石油化工流程模拟、先进控制与过程优化技术的现状与展望
摘 要：流程模拟、先进控制和过程优化技术的研究与应用是石油化工过程的一个重要方面。本文论述了该技术的发展现状和趋势，分析了我国在该研究中存在的主要问题、面临的机遇与挑战，指出了关键的技术问题。此外，对流程模拟、先进控制和过程优化技术的经济效益与应用前景也做了分析。最后，对于如何在我国开展石油化工流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用提出了几点建议和对策。
关键词：石油化工，流程模拟，先进过程控制，优化技术，过程建模
Abstract: The development and applications of flow simulations, advanced process control, and process optimization technology are very important for petrochemical industry. In this paper, the status quo and prospects for flow simulations, advanced process control, and process optimization technology are discussed. The main problems existing in our research, the opportunities, and challenges are detailedly analyzed. At the same time, the key technical problems are also pointed out. In addition, the economy benefits and application prospects on flow simulations, advanced process control, and process optimization technology are investigated. Finally, some suggestions and countermeasures on how to work on the development and applications of flow simulations, advanced process control, and process optimization technology in our country are brought forward.
Keywords: Petrochemical Industry, Flow Simulations, Advanced Process Control, Optimization Technology, Process Modeling
引 言
石油化工是我国国民经济的支柱产业之一，其所实现的利润约占全国国有及国有控股企业总利润的1/4左右。但是，面临国际市场激烈的竞争和国内需求的不稳定，我国各石油化工企业均面临严重的挑战，与国际上发达国家的石化企业相比，我国的石化企业在质量、成本、规模、效益等方面尚存在较大的差距。以中国石化集团公司为例，综合商品率1996年为91.4%，1997年为91.12，1998年为91.67％，而同期美国为93.0%，英国为92.3%，法国为92.5%，国外平均水平大于92%。中石化的平均加工损失率1996年为1.29%，而1994~1995年美国、英国和法国分别为0.2%，0.3%和1.04%，世界平均水平为1%。中石化轻油收率1996年为65.11%，1997年为67.14%，1998年为67.95%，世界平均水平>70%[1]。每加工1吨原油的燃料动力费用中石化总公司1996年为63元，亚太地区平均水平为47元。
随着国内外市场竞争日趋激烈，要求石油化工企业对市场和生产环境的变化做出快速而有效的响应，以获得最大的经济效益。随着我国加入WTO的日益临近，深化改革企业的运行机制和管理体制，运用信息技术改造和提升传统产业，使其保持可持续发展，对于增强企业在国内、外市场的竞争能力具有十分重要的意义。世界各国的经验表明，流程模拟、先进控制与过程优化技术是提高企业的经济效益、降低生产成本、提高其在国际市场中的创新力、应变力、适应力和综
合竞争力的主要技术手段之一。例如，美国70％的炼油厂、美洲60％的炼油厂、世界炼油加工总量的40％，都使用生产计划调度、资源优化软件；杜邦公司10多个部门的几百人，100多个计划调度项目，每天都使用生产计划调度、资源优化软件等。
以上情况表明，开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题。
1 国内外技术发展现状与趋势
石油化工自动化的技术进步，已成为世界石化工业消除“瓶颈”制约，努力增效创收的主要环节之一。生产过程的流程模拟、先进控制和过程优化技术，是在现有的工艺条件下，通过对过程对象的充分了解，调整操作条件，在不增加投资或投资很小的情况下取得很大的经济效益。
国外已有多年的开发流程模拟、先进控制和过程优化软件产品的经验，例如，Aspen Tech公司的模型从诞生到现在已经有30多年的历史。据报道，国外已有20多家软件公司相继推出了在石油化工过程专用和通用的流程模拟软件60多种，已有20多家公司推出石油化工优化软件30余种。其应用领域涉及天然气加工、原油蒸馏和分馏、烷基化、催化重整、催化裂化、加氢、溶剂脱蜡、减粘、延迟焦化、硫回收、乙烯装置、合成氨、PET（聚酯）、苯乙烯、氯乙烯单体、用能组合、炼厂装置及整体等。比较典型的有Aspen Tech公司的RT-OPT，SimSci公司的严格在线优化软件ROM，Simsci公司结合美国壳牌石油公司的流程模拟产品Opera的Remeo，Honeywell公司的先进控制和优化软件包Profit Suite和英国KBC公司的桌面炼油软件Petrofine等。上述软件都是以通用性为主，专门针对某些装置开发的流程模拟和优化软件还包括Integrated Production Control System公司、Continental Controls Inc.和Treiber Control Inc. 的产品等很多种。
在分离过程方面，基于平衡级模型的流程模拟软件包括Aspen Tech公司的Aspen Plus和Simulation Science公司的Pro/II with provision；将上述模型用于在线优化技术，Aspentech公司推出了RT-OPT，SimSci公司推出了严格在线优化软件ROM。另外，两个公司在反应器、换热网等的优化上也均有相应产品；同时，Honeywell公司推出的先进控制和优化软件包Profit Suite和英国KBC公司的桌面炼油软件Petrofine，也都是优化软件中具有竞争力的产品。
在烯烃聚合过程方面，由于建模技术尚不成熟，真正用于烯烃聚合过程流程模拟
和优化的商业软件还并不多见。在现有商业软件中，Aspen Tech公司的POLYMERS PLUS是一个通用的聚合建模系统，但主要用于工艺过程设计，还难以对聚合过程进行在线优化。同时由于市场竞争激烈，这类专用技术严格保密，未能见到详细报道。
遗憾的是，我国在商品化和产业化方面与国外相比存在的差距非常大，至今还没有出现若干个可与国外产品抗衡的具有市场竞争力的石油化工流程模拟、先进控制与过程优化的软件产品。
从世界范围来看，目前石油化工企业流程模拟、先进控制与过程优化技术与软件表现出以下几大趋势： (1) 垄断局面正在形成
“在未来的几年里，石化工业将由5至6个巨头所垄断的局面正在形成 ”(Bryan Sanderson BP Chemicals, Managing Director)。适应石化工业发展的需要，从事石化企业过程设计、监控和管理的工程公司，以Aspen Tech公司为代表，形成了以Aspen Technology Inc., Simulation Science Inc., Hyprotech Inc., Honeywell Inc.等几大公司控制全球市场的局面。特别是Aspen Technology Inc., 近年来先后成功地收购了Prosys Technology Ltd., Industrial Systems, Inc., Setpoint, Inc., Dynamic Matrix Control Corporation (DMCC)等15家公司，成为该领域最具实力的公司。垄断的形成将不利于新兴企业的市场竞争，因此能够在最近的几年内开发出在技术上具有国际领先水平的产品，是我国石化工业及其相关软件产业能否在这一领域占据一席之地的关键。
(2)产品系列化和系统集成技术迅速发展
为了全方位地占领市场，各石油化工工程公司都力争将其产品系列化。以Aspen Tech公司为例，该公司共有43项产品，其中用于设计的17项，用于操作的16项，用于管理的有19项(有重叠)。Simulation Science Inc. 有16项产品，主要用于工艺设计。虽然产品的种类很多，但大部分产品的核心技术是相同的，即过程模型。在过程模型的基础上，根据不同的需要开发不同的产品，形成系列化的产
品，是各公司占领市场的主要手段。并且注重产品间的系统集成，应用网络和数据库技术，在石化企业中全面推行其产品。因此，我国也应该借鉴这些公司的发展经验，加速发展流程模拟、先进控制和过程优化技术，尽快实现产品的系列化和产业化。
(3) 通用性和专门化的流程模拟、先进控制和过程优化软件均具有很大的市场潜力
在大公司竞争通用流程模拟、先进控制和过程优化软件的同时，针对具体装置设计的专用流程模拟、先进控制和过程优化软件仍然具有很大的市场潜力，一些小的公司以此为重点发展方向也取得了很大的成功。因为完全通用的软件价格昂贵，对于具体的装置操作并不是必须的。而且通用模型在操作界面上不能适应具体装置的需要，使用比较烦琐和困难。因此如果能够在通用模型的技术上针对不同的装置开发不同的操作界面，结合两者的优点，将具有模型准确性高、易于操作和通用性好等共同特点结合起来的软件产品，将会更受到用户的欢迎。
2 存在的主要问题
经过多年的研究和技术储备，我国在单元设备的建模、控制和优化上已经取得了丰富的成果，在一些关键技术上已经达到了国际先进水平。主要包括：原油蒸馏装置的建模和过程优化技术，催化裂化装置的建模和先进控制，聚合过程的建模和过程优化技术，板式精馏塔的非平衡级模型及过程优化等，这些技术基本上覆盖了炼油化工企业的主要生产装置。另外，在裂解炉系统的建模、控制和优化上也已做了大量的前期研究工作，为乙烯生产过程的流程模拟、先进控制和优化上也打下了必要的技术基础。
现在存在的主要问题是：
(1)集成能力差：各模型均为独立开发，在模型和模型之间的数据交换、模型和工业实时数据之间的数据交换上存在着标准不统一的混乱局面。使得各类模型虽然独立在技术上具有先进水平，但尚不具备多装置流程模拟、先进控制和过程优化的条件，在总体上不具有竞争力。
(2)模型通用性差：所开发的模型往往是针对单独的企业的特定装置而开发，而国内的石化企业工艺流程种类多，导致所开发的模型通用性差，推广应用的适应性不强。
(3)产品化能力差：将已有过程模型和优化技术产品化需要大量的资金和人力，一般科研单位虽然具有很强的科研实力，但不具备产品化所需资金；同时将高级的科研人员用于产品化程序的开发工作，是人力资源的巨大浪费；产品化工作需要大量中级技术人员，其工作量是核心技术开发的数倍。
4．面临的机遇与挑战
目前，流程模拟、先进控制和过程优化技术在我国的发展既面临着前所未有的机遇，主要表现在以下几个方面：
(1)由于国内外市场对石油化工产品的强烈需求，在今后很长一段时间内，我国仍将加大石油化工工业的发展。据估计，在2000至2010年间，国内汽油、柴油、煤油的需求量/年增长将分别为3～3.9%，3～3.7%，4.5～5.8%；国内市场对乙烯需求也十分旺盛，1990-1997年乙烯需求的平均增长速度为19.3%，是GDP年均增长速度的1.6倍，预计到2010年乙烯年需求量为1700至1800万吨，而国内产量只能达到1000万吨[16]。因此，我国除了新上一批项目之外，还将对大量已有的装置进行技术改造和挖潜增效，这将会给流程模拟、先进控制和过程优化技术的研究与推广应用提供广阔的发展空间。
(2)今后我国在石油化工工业的发展过程中，将不断加强应用基础研究和高新技术的探索性研究与应用，以寻求新的经济增长点。同时，还将加快信息技术在石油化工工业中的应用[8]，在此过程中，流程模拟、先进控制和过程优化技术及其产品具有举足轻重的作用。
(3)目前，我国石油化工的大多数装置仍然采用常规的控制系统，其中90％以上只是采用PID控制，装置的真正潜力没有发挥出来。因此，开发和推广流程模拟、先进控制和过程优化技术十分必要也非常迫切。
石油化工流程模拟、先进控制与过程优化技术的现状与展望
