全球煉化領域優(yōu)化技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　隨著世界各國對煉化領域優(yōu)化工作的日益重視和對優(yōu)化技術的深入研究，國內(nèi)外相關研究機構和技術公司在煉化優(yōu)化領域，尤其是模擬優(yōu)化技術及能量優(yōu)化研究及軟件開發(fā)等方面獲得了較大的發(fā)展，同時應用優(yōu)化技術也為煉化企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

　　以下分別對模擬優(yōu)化及能量系統(tǒng)優(yōu)化理論研究現(xiàn)狀、國內(nèi)外技術公司研究應用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢進行介紹。

　　（1）能量系統(tǒng)優(yōu)化理論研究現(xiàn)狀

　　對過程能量系統(tǒng)理論的研究始于上世紀70年代，隨著研究的不斷深入，國內(nèi)外學者相繼提出了三子系統(tǒng)交互模型、“洋蔥”模型和三環(huán)節(jié)模型等，對能量在過程系統(tǒng)中的結構、作用和變化進行描述。

　　1983年，Townsend和Linnhoff在研究過程優(yōu)化涉及的結構化方法時，將過程系統(tǒng)看成是由一些相互作用的子系統(tǒng)所組成，以簡化設計優(yōu)化過程，并提出了三子系統(tǒng)交互模型，將過程系統(tǒng)劃分為加工（反應、分離）、換熱網(wǎng)絡和動力3個子系統(tǒng)，以定性反映過程系統(tǒng)能量轉換和利用內(nèi)在的聯(lián)系及制約關系，但并不能確切反映能量結構的本質(zhì)。

　　1988年，Linnhoff等人提出了“洋蔥模型”以強調(diào)過程設計的層次特性，其核心為反應子系統(tǒng)，其余由內(nèi)向外依次為分離子系統(tǒng)、換熱網(wǎng)絡和公用工程子系統(tǒng)，但該模型只是對過程系統(tǒng)能量結構的粗略描述，沒有給出嚴格、定量的數(shù)學模型。

　　自1982年起，華賁等人以熱力學第二定律分析為基礎，從能量在過程系統(tǒng)中的變化規(guī)律入手，提出并逐步完善了包括能量轉換環(huán)節(jié)、能量利用環(huán)節(jié)和能量回收環(huán)節(jié)在內(nèi)的三環(huán)節(jié)能量結構模型。該模型給出了嚴格、定量的過程系統(tǒng)能量流結構拓撲關系，其關鍵是按功能區(qū)分子系統(tǒng)并分別給出了火用經(jīng)濟模型、相應的目標函數(shù)和邊界條件，并在子系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)優(yōu)化的基礎上進行全局改進方案的火用經(jīng)濟評價調(diào)優(yōu)。但是，由于火用經(jīng)濟分析方法的理論性較強且工作過程比較復雜，使得其在企業(yè)實際生產(chǎn)中的應用受到了一定限制。

　　（2）國內(nèi)外研究及應用現(xiàn)狀

　?、賴猬F(xiàn)狀

　　近年來，KBC公司、ASPEN公司、ShellGlobalSolutions公司、Invensys公司、Honeywell公司和ProcessIntegratedLimited(PIL)公司等國際知名技術及軟件公司依托成熟的流程模擬和優(yōu)化技術，結合先進的夾點分析方法，借助豐富的專家經(jīng)驗，逐步形成了自主的能量系統(tǒng)優(yōu)化技術解決方案，并在一些國際大型石油公司和煉化企業(yè)取得了較好的應用效果。

　　KBC公司基于HYSYS.Refinery開發(fā)了Petro-SIM過程模擬軟件，并擁有可在Petro-SIM中使用的催化裂化（FCC-SIM）、加氫裂化（HCR-SIM）、催化重整（REF-SIM）、石腦油加氫（NHTR-SIM）、柴油加氫（DHTR-SIM）、VGO加氫（VGOHTR-SIM）、渣油加氫脫硫（RHDS-SIM）、延遲焦化（DC-SIM）、烷基化（ALK-SIM）、減粘裂化（VIS-SIM）、異構化模型等標準反應堆模型套件；研究開發(fā)了用于換熱網(wǎng)絡優(yōu)化的SuperTarget軟件、蒸汽系統(tǒng)模擬優(yōu)化的ProSteam軟件和基于BT(BestTechnology)指數(shù)的最佳能量使用效率技術。其研究提出的全廠能量一體化技術（TotalSite），使用全廠夾點分析技術和應用戰(zhàn)略性節(jié)能發(fā)展規(guī)劃路線圖RoadMaps，對全廠工藝裝置和公用工程系統(tǒng)的用能和供能進行分析、優(yōu)化并排序，從而找出最快捷有效的改進途徑。目前，KBC已在BP、BASF、ESSO、Chevron、Total、COSMO、日本能源全球等50多個煉油廠和化工廠實施了TotalSite全廠能量優(yōu)化項目，實現(xiàn)節(jié)能15%~30%，氫氣需求減少8%~20%，壓縮機節(jié)能25%~35%，總成本下降14%~20%。例如，歐洲某煉廠通過應用Totalsite技術進行夾點分析和蒸汽系統(tǒng)建模，在公用工程方面提出了透平改造、余熱利用、聯(lián)合發(fā)電等若干節(jié)能項目，實施后煉廠能源密度指數(shù)（EnergyIntensityIndex,EII）下降5個點；南非的Sasol燃料公司應用TotalSite技術對公用工程系統(tǒng)進行分析后，提出了改善換熱網(wǎng)絡、增加聯(lián)合發(fā)電等許多典型的節(jié)能項目，實施后可使公用工程需求量節(jié)約30％左右。

　　Aspen公司擁有眾多的模擬優(yōu)化軟件產(chǎn)品，主要包括用于化工流程模擬的AspenPlus、煉油流程模擬的AspenRefSYS、化工流程模擬的HYSYS、動態(tài)模擬的AspenDynamics、換熱網(wǎng)絡優(yōu)化的HX-Net和AspenPinch、公用工程系統(tǒng)優(yōu)化的AspenUtilities、實時優(yōu)化的AspenPlusOptimizer、換熱設備模擬計算的AspenHTFS+系列產(chǎn)品、部分煉油反應裝置模擬軟件和聚合物反應模擬的POLYMER等。其中，AspenPlus是穩(wěn)態(tài)流程模擬工具，是唯一將序貫模塊和聯(lián)立方程兩種算法同時包含在一個模擬工具中的軟件產(chǎn)品；HYSYS原是加拿大Hyprotech公司產(chǎn)品，2002年Aspen公司收購該公司后，HYSYS成為Aspen公司旗下的產(chǎn)品，是唯一同時具有穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模擬功能的軟件產(chǎn)品；AspenPlusOptimizer允許用戶利用聯(lián)立方程求解算法對擁有多個自由度的非線性目標函數(shù)優(yōu)化問題進行快捷準確的求解，為過程工業(yè)的工程師提供了一種求解大型復雜工藝流程的有效工具，為實施閉環(huán)實時優(yōu)化系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，作為AspenPlus的嵌套產(chǎn)品，能夠全面支持AspenPlus中涵蓋的自由度、約束條件以及目標函數(shù)設定、配置等功能，可用于在線工藝優(yōu)化和離線模擬。基于上述軟件產(chǎn)品，Aspen公司進一步研究提出了能量優(yōu)化整體解決方案，并借助其專家力量在許多煉化企業(yè)開展了能量系統(tǒng)優(yōu)化分析工作。例如，Aspen于2000年對BP的BulwerIsland煉廠實施了公用工程系統(tǒng)優(yōu)化項目，投資回收期低于1年；對位于韓國Yosu的YNCC乙烯廠開展了乙烯裝置節(jié)能優(yōu)化改造項目，通過操作工況調(diào)整和設備改造，實現(xiàn)產(chǎn)量增加10%、單位能耗降低2.2%；2005年，開展了中海油惠州煉油廠設計方案的能量系統(tǒng)優(yōu)化分析，包括氫氣系統(tǒng)分析和優(yōu)化、全廠蒸汽系統(tǒng)分析和優(yōu)化、全廠燃料和電力（熱電聯(lián)供）系統(tǒng)分析和優(yōu)化、全廠范圍內(nèi)夾點分析等，優(yōu)化后設計方案的EII從80降到61.5，相當于年經(jīng)濟效益2.4億美元。