Современное состояние и тенденции развития технологий оптимизации в мировой промышленности переработки нефти и газа

Thread Content

Современное состояние и тенденции развития технологий оптимизации в мировой промышленности переработки нефти и газа. По мере того как страны всего мира уделяют все больше внимания процессам оптимизации в этой отрасли, а также активно изучают соответствующие технологии, отечественные и зарубежные исследовательские институты и технологические компании добились значительного прогресса в области оптимизации процессов переработки нефти и газа. Особенно успешным стало развитие технологий моделирования для целей оптимизации, а также исследований в области оптимизации использования энергии и разработки соответствующего программного обеспечения. Кроме того, применение технологий оптимизации позволяет предприятиям этой отрасли достигать значительной экономической выгоды. Ниже приводится отдельный обзор текущего состояния теоретических исследований в области симулированной оптимизации и оптимизации энергетических систем, текущего состояния исследований и применений со стороны технологических компаний в странах мира, а также тенденций развития. (1) Современное состояние исследований в области теории оптимизации энергетических систем. Исследования в области теории процессных энергетических систем начались в 1970-х годах прошлого века. По мере углубления исследований ученые как внутри страны, так и за рубежом последовательно предложили модель взаимодействия трех подсистем, «луковичную» модель и трехэтапную модель, которые описывают структуру, функции и изменения энергии в процессных системах. В 1983 году Таунсенд и Линнхофф, исследуя структурированные методы оптимизации процессов, рассматривали процессную систему как совокупность взаимодействующих подсистем с целью упрощения процесса проектирования и оптимизации. Они предложили модель взаимодействия трех подсистем, разделив процессную систему на подсистемы обработки (реакции, разделение), сеть теплообмена и привода. Эта модель позволяла качественно отразить внутренние связи и ограничения, связанные с преобразованием и использованием энергии в процессной системе, однако она не могла точно отразить сущность структуры энергии. В 1988 году Линнхофф и его коллеги предложили «модель луковицы» для подчеркивания иерархических особенностей проектирования процессов. В ее основе находится подсистема реакций; остальные подсистемы располагаются снутри наружу в следующем порядке: подсистема разделения, теплообменная сеть и подсистема коммунальных услуг. Однако данная модель представляет собой лишь приблизенное описание энергетической структуры процессной системы и не дает строгой количественной математической модели. Начиная с 1982 года Хуа Бэнь и его коллеги, опираясь на принципы второго закона термодинамики и рассматривая закономерности изменения энергии в процессных системах, предложили и постепенно совершенствовали трехэтапную модель структуры энергии, включающую этапы преобразования энергии, её использования и восстановления. Данная модель предоставляет строгую, количественную информацию о структуре и топологии потоков энергии в процессных системах. Ключевым моментом является разделение системы на функциональные зоны; для каждой из них определяются модели экономики энтропии, соответствующие функции целей и граничные условия. На основе координационной оптимизации подсистем осуществляется глобальная оценка и улучшение решений с точки зрения экономики энтропии. Однако из-за высокой теоретической сложности методов анализа энтропийной экономики и довольно сложного процесса их применения, их использование в практической производственной деятельности предприятий ограничено. (2) Современное состояние исследований и применения внутри страны и за рубежом
① Ситуация за рубежом
В последние годы такие известные международные технологические и программные компании, как KBC, ASPEN, Shell Global Solutions, Invensys, Honeywell и Process Integrated Limited (PIL), опираясь на отработанные технологии моделирования и оптимизации технологических процессов, сочетая их с передовыми методами анализа «точек сжатия», а также используя богатый опыт специалистов, постепенно разработали собственные решения по оптимизации энергетических систем. Эти решения успешно применяются во многих крупных международных нефтяных компаниях и предприятиях нефтехимической промышленности. http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1iaoxJWTG6e8t2gT3U8JP2Ah5iaVzrqC0fZlPLD1OmEvGMX7QiadsHb4TMg/0?wx_fmt=png Компания KBC разработала программное обеспечение для моделирования процессов Petro-SIM на основе инструмента HYSYS.Refinery. У нее также имеется набор стандартных моделей реакторов, которые могут использоваться в Petro-SIM: модели каталитического крекинга (FCC-SIM), гидрокрекинга (HCR-SIM), каталитической регенерации (REF-SIM), гидрирования нейтрального нфта (NHTR-SIM), гидрирования дизельного топлива (DHTR-SIM), гидрирования VGO (VGOHTR-SIM), десульфуризации фракций отходящих от процессов переработки (RHDS-SIM), задержанного коксования (DC-SIM), алкилирования (ALK-SIM), крекинга с снижением вязкости (VIS-SIM) и изомеризации ； Были разработаны программы SuperTarget для оптимизации сетей теплообмена, программа ProSteam для моделирования и оптимизации паровых систем, а также технологии максимально эффективного использования энергии на основе индекса BT (BestTechnology). В ходе исследования была предложена технология интеграции энергопотребления на всем предприятии (Total Site). Эта технология использует методы анализа точек критического потребления энергии на всем предприятии, а также стратегические планы по экономии энергии. Благодаря этому можно проанализировать, оптимизировать и расставить по приоритетам способы использования и поставки энергии во всех технологических установках и системах предприятия, тем самым выявив наиболее эффективные способы для улучшения ситуации. В настоящее время компания KBC реализовала проект Total Site по оптимизации энергопотребления на более чем 50 нефтеперерабатывающих и химических заводах, в том числе у компаний BP, BASF, ESSO, Chevron, Total, COSMO и Japan Energy Global. Благодаря этому удалось сократить потребление энергии на 15–30%, спрос на водород — на 8–20%, а энергопотребление компрессоров — на 25–35%. Всего это привело к снижению общих затрат на 14–20%. Например, один европейский нефтеперерабатывающий завод, применив технологию Total Site для анализа точек сжатия и моделирования паровой системы, предложил ряд энергосберегающих мер в сфере коммунальных услуг, таких как модернизация турбин, использование избыточного тепла и когенерация. После их реализации индекс энергоемкости (Energy Intensity Index, EII) завода снизился на 5 пунктов ； Компания Sasol Fuel из Южной Африки, применив технологию Total Site для анализа систем общественных служб, предложила ряд типичных проектов по экономии энергии, таких как улучшение сетей теплообмена и расширение мощностей совместной генерации электроэнергии. После реализации этих проектов можно сократить потребление ресурсов, необходимых для функционирования общественных служб, примерно на 30%. У компании Aspen имеется множество программ для симуляции и оптимизации: Aspen Plus, предназначенная для симуляции химических процессов; Aspen RefSYS – для симуляции процессов на нефтеперерабатывающих заводах; HYSYS – также для симуляции химических процессов; Aspen Dynamics – для динамической симуляции; HX-Net и Aspen Pinch – для оптимизации теплообменных сетей; Aspen Utilities – для оптимизации систем общего назначения; Aspen PlusOptimizer – для реального времени оптимизации; серия продуктов Aspen HTFS+ – для симуляции теплообменных устройств; а также программы для симуляции некоторых реакций на нефтеперерабатывающих заводах и для симуляции реакций полимеризации – POLYMER. Среди них Aspen Plus является инструментом для моделирования стационарных процессов; это единственный программный продукт, в котором одновременно реализованы два алгоритма — последовательные модули и совместное решение уравнений ； Изначально HYSYS был продуктом канадской компании Hyprotech. После того как в 2002 году компания Aspen приобрела Hyprotech, HYSYS стал продуктом Aspen. Это единственное программное обеспечение, которое обладает как функциями стационарного, так и динамического моделирования ； Aspen PlusOptimizer позволяет пользователям с использованием алгоритмов решения систем линейных уравнений быстро и точно решать задачи оптимизации нелинейных целевых функций с множеством степеней свободы. Это представляет собой эффективный инструмент для инженеров в промышленности процессов, позволяющий решать сложные задачи, связанные с крупными производственными процессами. Он создает условия для внедрения систем реального времени с замкнутым циклом оптимизации. Будучи встроенным продуктом Aspen Plus, он полностью поддерживает все возможности этой программы: настройку степеней свободы, ограничений, целевых функций и т. д. Его можно использовать как для онлайн-оптимизации процессов, так и для офлайн-симуляций. На основе вышеупомянутых программных продуктов компания Aspen провела дальнейшие исследования и разработала комплексное решение по оптимизации энергопотребления; при помощи своих экспертов она также провела анализ оптимизации энергетических систем на многих нефтехимических предприятиях. Например, в 2000 году компания Aspen реализовала проект по оптимизации систем общего обслуживания на нефтеперерабатывающем заводе BP на острове Балвер; срок окупаемости инвестиций составил менее 1 года ； В этиленовом заводе YNCC, расположенном в городе Йосу в Южной Корее, была реализована программа по оптимизации процессов использования энергии на производстве этилена. Благодаря корректировке условий работы оборудования и его модернизации удалось увеличить объем производства на 10%, а уровень энергопотребления — снизить на 2,2% ； В 2005 году был проведен анализ оптимизации энергетической системы для проектного решения нефтеперерабатывающего завода CNOOC в Хуэйчжоу, включая анализ и оптимизацию системы водорода, системы пара на всем предприятии, системы топлива и электроэнергии (когенерации) на всем предприятии, а также анализ точек сжатия во всем производственном комплексе. В результате оптимизации значение EII в проектном решении снизилось с 80 до 61,5, что соответствует годовой экономической выгоде в размере 240 миллионов долларов США. Компания Shell GlobalSolutions использует свою внутреннюю команду специалистов-консультантов, а также разработанные ею программы для моделирования и оптимизации при проведении анализа энергетических систем. Среди используемых программных продуктов — Aspen Plus, Unisim, а также собственные разработки компании: ECU, SHARC, plan24tune, EMS и др. При этом программное обеспечение ECU используется для моделирования и оптимизации печей для разложения этилена, а программное обеспечение SHARC — для моделирования и оптимизации установок каталитического крекинга. В настоящее время компания Shell GlobalSolutions реализует проекты по оптимизации энергетических систем в 29 нефтеперерабатывающих заводах и химических предприятиях по всему миру. Благодаря этому уровень потребления энергии на нефтеперерабатывающих заводах снижается примерно на 2–7%, а на химических предприятиях — примерно на 3–5%. Компания Invensys располагает множеством программных продуктов в таких областях, как моделирование процессов (стационарное и динамическое моделирование), оффлайн- и онлайн-оптимизация, а также системы обучения операторов. Среди этих продуктов — PRO/II для моделирования химических процессов, HEXTRAN для оптимизации теплообменных устройств и сетей, DYNSIM для динамического моделирования процессов, а также ROMeo для онлайн-моделирования и оптимизации. В 2002 году компания провела оптимизацию систем обеспечения этиленом для завода по производству этилена в Корее, в Дэсане, и для нефтеперерабатывающего завода в Японии, в Мидзушиме ； В 2005 году были проведены оптимизация и модернизация систем общего обслуживания этиленового завода в Охите, а также рaffinerии в Айти. В 2004 году компания Honeywell приобрела программный продукт HYSYS, предназначенный для оптимизации статических и динамических симуляций. В 2005 году на основе технологий HYSYS и UOP была создана новая версия программы для симуляции процессов — UniSim. Эта программа объединяет в одной среде функции проектирования, онлайн-оптимизации и обучения операторов. Кроме того, она расширяет возможности по оптимизации теплообменных сетей и синтезу процессов. При этом UniSim Desig используется для моделирования стационарных процессов, Unisim DynamicOption — для моделирования динамических процессов, UniSim SQP Optimizer Option — для оптимизации процессов, UniSim ExchangerNet — для анализа точек контакта и проектирования сетей теплообмена, а Profit Optimizer — для онлайн-динамической оптимизации. Компания PIL разработала технологии проектирования и модернизации сетей теплового обмена с восстановлением тепла, а также программное обеспечение HEAT-int. Также были разработаны технологии проектирования и оптимизации работы всей паровой системы завода, а также соответствующее программное обеспечение SITE-int. Кроме того, компания создала технологии анализа для управления и оптимизации использования водорода на заводе, а также программное обеспечение H2-int. Среди них программный продукт H2-int обладает уникальным методом моделирования устройств для водородации и современными методами математической оптимизации; в сочетании с точным моделированием процессов в водородных сетях он позволяет точно описывать действия на всех этапах процесса и осуществлять глобальную оптимизацию работы системы водорода на нефтеперерабатывающем заводе. В настоящее время компания реализовала ряд проектов по оптимизации энергетических систем, что принесло хорошие результаты с точки зрения экономии энергии. Например, был проведен анализ оптимизации энергетических систем на 13 установках по переработке нефти (3 установки для снижения давления и температуры, установки для гидрокракинга, каталитического кракинга, риформинга, алкилирования, а также несколько установок для гидрорефинирования) и 8 установках по производству петрохимической продукции на заводе BP в Грэнджмуте. При использовании лишь операционных корректировок была достигнута экономия энергии в размере 7,8 миллиона долларов в год ； Благодаря оптимизации энергетических систем на 25 установках на заводе Coryton компании BP была достигнута экономия энергии в размере 3,7 миллиона долларов в год при использовании лишь оперативных корректировок. http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1ia8iciaUHhs4yBzUz9POmic1fIDDFzzyibsmu32WKcoofTF6sb2wcpjAhUFQ/0?wx_fmt=png ② Ситуация в стране. В последние годы такие организации, как компания Youhua Process Technology, Даляньский университет технологий, Китайская академия наук, Цинхуа-университет и Южно-Китайский университет технологий, на основе использования некоторых современных международных программ для моделирования и оптимизации, разработали собственные технологии, такие как методы глубокой термической обработки и объединения различных систем в единую структуру, а также метод виртуальной температуры. Были созданы программы для оптимизации теплообменников, тепловых сетей и паровых двигательных систем. Также была проведена комплексная оптимизация энергопотребления на уровне отдельных устройств, тепловых сетей и паровых двигательных систем, что принесло значительную экономическую выгоду. Технология оптимизации энергетических систем компании Youhua Process Technology основана на теории и методах комплексной оптимизации энергопотребления в процессных системах с учетом трех ключевых элементов. С помощью этой технологии для отечественных нефтехимических предприятий было реализовано более 40 проектов по повышению энергоэффективности. В частности, результаты оценки, принятые в сентябре 2002 года при участии Департамента науки и технологий провинции Гуандун под названием «Инженерное применение методов оптимизации энергетических систем в процессной промышленности в нефтегазовой отрасли», принесли четырем компаниям экономию в размере 120 миллионов юаней в год. Среди разработанных компанией собственных технологий и программного обеспечения можно выделить: специализированное программное обеспечение для оптимизации теплообменников (HEDO), технологию оптимизации энергопотребления после подачи нагретого сырья в установки гидрирования, уникальные технологии глубокой термической обработки и теплового взаимодействия в крупных системах, технологию комплексного использования низкотемпературного тепла в крупных системах, программное обеспечение для оптимизации паросиловых систем (STOpti), пакет технологий CWopti, предназначенный для оптимизации систем циркуляционного водоснабжения на всем предприятии, комплексные технологии энергосбережения для насосов и компрессоров, программное обеспечение для оптимизации теплообменных сетей (ODHEN) и др. В 2001 году была проведена работа по оптимизации и модернизации энергетической системы установок по переработке нефти в Дачине. В результате этих работ потребление пара на одной из установок снизилось на 2–3 т/ч, температура теплообмена повысилась более чем на 10°C, а расход топлива сократился на 100 кг/ч ； Вторая система при нормальном давлении позволяет повысить конечную температуру теплообмена на 6°C–8°C и снизить расход топлива на 200 кг/ч–250 кг/ч ； Сокращение потребления пара в атмосферу на 8 т/ч–10 т/ч, увеличение мощности рекуперации тепла при низких температурах примерно на 2500 кВт; общие инвестиции составляют около 80 миллионов юаней. Это позволяет достичь ежегодной экономии энергии в размере 32 миллионов юаней. Была проведена оптимизация энергетической системы на нефтехимическом предприятии с мощностью переработки сырой нефти 13 миллионов тонн в год. Были реализованы такие проекты, как объединение систем поставки тепла и использование тепла в различных целях, оптимизация низкотемпературных тепловых систем, а также оптимизация паровых двигателей. Общая стоимость этих работ составила 160 миллионов юаней. В результате удалось снизить расход энергии до уровня 14,9 кг стандартного нефтяного эквивалента на тонну продукции. Годовая экономия составила 360 миллионов юаней. Факультет химической инженерии Даляньского университета технологий на основе самостоятельных исследований разработала технологию интеграции энергии в процессных системах. Впервые был сформулирован принцип единообразия использования энергии в процессных системах; это позволило объединить крупномасштабные, сложные процессные системы в единое целое с точки зрения использования энергии. Проблема интеграции энергии превратилась в задачу оптимизации соответствующей сети теплообмена с учетом определенных ограничений. Была разработана программа V1.0 для оптимизации крупномасштабных энергетических сетей, которая позволяет эффективно решать проблемы интеграции энергии в таких системах ； Впервые был предложен метод «виртуальной температуры» (то есть эффективной температуры) для анализа точек критического состояния в режиме эксплуатации и при проектировании, что позволяет правильно описать распределение энергии в системе и тем самым дать точный диагноз состояния использования энергии ； Сформулирована «стратегия энергетической интеграции процессных систем», служащая руководством для проведения диагностики энергопотребления в процессных системах, выявления узких мест, их устранения, а также синхронной оптимизации энергосбережения и расширения производственных установок. В настоящее время данная технология применяется для анализа энергопотребления и производственных мощностей более чем на 20 производственных установках на нефтехимических предприятиях в Даляне, Цзилине, Ляояне, Фушуне, Яньшане, Цилу и других регионах. Из разработанных предложений по энергосбережению и модернизации для расширения производства уже реализовано 8 проектов; они позволяют сократить энергопотребление на 10–20% и увеличить производительность на 20–30%, обеспечивая годовой экономический эффект в размере 80 миллионов юаней. В частности, с помощью метода виртуальной температуры был проведен анализ расхода энергии в системе холодильных установок одного из производственных объектов по производству этилена в стране. Были выявлены узкие места в использовании энергии в данной системе. Учитывая небольшую разницу температур при теплообмене в процессах при низких температурах, а также особенности использования промежуточных систем для обеспечения холодным воздухом, был предложен комплексный подход к использованию многопотоковых теплообменников в таких процессах. В результате применения этого подхода объем потребляемой энергии на обеспечение холодным воздухом сократился на 44,5%. Институт инженерии процессных систем факультета химической инженерии Цинхуа-университета разработал систему моделирования теплообменных сетей с высокой гибкостью и низкой чувствительностью HEXTH, а также инструмент для оптимизации общей энергетической системы завода TSES. Эти разработки нашли применение на предприятиях вроде Яньшаньский нефтехимический комбинат, Цилюйский нефтехимический комбинат и Цзиньсиский нефтехимический комбинат. В области моделирования и оптимизации установок по производству этилена были разработаны система моделирования и анализа печей для кристаллизации этилена типа GK-V — PYRO-SimP, а также система моделирования и оптимизации таких печей — EPSOS. Для небольшой установки по производству этилена в Ланьчжоу были созданы модели кинетики реакции кристаллизации и модели для оптимизации работы установки на протяжении всего цикла её функционирования. Это способствовало более эффективному управлению установкой, а также обеспечило техническую поддержку для повышения выхода диэнолов и снижения общего энергопотребления установки при производстве этилена. Кроме того, с использованием программного обеспечения HEAT-int компании PIL и программного обеспечения HEATSim Цинхуаского университета был разработан программный платформ для оптимизации и модернизации систем теплоизвлечения в технологических процессах. Эта платформа позволяет автоматически проектировать и модифицировать теплообменные сети, а также проводить их моделирование и оптимизацию ； С использованием программного обеспечения SITE-int компании PIL и программного обеспечения HEATSim Цинхуаского университета было разработано программное обеспечение для оптимизации и модернизации систем коммунальных услуг на всем предприятии, способное выполнять системный анализ коммунальных систем, анализ и оптимизацию целей совместной выработки пара и электроэнергии, а также моделирование и оптимизацию коммунальных систем. Институт процессов Китайской академии наук совместно с японской компанией Mitsubishi разработал систему моделирования процесса замедленной коксовки тяжелой нефти. Была создана модель состава углерода, а также модель реактора для замедленной коксовки. Благодаря интерфейсу программы Pro/II эта модель была успешно интегрирована в программу Pro/II ； Самостоятельно разработано специализированное программное обеспечение для моделирования всего процесса каталитического крекинга; оно может работать полностью независимо от существующего коммерческого ПО для моделирования процессов ； Предложена модель анализа энергоэффективности на всем этапе процесса, основанная на понятии эффективной энергии, а также система баз данных для анализа эффективности использования энергии сырьем, потоками, отдельными элементами процесса и в целом, а также причин потерь энергии. Система может работать самостоятельно, а также могла быть интегрирована с программами для моделирования процессов, такими как Pro/II, Aspen и другими. (3) Исследования ключевых технологий и современное состояние их применения ① Методы оценки энергопотребления В настоящее время основными показателями, широко признаваемыми зарубежными нефтеперерабатывающими компаниями и нефтяными корпорациями для оценки энергопотребления в процессе переработки нефти, являются индекс энергетической плотности, предложенный компанией Solomon, и индекс наилучших технологий, разработанный компанией KBC. Кроме того, у компании Shell также существует собственный показатель оценки энергопотребления — CEL (Correct Energy Loss). Однако при сравнении показателей энергопотребления необходимо учитывать и индекс EII от Solomon. Показатель EII определяется такими ключевыми факторами, как общее фактическое энергопотребление нефтеперерабатывающего завода, степень загрузки оборудования, показатели энергоемкости оборудования и энергопотребление внешних систем. Он отражает влияние условий работы оборудования, уровня сырья, режимов эксплуатации и качества продукции на энергопотребление; представляет собой комплексный показатель энергоемкости с учетом сложности производственной структуры завода. В основном этот показатель используется для сравнительного анализа конкурентоспособности различных предприятий. Индекс BT компании KBC основан на вертикальном сравнении разницы между текущим уровнем энергопотребления предприятий и их оптимальным уровнем для целей их ранжирования. Этот показатель позволяет объективно оценить влияние сырья, технологий и оборудования на уровень энергопотребления, а также выявить слабые места в системах использования энергии на предприятиях. Это помогает компаниям направленно работать над оптимизацией своих энергетических систем. Поскольку вышеуказанные показатели являются довольно объективными и позволяют легко определить потенциал для энергосбережения, а также направить усилия в этой области, они находят широкое применение при проведении анализа по оптимизации энергетических систем в зарубежных нефтехимических предприятиях. Однако, поскольку конкретное содержание исследований в области оценки энергопотребления является одной из ключевых технологий упомянутой компании, оно не разглашается и не передается третьим сторонам. Отечественные нефтеперерабатывающие предприятия в основном используют показатели совокупного энергопотребления и энергопотребления на единицу продукции, предложенные американской компанией Amoco в 1980-х годах; в то время как в химической промышленности постоянно применяются показатели совокупного энергопотребления химической продукции. В 2005 году компания Sinopec внесла изменения в существующие стандарты расчета энергопотребления на нефтеперерабатывающих заводах. Эти изменения были связаны с необходимостью корректировки коэффициентов энергопотребления в соответствии с изменениями в технологических процессах на этих заводах. В 2006 году Китайская нефтегазовая корпорация внесла изменения в стандарты расчета совокупного энергопотребления при производстве этилена: было скорректировано поле расчетов, добавлены такие показатели, как энергопотребление на производство диолефинов. Преимуществом вышеуказанных показателей оценки энергопотребления является упрощение концепции энергопотребления, что облегчает сравнение уровня энергопотребления между различными установками, а также между нефтеперерабатывающими заводами. Однако эти показатели могут использоваться только для анализа общего уровня энергопотребления всего предприятия или отдельных установок. Они не позволяют оценить влияние сырья, технологий, оборудования и других факторов на уровень энергопотребления установок. Кроме того, с их помощью невозможно сравнивать ключевые показатели систем и оборудования, отвечающих за потребление энергии, а также определить потенциал экономии энергии в отдельных компонентах установок и систем. ②Технологии и программное обеспечение для моделирования и оптимизации процессов переработки нефти. Методы, используемые при моделировании процессов переработки нефти, в основном делятся на три категории: метод последовательных модулей, метод системы уравнений и метод комбинированных модулей. Среди них метод последовательных модулей представляет собой способ поэтапного расчета и решения модели системы путем последовательной обработки отдельных модулей. Благодаря простоте и наглядности в построении моделей, этот метод используется в качестве основы для разработки большинства программ для моделирования всего процесса переработки нефти. Методы оптимизации процесса переработки в основном включают методы математического программирования, методы искусственного интеллекта и метод анализа «точек сжатия» (в основном используется для оптимизации теплообменных сетей). Продукты программного обеспечения для симуляционной оптимизации, рассматриваемые ниже, в основном основаны на вышеупомянутых методах симуляции и оптимизации. Petro-SIM — это полнофункциональный графический симулятор процессов, который объединяет в себе ведущие в отрасли технологии KBC Profimatics и проверенные модели процессов на нефтеперерабатывающих заводах; он разработан на основе интерфейса HYSYS.Refinery. Petro-SIM позволяет создавать типичные «столичные нефтеперерабатывающие заводы», а также предоставляет полную совокупность моделей реакционных процессов в нефтепереработке, включая установки каталитического крекинга, каталитической регенерации, гидрокрекинга, гидрорafинации (включая гидрирование нефтяного газа, дизельного топлива, воскового масла и десульфуризацию фракций тары), замедленного коксования, диссоциации ароматических углеводородов, изомеризации и др. Это программное обеспечение используется более чем в 120 нефтехимических предприятиях по всему миру и показывает отличные результаты в оптимизации производственных планов, а также в оптимизации систем PIP и энергоснабжения. Aspen RefSYS — это отличное программное обеспечение для моделирования всего процесса в нефтеперерабатывающих заводах, разработанное компанией Aspen на основе зрелой универсальной системы моделирования процессов HYSYS. В него также включены различные модели реакций, разработанные компанией Aspen и всемирно известной компанией по технологиям переработки нефти UOP (включая каталитическое крекинг, каталитическую регенерацию, гидрокрекинг и гидрорефинирование). Это программное обеспечение помогает нефтеперерабатывающим заводам совершенствовать методы своей деятельности и более точно прогнозировать эффективность всего производства. В настоящее время 23 из 25 крупнейших в мире нефтяных компаний используют этот продукт. Aspen Plus — это инструмент для моделирования устойчивых химических процессов от компании Aspen. Он позволяет решать задачи, связанные с устойчивым балансом массы и энергии в непрерывных процессах. Инструмент обладает обширной базой данных, широким спектром функций и высокой степенью интеграции. Это единственное программное обеспечение, которое объединяет в себе два алгоритма — последовательные модули SM и систему уравнений EO. Помимо информации о составляющих веществах, их физических свойствах и уравнениях состояния, программа также включает множество модулей для описания различных операций. Она обладает мощными функциями анализа моделей и процессов. Продукт PRO/II от компании Invensys представляет собой программное обеспечение для моделирования стационарных процессов в химической промышленности. Его истоки восходят к 1967 году, когда компания SimSci разработала первый в мире симулятор процессов дистилляции в нефтеперерабатывающей промышленности — SP05. В 1973 году SimSci выпустила симулятор, основанный на блок-схемах, а в 1979 году — программное обеспечение для моделирования технологических процессов Process, работающее на ПК (предшественник PRO/II). PRO/II обладает полной базой данных физических свойств, мощной системой расчета термодинамических характеристик, а также более чем 40 модулями для выполнения различных операций. Он может использоваться для моделирования устойчивого состояния процессов, расчета физических свойств, проектирования оборудования, оценки затрат и экономической эффективности, а также для других расчетов. ROMeo — это новое поколение онлайн-систем оптимизации с открытой архитектурой приложений, разработанное совместно компаниями Invensys и Shell. В эту систему включены преимущества компании Invensys в области термодинамики и процессов на уровне отдельных элементов, а также передовые технологии компании Shell в области математического моделирования и алгоритмов оптимизации. Это система онлайн-симуляции и оптимизации, основанная на строгих физико-химических принципах и предназначенная для решения уравнений; она может обеспечить полное программное решение для симуляции и оптимизации процессов переработки нефти. ROMeo стал стандартным программным продуктом компании ExxonMobil для онлайн-оптимизации технологических процессов. Unisim — это новое поколение программного обеспечения для моделирования технологических процессов, разработанное компанией Honeywell в 2005 году на основе технологий HYSYS и UOP. Оно объединяет в единой среде такие функции, как проектирование, моделирование, оптимизация в режиме реального времени и обучение операторов; кроме того, расширяются и усиливаются возможности по оптимизации теплообменных сетей и синтезу технологических процессов. http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1ia6dtaryM36g6VMibVibJIXF7Nng7BF5ficvYD5mSVT9BRmKZOaiax3Q2JfQ/0?wx_fmt=png ③ Технологии моделирования и оптимизации ключевых установок по переработке нефти и соответствое программное обеспечение. Установки атмосферно-вакуумной перегонки являются главными установками на нефтеперерабатывающих заводах; они включают в себя сложные ректификационные колонны с промежуточной подачей сырья, множеством выходов продукта и обратным потоком в средней части колонны, такие как колонна первичной перегонки, атмосферная колонна и вакуумная колонна. Методы моделирования таких сложных колонн для дистилляции в основном включают метод поэтапного расчета для каждого яруса, матричный метод и метод F-фактора. Наиболее часто используется метод поэтапного расчета для каждого яруса; кроме того, существуют специальные модули для его реализации, такие как модуль PetroleumDistillation Column в Aspen RefSys, DIS-SIM в Petro-SIM и модуль PetroFrac в Aspen Plus. Эти модули уже применялись на многих нефтеперерабатывающих заводах, и во всех случаях достигалась удовлетворительная точность. Установка каталитического фракционирования является важным устройством для вторичной переработки в нефтеперерабатывающих заводах, а суть её моделированной оптимизации заключается в системе реакции и регенерации. В настоящее время основными отечественными и зарубежными программными продуктами для моделирования и оптимизации в этой области являются Aspen FCC и Aspen RefSYSCatCracker от компании Aspen, FCC-SIM от компании KBC, SHARC от компании Shell, а также FCCM от китайской компании Luoyang Petrochemical Engineering Company. В частности, в модели реакции программы Aspen FCC используется 21-модельная суммарная кинетика реакций, которая является наиболее полной и совершенной из существующих моделей для описания процесса каталитического фракционирования. Эта модель позволяет достаточно точно описать ход реакции в каталитическом фракционировании. Модель реактора с вертикальными трубами включает один предварительный сегмент и два сегмента реакции. Для разделения продуктов применяется метод корреляции; это позволяет моделировать изменения распределения и свойств продуктов при изменении свойств сырья и условий работы установки. Также возможен расчет оптимальных параметров работы установки. Целями оптимизации могут быть максимальный выход конкретного продукта или максимальная экономическая эффективность установки. Параметрами оптимизации являются температура предварительного нагрева сырья, температура на выходе из вертикальных труб, содержание кислорода в газах, выходящих из регенератора, давление в осадителе, давление в регенераторе, объем возвращаемой нефти, свойства катализатора и т. д. Aspen RefSYSCatCracker — это простой в использовании и строгий механистический модель, представляющий собой модуль нефтеперерабатывающего оборудования в составе Aspen RefSYS; он может быстро интегрироваться в общую технологическую схему завода. FCC-SIM от компании KBC представляет собой модель имитации механизмов работы установки каталитического крекинга. В основе модели теплового баланса лежат строгие принципы кинетики сгорания кокса. В ней также присутствуют подробные кинетические модели для реактора с подъемным слоем, регенератора и процесса сжигания кокса. Модель активности катализатора позволяет выбрать оптимальное сырье, степень превращения и сам катализатор для конкретной установки каталитического крекинга. SHARC, разработанный компанией Shell в 1995 году, также является моделью на основе строгих механизмов; она позволяет прогнозировать влияние изменений в составе сырья, катализаторах и условиях эксплуатации на работу установки каталитического крекинга и оптимизировать её функционирование. На сегодняшний день модель была обновлена 7 раз. Данная модель сначала рассчитывает углеродный и тепловой баланс установки, а затем прогнозирует влияние изменений в составе сырья, скорости добавления катализатора и условиях эксплуатации на выход продукта и его свойства. Это позволяет пользователям улучшать работу установки путем подбора и оптимизации сырья, а также оценки и контроля катализатора ； Использование разработанной компанией Shell технологии описания свойств сырья: например, прогнозирование выхода кокса с помощью неиспаряющегося кокса (NVC) является более точным, чем использование обычного остаточного углерода по Конрадсону ； Имеет открытую структуру, что облегчает его совместное использование с другими онлайн-оптимизаторами и моделями линейного программирования для нефтеперерабатывающих заводов. FCCM от компании Luoyang Petrochemical Engineering Company был разработан на основе тринадцатой суммированной динамической модели каталитического крекинга тяжелой нефти, а также моделей инхерентной динамики регенерации катализатора и процессов потока и передачи в регенераторе; он подходит для использования в реакторах и регенераторах различных типов. Каталитический риформинг является одним из важных устройств вторичной переработки на нефтеперерабатывающих заводах, а исследование и разработка кинетических моделей реакций риформинга составляют ключевую часть для создания полноценных симуляций процессов, происходящих в таких устройствах. Поскольку в реакциях участвует более 300 различных соединений, включая процессы дегидроароматизации цикланов, дегидроциклизации алканов, изомеризации, гидроразложения и т. д., эти реакции могут протекать последовательно, параллельно или перекрестно, что создает сложную систему реакций. Поэтому ключевым моментом при разработке кинетических моделей является разумное упрощение совокупности компонентов и создание сети взаимодействий между ними. В настоящее время ученые как внутри страны, так и за рубежом разработали множество моделей кинетики суммарных реакций, включая 4-модель Смита, 13-модель Рамажа, 16-модель, предложенную Вэн Хуэйсинем и другими, 24-модель Хорхе, 28-модель Фромента и другие. Наиболее значимым является 13-элементная модель Рамиджа, которая широко используется для запуска промышленных установок, мониторинга процессов, диагностики неисправностей, оптимизации операций и проектирования, а также для руководства в области исследований и разработок, что приносит значительную экономическую выгоду. В настоящее время в некоторых программах для моделирования общих процессов уже встроены модели реакций каталитического риформинга, такие как модуль Reformer в Aspen RefSYS и модуль Ref-SIM в KBC. Модель каталитического риформинга, встроенная в Aspen RefSYS, позволяет моделировать установки непрерывного и полурегенеративного риформинга; она учитывает скорость деактивации катализатора с учетом его содержания металла и истории использования. В моделих REF-SIM компании KBC предусмотрены модели непрерывной ректификации, полурегенеративной ректификации и циклических установок, включающие подробные динамические реакции, определяемые количеством и типом углерода. Установки гидрокрекинга, являющиеся ключевыми оборудованиями для производства высококачественных легких нефтепродуктов, требуют строгого моделирования. В настоящее время существует несколько типичных моделей кинетики гидрокрекинга, в том числе: 1) четырехсуммарная модель, основанная на количестве продуктов и диапазоне температур кипения; эта модель была применена к сырью для дестилляции при низком давлении производства Ромашкина и Аланса, и при определенных температурах и давлениях прогнозируемые значения по этой модели совпадали с экспериментальными данными ； 2) Динамическая модель множественных сосредоточенных реакций для узких фракций. Эта модель при прогнозировании диапазона кипения и выхода продуктов в широком диапазоне температур кипения сырья дает результаты, хорошо согласующиеся с данными промышленных испытаний в полупромышленном масштабе. Поэтому считается, что с помощью данной модели можно интерполяционно прогнозировать выход продуктов для неиспытанных условий ； 3) Семичленная сосредоточенная модель, классифицированная по температуре кипения и химическим свойствам. В настоящее время существуют популярные программы для моделирования гидрокрекинга: модель Hydrocracker от Aspen RefSys и модель HCR-SIM от KBC. Модель Hydrocracker включает в себя модели всех ключевых реакций, таких как гидротермическое десульфурирование, гидротермическое денитрификация, деметаллизация, насыщение алкенов и ароматических углеводородов, разрыв циклов, декалкилизация, изомеризация парафинов, а также модель деактивации катализатора. Модель HCR-SIM от KBC также включает все ключевые реакции; с помощью детальных расчетов теплового баланса она позволяет определить повышение температуры в реакционной зоне и точно прогнозировать расход продуктов реакции и водорода. Процесс гидрорефинирования включает реакторы, сепараторы пара и жидкости, теплообменники, ступени для стимулирования испарения, центробежные компрессоры и т. д. Модели кинетики реакций включают модели насыщения алкенов, десульфуризации, денитрификации, деоксигенации, насыщения ароматических углеводородов, разрыва циклов в ароматических углеводородах, а также разрыва циклов в циклоалканах. В настоящее время существуют популярные программы для моделирования процесса гидридного очищения: модель Hydrotreator от Aspen RefSys и модель DHTR-SIM от KBC. Модель Hydrotreator включает специальные модели сырья в виде фракционированного масла, воскового масла и нефтяного гудра ； Модель DHTR-SIM обеспечивает точное динамическое описание всех ключевых реакций, включая гидрогенизацию для удаления серы и азота, насыщение ароматических углеводородов и их разложение, а также позволяет точно описывать процесс удаления серы при чрезвычайно низком её содержании. В литературе мало сообщений, посвященных механистическим моделям установок каталитического крекинга. В настоящее время основными разработанными программными продуктами для моделирования таких установок являются DC-SIM от KBC, DCLK от Лоянской нефтехимической инженерной компании и система моделирования процесса каталитического крекинга тяжелых нефтепродуктов из Института процессов Института химической физики Китайской академии наук. Среди них программа DC-SIM от компании KBC представляет собой модель для симуляции процессов в установках для каталитического коксования. Она позволяет оценить влияние различных ключевых параметров процесса, таких как температура в коксовых башнях, соотношение циркулирующей смеси, рабочее давление и свойства сырья. Эту программу можно использовать в составе системы Petro-SIM. Программное обеспечение DCLK компании Luoyang Petrochemical Engineering Co., Ltd. представляет собой программу для моделирования и оптимизации, разработанную на основе динамической модели кинетики одиннадцати суммарных реакций коксования. Она позволяет динамически моделировать промышленный процесс замедленного коксования, учитывая такие особенности, как нестационарность работы промышленных установок по замедленному коксованию. Данное ПО способно прогнозировать выход продукции в любой момент времени в течение одного операционного цикла коксовальной колонны, а также мгновенный состав всех веществ внутри нее. Система моделирования процесса замедленного коксования тяжелых нефтепродуктов, разработанная Китайской академией наук совместно с японской компанией Mitsubishi, включает в себя модель реактора для замедленного коксования, модель полного процесса замедленного коксования, модель анализа энергоэффективности всего процесса на основе эксергии, а также систему баз данных. Эта система может функционировать самостоятельно, а также интегрироваться с программным обеспечением для моделирования процессов, таким как Pro/II и Aspen. Основные направления энергосберегающей оптимизации этиленовых установок включают оптимизацию моделирования процесса пиролиза и оптимизацию моделирования холодной зоны. В настоящее время модели крекинга можно разделить на следующие 3 категории: эмпирические кинетические модели, представленные моделями распределения продуктов крекинга, описываемыми с помощью функции глубины крекинга KSF и значений PONA ； Модели динамики молекулярных реакций, представленные моделью Кумара ； Механистические модели, представленные моделью SPYRO. Основные программные продукты: SPYRO (TECHNIP), ECU (SHELL), OlefinSim (KBC), PYRO-SimP (Университет Цинхуа) и др. Среди них наиболее успешной является модель SPYRO; её последняя кинетическая схема включает более 7000 реакций, затрагивающих около 240 видов свободных радикалов и молекул (или эквивалентных компонентов), и позволяет прогнозировать выход продуктов расщепления от C2 до HVGO. Расчеты в программе SPYRO выполняются в два этапа. На первом этапе с использованием упрощенной динамической модели рассчитываются точное распределение давления и температурное распределение материала ； На втором этапе, согласно механизму реакций свободных радикалов, на основе распределения температур, полученного на первом этапе, проводятся расчеты энтальпийного баланса и кинетики элементарных реакций. Благодаря интеграции с программным обеспечением для моделирования процессов и взаимодействию с алгоритмами итеративных расчетов SPYRO осуществляется оптимизация расчетов различных вариантов в процессе производства, а также динамическое моделирование производственных данных. Это позволяет получать более точную картину хода производственных процессов, тем самым способствуя оптимизации структуры сырья и продуктов, получаемых в результате разложения этилена, и достижению целей по экономии энергии и повышению эффективности. Использование этой модели для управления работой печи крекинга, выбора сырья и оптимизации производственного процесса, как ожидается, позволит повысить выход этилена на 1–4%. Например, после октября 2004 года качество сырья для производства этилена на заводе Яньшаньшихуа постепенно ухудшалось из-за обработки внешней нефти на нефтеперерабатывающих установках; при этом выход этилена продолжал снижаться, а сроки работы печей для кристаллизации значительно сокращались. Путем анализа сырья для кристаллизации, технологических условий и состава продуктов кристаллизации, а также с использованием программы SPYRO для моделирования работы печей, были разработаны рекомендации по оптимизации последовательности разделения компонентов, процессов теплообмена и условий эксплуатации. Установка начала работу в марте 2005 года. Данные промышленного мониторинга показывают, что при отсутствии существенного влияния на период её работы выход этилена увеличился примерно на 1%. ④Технологии и программное обеспечение для моделирования и оптимизации теплообменных сетей. Оптимизация теплообменных сетей с 60-х годов прошлого века привлекает внимание как часть комплексного проектирования процессов. Многие исследователи углубленно изучали проблемы комплексной оптимизации теплообменных сетей и применяли эти знания на практике, что принесло значительную экономическую выгоду. Методы оптимизации теплообменных сетей в основном включают технику точек зажима, математическое планирование и искусственный интеллект. Среди них технология точек зажима была предложена Линнхоффом в 1982 году. Эта технология основана на втором законе термодинамики и используется в основном для комплексной оптимизации сетей теплообмена. Исходя из того, что существуют ограничения на восстановление энергии, в этой технологии с помощью комбинации кривых температуры и энтальпии или таблиц с данными о проблемах определяются узкие места в процессе восстановления энергии. Затем создается начальная структура сети, обеспечивающая максимальное восстановление энергии. После этого проводится сравнение затрат на строительство и эксплуатацию сети, после чего сеть дорабатывается с целью получения оптимальной структуры для теплообмена. В 1986 году две группы исследователей — Линнхофф и Ахмад, а также Флаудас и его коллеги — независимо предложили различные методы для нахождения оптимальной разницы температур в сетях теплообмена. Первый из этих методов получил название «метод сверхцелевого планирования» (Supertargeting) ； В 1992 году Инь Цинхуа, Хуа Бэнь и другие предположили, что игнорирование потерь эффективной энергии при потоке, а также неучет оптимизации элементов сопоставления могут привести к тому, что найденное решение не будет действительно оптимальным значением разницы температур в точке сопоставления. Они подробно проанализировали влияние учета потерь эффективной энергии при потоке, оптимизации элементов сопоставления и способов улучшения процесса теплообмена на оптимальное значение разницы температур, и предложили усовершенствованные стратегии оптимизации ； В методе двух минимальных температурных разниц для теплообмена, предложенном Шалландом и др. (1981 г.) и Клбертом (1982 г.), минимальная температурная разница для комбинированных кривых принимается равной HRAT; эта величина используется для определения значения энергии, поступающей извне. При формировании синтетической сети температурные разницы для отдельных элементов системы теплообмена принимаются равными E-MAT