田宏宇，左艷梅，于琪，夏恩冬，吳顯軍

（中國石油石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江大慶163714）

當前石油化工市場的競爭日益激烈，輕質化低硫原油日趨減少，重質化、劣質化原油增多，因此提升產品質量、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。過程模擬技術利用在線動態(tài)仿真，將實際生產過程“再現”于計算機上，實施在線操作、動態(tài)調整，優(yōu)化產品結構、裝置的原料組成及操作條件，增產高價值產品，提升裝置運行經濟效益和競爭能力，促進產業(yè)轉型升級。

過程模擬技術源于美國Kellogg公司成功開發(fā)的第一個流程模擬系統(tǒng)Flexible Flowsheet［1］，在當時化工業(yè)界影響很大。迄今為止，過程模擬系統(tǒng)已經歷4代發(fā)展，由最初的模擬對象以輕烴加工為主，逐漸發(fā)展到模擬對象為氣—液2相過程、氣—液—固3相過程，20世紀90年代模擬將穩(wěn)態(tài)和動態(tài)集成在一起，成為設計研究和生產部門最強有力的輔助工具［2］。國外典型較為成熟的過程模擬軟 件 包 括AspenOne、PRO/Ⅱ、ChemCAD、Petro-Sim、VMGSim等。國內對于過程模擬系統(tǒng)的開發(fā)應用最早在20世紀60年代，由蘭州石化設計院最先開展過程模擬軟件開發(fā)，至今青島科技大學、華東理工大學、中科院過程所、洛陽石化工程公司等相繼開發(fā)了工藝計算程序，并應用于實際生產過程裝置。文中綜述了國內外過程模擬技術的優(yōu)化與應用，展望了過程模擬技術優(yōu)化傳統(tǒng)工業(yè)裝置，提升經濟效益，促進產業(yè)轉型的發(fā)展前景。

1 國外流程模擬系統(tǒng)

1.1 Aspen模擬系統(tǒng)

美國Aspen Tech作為流程工業(yè)優(yōu)化軟件廠商，開發(fā)了先進過程控制及優(yōu)化集成的Aspen One模擬軟件。該軟件由先進控制系統(tǒng)（Aspen DMCplus）、閉環(huán)實時優(yōu)化系統(tǒng)（Aspen Plus Optimizer）、油品調合先進過程控制與優(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系統(tǒng)（Aspen SmartStep）等多部分構成，各系統(tǒng)相互結合，能夠有效優(yōu)化生產操作，設計和改進工廠工藝流程，實現工廠資產利用最大化。其中多變量先進過程控制系統(tǒng)（Aspen DMCplus）具備計算準確、數據庫全的特點，集前饋、反饋及優(yōu)化于一體，能夠最大限度挖掘裝置生產潛力，降低裝置能耗，卡邊控制，實現生產技術最優(yōu)操作，提高裝置處理能力及高價值產品產率［3］。

K.Anithasupa等［4］使用Aspen Plus模擬軟件對原油蒸餾廠中的預閃蒸塔、常壓塔和真空蒸餾裝置進行穩(wěn)態(tài)模擬。探究使用不同的混合原油進行計算機模擬：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，輸入必要數據，選擇熱力學方程模擬精確計算平衡系數。通過比較兩種原油的收率百分比，發(fā)現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）產生的餾出物更多。Aspen模擬過程確定了原油蒸餾裝置最佳運行條件，在相同溫度下，原油2能夠產出更多的汽油餾分，可獲得更高的經濟效益。

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，目標是節(jié)能降耗，實現經濟效益最大化。通過對各塔模擬進行操作參數優(yōu)化，催化重整裝置創(chuàng)造節(jié)能效益約780.36萬元/a，塔底油產品苯含量降低1%，回收苯含量增加，二甲苯收率提高至19.85%，創(chuàng)效3 360萬元/a，總收益4 140.36萬元/a。采用Aspen模擬優(yōu)化操作參數，綜合考慮了裝置產品質量需求及能耗要求，不僅有效實現節(jié)能降耗，同時提高產品收率，提高經濟效益。

1.2 ChemCAD模擬系統(tǒng)

ChemCAD是美國Chemstations公司開發(fā)的化工模擬軟件，用戶界面以圖形方式輸入，具備最新的計算方法，價格低廉、容易使用、高度集成、界面友好，廣泛應用于石油化工、清潔生產等領域，能夠為工程設計、優(yōu)化操作及工藝開發(fā)提供理論性指導。Wang等［6］采用ChemCAD化工模擬軟件，對乙醇和乙酸的反應蒸餾過程進行模擬。具體建模流程首先建立過程模擬仿真圖，隨后添加物料流，選擇熱力學模型，通過初始值任務模擬計算，選擇正確的運行條件和塔理論系列，根據給定的設計條件和初始值，使用ChemCAD軟件嚴格模擬計算。結果表明，模擬計算乙酸乙酯產品濃度為69.43%，與實驗結果誤差低于3%，說明模擬數據與實驗結果相吻合。利用初步計算結果，可以對主要設計參數和工作條件進行靈敏度分析，選擇合適的最佳工藝條件，有效實現化學過程仿真軟件進行化學設計工作，可以大大提高工作效率。

Abdulwahab GIWA等［7］借助ChemCAD軟件對生產乙酸正丁酯的反應蒸餾過程進行動態(tài)模擬。首先設置初始回流比和再沸器負荷，對系統(tǒng)的開發(fā)模型進行穩(wěn)態(tài)模擬，從而獲取涉及組分的摩爾分數初始值，隨后激活ChemCAD，模型轉化為動態(tài)類型。模擬結果表明，乙酸和正丁醇之間的酯化反應過程，可以在動態(tài)模型運行一段時間后穩(wěn)定下來，是1個穩(wěn)定系統(tǒng)，隨著再沸器負荷越高，體系越接近動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)。ChemCAD方便地模擬了反應蒸餾過程，獲得精餾塔的各種參數，可以對實際生產操作條件進行正確指導。

Amaury等［8］使用5.2版本的ChemCAD對丙烯酸生產過程進行模擬，模擬考察了吸收塔操作溫度對塔底丙烯酸量的影響及回收塔工作壓力對獲得乙酸量的影響。結果表明，當吸收塔操作溫度為20℃時，丙烯酸含量損失最小，回收塔在真空狀態(tài)下運行時，可以最大程度減少底部流中丙烯酸和乙酸的損失。根據ChemCAD模擬結果調整設備工藝參數，從而可以增產高價值產品增加收益。

1.3 Petro—SIM模擬系統(tǒng)

英國的KBC公司是能源行業(yè)的領先獨立顧問和軟件解決方案提供商。該公司開發(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，該軟件數據更新快，提供了詳細的反應器單元操作，可對精煉廠和石化廠進行嚴格的仿真模擬。Petro-SIM軟件技術與工業(yè)化成熟的工藝相結合，可更好的為煉油廠和石化廠建立模型，使煉油化工廠利潤達到最大化，利用該軟件，可實現煉油廠工藝過程優(yōu)化設計和開發(fā)，同時通過原油合成，可以評價合成原油組分，并進行常減壓裝置操作模擬。

洛陽石化［9］采用PetroSIM軟件對常減壓裝置進行全流程模擬，實現了通過原油種類變化，預測操作條件及產品性質分布的目的。利用PetroSIM模型可以預測減壓爐管表面油溫，自動繪制結焦曲線，因此，可在臨界結焦條件下，最大限度提高減壓爐溫，提高拔出率。

福建聯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）生成原油切割數據表（ASSAY），構建了基礎模型數據庫，為原油經濟性評價及生產過程優(yōu)化提供數據支持。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，對變更原料后工況進行評估預測，分析裝置“瓶頸”因素，實施優(yōu)化操作方案。模擬結果顯示，Petro-SIM對加氫裂化反應器溫度模擬誤差低于0.5%，產品性質及循環(huán)氫系統(tǒng)負荷模擬誤差在5.0%以內，與工業(yè)裝置數據保持較好的一致性。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)負荷及催化劑床層溫度升高，產品性質可滿足生產指標。

Xingwen C等［12］利用Peteo-SIM內置減壓爐模塊，對減壓爐進行模擬操作，預測爐管內油膜溫度、停留時間、爐管注氣量及介質流型流速對減壓爐結焦情況的影響，較好分析判斷油品結焦趨勢，降低結焦幾率，保證實際生產操作的工藝參數穩(wěn)定，避免在結焦區(qū)運行。通過Perto-SIM模擬發(fā)現，減壓爐注氣量控制在0.5%以內最佳，能夠有效降低停留時間過長引起的結焦問題，避免注氣量過大造成能耗增加。

1.4 VMGSim模擬系統(tǒng)

VMGSim是加拿大Virtual Materials Group公司開發(fā)的流程模擬軟件，具備計算準確、功能強大、性價比高的特點。在石油煉制、石油化工領域中，VMGSim能準確建模并預測大多數工藝裝置性能，在工藝裝置的設計、優(yōu)化及故障診斷方面，可實現精確詳細的過程模擬，能有效提高操作效率，改善產品質量，節(jié)省投資，實現安全高效生產目標。

吳章柱等［13］應用VMGSim流程模擬軟件對氣體分餾裝置建立模型，模擬計算原料組分、產品要求及塔底溫度，擬合出分餾塔塔底溫度與原料C5+含量變化趨勢圖，并應用于實際生產操作中，有效改善由于裝置進料組成變化導致產品不合格的問題，對實際生產起到一定指導作用。

Qingyang Lei等［14］利用VMGSim軟件模擬一氯苯裝置，對該裝置進行故障檢測。采用耗散理論為過程輸入輸出軌跡找到合適的耗散性質。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程動態(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。

2 國內流程模擬系統(tǒng)

2.1 ECSS化工之星

青島科技大學開發(fā)的ECSS化工之星模擬軟件具有強大的過程模擬、分析、優(yōu)化、設備設計及環(huán)境評價等功能。適用于天然氣加工、石油煉制、石油化工等過程工業(yè)領域，能夠有效實現新過程設計、流程篩選及改造、過程優(yōu)化、過程環(huán)境影響評價和化工設備設計及核算［15］。秦杰等［16］采用ECSS化工之星模擬軟件對30×104t/a的甲醇精餾裝置的常壓塔工況進行模擬優(yōu)化分析?？疾炝诉M料位置、回流比及出料位置參數對甲醇含量及能耗的影響，根據模擬結果對甲醇精餾塔操作參數進行優(yōu)化調整，提出優(yōu)化操作方案為進料位置最宜選擇常壓塔中下部，操作回流比選用3.0～3.5，側線出料位置在20～25塊理論塔板處，此時能夠有效保證甲醇產品的純度達到99.93%。

2.2 過程模擬計算程序開發(fā)

華東理工大學劉紀昌教授等［17］基于集總概念，從分子水平建立過程模擬計算程序，基于結構導向集總建立柴油精制分子水平反應動力學模型，其中結構導向集總概念最早于1992年由?？松梨诠綫uann和Jaffe［18］首次提出，認為所有烴類分子均由不同的結構基團組成，可以稱其為結構向量，包含22個分子結構基團。采用結構導向集總方法，將每個柴油分子用結構向量表示，通過結構向量組合建立包含846個結構向量的柴油分子數據庫。針對加氫精制反應機理，制定34條反應規(guī)則，計算反應動力學參數，建立動力學模型。采用中石油加氫精制裝置進行模型驗證，結果顯示，產品分布計算相對誤差在2%左右，柴油收率相對誤差為0.6%?；诮Y構導向集總建立的柴油精制裝置模型實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，只需在模型基礎上更改工藝條件實現產品預測。

中科院過程所張鎖江教授等［19］，基于MTHS分子矩陣應用建立餾分油組成分子模型，提出了餾分油IMTHS分子矩陣，實現餾分油分子組成表征預測。分子性質預測式如下：

式中G代表餾分油預測值，Pm為矩陣分子性質，Fm為矩陣分子餾分組成。

將基于IMTHS分子矩陣建立的模型預測餾分油品性質與實際值比較，結果顯示預測焦化柴油、汽油的分子組成與實際值較吻合，且密度等宏觀性質預測精度高，該模型在預測分子組成與宏觀性質具備可行性。

中國石化催化劑有限公司與廈門大學聯合建立加氫脫硫轉化率與催化劑性質定量關系模型［20］。HDS轉化率與催化劑性質模型為：

式中，XM代表HDS轉化率，Yj為催化劑各性質參數，為動態(tài)超幾何平均權重，A0為反應條件因數，運用Matlab軟件對實驗數據進行擬合計算得到模型參數。該模型能夠有效反映出催化劑性質變量對HDS轉化率的影響，定量反映出活性組分最佳負載量范圍，有助于指導HDS催化劑研發(fā)過程，減少過度實驗浪費等問題。

3 結論

國外過程模擬軟件較為成熟，擁有較全面的數據庫，實現商業(yè)化應用，與國外流程模擬軟件相比，國內流程模擬技術水平、應用范圍、人機界面、商品化程度等方面，存在很大差距。

青島科技大學ECSS化工之星是國內應用較為成熟的商業(yè)化流程模擬軟件，高校及企業(yè)單位也致力于聯合開發(fā)建立動力學過程模擬軟件，可根據生產裝置、催化劑性質及工藝工況因素，針對性建立動力學集總模型，優(yōu)化工藝操作。然而模型數據庫有限，無法全面廣泛應用指導生產，國內對煉油過程模擬仍需進一步開發(fā)研究，不斷優(yōu)化更新擴大數據庫建立指導性模型，強化預測管理、驅動管理、建立遠程專家診斷系統(tǒng)，實現數字煉油廠轉型為信息化煉油廠。

此外，國內針對指導催化劑設計的流程模擬軟件開發(fā)不夠成熟，系列催化劑的評價試驗數據缺乏，不能夠滿足模擬計算所需。過程模擬技術工業(yè)化應用仍具備探索研發(fā)價值。