应用相关积分优化技术,

提高中国炼油企业竞争能力

北京优化佳控制技术有限公司

王建

一、前言

 

  在当前的金融风暴中,由于需求下降,油品的卖方市场转变为买方市场。在这种情形下,市场的竞争激化,谁有更高的油品生厂效益,谁就占得市场的优先。因此,采用更新的技术,降低生产成本,提高生产效益,就能够提高企业在市场的竞争力。

  本文介绍了一种在中国炼油企业中成功应用的新型实时优化技术——相关积分优化技术,并利用该技术,优化催化裂化装置反应器的主要操作条件。在长期统计台帐的水平上,提高总液收1%,每年的经济效益达到8000万元以上。

  在生产过程中,在线调整过程的主要操作条件,使目标函数,如收率,经济效益达到最大,是实时优化的任务。传统的实时优化技术,是基于过程模型化的方法,通过模型的建立,获得对被优化过程的数学描述,进而用计算机在线算出当前情况下的最优操作点。

传统的过程模型基本上通过两种途径获得:
机理建模:利用化工中的反应机理、热力学平衡、质量平衡等基本方程,建立各单元的数学模型,根据过程的流程,通过集成各单元的模型得到整个装置的数学描述。
数据建模:利用日常操作的数据,或者安排一定的测试,获得装置的测试数据,然后用统计的方法建立经验模型。

显然,这种技术面临两个不可避免的问题,阻碍着其广泛的应用:
1)建模的困难.可能是由于以下的原因:

  1. 系统庞大复杂。
  2. 基本的机理不是很清楚。这在化学反应过程中比较常见。
  3. 建模的代价过高。

2)模型建立以后,需要经常的修改,维护。模型本身总是有一定的适用范围,当生产过程由于原料的变化,生产装置的改造等原因使得模型误差加大,甚至无法使用。这就需要对模型的参数,结构进行修改。这个现实问题,往往阻碍着在线优化的长期应用。

显然,如果有一种方法,能够克服以上的两个问题,将是在线优化技术的一个重要的进步。

  相关积分优化方法,就是这样的一种技术。经过二十几年潜心的理论研究和应用研究,克服了大量的困难,最终实现了长周期的工业应用,得到了用户的肯定,取得了较大的经济效益。

二、相关积分优化技术

2.1 基本理论

  相关积分在线优化技术的基础是相关积分理论。相关积分是一种与随机过程有关的运算,在相关积分法理论中,目标函数、干扰、优化变量被视为随机过程,而优化变量为均值可控,一般地可以表达为:
wj2                          (1)
其中wj4wj6维均值可控的调优变量,wj8为干扰,wj10为未知映射。最优目标函数定义为:
wj12                    (2)
这里,wj14为调优变量的均值,它可以是基层控制器的设定值或阀位等。对于单变量的优化问题,可以证明,在一定条件下目标函数均值对调优变量均值的梯度wj16满足下式:
wj18            (3)
式中,wj20是均值为零的噪声项,而wj22是调优变量与目标函数间的互相关积分,wj24为调优变量自相关积分,如公式(4)和(5)所示:
wj26                  (4)
wj28                  (5)
wj30为常数
上述公式中,wj32分别为调优变量和目标函数的测量值。可见wj34能够通过调优变量和目标函数的观测值计算得到,于是根据公式
wj1800             (6)
可用最小二乘法估计目标函数的梯度wj36
在算得目标函数的梯度后,可以用直接迭代计算调优变量的新设定值wj38
wj40                      (7)
式中,wj42为一个常数。
这种迭代过程在线持续进行,直至梯度为零,参见图1。
以上的方法可以推广到多个优化变量的情形。

归结起来,整个算法由4个步骤组成:

1 采取优化变量和目标函数的脉动
2 计算这些脉动的动态相关积分
3 相关积分矩阵的分析得到优化变量和目标函数间的梯度
4 跟据梯度方向和大小,调节优化变量,再转1。

以上4个步骤不断重复进行。如果梯度为零,则给定值一直不变。即:
us(l+1)=us(l)
如果由于某种原因系统特性发生变化,如原料变化了,则梯度就会发生变化而偏离零,按照(7)式进行优化操作点的重新调整,直至达到新优化点,见图2。

 

wj45

2.2 相关积分优化方法的特点

 

相关积分优化方法有以下不同以往优化技术的特点:

  1. 可以不需要事先建立过程的静态和动态模型。
  2. 极强的自动适应能力,在工艺条件变化,原料变化,设备改造等情况下,能自动跟踪最优点。
  3. 利用过程正常运行的自然波动进行工作,无需另对过程加入测试信号,因而对过程操作的干扰很小。
  4. 该法具有很强的抗干扰特性,甚至在动态强干扰,即其它因素如原料性质引起目标函数的变化大于有用信号(由调优变量引起目标函数的变化)的恶劣条件下仍能正常工作。
  5. 该法具有很强的鲁棒性,当过程的动态和静态特性发生漂移时仍能正常工作。
  6. 无须维护。
  7. 可以在保证生产过程安全的情况下将主要操作条件平稳调至最优。
  8. 计算量较大,需要DCS的配合

 

2.3. 应用相关积分优化器的条件

 

从原理上看,只要具备以下条件的过程,就可以应用相关积分优化方法:

  1. 必须是连续生产过程。间歇生产过程是不能应用该法的。

 

  1. 所优化的目标函数是在线可测量或在线可计算的。由于相关积分需要目标函数随时间变化的曲线,这就不能采用几小时一次的实验室的化验数据。
  1. 过程由DCS控制。由于优化控制是24小时连续闭环工作,对计算机控制系统的可靠性要求很高。集散控制系统可以满足这方面的要求。

 

三、应用实例:FCCU反应器实时操作优化

 

  催化裂化装置反应器的实时优化,有着较高的难度。其挑战性在于如何在多变的原料性质,装置改造,催化剂更新等情况下自动追踪最佳操作点,而不需要人为的干预,如重新建模,参数修改等等。本文介绍的一个应用实例,采用了相关积分优化技术,实现了这种自适应的优化控制。
本例中的重油催化裂化装置,采用了中国石油化工科学研究院MIP-CGP技术,装置设计处理能力为1.4Mt/a。

3.1目标函数和优化变量

 

  催化裂化装置的优化目标函数可以有许多种。在本例的优化控制中,采用了多加工方案优化的方式,即优化目标函数可以根据需要进行切换。
根据目前油品销售的市场情况,催化裂化加工方案的多变性,整个优化系统能适应不同的加工原料和生产不同的主产品。本优化控制系统可以适应五种加工方案:

  1. 以液态烃为主产品的优化方案,液态烃的8小时累积收率为目标函数,并可控制柴油收率不小于某设定值。
  2. 以汽油为主产品的优化方案,汽油的8小时累积收率为目标函数,并可控制柴油收率不小于某设定值。
  3. 以柴油为主产品的优化方案,柴油的8小时累积收率为目标函数,并可控制液态烃收率不小于某设定值。
  4. 以总液收为目标的优化方案,以液态烃+汽油+柴油的8小时累积收率为目标函数。
  5. 以装置整体经济效益为目标的优化方案,根据当前原料、产品的价格,计算出8小时内加工每一吨原料获得的经济效益。

 

  在选择优化变量时,主要考虑反应-再生部分工艺中的那些重要的,同时又易于控制的变量。在本催化裂化装置中,取以下几个变量作为在线优化变量:

  1. 第一反应器反应温度
  2. 第二反应器催化剂藏量
  3. 预提升蒸汽(蒸汽预提升工艺)
  4. 预提升干气(干气预提升工艺)
  5. 掺渣比
  6. 原料油换热温度
  7. 终止剂流量
  8. 回炼油比
  9. 油浆回炼比
  10. 新催化剂加入量

 

  优化控制逻辑上采用两级控制方式,优化控制系统计算出优化变量的给定值,送往DCS的PID控制回路外给定上执行。优化系统的采样周期为1分钟,控制周期为10分钟。

 

3.2 长期运行情况与讨论

  系统投用后,由于其优越的性能和良好的效益,受到各个方面的广泛关注。自2007年3月底投用至今,除了装置因机械方面的原因,短时间切出外均保持投用状态。装置的运行环境大为改善,稳定性提高,效益增加。
笔者对比了运行前后各三个月的统计物料平衡,其结果见表3.1:

 

表3.1:投运优化前后各种产品收率变化统计情况


产品

优化前

优化后

变化量(后-前)

干气

3.71

3.89

0.17

液态烃

22.21

24.52

2.31

其中:丙烯

6.72

7.34

0.62

汽油

36.40

36.78

0.38

柴油

22.08

20.46

-1.62

油浆

6.67

5.52

-1.15

烧焦

8.50

8.45

-0.05

损失

0.43

0.38

0.05

总液收

80.69

81.76

1.07

转化率

71.25

74.02

2.77

从表3.1可以看出,相关积分优化投用后,反应生焦率明显降低,总液收显著提高。由于反应生焦率降低,再生器稀、密相温度控制更加平稳、合理。
催化剂加剂均衡、活性稳定,单耗降低。
预提升蒸汽流量随反应优化的需要由控制阀自动调节,使液态烃中的丙烯浓度升高。
由于反应生焦率降低,反应深度可以进一步加大,汽油和液化气收率提高明显,轻柴油收率明显下降,达到了催化裂化多产丙烯的目的。
经过长周期的、不断的优化和运行检验,装置的经济效益增加,其效果显著。

四、结语

 

  相关积分优化作为一种新型的在线实时优化技术,在国家科技部和北京市的多项资助下,获得了多项专利和相关证书,对推动该技术的研究发展起到了积极的作用。
  与传统的实时优化不同,特别是无须建模、自动适应装置的原料变化、设备改造等方面,相关积分优化技术具有许多诱人的特点,可以大大提高在线优化的长期投运率。由于该技术可以应用于大部分的炼油装置,有着广泛的应用前景,这对于增加中国炼油企业的经济效益,提高企业的竞争力有着积极的意义。