jù)一方面是流程模擬模型建立的數(shù)據(jù)源，另一方面為產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。并且可以自動傳輸?shù)搅鞒棠M建模模塊。流程模擬建模模塊根據(jù)煉油裝置的工藝流程和動力學(xué)模型，以機(jī)理建模方式來分別建立穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模型。數(shù)據(jù)存儲集成模塊不但通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫采集存儲動態(tài)仿真數(shù)據(jù)和煉油裝置的設(shè)備參數(shù)、

9、操作生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)；同時(shí)還通過多種通信接口技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)模塊間的交互和數(shù)據(jù)通信，最終為仿真系統(tǒng)各個(gè)功能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)做好技術(shù)準(zhǔn)備。功能應(yīng)用中心提供了本仿真系統(tǒng)的可視化、圖像化的操作管理人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)企業(yè)各級人員的流程模擬、產(chǎn)品預(yù)測、操作優(yōu)化、質(zhì)量分析、生產(chǎn)管理維護(hù)等功能。2. 煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.1 數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊通過對采集數(shù)據(jù)獲得煉油裝置的數(shù)據(jù)來源，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確有效的預(yù)處理，從而提高建模數(shù)據(jù)樣本的完整性和準(zhǔn)確性3。該模塊需要采集三類數(shù)據(jù)：（1）通過連接PHD（Process History Database,過程歷史數(shù)據(jù)庫）采集實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)，

10、如安裝在現(xiàn)場的各設(shè)備的傳感器采集的溫度、壓強(qiáng)和流量等，（2）通過LIMS(Laboratory Information Management System,實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng))獲取的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，包括進(jìn)料油和各產(chǎn)品油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。（3）通過現(xiàn)場調(diào)研和對工藝流程的分析獲得的裝置設(shè)備工藝參數(shù)。由于現(xiàn)場操作和環(huán)境的影響，實(shí)際采集時(shí)造成的各種誤差和數(shù)據(jù)缺失是不可避免的。這里，對于采集的數(shù)據(jù)需要對其進(jìn)行顯著誤差消除、數(shù)據(jù)修正和缺失值補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)處理。此外，由于其操作數(shù)據(jù)和產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)分別來自不同的兩個(gè)數(shù)據(jù)庫。如果不數(shù)據(jù)集成將影響穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，所以在建模之前還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)整合。2.2 流程模擬建模模塊流程模擬建模

11、模塊采用了專業(yè)流程模擬軟件Aspen HYSYS，HYSYS是一款功能強(qiáng)大、開放性強(qiáng)的石化流程模擬軟件，該軟件集成了石油加工裝置中各種化工操作單元程序庫、化學(xué)物質(zhì)物性計(jì)算程序包和動力學(xué)方程等計(jì)算方法庫，是集穩(wěn)態(tài)流程模擬和動態(tài)流程模擬為一體的流程模擬軟件。同時(shí)HYSYS提供了大量的擬物化的單元模型和易于操作的輸入輸出界面，幫助用戶方便快捷的搭建模型、設(shè)置參數(shù)和模擬驗(yàn)證。2.2.1穩(wěn)態(tài)和動態(tài)建模本模塊根據(jù)煉油裝置的工藝流程和動力學(xué)模型特點(diǎn)，以數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊采集的數(shù)據(jù)樣本為數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)煉油裝置流程的初步建模。完成初步建模后，需要對模型進(jìn)行收斂性驗(yàn)證和校正，這里通過HYSYS提供的動力學(xué)活性因子實(shí)

12、現(xiàn)驗(yàn)證和校正功能，最終完成穩(wěn)態(tài)模型的建立。動態(tài)模型的建立可通過動態(tài)助手將穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)模型。2.2.1軟測量建模針對流程工業(yè)過程存在的多變量、非線性和數(shù)據(jù)動態(tài)性問題，提出了一種自回歸移動平均（autoregression-mnving average，ARMA）模型與徑向基函數(shù)-加權(quán)偏最小二乘(Radial basis function-Weightedpartial least regression,RBF-WPLS)相結(jié)合的非線性動態(tài)建模方法。該方法首先建立基于RBF-WPLS的軟測量模型，然后，利用ARMA模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)估計(jì)，通過增加動態(tài)校正環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對靜態(tài)模型的動態(tài)校正處理。

13、與傳統(tǒng)RBF-WPLS算法相比獲得了更高的預(yù)測精度和泛化能力。下面針對RBF-WPLS方法進(jìn)行簡要介紹。首先利用RBF-WPLS算法建立軟測量預(yù)測模型，將該模型訓(xùn)練輸出值與真實(shí)測量值相減，得到一個(gè)關(guān)于輸出值誤差的時(shí)間序列值，利用模型對該時(shí)間序列進(jìn)行建模，得到關(guān)于預(yù)測誤差的ARMA模型。將以上兩個(gè)模型相結(jié)合進(jìn)行模型預(yù)測時(shí)，RBF-WPLS模型輸出值減去ARMA模型的誤差值，即得到輸出變量的預(yù)測結(jié)果。圖2給出了該模型結(jié)構(gòu)框圖。圖2 基于RBF-WPLS和ARMA的軟測量模型結(jié)構(gòu)2.3 數(shù)據(jù)存儲集成模塊根據(jù)煉油裝置自動化數(shù)據(jù)集成技術(shù)的整體功能和技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)集成解決方案，如圖3所

14、示。圖 3 數(shù)據(jù)集成方案該數(shù)據(jù)集成方案的主要工作是數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信接口的設(shè)計(jì)開發(fā)，數(shù)據(jù)存儲由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫Honeywell PHD和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle組成，對仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)、管理信息數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集和存儲操作，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的存儲和管理4,5。Aspen HYSYS開放了其OPC服務(wù)器，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫PHD的OPC接口與HYSYS的OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與采集，HYSYS內(nèi)部集成的COM接口與功能應(yīng)用中心的Web應(yīng)用程序通過共同的COM協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。另外HYSYS通過ASW軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)與Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。對于擴(kuò)展應(yīng)用程序的OPC客戶端，通過OPC服務(wù)器對實(shí)

15、時(shí)數(shù)據(jù)庫PHD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過PHD的API庫函數(shù)的數(shù)據(jù)調(diào)用功能來實(shí)現(xiàn)PHD和Oracle的數(shù)據(jù)通信6,7。關(guān)系數(shù)據(jù)庫Oracle在獲得PHD數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的同時(shí)，通過ADO.NET接口完成與Web應(yīng)用程序的連接，Web應(yīng)用程序連接后可以對數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行各項(xiàng)操作。2.4 功能應(yīng)用模塊煉油裝置流程模擬集成系統(tǒng)的可視化人機(jī)交互界面的開發(fā)主要是解決人機(jī)交互軟件與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)操作問題。為了解決Aspen系統(tǒng)中運(yùn)行操作和查詢數(shù)據(jù)等問題，引入Excel作為用戶操作查詢的接口，采用VBA和COM編程技術(shù)，與Aspen公司提供的人機(jī)界面軟件ASW(Aspen Simulation Workb

16、ook)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算。基于ASW的Excel人機(jī)交互界面包括導(dǎo)航界面、輸入輸出界面、數(shù)據(jù)查詢界面以及優(yōu)化分析界面。此外，為了使用戶能更加方便快捷的操作此人機(jī)交互界面。使用基于B/S架構(gòu)的ASP.NET框架來開發(fā)友好的前臺人機(jī)界面，采用OPC接口、COM接口和ADO.NET接口與流程模擬模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。用戶可以直接使用瀏覽器通過相應(yīng)權(quán)限的用戶名和密碼來訪問ASP.NET應(yīng)用程序，通過選擇不同的功能進(jìn)行功能操作。3.應(yīng)用案例煉油裝置流程模擬仿真系統(tǒng)以某煉油廠加氫裂化裝置為例進(jìn)行了應(yīng)用。該裝置由反應(yīng)器部分包括精制反應(yīng)器和裂化反應(yīng)器串聯(lián)組成，然后經(jīng)過高低壓分離器進(jìn)行壓力分離，分離后通過硫化氫汽

17、提塔脫硫化氫處理，最后進(jìn)入兩個(gè)分餾塔分餾出各種產(chǎn)品8。如圖4所示。圖 4 中壓加氫裂化工藝流程通過數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊從3組數(shù)據(jù)庫中采集數(shù)據(jù)，然后使用顯著誤差消除、數(shù)據(jù)修正、缺失值補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。處理后的數(shù)據(jù)送入到模型輸入接口。并通過Excel的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。在建模模塊，根據(jù)加氫裂化工藝，設(shè)置動力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)方法，配置物性方法和流體包，為使反應(yīng)器的計(jì)算結(jié)果能平滑的傳輸給分餾塔模型，對反應(yīng)模塊與分餾模塊進(jìn)行反應(yīng)器集總到分餾塔集總的轉(zhuǎn)換9，此時(shí)，完成模型的初步建立如圖5所示。圖 5加氫裂化模型圖 針對加氫裂化中某些無法通過建模軟件獲得或者獲得不準(zhǔn)確的變量，如航煤干點(diǎn)、柴油傾點(diǎn)等?，F(xiàn)將

18、9個(gè)變量作為模型的輔助變量，以分餾塔的航煤干點(diǎn)作為主導(dǎo)變量，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并剔除病態(tài)數(shù)據(jù)，共采集了174組數(shù)據(jù)。將其中的124組作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其余的50組作為測試數(shù)據(jù)， 采用ARMA-RBF-WPLS方法建立航煤干點(diǎn)軟測量模型。同時(shí)與實(shí)際值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6。如圖6 ARMA-RBF-WPLS模型預(yù)測結(jié)果此系統(tǒng)的各項(xiàng)功能可以通過人機(jī)界面在功能展示中心模塊進(jìn)行展示，如圖7所示為在線流程模擬的操作界面，功能包括：模型開啟與關(guān)閉、各種進(jìn)料油設(shè)置、關(guān)鍵指標(biāo)分析、仿真計(jì)算產(chǎn)物查詢等，當(dāng)前正在對硫化氫汽提進(jìn)行溫度、壓力、回流比和產(chǎn)品流率等參數(shù)配置。圖7 在線流程模擬操作在Excel平臺利用HYSY

19、S ASW技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢功能。如圖8所示，為Excel通過加氫裂化模型交互查詢獲取的仿真結(jié)果柴油產(chǎn)品的指標(biāo)數(shù)據(jù)（質(zhì)量流率、各餾程點(diǎn)溫度等）。圖8 Excel數(shù)據(jù)查詢因素影響的優(yōu)化分析功能以基于ASW接口的Excel交互界面為基礎(chǔ)，開發(fā)出對加氫裂化輸入因素的分析功能，通過改變某些輸入因素（單因素或多因素），來觀察某些關(guān)鍵指標(biāo)具有哪些變化趨勢，從而，對知道這些變量之間的關(guān)系，為生產(chǎn)指導(dǎo)和決策提供依據(jù)。對于某些需要重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)可以通過因素影響的優(yōu)化分析功能得到最佳的進(jìn)料參數(shù)和操作條件等，從而獲取較好的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。以單因素為例，選取加氫裂化裂化反應(yīng)器第一個(gè)床層的的入口溫度輸入?yún)?shù)作為說明對象，

20、展示因素影響分析功能。圖9所示的Excel上開發(fā)的單因素分析功能，第一個(gè)床層的的進(jìn)料溫度的微小改變，選取三個(gè)重要指標(biāo)重石腦油芳潛N+2A（HN.N+2A）、柴油流量（Die.Mass）、尾油BMCI值（Btm.BMCI）繪制表格，如表1所示。圖9 Excel因素影響分析功能表1 因素影響分析整理數(shù)據(jù)入口溫度HN.N+2ADie.MassBtmBMCI溫度/oC值Kg/h值36373.874528314.236573.794607213.8736773.724695613.5436973.594818813.2237173.515002312.88分析可得裂化器第一床層的的入口溫度對這三個(gè)指標(biāo)的

21、影響規(guī)律為：（1） 裂化器第1床層入口溫度與重石腦油芳潛N+2A成反比（2） 裂化器第1床層入口溫度與柴油流量成正比；（3） 裂化器第1床層入口溫度與尾油BMCI成反比。通過影響因素分析，對入口溫度操作條件的變化可以從一定程度上提高該指標(biāo)。因素影響的優(yōu)化分析功能可以指導(dǎo)加氫裂化流程模擬的工況條件優(yōu)化，對產(chǎn)品性能進(jìn)行改進(jìn)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整是指為了挺高產(chǎn)品某項(xiàng)指標(biāo)通過改善輸入?yún)?shù)，改變局部變量等操作來實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化方法?，F(xiàn)以改變操作條件提高輕石腦含量為例，對本功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行具體說明。在經(jīng)過整套的產(chǎn)品性能指標(biāo)的預(yù)測實(shí)驗(yàn)后，對提高輕石腦產(chǎn)量的工況操作條件作深入分析，得到分餾塔塔底溫度、分餾塔蒸氣流量對輕

22、石腦油流量（LN.Mass）指標(biāo)的影響規(guī)律，提取數(shù)據(jù)并繪制表格（表2所示）。表2 輕石腦油流量指標(biāo)分析數(shù)據(jù) 塔底LN.Mass蒸汽量LN.Mass溫度/oCKg/hKg/hKg/h3251884.316001984.33271936.317002152.63392095.118002369.63312268.919002518.43332405.720002605.1通過觀察上次變化關(guān)系可以得出結(jié)論：分餾塔塔底溫度與輕石腦油流量成正比；分餾塔蒸氣流量與輕石腦油流量也成正比。對此，為了有效提高餾出油中輕石腦油的含量，在加氫裂化分餾塔部分可以有如下操作：對分餾塔塔底溫度進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶岣撸粚Ψ逐s塔蒸氣

23、流量進(jìn)行一定的放大。該人機(jī)交互平臺還為用戶提供了產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)分析功能，包括加氫裂化模型精度分析、產(chǎn)品產(chǎn)量分析、產(chǎn)品指標(biāo)分析、產(chǎn)品優(yōu)化分析以及各產(chǎn)品質(zhì)量分析等。如圖10所示為ASP.NET人機(jī)交互界面上實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)分析功能，上半部分所呈現(xiàn)的是各主要產(chǎn)品質(zhì)量流量的模擬值與工廠實(shí)際值的對比效果圖，下半部分是重腦油N+2A值、柴油終分餾點(diǎn)、尾油BMCI三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)與工廠實(shí)際值的對比表。同時(shí)，還反映了相對誤差的大小。圖10 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)分析4結(jié)束語針對當(dāng)前煉油裝置過程控制仿真系統(tǒng)功能不足和技術(shù)特點(diǎn)，提出了煉油裝置流程模擬集成仿真系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集預(yù)處理、流程模擬建模、數(shù)據(jù)存儲集成和功能應(yīng)