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1、大型煤制天然气装置流程模拟及能量系统集成优化技术应用项目建议书大唐国际化工技术研究院有限公司二一年十二月大唐国际化工技术研究院有限公司 科技档案审批单报告名称：大型煤制天然气装置流程模拟及能量系统集成优化技术应用项目建议书 报告编号： 化工院技术服务（2010）/阜新第09号 出报告日期： 2010年 12 月 保管年限：长 期 密 级： 一 般 试验负责人： 试验地点：北京、辽宁阜新 参加试验人员： 等参加试验单位：大唐国际化工技术研究院有限公司、辽宁大唐国际阜新煤制气有限公司筹备处试验日期： 2010年9月至12月 打印份数： 5 拟稿： 校阅： 审核： 生产技术部： 审核： 目 录1 立
2、项的必要性和意义11.1流程模拟的基本定义11.2流程模拟的作用21.3流程模拟在生产操作领域的应用现状31.4国内外能量系统集成优化现状及发展趋势162 项目目标及主要研究内容182.1项目目标182.2主要研究内容及课题设置193 进度安排224 经费预算235 研究项目所需要的技术资料241 立项的必要性和意义1.1流程模拟的基本定义早期所说的过程模拟或流程模拟多指稳态模拟，过程稳态模拟又称静态模拟或离线模拟 (Steady State Simulatian， off-line Simulation)。流程模拟是指应用计算机辅助手段对炼油化工过程进行稳态的热量和物料衡算、尺寸计算和费用计
3、算以及过程的技术经济评价。它根据化工过程的稳态数据，如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，采用适当的模拟软件，用计算机模拟实际的稳态生产过程，得出详细的物料平衡和热量平衡。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。简言之，过程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程。由于这一“再现”过程并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，因而给了化工模拟人员最大的自由度，可以在计算机上“为所欲为”地进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。并且过程模拟所需的成本以及完成一定研究任务
4、所需的时间也是任何实验研究所无法比拟的，因而过程稳态模拟已成为研究、开发、设计、挖潜改造、节能增效、生产指导以至于企业管理等工作必不可少的工具。并且在科研和实际生产中发挥着愈来愈大的作用。当前过程稳态模拟主要应用于炼油、石油化工和化工领域，如常减压、加氢、催化裂化、气体分馏、芳烃分离、乙烯、环氧乙烷、天然气、油田气分离及合成氨等装置。在医药、农药、造纸和环保等行业也有一定应用。随着科学技术的进步，目前对于石油馏分和烃类物质的计算已经相当准确、可靠，达到了无需小试、中试，模拟结果可直接用于工业装置设计的程度。单元1输入输出？物流、能流、信息流 物流、能流、信息流 单元3单元2输出输出图2-2 化
5、工过程模拟的过程包含三部分内容：一是过程系统的物料和能量衡算； 二是确定设备的尺寸及费用； 三是对过程系统进行技术经济评价。流程模拟一般按以下四类进行分类：(1)按模型建立的方法分： 机理模型、 经验模型、 半经验半理论模型(2)按对象的时态本质分： 稳态模型 动态模型(3)按过程对象的数学描述方法分： 集中参数模型 分布参数模型 (4)按对象的属性不同分： 确定模型 随机模型 1.2流程模拟的作用稳态过程模拟的应用十分广泛，其主要应用场合及功能如下。（1）新装置设计稳态模拟的主要应用之一是新装置的设计。当前炼油、石化和化工装置的设计都要采用过程模拟来求得整个装置的物料平衡和能量平衡。如前所述
6、，随着科学技术的进步，过程模拟的结果已经可以直接用于某些工业装置的设计，而无需小试或中试的配合。尤其是对于乙烯装置、炼油工业中的常减压、催化裂化、气体分馏等装置。过程模拟已经可以提供十分准确的数据，以致于达到了可以用模拟结果作为标准，反过来检验现场的生产操作是否存在问题。国外从20世纪60年代末开始，已在工程设计中大量应用过程模拟技术。国内则相对较晚，70年代仅有少量应用，大量应用出现在80年代，而90年代已十分普及。（2）旧装置改造稳态过程模拟已成为旧装置改造必不可少的工具。由于旧装置的改造既涉及到已有设备的利用，又可能增添必须的新设备，其设计计算往往比新装置设计还要繁杂。原有的分馏塔、加热
7、炉、换热器、机泵以及管线等设备是否仍旧适应，能否在原基础上改造还是必须更新等问题均在过程模拟的基础上得到了满意的解决。（3）新工艺、新流程的开发研究20世纪60年代以前，炼油、石化工业新工艺新流程的开发研究，主要依靠各种不同规模的小试、中试。随着过程模拟技术的不断进展，已逐渐转变为完全或部分利用模拟技术，只在必要时辅以个别的试验研究。尤其对于炼油和石油化工工业的各种分离工艺来说更是如此。（4）生产调优、疑难问题诊断在生产装置调优、疑难问题诊断上，过程模拟更是起着不可替代的作用。通过流程模拟，寻求最佳工艺条件，从而达到节能、降耗、降本、增效的例子已经比比皆是。更有通过全系统的总体调优，以经济效益
8、为目标函数，求得关键工艺参数的最佳匹配，并革新了传统的观念。（5）科学研究随着计算机软、硬件的飞速发展和科学技术的进步，过程模拟在科研工作中也发挥着愈来愈重要的作用。过程模拟在一定程度上取代了实验室实验。如20世纪90年代初，美国Stone & Webster公司推出了乙烯新技术ARS技术(Advanced Recovery System)。国内即有学者应用模拟技术证实了该技术的可行性，并首次提出了其专利设备分馏分凝器(Dephlegmater)的计算方法。美国乙烯专利商lummus公司，推出低压脱甲烷取代原有的高压脱甲烷工艺后，有学者应用蒸馏塔模拟和火用分析，证实低压脱甲烷的能耗确实较低。（
9、6）动态模拟、实时优化的基础过程模拟技术当前已发展到动态模拟和实时优化，而这两者的基础均是稳态过程模拟。只有在稳态模拟的数值解基础上，才能运行动态模拟和实时优化，尤其对于复杂的装置更是如此。过程稳态模拟经历了40余年的发展历史，在化工界已经成为家喻户晓的先进工具，广泛应用于工业装置的研究、设计、改造等领域，并带来明显的经济效益。稳态模拟软件的应用也已成为一股不可抗拒的浪潮，席卷全球。与国外相比，国内化工界模拟软件的应用还不十分普及，应用水准也不如国外高。正视问题、迎头赶上将是当前一项迫切的任务。我们用下表总结出流程模拟系统在不同工作中的作用。表1-1 流程模拟系统在不同工作中的作用工作内容无流
10、程模拟计算系统有流程模拟计算系统操作监控根据原始操作趋势图根据进料的质量和操作条件调整操作生产放大基于试验装置、依靠多次试验经验，按比例放大，放大倍数小根据模型科学放大，减少试验次数，放大倍数高生产故障排除基于以往经验根据复杂而系统的工程基础来进行工艺过程分析及设备核算过程优化及控制方案研究试验法基于以往经验根据操作条件模拟预测产率原料评估基于试验和以往经验依靠模型，调整操作条件，可以优选原料，预测产率预测不同条件下的产率用线性规划预测不同条件下的产率，数据往往超界，分离变量非常困难，甚至不可能。不准确的测量也会导致结果不可靠在原料和操作条件大范围变化时，仍能准确预测不同条件下的收率投资的依据
11、只能按经验粗略估计投资之前，可根据流程模拟计算来研究其必要性1.3流程模拟在生产操作领域的应用现状石油化工模拟技术是一种高投资和高科技含量的软技术，无论是开发还是应用，均涉及广泛的石化专业技术和计算机技术。早期的软件成本昂贵，难以被一般用户所接受。加上软件本身不完善，常作大量的二次开发。因此，一段时期只限于工程设计。后来，世界上形成了以Aspen Plus和PRO/II为代表的两套石油化工流程模拟技术，除了主机版本的软件外，又开发了微机版本，使用应用成本急剧下降，相反，功能大幅度增强。另外，世界经济形势严峻，企业间的竞争不得不使各企业尽量采用新技术，以寻求低投入多产出的捷径。因此，形成了一个模
12、拟技术由设计部门转向生产企业的大趋势。在生产领域里模拟技术的应用方式主要包括离线应用和在线应用两种方式。离线应用主要由技术人员根据生产需要改进操作、降低费用、提高产品产量；指导装置开工，节省开工费用、缩短开工时间；分析装置“瓶颈”，为设备检修改造提供依据。在线应用则以实时模拟优化方式进行，目前在国内由于受装置控制水平的影响，还没有成功案例，但在国外是比较普遍采用的技术。1.3.1离线模拟优化应用在相当一段时间内，在相当一部分人的观念中，总是认为流程模拟软件只是给设计单位用的。实践证明，生产装置上的工程技术人员以离线方式用好这些软件，可以创造出巨大的经济效益，把生产装置的技术管理工作提高到一个新
13、的水平上，同时也提高了工程技术人员自身的技术素质。归纳起来，应用领域可分为故障诊断；新产品开发；装置生产能力的标定，寻找装置的“瓶颈”部位，制定合理的改造方案；优化操作；方案评估等五个方面，以下是流程模拟技术离线应用的一些典型案例。（1）生产装置不正常运行工况的模拟诊断生产装置在开车及正常生产中经常会出现异常故障，原因可能包括：原料变化，公用工程问题或仪表、设备故障等。过去遇到类似问题，就要凭借技术人员及操作人员的经验及对现象的分析，找出可能的原因并制定相应的对策，再逐一进行调试、验证。有时甚至需要多次，多方面查证，费事、费工又费力，严重影响装置的安、稳、长、满、优运行。使用流程模拟技术进行模
14、拟诊断，则可以安全、快速、准确地找到问题的症节所在，模拟出多套解决方案，择优选用，使装置恢复正常运行。例如，国内某石化公司某引进装置在开车过程中，有一台塔两年拿不到合格产品，操作人员和车间技术人员反复调试，产品仍不合格。外商的开车专家说国内水平低，他们自己亲自操作，也开不起来。该厂技术人员经过模拟分析，找出了外商开车流程设计中的错误，并采取了相应措施。解决了问题。在事实面前，外商终于承认他们在该项目设计上搞了个试验，并给了相应的赔偿。另外，在新烷基苯装置（国内设计的）的开车过程中也遇到了类似问题，也是工厂的工程技术人员经过模拟，发现了设计中的错误，制定了有效的改造方案，使装置开车成功，并投入运
15、行。在间甲酚装置改产苯酚丙酮的开车过程中由于原料的变化及操作上的因素，二周多时间里丙酮产品不合格，还是靠工厂自己的技术人员的模拟诊断，采取相应措施后才解决了实际问题。（2）模拟新产品开发中的工艺参数，开发新工艺随着市场竞争的加剧，企业生产中常常面临着新产品和新工艺的开发需求，如何在较短的时间周期内，开发出企业各自有竞争力的新产品，是企业面临的一个重要课题。燕山石化公司某套装置是70年代从国外引进的，生产过程中需要使用一种助剂。由于装置生产规模比较小，具备生产该助剂的条件。由于当时外汇紧张，该厂没有购买此专利技术。随着石化工业的迅速发展，对其需求量也越来越大。国内相关装置的年补充量约为12002
16、000吨年。世界上只有3家4套装置能生产它。价格也越来越贵。由当初的3千美元吨涨到6千美元吨。在征得外商同意的前提下，燕山石化公司决定利用现有装置和多年的积累的生产经验，试生产该助剂。由于不知道生产条件，化工一厂的工程技术人员进行了一个月的模拟，模拟试生产时的操作条件，找出了生产中会遇到的问题，并模拟出解决办法。仅用7天的时间就生产出120吨产品，质量达到并部分超过了进口产品的水平。满足了装置当年生产需要。然后，该厂又与研究单位合作，开发了自己的专利技术。车间技术员自己动手，建立了该工艺的全流程模拟模型。还先后为扬子、辽化等兄弟单位生产了1000多吨产品。97年，该厂针对其研究院开发的已烯氧化
17、制环氧乙烷的银催化剂被越来越多的国内地所采用及我们的乙二醇装置改扩需要，开发了氧化反应器使用催化剂的反应动力学、传热及压力降模型及水合反应动力学模型，各种工况的模拟结果与现场非常吻合，提出了优化的改扩方案，已经可以开发该装置的工艺包。（3）对装置的生产能力进行标定，找出“瓶颈”部位，充分利用原有设备。制定合理的改造方案没有流程模拟软件标定一套生产装置，可能要耗资上百万元，耗时半个月到一个月。这是生产车间最“头痛”的工作。利用模拟技术的离线应用，对装置中的大部分设备进行准确地模拟标定。例如，燕山橡胶厂的工程技术人员在接到公司领导交给的任务后，对溶剂回收系统进行了标定计算，为制定改造方案提供了可靠
18、的依据。厂设计室利用模拟结果，自行进行改造设计，使橡胶的生产能力由年产8万吨提高到10万吨。96年达到了11.5万吨。在乙烯改扩建工程中，由于资金紧张，要求在改造中要充分利用原有的设备。该厂技术处的人员仅用了一周多的时间就完成了任务，提出了原脱烷基工段的6台塔中，有5台塔可以改内件而加以利用。改造后的实践证明，这些系统运行状况良好。大大节省了改造资金。公司技术处的技术人员又找出了制苯装置在新的乙烯改扩建时的“瓶颈”点，并模拟出简化的改造方案。（4）优化操作工况，节能降耗，提高效益流程模拟计算软件离线指导生产操作的很有效途径是可以进行生产装置操作工况优化研究，降低能耗。例如，苯酚丙酮装置有乙烯改
19、扩工程后，原料丙烯由原来的聚合级改为化学级，原料变化后，副反应增多，苯耗超标。车间技术人员利用晚上值班时间搞模拟优化并根据计算结果提出了3项小改造建议，在厂领导的技术支持下，结合其它问题，一起进行了改造。苯耗下降，保证装置的年度达标。由于节省了聚合级丙烯原料，当年增产了1.8万吨聚丙烯。在乙烯改扩工程后，为保证裂解原料的供给，炼油厂上下做了大量的试验。总工办的技术人员利用模拟软件，优化操作，当年增产了7.8万吨裂解料，实现了乙烯装置当年开车，当年达标。97年，根据市场变化燕山石化总公司要求多产柴油，生产高牌号汽油。公司技术处与炼油厂总工办，一催化车间一起，对主分馏塔进行了模拟优化。经过炼油厂各
20、级领导与操作人员的共同努力，调整了操作条件。现在每小时可增产0#柴油6吨；汽油的辛烷值从原来的75提高到90.5（不再往汽油中填加助剂）；0柴油拔出率提高了5；汽柴油总收率提高了2；效益近亿元。（5）方案评估利用流程模拟软件的离线应用，工厂和车间的技术人员可以在与设计工程公司的技术改造方案评估决策中拥有主动权，而不仅仅是被动接受设计工程公司的意见，提高了改造方案决策的科学性和可靠性。如某厂乙烯装置改扩建中，生产厂参加技术方案决策的人员为了能对各设计厂家的方案有个基本的了解，在方案决策时做到心中有数。公司技术处利用流程模拟软件对ummus公司的建议，布鲁克斯公司的甲烷吸收及制冷技术以及国内一些专
21、家的建议，分别进行了评估计算。包括高低压脱甲烷；甲烷吸收；两塔并联脱乙烷；前脱乙烷；二元制冷及混合制冷等方案进行了模拟评估。通过模拟评估发现了设计公司建议书中的一些问题，并开发了两个自己的流程（从甲烷中回收乙烯；低压脱甲烷塔的进料组合），使得改造方案更加科学合理。1.3.2在线实时模拟优化应用（1）实时模拟优化的概念过程的实时优化可以有多种不同的路线和方法。目前的实时优化技术采用工艺严格模型Process Rigorous Model，在线实施实时的稳态优化控制。该项技术命名为RT-OPT。通过该阶段的探索性实践，人们深刻地认识到：基于机理的稳态模拟用于实际的生产过程，必须建立于品质优良的控制
22、系统基础之上，同时，稳态的工艺模型必须解决对在线实时数据的严格处理，才有可能得到成功。一个装置在线实时优化典型的总体结构示意图如下： 图1-1 在线实时优化系统总体结构图从DCS采集的装置操作数据和从化验分析部门来的装置成分组成分析数据经过数据采集系统送入数据校正模块，它用数理统计分析方法，剔除系统误差数据，校正随机误差，达到“去粗取精”提高数据精度的目的。这些数据送到流程模拟软件形成的装置模拟模型中，利用模拟软件还可对基础模型进行更新，并进行工况研究和优化。通过得到的时间序列分析和装置随条件变化而变化的预测，则用于技术分析、设备维护及操作员培训以及装置设计条件的重要估价。还可通过操作员开环或
23、者自动地（闭环）改变DCS的给定值，进行优化操作。（2）在线实时优化在工厂中的地位 在线实时优化是介于生产自动控制和生产管理交界处的重要环节，也就是处于管理控制一体化的交点处，其上方是生产计划/调度优化系统，其下方是过程先进控制APC或直接连接生产装置的集散控制系统DCS。这种层次结构表现于图2-7中。 在实时优化系统以下的自动控制系统的主要功能是保持化工过程在任何一个可行操作点上稳定操作。那么下一个合乎逻辑的问题就是：在什么可行操作点上能得到最大经济效益？当然，以多变量预估控制（Multivariable Predictive Control，MPC）为代表的先进控制也可以给出局部优化操作控
24、制点，但通常只有基于机理严格模型的非线性优化才能解得大范围的流程最优化操作条件。 图1-2显示了开环实时在线优化的地位。这里往往是用一台DCS之上的上位PC机，将由DCS上采集的数据送入模拟模型，进行优化计算，然后由操作人员参照优化计算结果，人工下载到DCS控制机上。而实时优化要按照生产计划的要求（如各种产品产量大小、原料供应条件等）来计算优化操作条件，所以说实时优化上面连接生产管理系统，下面连接生产控制系统。优化在线实时优化常规自助控制化工工艺过程管理计算机DCS控制机分布板上部的流线分布图 1-2 开环在线实时优化的地位闭环实时优化系统通常在DCS上面首先实施了过程先进控制APC，当前所谓
25、APC主要就是多变量预估控制MPC。而MPC只能用线性规划法优化局部流程，所以通常要有好几个MPC控制器分别控制不同的工段过程。而在MPC之上是实时优化系统，它负责按生产计划/调度的指令来进行全流程优化计算。（3）在线实时优化在工厂中的发展SimSci公司与Esscor公司重组后，与Shell公司合作，于1998年开发推出了基于ROM的在线优化软件ROMeo(Rigorous On-line Modeling with Equation Based Optimization)，并作为在线优化软件包（On-line Performance Suite）的核心。严格过程模型连续在线自动运行，在线模
26、拟技术可以提高实时过程性能，可以使用实时数据和业务需求来优化过程目标，将设备可靠性分析与过程模拟和优化集成，如设备和传感器故障预测，实现低成本的软测量（software sensors），设备和单元机的性能监测等，单一的过程规划、过程分析、性能监视和优化的建模环境，有效地提高资产利用率。其在过程工程、过程控制、维护、操作、计划调度、项目设计等领域的优化功能如图1-3所示，优化控制架构如图1-4所示，控制效果如图1-5所示。ROMeo以物理化学平衡为机理建模基础，采用基于方程的开放式求解算法，高度集成了离线模拟分析、在线优化、数据校正调理、在线性能监测等功能，ROMeo是一个先进的同时支持在线优
27、化和离线分析、共用同一模型、同一视窗人机界面的过程优化软件。ROMeo具有友好简单的人机界面，提供与各种第三方模拟组件的接口。能力计划过程故障诊断与监视PT&M过程改造在线闭环优化On-line closed loop optimization在线严格数据校正On-line RigorousData Reconciliation在线设备性能监视On-line EPMAPC成本系数和计算原料选择自动在线连续运行的严格模型Auto on-line Runing Rigorous Model图1-3 ROMeo的优化功能优化控制多变量模型预估控制多变量模型预估控制控制系统APC实时优化产品价格过程约
28、束条件原料费人工费图1-4优化控制示意图图2-5 ROMeo应用后的卡边控制效果（提升段出口温度）（4）实时优化技术与先进控制技术特点比较实时优化技术与先进控制技术是严格区分截然不同的两种技术，两者又在不同的组合使用下为过程控制服务。其各自的特点和作用比较见表1-2。表1-2 实时优化与先进控制技术的特点对比比较项目实时优化先进控制数学模型稳态化学工程模型动态结构模型是否要求过程处于稳态稳态动态最优化算法非线性模型优化线性模型优化最优化计算结果全局优化苛刻控制局部优化、约束推进式控制计算频度事件驱动低频人为设定的高频席卷方式建模难易从装置至工厂范围从单元设备至工艺装置（5）控制和优化的投资效益
29、比较在生产单元装置上，计算机控制和优化将通过四项技术，逐级地投资并获取效益，这四项分别为： DCS（Distributed Control System）回路控制及监督管理。 TAC（Traditional Advanced Control）传统的高级控制，这泛指在DCS上开发的特种规律控制，以改进局部性的控制质量与品质。是属于依传统控制理论所作的复杂控制范畴。 APC(Advanced Process Control)采用DMCPlus实施多变量动态矩阵模型预测控制，实现先进控制和动态优化。 RTOPT实时闭环优化控制，实现稳态优化。100投入%20406080203050809010001
30、0406070RT-OPTAPC DMC PlusTACDCS效益%下图是这四项技术的投资效益比较示意图： 图1-6 四种控制功能的投资效益比较（6）在线实时优化的应用场合与经济效益 在线实时优化的经济效益主要来自以下四个方面，按其显著程度依次排列如下： 增加高价值产品的收率 增加生产装置的产量 减少库存和流动资金 降低能量消耗 经济效益的大小取决于优化前装置的操作水平、装置类型、装置生产规模和经济环境。如前所述世界范围内至今已有300套以上的应用案例，对各种场合的应用效益也积累了许多经验数据，下面就分别介绍这些情况。-在炼油厂应用的经济效益 根据美国ASPENTECH公司和Simulatio
31、n Science公司的经验，通常自动控制项目先做先进控制APC，在APC完成基础上再实施在线实时优化，最后获得的总效益中APC/实时优化所占比例为50/50。通常投资成本回收期小于一年。在各种炼油装置应用效益见表 1-3 所示。表 1-3 炼油厂先进控制与实时优化效益炼油厂单元单位效益美分/桶典型规模万吨/年典型效益万元人民币/年常减压催化裂化FCC重整加氢裂化烷基化延迟焦化轻烃异构化润滑油真空装置芳烃MTBE炼厂MTBE世界规模5102040525103053510401020515104015202840508067519012513050155200150507520752,0004,
32、0002,3004,6004201,9008302,4001701,1009003,7001,2502,4004201,3303301,2506609003305002,2403,600-在石油化工厂应用效益在化工厂应用中经济效益最明显来自高附加值产品收率提高，而这意味着同样原料处理量之下高附加值产品产率增加。例如，一个30万吨/年乙烯厂实时优化后，往往可以增加乙烯产量23，这一条就使经济效益十分可观。具体装置效益情况如表 1-4所示。表1-4 化工厂的先进控制和实时优化效益单元装置单位效益美元/吨典型处理量万吨/年典型效益万人民币/年乙烯聚乙烯聚丙烯苯乙烯己内酰胺苯酚丙酮8125105105
33、1020306846.540.025.030.010.025.03,0004,6501,6603,3009962,0751,2452,5001,6602,5001,0001,400*效益中APC与实时优化大约各占一半（7）实时优化的应用案例美国路易斯安娜州的某炼油厂，在过程控制上位机中实施ROM，因为CPU占用很多时间，使同时进行优化而不可能，所以又使用了专用计算机，选用美国IBM公司的UNIX工作站。这样，计算速度得以保证，计算时间显著缩短，实时优化变为可能。典型时间如下：模型更新为510分钟，工况研究为310分钟，优化计算为30120分钟。该系统采用窗口技术和多任务管理。 ROM系统需要由
34、DCS自动输入约125点温度、压力、流量等装置数据，由手工或自动一周输入一次产量及质量指标、原料、产品价格、劳务成本等经济学数据。对于温度、流量等测量值，使用DATACON软件进行拟合分析，提高精度，这是输入处理的特点和最重要的部分，由实时数据更新基本工况模型，再现装置的现状，最优化操作条件的研究包括产量最大、利润最大等几个优化计算，可在以下几种约束条件下算出最优给定值。（1）再现控制系统的控制回路。（2）限制产量最大或最小的给定值。（3）遵守机器和设备规格能力的约束。 对于操作参数的整定，起初是由操作人员评价ROM的输出，并用手动改变DCS给定值，实现开环指导操作。由于实际经验的积累，而切换
35、成自动改变最优给定值的方式，真正实现了闭环在线优化控制，达到了严格在线模拟优化的真正目的。除了上述功能外，由于提供了装置各部分的大量实时信息，所以还有如下功能：机器性能评价；试验操作的预测；设备能力优化及运行决策支持；换热器运行监视。该系统投用后，每年产生360万美元的特大经济效益。其中增产310万美元，降耗50万美元。根据出日本光兴产公司提供的数据，常减压装置（以1000万吨为例）年效益约合1000万元人民币，催化裂化装置（以200万吨为例）约合600万元人民币。（8）实时优化的技术难点主要有以下三点：一是在约束条件具有较大范围变动时，模型仍能保持高收敛性（90%）和精度，以及方便维护管理；
36、二是模型需要原料及产品性质，而平时一个月也做不上一两次分析，故精度良好的在线分析十分必要；三是要求同时实施先进控制，以真正发挥实时优化的价值，技术集成度、投资成本高。1.4 国内外能量系统集成优化现状及发展趋势能量系统集成优化技术主要是应用系统工程技术及先进的能量分析方法对工艺过程物料及能量进行系统分析，找出用能的瓶颈所在，提出改善能量利用的优化方案，在保证企业经济效益最大化的前提下实现节能降耗，主要包括工艺流程模拟技术、换热网络优化技术、过程能量集成技术、单一能量系统和总体能量系统优化技术及工艺操作优化控制技术等。能量系统集成优化技术的发展源于上世纪70年代，随着对过程能量系统理论研究的深入
37、，国内外相继提出了三环节模型、“洋葱”模型等，对能量在过程系统中的作用和变化进行描述，并进一步研究提出了可定量分析过程系统能量转化和利用的夹点分析等技术。近年来，KBC公司、ASPEN公司等国际知名公司依托成熟的流程模拟技术，结合先进的夹点分析和复杂的数学规划法，形成了自主的能量系统优化技术解决方案，并通过多年的开发和实践使能量系统优化技术日趋完善；国内清华大学、大连理工大学、华南理工大学等科研院所多年来也在能量系统优化技术研究和应用方面取得了很好的进展。在此基础上，国内外许多大型石油公司应用先进的系统优化及工艺模拟技术，先后开展了针对工艺装置、公用工程系统及厂际间的用能优化工作，取得了显著的
38、经济效益和社会效益。国内方面，中国石化于2006年至2007年聘请英国KBC公司分别开展了镇海炼化、燕山石化、广州石化和济南石化的能量系统优化项目，主要工作内容包括建立生产装置模型、公用工程系统建模、装置基准对比、用能优化分析及诊断、项目评价与跟踪等。以镇海炼化为例，通过能量系统优化分析发现：虽然企业单装置能效水平处于国际先进水平之列，但由于蒸汽动力系统效率较低（30%以上的潜力）等，整体用能水平与日本、印度等先进炼厂相比存在较大差距，通过改进常减压、焦化、芳烃等装置的操作条件，项目实施9个月后实现了增效11美分/桶的阶段目标，计划进一步通过改进重油催化、丙烯回收等装置操作条件、开展蒸汽动力系
39、统整体优化、装置间能量优化及技术改造等实现30个月后增效39美分/桶的目标（其中能耗费用可降低10%左右），累计效益预计为4000万美元。此外，中海油的惠州石化总厂在设计前期就聘请ASPEN公司开展了全厂能量系统优化工作。集团公司部分企业近年来也开展了针对公用工程或生产单元的能量系统优化工作，如：大连石化与KBC公司合作进行了动力系统的优化分析工作，辽阳石化与ASPEN公司合作对芳烃联合装置的分离系统进行了模拟优化，取得了较好的经济效益。国外方面，欧洲某炼厂通过应用KBC公司全厂能量一体化技术（Total site技术）进行夹点分析和蒸汽系统建模，在公用工程方面提出了透平改造、余热利用、联合发
40、电等若干节能项目，实施后使炼厂能源强度指数（EII）下降了5个点；南非的Sasol燃料公司应用全厂能量一体化技术（Total site技术）对公用工程系统进行分析后，提出了改善换热网络、增加联合发电等许多典型的节能项目，实施后可使公用工程需求量节约30左右；在北美拥有12家炼厂的美国Valero能源公司应用Aspen公司系统优化技术，于2002年8月开始在其休斯顿炼厂实施能量系统优化分析，提出了热电联产蒸汽负荷调整、透平切换、安装能源管理优化器等多项能效改进方案，预计全部实施后每年可节约燃料折合3.2万吨标油、节电5百万度，预计年节约成本约500万美元。由此可见，国内外大型石油公司都在积极应用
41、、推广能量系统集成优化方法和技术；同时，由于该技术具有显著的节能效果和经济效益，许多国际大型石油公司开始纷纷培养建立自己的专家队伍，以满足企业提高能效、降低成本的迫切要求，这也是未来能量系统优化工作的发展趋势之一。例如，Shell和Chevron公司都拥有内部的能量优化及咨询团队，并利用商业化的系统优化分析软件、自主开发的集成技术与专家咨询团队相结合的方法，对企业能量利用情况进行系统分析、诊断和评价，提出能量系统优化改进方案。2 项目目标及主要研究内容2.1项目目标通过本课题的研究，解决流程模拟和能量系统优化技术在煤制天然气装置的技术引进吸收、软件开发集成、示范应用、团队建设等关键问题，主要目
42、标包括：1）引进、消化流程模拟及能量系统优化集成平台，开发适合大型煤制天然气装置实际工艺的设计基础模型，为设计审查提供有力的工具。在充分调研国内外先进的流程模拟及能量系统集成优化技术的基础上，联合国内技术领先的公司和科研院所，研究适应大型煤制天然气装置特点的流程模拟及能量系统集成优化技术；引进国外先进适用的优化软件和计算工具，通过消化、再创新、集成开发阜新煤制气工艺设计稳态模拟系统；对相关专业人员开展包括系统诊断、建模、优化等的技术培训，最终建立具有自主知识产权的大型煤制天然气装置流程模拟及能量系统提成优化技术体系和专家队伍。2）开发大型煤制天然气装置生产工艺开工生产方案的实际稳态和动态计算系
43、统，为大型煤制天然气装置生产开车，提供预测和分析工具。以设计数据为基础，通过实际运行标定数据，建立实际的大型煤制天然气装置工艺的核算模型，按照代表性、典型性、示范性等原则，选择重要的控制回路和操作方案，开发动态模型，对开工方案进行优化分析和工况研究，为装置开工成功率提供保障。3）开发大型煤制天然气装置公用工程和换热网络、水网络计算模型，为大型煤制天然气装置全流程用能评价、节能节水减排和优化提供工具。通过对大型煤制天然气装置的设计方案和开工后生产现状的现场调研，利用ASPEN TECH能量系统集成优化软件和夹点分析方法，开发公用工程和重点用能设备、换热网络、水系统等模型，对其设计和生产实际用能情
44、况进行评价，节能潜力分析，研究提出不投资、少投资的节能优化方案。总之通过本专项研究，引进吸收国际流程模拟及能量系统集成优化先进技术，形成大型煤制天然气装置技术应用体系和流程，培养具有先进水平的系统优化队伍，积累相关工作经验，通过大型煤制天然气装置典型示范促进流程模拟及系统集成优化技术的推广应用，预计全面实施后可降低大型煤制天然气装置总能耗5%以上，为大型煤制天然气装置优化生产和节能减排，提供强有力的技术支持。2.2主要研究内容及课题设置2.2.1大型煤制天然气装置全流程稳态模拟系统开发与应用研究目标：通过对国内外相关技术及应用现状的详细调研和分析，联合国内外领先的流程模拟技术及能量系统集成优化技术公司和科研院所，研究适应大型煤制天然气装置特点的模拟优化配套技术；引进国外先进的、适用的优化软件和计算工具，通过消化、再创新集成开发大型煤制天然气装置的软件工具包；研究建立大型煤制天然气装置系统优化的流程、标准和实施方法；通过专业人员培训和示范工程实施，最终形成具有自主知识产权的大型煤制天然气装置系统优化技术体系。研究内容：1） 充分调研国内外先进的流程模拟稳态、动态和能量系统集成优化技术的发展现状及应用情况，并对其现状和发展趋势进行分析，对流程模拟及能量系统集成优化技术和工具软件平台性能、功能进行论证和筛选；引进适合大型煤制天然气装置工艺流程的相关软
