【干货】全球炼化领域优化技术现状及发展趋势

随着世界各国对炼化领域优化工作的日益重视和对优化技术的深入研究，国内外相关研究机构和技术公司在炼化优化领域，尤其是模拟优化技术及能量优化研究及软件开发等方面获得了较大的发展，同时应用优化技术也为炼化企业创造了可观的经济效益。

以下分别对模拟优化及能量系统优化理论研究现状、国内外技术公司研究应用现状以及发展趋势进行介绍。

（1）能量系统优化理论研究现状

对过程能量系统理论的研究始于上世纪70年代，随着研究的不断深入，国内外学者相继提出了三子系统交互模型、“洋葱”模型和三环节模型等，对能量在过程系统中的结构、作用和变化进行描述。

1983年，Townsend和Linnhoff在研究过程优化涉及的结构化方法时，将过程系统看成是由一些相互作用的子系统所组成，以简化设计优化过程，并提出了三子系统交互模型，将过程系统划分为加工（反应、分离）、换热网络和动力3个子系统，以定性反映过程系统能量转换和利用内在的联系及制约关系，但并不能确切反映能量结构的本质。

1988年，Linnhoff等人提出了“洋葱模型”以强调过程设计的层次特性，其核心为反应子系统，其余由内向外依次为分离子系统、换热网络和公用工程子系统，但该模型只是对过程系统能量结构的粗略描述，没有给出严格、定量的数学模型。

自1982年起，华贲等人以热力学第二定律分析为基础，从能量在过程系统中的变化规律入手，提出并逐步完善了包括能量转换环节、能量利用环节和能量回收环节在内的三环节能量结构模型。该模型给出了严格、定量的过程系统能量流结构拓扑关系，其关键是按功能区分子系统并分别给出了火用经济模型、相应的目标函数和边界条件，并在子系统分解协调优化的基础上进行全局改进方案的火用经济评价调优。但是，由于火用经济分析方法的理论性较强且工作过程比较复杂，使得其在企业实际生产中的应用受到了一定限制。

（2）国内外研究及应用现状

①国外现状

近年来，KBC公司、ASPEN公司、ShellGlobalSolutions公司、Invensys公司、Honeywell公司和ProcessIntegratedLimited(PIL)公司等国际知名技术及软件公司依托成熟的流程模拟和优化技术，结合先进的夹点分析方法，借助丰富的专家经验，逐步形成了自主的能量系统优化技术解决方案，并在一些国际大型石油公司和炼化企业取得了较好的应用效果。

KBC公司基于HYSYS.Refinery开发了Petro-SIM过程模拟软件，并拥有可在Petro-SIM中使用的催化裂化（FCC-SIM）、加氢裂化（HCR-SIM）、催化重整（REF-SIM）、石脑油加氢（NHTR-SIM）、柴油加氢（DHTR-SIM）、VGO加氢（VGOHTR-SIM）、渣油加氢脱硫（RHDS-SIM）、延迟焦化（DC-SIM）、烷基化（ALK-SIM）、减粘裂化（VIS-SIM）、异构化模型等标准反应堆模型套件；研究开发了用于换热网络优化的SuperTarget软件、蒸汽系统模拟优化的ProSteam软件和基于BT(BestTechnology)指数的最佳能量使用效率技术。其研究提出的全厂能量一体化技术（TotalSite），使用全厂夹点分析技术和应用战略性节能发展规划路线图RoadMaps，对全厂工艺装置和公用工程系统的用能和供能进行分析、优化并排序，从而找出最快捷有效的改进途径。目前，KBC已在BP、BASF、ESSO、Chevron、Total、COSMO、日本能源全球等50多个炼油厂和化工厂实施了TotalSite全厂能量优化项目，实现节能15%~30%，氢气需求减少8%~20%，压缩机节能25%~35%，总成本下降14%~20%。例如，欧洲某炼厂通过应用Totalsite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、联合发电等若干节能项目，实施后炼厂能源密度指数（EnergyIntensityIndex,EII）下降5个点；南非的Sasol燃料公司应用TotalSite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。

Aspen公司拥有众多的模拟优化软件产品，主要包括用于化工流程模拟的AspenPlus、炼油流程模拟的AspenRefSYS、化工流程模拟的HYSYS、动态模拟的AspenDynamics、换热网络优化的HX-Net和AspenPinch、公用工程系统优化的AspenUtilities、实时优化的AspenPlusOptimizer、换热设备模拟计算的AspenHTFS+系列产品、部分炼油反应装置模拟软件和聚合物反应模拟的POLYMER等。其中，AspenPlus是稳态流程模拟工具，是唯一将序贯模块和联立方程两种算法同时包含在一个模拟工具中的软件产品；HYSYS原是加拿大Hyprotech公司产品，2002年Aspen公司收购该公司后，HYSYS成为Aspen公司旗下的产品，是唯一同时具有稳态和动态模拟功能的软件产品；AspenPlusOptimizer允许用户利用联立方程求解算法对拥有多个自由度的非线性目标函数优化问题进行快捷准确的求解，为过程工业的工程师提供了一种求解大型复杂工艺流程的有效工具，为实施闭环实时优化系统创造了条件，作为AspenPlus的嵌套产品，能够全面支持AspenPlus中涵盖的自由度、约束条件以及目标函数设定、配置等功能，可用于在线工艺优化和离线模拟。基于上述软件产品，Aspen公司进一步研究提出了能量优化整体解决方案，并借助其专家力量在许多炼化企业开展了能量系统优化分析工作。例如，Aspen于2000年对BP的BulwerIsland炼厂实施了公用工程系统优化项目，投资回收期低于1年；对位于韩国Yosu的YNCC乙烯厂开展了乙烯装置节能优化改造项目，通过操作工况调整和设备改造，实现产量增加10%、单位能耗降低2.2%；2005年，开展了中海油惠州炼油厂设计方案的能量系统优化分析，包括氢气系统分析和优化、全厂蒸汽系统分析和优化、全厂燃料和电力（热电联供）系统分析和优化、全厂范围内夹点分析等，优化后设计方案的EII从80降到61.5，相当于年经济效益2.4亿美元。