田宏宇，左艷梅，于琪，夏恩冬，吳顯軍

（中國(guó)石油石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江大慶163714）

當(dāng)前石油化工市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，輕質(zhì)化低硫原油日趨減少，重質(zhì)化、劣質(zhì)化原油增多，因此提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低能源消耗及提升環(huán)保要求已成為煉油企業(yè)新形勢(shì)。過(guò)程模擬技術(shù)利用在線動(dòng)態(tài)仿真，將實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程“再現(xiàn)”于計(jì)算機(jī)上，實(shí)施在線操作、動(dòng)態(tài)調(diào)整，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、裝置的原料組成及操作條件，增產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品，提升裝置運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)能力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

過(guò)程模擬技術(shù)源于美國(guó)Kellogg公司成功開(kāi)發(fā)的第一個(gè)流程模擬系統(tǒng)Flexible Flowsheet［1］，在當(dāng)時(shí)化工業(yè)界影響很大。迄今為止，過(guò)程模擬系統(tǒng)已經(jīng)歷4代發(fā)展，由最初的模擬對(duì)象以輕烴加工為主，逐漸發(fā)展到模擬對(duì)象為氣—液2相過(guò)程、氣—液—固3相過(guò)程，20世紀(jì)90年代模擬將穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)集成在一起，成為設(shè)計(jì)研究和生產(chǎn)部門最強(qiáng)有力的輔助工具［2］。國(guó)外典型較為成熟的過(guò)程模擬軟 件 包 括AspenOne、PRO/Ⅱ、ChemCAD、Petro-Sim、VMGSim等。國(guó)內(nèi)對(duì)于過(guò)程模擬系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用最早在20世紀(jì)60年代，由蘭州石化設(shè)計(jì)院最先開(kāi)展過(guò)程模擬軟件開(kāi)發(fā)，至今青島科技大學(xué)、華東理工大學(xué)、中科院過(guò)程所、洛陽(yáng)石化工程公司等相繼開(kāi)發(fā)了工藝計(jì)算程序，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程裝置。文中綜述了國(guó)內(nèi)外過(guò)程模擬技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用，展望了過(guò)程模擬技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)工業(yè)裝置，提升經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展前景。

1 國(guó)外流程模擬系統(tǒng)

1.1 Aspen模擬系統(tǒng)

美國(guó)Aspen Tech作為流程工業(yè)優(yōu)化軟件廠商，開(kāi)發(fā)了先進(jìn)過(guò)程控制及優(yōu)化集成的Aspen One模擬軟件。該軟件由先進(jìn)控制系統(tǒng)（Aspen DMCplus）、閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)（Aspen Plus Optimizer）、油品調(diào)合先進(jìn)過(guò)程控制與優(yōu)化系統(tǒng)（Aspen Blend）、在線監(jiān)控系統(tǒng)（Aspen Watch）及智能化的控制器維護(hù)系統(tǒng)（Aspen SmartStep）等多部分構(gòu)成，各系統(tǒng)相互結(jié)合，能夠有效優(yōu)化生產(chǎn)操作，設(shè)計(jì)和改進(jìn)工廠工藝流程，實(shí)現(xiàn)工廠資產(chǎn)利用最大化。其中多變量先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)（Aspen DMCplus）具備計(jì)算準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)庫(kù)全的特點(diǎn)，集前饋、反饋及優(yōu)化于一體，能夠最大限度挖掘裝置生產(chǎn)潛力，降低裝置能耗，卡邊控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)最優(yōu)操作，提高裝置處理能力及高價(jià)值產(chǎn)品產(chǎn)率［3］。

K.Anithasupa等［4］使用Aspen Plus模擬軟件對(duì)原油蒸餾廠中的預(yù)閃蒸塔、常壓塔和真空蒸餾裝置進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。探究使用不同的混合原油進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬：迪拜和巴士拉混合油（原油1）以及迪拜和孟買混合油（原油2）模擬仿真效果。在Aspen環(huán)境中，輸入必要數(shù)據(jù)，選擇熱力學(xué)方程模擬精確計(jì)算平衡系數(shù)。通過(guò)比較兩種原油的收率百分比，發(fā)現(xiàn)使用迪拜和孟買原油的混合物（原油2）比迪拜和巴薩拉原油的混合物（原油1）產(chǎn)生的餾出物更多。Aspen模擬過(guò)程確定了原油蒸餾裝置最佳運(yùn)行條件，在相同溫度下，原油2能夠產(chǎn)出更多的汽油餾分，可獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

中石化青島煉化公司［5］采用Aspen Plus模擬軟件建立了催化重整裝置及分餾部分的穩(wěn)態(tài)流程模擬，目標(biāo)是節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。通過(guò)對(duì)各塔模擬進(jìn)行操作參數(shù)優(yōu)化，催化重整裝置創(chuàng)造節(jié)能效益約780.36萬(wàn)元/a，塔底油產(chǎn)品苯含量降低1%，回收苯含量增加，二甲苯收率提高至19.85%，創(chuàng)效3 360萬(wàn)元/a，總收益4 140.36萬(wàn)元/a。采用Aspen模擬優(yōu)化操作參數(shù)，綜合考慮了裝置產(chǎn)品質(zhì)量需求及能耗要求，不僅有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，同時(shí)提高產(chǎn)品收率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 ChemCAD模擬系統(tǒng)

ChemCAD是美國(guó)Chemstations公司開(kāi)發(fā)的化工模擬軟件，用戶界面以圖形方式輸入，具備最新的計(jì)算方法，價(jià)格低廉、容易使用、高度集成、界面友好，廣泛應(yīng)用于石油化工、清潔生產(chǎn)等領(lǐng)域，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)、優(yōu)化操作及工藝開(kāi)發(fā)提供理論性指導(dǎo)。Wang等［6］采用ChemCAD化工模擬軟件，對(duì)乙醇和乙酸的反應(yīng)蒸餾過(guò)程進(jìn)行模擬。具體建模流程首先建立過(guò)程模擬仿真圖，隨后添加物料流，選擇熱力學(xué)模型，通過(guò)初始值任務(wù)模擬計(jì)算，選擇正確的運(yùn)行條件和塔理論系列，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)條件和初始值，使用ChemCAD軟件嚴(yán)格模擬計(jì)算。結(jié)果表明，模擬計(jì)算乙酸乙酯產(chǎn)品濃度為69.43%，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差低于3%，說(shuō)明模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。利用初步計(jì)算結(jié)果，可以對(duì)主要設(shè)計(jì)參數(shù)和工作條件進(jìn)行靈敏度分析，選擇合適的最佳工藝條件，有效實(shí)現(xiàn)化學(xué)過(guò)程仿真軟件進(jìn)行化學(xué)設(shè)計(jì)工作，可以大大提高工作效率。

Abdulwahab GIWA等［7］借助ChemCAD軟件對(duì)生產(chǎn)乙酸正丁酯的反應(yīng)蒸餾過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。首先設(shè)置初始回流比和再沸器負(fù)荷，對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，從而獲取涉及組分的摩爾分?jǐn)?shù)初始值，隨后激活ChemCAD，模型轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)類型。模擬結(jié)果表明，乙酸和正丁醇之間的酯化反應(yīng)過(guò)程，可以在動(dòng)態(tài)模型運(yùn)行一段時(shí)間后穩(wěn)定下來(lái)，是1個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)，隨著再沸器負(fù)荷越高，體系越接近動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)。ChemCAD方便地模擬了反應(yīng)蒸餾過(guò)程，獲得精餾塔的各種參數(shù)，可以對(duì)實(shí)際生產(chǎn)操作條件進(jìn)行正確指導(dǎo)。

Amaury等［8］使用5.2版本的ChemCAD對(duì)丙烯酸生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬，模擬考察了吸收塔操作溫度對(duì)塔底丙烯酸量的影響及回收塔工作壓力對(duì)獲得乙酸量的影響。結(jié)果表明，當(dāng)吸收塔操作溫度為20℃時(shí)，丙烯酸含量損失最小，回收塔在真空狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以最大程度減少底部流中丙烯酸和乙酸的損失。根據(jù)ChemCAD模擬結(jié)果調(diào)整設(shè)備工藝參數(shù)，從而可以增產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品增加收益。

1.3 Petro—SIM模擬系統(tǒng)

英國(guó)的KBC公司是能源行業(yè)的領(lǐng)先獨(dú)立顧問(wèn)和軟件解決方案提供商。該公司開(kāi)發(fā)的穩(wěn)態(tài)Petro-SIM軟件是面向煉油和石化行業(yè)的多功能圖解式流程模擬，該軟件數(shù)據(jù)更新快，提供了詳細(xì)的反應(yīng)器單元操作，可對(duì)精煉廠和石化廠進(jìn)行嚴(yán)格的仿真模擬。Petro-SIM軟件技術(shù)與工業(yè)化成熟的工藝相結(jié)合，可更好的為煉油廠和石化廠建立模型，使煉油化工廠利潤(rùn)達(dá)到最大化，利用該軟件，可實(shí)現(xiàn)煉油廠工藝過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，同時(shí)通過(guò)原油合成，可以評(píng)價(jià)合成原油組分，并進(jìn)行常減壓裝置操作模擬。

洛陽(yáng)石化［9］采用PetroSIM軟件對(duì)常減壓裝置進(jìn)行全流程模擬，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)原油種類變化，預(yù)測(cè)操作條件及產(chǎn)品性質(zhì)分布的目的。利用PetroSIM模型可以預(yù)測(cè)減壓爐管表面油溫，自動(dòng)繪制結(jié)焦曲線，因此，可在臨界結(jié)焦條件下，最大限度提高減壓爐溫，提高拔出率。

福建聯(lián)合石油化工有限公司［10］利用PetroSIM煉廠模擬軟件中線性規(guī)劃工具（LPU）生成原油切割數(shù)據(jù)表（ASSAY），構(gòu)建了基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)庫(kù)，為原油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)及生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。中海油惠州石化公司［11］利用Petro-SIM模擬軟件建立的加氫裂化全流程模擬，對(duì)變更原料后工況進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)，分析裝置“瓶頸”因素，實(shí)施優(yōu)化操作方案。模擬結(jié)果顯示，Petro-SIM對(duì)加氫裂化反應(yīng)器溫度模擬誤差低于0.5%，產(chǎn)品性質(zhì)及循環(huán)氫系統(tǒng)負(fù)荷模擬誤差在5.0%以內(nèi)，與工業(yè)裝置數(shù)據(jù)保持較好的一致性。隨著催化柴油摻煉比升高，原料密度及硫、氮含量增加，裝置循環(huán)氫系統(tǒng)負(fù)荷及催化劑床層溫度升高，產(chǎn)品性質(zhì)可滿足生產(chǎn)指標(biāo)。

Xingwen C等［12］利用Peteo-SIM內(nèi)置減壓爐模塊，對(duì)減壓爐進(jìn)行模擬操作，預(yù)測(cè)爐管內(nèi)油膜溫度、停留時(shí)間、爐管注氣量及介質(zhì)流型流速對(duì)減壓爐結(jié)焦情況的影響，較好分析判斷油品結(jié)焦趨勢(shì)，降低結(jié)焦幾率，保證實(shí)際生產(chǎn)操作的工藝參數(shù)穩(wěn)定，避免在結(jié)焦區(qū)運(yùn)行。通過(guò)Perto-SIM模擬發(fā)現(xiàn)，減壓爐注氣量控制在0.5%以內(nèi)最佳，能夠有效降低停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起的結(jié)焦問(wèn)題，避免注氣量過(guò)大造成能耗增加。

1.4 VMGSim模擬系統(tǒng)

VMGSim是加拿大Virtual Materials Group公司開(kāi)發(fā)的流程模擬軟件，具備計(jì)算準(zhǔn)確、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高的特點(diǎn)。在石油煉制、石油化工領(lǐng)域中，VMGSim能準(zhǔn)確建模并預(yù)測(cè)大多數(shù)工藝裝置性能，在工藝裝置的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及故障診斷方面，可實(shí)現(xiàn)精確詳細(xì)的過(guò)程模擬，能有效提高操作效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省投資，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)目標(biāo)。

吳章柱等［13］應(yīng)用VMGSim流程模擬軟件對(duì)氣體分餾裝置建立模型，模擬計(jì)算原料組分、產(chǎn)品要求及塔底溫度，擬合出分餾塔塔底溫度與原料C5+含量變化趨勢(shì)圖，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)操作中，有效改善由于裝置進(jìn)料組成變化導(dǎo)致產(chǎn)品不合格的問(wèn)題，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)起到一定指導(dǎo)作用。

Qingyang Lei等［14］利用VMGSim軟件模擬一氯苯裝置，對(duì)該裝置進(jìn)行故障檢測(cè)。采用耗散理論為過(guò)程輸入輸出軌跡找到合適的耗散性質(zhì)。耗散特性可以看作是抽象的能量特性，輸入輸出軌跡的耗散特性表示過(guò)程動(dòng)態(tài)特征。隨著故障的發(fā)生，耗散軌跡將發(fā)生變化，從而允許基于這些耗散特性執(zhí)行故障檢測(cè)。

2 國(guó)內(nèi)流程模擬系統(tǒng)

2.1 ECSS化工之星

青島科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的ECSS化工之星模擬軟件具有強(qiáng)大的過(guò)程模擬、分析、優(yōu)化、設(shè)備設(shè)計(jì)及環(huán)境評(píng)價(jià)等功能。適用于天然氣加工、石油煉制、石油化工等過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域，能夠有效實(shí)現(xiàn)新過(guò)程設(shè)計(jì)、流程篩選及改造、過(guò)程優(yōu)化、過(guò)程環(huán)境影響評(píng)價(jià)和化工設(shè)備設(shè)計(jì)及核算［15］。秦杰等［16］采用ECSS化工之星模擬軟件對(duì)30×104t/a的甲醇精餾裝置的常壓塔工況進(jìn)行模擬優(yōu)化分析?？疾炝诉M(jìn)料位置、回流比及出料位置參數(shù)對(duì)甲醇含量及能耗的影響，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)甲醇精餾塔操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提出優(yōu)化操作方案為進(jìn)料位置最宜選擇常壓塔中下部，操作回流比選用3.0～3.5，側(cè)線出料位置在20～25塊理論塔板處，此時(shí)能夠有效保證甲醇產(chǎn)品的純度達(dá)到99.93%。

2.2 過(guò)程模擬計(jì)算程序開(kāi)發(fā)

華東理工大學(xué)劉紀(jì)昌教授等［17］基于集總概念，從分子水平建立過(guò)程模擬計(jì)算程序，基于結(jié)構(gòu)導(dǎo)向集總建立柴油精制分子水平反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，其中結(jié)構(gòu)導(dǎo)向集總概念最早于1992年由?？松梨诠綫uann和Jaffe［18］首次提出，認(rèn)為所有烴類分子均由不同的結(jié)構(gòu)基團(tuán)組成，可以稱其為結(jié)構(gòu)向量，包含22個(gè)分子結(jié)構(gòu)基團(tuán)。采用結(jié)構(gòu)導(dǎo)向集總方法，將每個(gè)柴油分子用結(jié)構(gòu)向量表示，通過(guò)結(jié)構(gòu)向量組合建立包含846個(gè)結(jié)構(gòu)向量的柴油分子數(shù)據(jù)庫(kù)。針對(duì)加氫精制反應(yīng)機(jī)理，制定34條反應(yīng)規(guī)則，計(jì)算反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立動(dòng)力學(xué)模型。采用中石油加氫精制裝置進(jìn)行模型驗(yàn)證，結(jié)果顯示，產(chǎn)品分布計(jì)算相對(duì)誤差在2%左右，柴油收率相對(duì)誤差為0.6%?；诮Y(jié)構(gòu)導(dǎo)向集總建立的柴油精制裝置模型實(shí)際裝置具有較好一致性，模型適用于不同原料、溫度，壓力，空速等工藝條件，只需在模型基礎(chǔ)上更改工藝條件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品預(yù)測(cè)。

中科院過(guò)程所張鎖江教授等［19］，基于MTHS分子矩陣應(yīng)用建立餾分油組成分子模型，提出了餾分油IMTHS分子矩陣，實(shí)現(xiàn)餾分油分子組成表征預(yù)測(cè)。分子性質(zhì)預(yù)測(cè)式如下：

式中G代表餾分油預(yù)測(cè)值，Pm為矩陣分子性質(zhì)，F(xiàn)m為矩陣分子餾分組成。

將基于IMTHS分子矩陣建立的模型預(yù)測(cè)餾分油品性質(zhì)與實(shí)際值比較，結(jié)果顯示預(yù)測(cè)焦化柴油、汽油的分子組成與實(shí)際值較吻合，且密度等宏觀性質(zhì)預(yù)測(cè)精度高，該模型在預(yù)測(cè)分子組成與宏觀性質(zhì)具備可行性。

中國(guó)石化催化劑有限公司與廈門大學(xué)聯(lián)合建立加氫脫硫轉(zhuǎn)化率與催化劑性質(zhì)定量關(guān)系模型［20］。HDS轉(zhuǎn)化率與催化劑性質(zhì)模型為：

式中，XM代表HDS轉(zhuǎn)化率，Yj為催化劑各性質(zhì)參數(shù)，為動(dòng)態(tài)超幾何平均權(quán)重，A0為反應(yīng)條件因數(shù)，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算得到模型參數(shù)。該模型能夠有效反映出催化劑性質(zhì)變量對(duì)HDS轉(zhuǎn)化率的影響，定量反映出活性組分最佳負(fù)載量范圍，有助于指導(dǎo)HDS催化劑研發(fā)過(guò)程，減少過(guò)度實(shí)驗(yàn)浪費(fèi)等問(wèn)題。

3 結(jié)論

國(guó)外過(guò)程模擬軟件較為成熟，擁有較全面的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，與國(guó)外流程模擬軟件相比，國(guó)內(nèi)流程模擬技術(shù)水平、應(yīng)用范圍、人機(jī)界面、商品化程度等方面，存在很大差距。

青島科技大學(xué)ECSS化工之星是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的商業(yè)化流程模擬軟件，高校及企業(yè)單位也致力于聯(lián)合開(kāi)發(fā)建立動(dòng)力學(xué)過(guò)程模擬軟件，可根據(jù)生產(chǎn)裝置、催化劑性質(zhì)及工藝工況因素，針對(duì)性建立動(dòng)力學(xué)集總模型，優(yōu)化工藝操作。然而模型數(shù)據(jù)庫(kù)有限，無(wú)法全面廣泛應(yīng)用指導(dǎo)生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)對(duì)煉油過(guò)程模擬仍需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究，不斷優(yōu)化更新擴(kuò)大數(shù)據(jù)庫(kù)建立指導(dǎo)性模型，強(qiáng)化預(yù)測(cè)管理、驅(qū)動(dòng)管理、建立遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字煉油廠轉(zhuǎn)型為信息化煉油廠。

此外，國(guó)內(nèi)針對(duì)指導(dǎo)催化劑設(shè)計(jì)的流程模擬軟件開(kāi)發(fā)不夠成熟，系列催化劑的評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏，不能夠滿足模擬計(jì)算所需。過(guò)程模擬技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用仍具備探索研發(fā)價(jià)值。