自2016年國內(nèi)第一套由國內(nèi)技術(shù)力量建設(shè)的穩(wěn)態(tài)RTO系統(tǒng)—鎮(zhèn)海煉化乙烯裂解裝置RTO系統(tǒng)投用以來，RTO技術(shù)因其能給企業(yè)帶來持續(xù)、高額的回報，能夠極大提高裝置操作的自動化和智能化水平而被石油化工企業(yè)廣為關(guān)注。

　　RTO(Real Time Optimizer)是實(shí)時在線優(yōu)化技術(shù)的英文簡稱，是指設(shè)定一定的優(yōu)化目標(biāo)，讓裝置操作圍繞該目標(biāo)實(shí)時、在線優(yōu)化的一種技術(shù)。RTO技術(shù)是實(shí)現(xiàn)石油化工企業(yè)裝置操作智能化的主要技術(shù)路徑。RTO以現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)、產(chǎn)品及原料分析數(shù)據(jù)、物料價格數(shù)據(jù)為計算輸入，以工藝模型為計算依據(jù)，以效益最大化為目標(biāo)，對生產(chǎn)裝置關(guān)鍵操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算并自動執(zhí)行，使裝置始終處于最佳收益的運(yùn)行狀態(tài)。用形象的話說，RTO技術(shù)就是流程工業(yè)的無人駕駛技術(shù)，是流程工業(yè)的AI。

 

　　RTO技術(shù)分類

　　RTO按技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑分為穩(wěn)態(tài)實(shí)時優(yōu)化技術(shù)、動態(tài)實(shí)時優(yōu)化技術(shù)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時優(yōu)化技術(shù)3種。

　　穩(wěn)態(tài)實(shí)時優(yōu)化技術(shù)基于的模型是工藝全過程的嚴(yán)格機(jī)理模型，這種全過程機(jī)理模型既包括工藝過程每個設(shè)備的機(jī)理模型，也包括物質(zhì)沿工藝過程在不同設(shè)備間的傳遞也是按機(jī)理建模，穩(wěn)態(tài)實(shí)時優(yōu)化技術(shù)一般是小時級優(yōu)化。

　　動態(tài)實(shí)時優(yōu)化技術(shù)一般用數(shù)學(xué)回歸的方法對工藝過程進(jìn)行建模，也有一些動態(tài)優(yōu)化技術(shù)將裝置中的部分設(shè)備用機(jī)理模型進(jìn)行表達(dá)，但物質(zhì)沿工藝過程間的傳遞是數(shù)學(xué)回歸模型，這種方法大大簡化了模型，提高了計算效率，優(yōu)化頻次可以做到分鐘級，但計算結(jié)果的合理性無法保障，故動態(tài)優(yōu)化技術(shù)通過“后饋糾偏”的方法改善計算的合理性。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的總體方法與動態(tài)實(shí)時優(yōu)化技術(shù)類似，只是單臺設(shè)備的模型采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行建立，同樣存在計算結(jié)果合理性無法保障的問題，特別是當(dāng)實(shí)際工況不在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本范圍內(nèi)、需要外延計算時，計算偏差很大。

　　整體而言，穩(wěn)態(tài)實(shí)時優(yōu)化技術(shù)無論是單臺設(shè)備還是整個工藝過程的描述都更加符合化工機(jī)理，雖然穩(wěn)態(tài)優(yōu)化方程規(guī)模大、計算效率低，但更容易讓企業(yè)和工藝人員理解和接受，故國內(nèi)外企業(yè)采用的實(shí)時優(yōu)化技術(shù)大多是穩(wěn)態(tài)實(shí)時優(yōu)化技術(shù)。

　　三大核心技術(shù)

　　RTO有三大核心技術(shù)：遵循化工嚴(yán)格機(jī)理對工藝過程精確描述、模型在線整定技術(shù)以保障模型精度持續(xù)可靠、強(qiáng)大的優(yōu)化求解技術(shù)保障大規(guī)模非線性方程矩陣快速求解。

　　精確描述工藝過程。與流程模擬技術(shù)類似，RTO軟件可對物流、反應(yīng)器、塔器、換熱設(shè)備(換熱器、冷卻器、加熱爐)、壓力轉(zhuǎn)化設(shè)備(泵、壓縮機(jī)、閥門)基于嚴(yán)格機(jī)理建模，使得模型可以較為準(zhǔn)確的模擬化工過程的化學(xué)、物理變化。RTO模型可保障物質(zhì)沿工藝過程遵循質(zhì)量平衡、熱量平衡和動量守恒。

　　模型在線整定。隨著催化劑失活、設(shè)備結(jié)垢、結(jié)焦或磨損，RTO模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)也需要隨之調(diào)整才能與生產(chǎn)實(shí)際匹配。RTO具有模型結(jié)構(gòu)參數(shù)在線整定功能，可對儀表和模型結(jié)構(gòu)參數(shù)(如：換熱系數(shù)、板效率、反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)等)進(jìn)行在線的、自動的整定。在線整定通過規(guī)定原料條件、產(chǎn)品條件和操作條件，反向調(diào)整需整定的模型結(jié)構(gòu)參數(shù)或儀表測量變量，使得模擬計算值與實(shí)際測量值匹配，從而找出需整定變量參數(shù)的合理值。

　　快速求解非線性方程矩陣。RTO模型所生成的方程規(guī)模巨大。如某裝置的RTO模型包括12萬個變量、12萬個方程式，數(shù)據(jù)矩陣中超過426萬個非零值，且大多是非線性方程，部分方程是微分方程甚至偏微分方程，RTO軟件一般利用正交配置的方法對微分方程離散化，利用SQP進(jìn)行求解，一般能在10分鐘左右完成優(yōu)化求解計算。

　　與相關(guān)技術(shù)的關(guān)系

　　RTO與APC的關(guān)系

　　APC(先進(jìn)過程控制)本質(zhì)是個控制技術(shù)，靠建立數(shù)學(xué)模型，對裝置進(jìn)行卡邊操作、保證產(chǎn)品質(zhì)量合格。APC不能自動給出裝置的最佳操作方案，需要靠操作員憑經(jīng)驗人工設(shè)定操作變量(CV)的卡邊范圍，再由CV和MV(操縱變量)的增益關(guān)系轉(zhuǎn)化成具體操縱變量的值進(jìn)行執(zhí)行。

　　RTO是優(yōu)化技術(shù)，且基于嚴(yán)格機(jī)理建立模型，而不是數(shù)學(xué)模型。RTO代替優(yōu)化工程師在線計算裝置關(guān)鍵操作變量的最佳值，也即自動給出裝置的最佳操作方案。

　　“RTO模型+APC”構(gòu)成的在線、實(shí)時優(yōu)化、閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中RTO模型負(fù)責(zé)優(yōu)化計算，具體流程為：操作數(shù)據(jù)及在線分析數(shù)據(jù)→DCS→實(shí)時數(shù)據(jù)庫→RTO模型→得出受控變量(CV)最優(yōu)解。而APC負(fù)責(zé)執(zhí)行操作變量最優(yōu)解，具體流程為：RTO求解的受控變量(CV)最優(yōu)解→實(shí)時數(shù)據(jù)庫→進(jìn)入APC并作為APC的CV值的設(shè)定值→APC求解操控變量(MV)值→DCS執(zhí)行。

　　RTO技術(shù)與流程模擬的關(guān)系

　　流程模擬用于對工藝過程的模擬計算，而非優(yōu)化計算。RTO技術(shù)用于對工藝過程的優(yōu)化計算，而且是在線自動優(yōu)化計算。目的是實(shí)現(xiàn)工藝過程由“人優(yōu)化控制”向“人機(jī)協(xié)同優(yōu)化控制”的轉(zhuǎn)變。

　　兩者在模型構(gòu)成的方式及求解方法上也有很大的區(qū)別。RTO采用EO(聯(lián)立方程)模型及SQP(序列二次規(guī)劃)算法求解，而流程模擬是基于序貫法求解。

　　RTO技術(shù)是流程模擬技術(shù)的繼承，二者采用一致的熱力學(xué)模型，均基于嚴(yán)格機(jī)理，兩者分別從離線和在線角度共同支撐了企業(yè)裝置操作優(yōu)化工作。

　　RTO技術(shù)與計劃優(yōu)化技術(shù)的關(guān)系

　　計劃優(yōu)化一般基于線性規(guī)劃技術(shù)建模，計劃優(yōu)化是從全局、從整體考慮全廠物料分配的優(yōu)化、裝置加工負(fù)荷的優(yōu)化、產(chǎn)品產(chǎn)量和品種的優(yōu)化。計劃優(yōu)化是離線優(yōu)化。

　　RTO技術(shù)是裝置操作優(yōu)化的工具，用來計算裝置運(yùn)行效益最大化下的操作方案。RTO的模型是基于機(jī)理的非線性模型，求解器也是非線性優(yōu)化求解器。RTO是在線優(yōu)化。

　　RTO作為生產(chǎn)計劃向操作控制轉(zhuǎn)換的紐帶，它接收計劃或調(diào)度排產(chǎn)中裝置投入產(chǎn)出的指標(biāo)要求作為其優(yōu)化模型的約束條件，以效益最大化為目標(biāo)轉(zhuǎn)化求解對應(yīng)裝置的操作方案;兩者處在不同層次但內(nèi)在統(tǒng)一的煉化生產(chǎn)優(yōu)化體系中。

　　RTO技術(shù)的應(yīng)用

　　RTO技術(shù)一經(jīng)推出，在全球石油化工企業(yè)迅速推廣。上世紀(jì)90年代，先是在北美的先進(jìn)煉廠進(jìn)行應(yīng)用，如殼牌的北美煉廠、?？松梨?、BP、巴斯夫等。進(jìn)入21世紀(jì)，開始在亞太、南美的先進(jìn)煉廠推廣應(yīng)用，如SK、GS Caltex、巴西石油、Reliance。2013年起，中國石化開始推進(jìn)RTO系統(tǒng)建設(shè)，首先建設(shè)的是乙烯裝置，目前鎮(zhèn)海煉化、燕山石化、茂名石化的乙烯裝置RTO系統(tǒng)已經(jīng)投用，普遍達(dá)到了噸乙烯

　　20元以上的收益。2019年中國石化開始啟動煉油裝置的RTO試點(diǎn)建設(shè)，首批試點(diǎn)裝置為鎮(zhèn)海煉化的連續(xù)重整裝置、齊魯石化的常減壓裝置、揚(yáng)子石化的常減壓裝置，目前已達(dá)到在線開環(huán)運(yùn)行條件。

　　筆者以具體應(yīng)用實(shí)例來分別介紹RTO技術(shù)在實(shí)時優(yōu)化和數(shù)字孿生方面的應(yīng)用。

　　RTO技術(shù)在線實(shí)時優(yōu)化應(yīng)用

　　某煉化企業(yè)乙烯裂解裝置加工能力為120萬噸/年，由于裝置原料的種類多，產(chǎn)品的分布廣，裝置效益受市場波動和原料波動的影響比較大。為了響應(yīng)市場價格波動及原料波動，及時優(yōu)化裝置產(chǎn)品分布從而取得更好的效益，該企業(yè)在2013年實(shí)施了乙烯裂解裝置RTO在線實(shí)時優(yōu)化項目。

　　該項目中，RTO建模范圍包括進(jìn)料分配系統(tǒng)、裂解爐、急冷系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)和分離系統(tǒng)，共涉及反應(yīng)爐11臺，塔、罐、壓縮機(jī)、泵和閥門等設(shè)備285臺，換熱模塊541個，測量儀表1127塊;建立優(yōu)化變量112個，約束變量124個;RTO模型規(guī)模達(dá)到12萬個變量、12萬個方程式。系統(tǒng)上線后RTO模型每間隔3小時進(jìn)行一次優(yōu)化計算，優(yōu)化結(jié)果作傳遞給APC作為CV的設(shè)定值，APC以此設(shè)定值為目標(biāo)，在15分鐘內(nèi)完成操作調(diào)節(jié)，達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。

　　2015年該系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，模型收斂率達(dá)到85%以上，噸乙烯增效達(dá)26.34元，折算裝置全年增效達(dá)3091萬元。從優(yōu)化方向來看，該乙烯裝置投用RTO后，裝置操作總是向最大化生產(chǎn)乙烯、丙烯等高附加值產(chǎn)品方向優(yōu)化。

　　以乙烯裂解爐的操作優(yōu)化為例。該系統(tǒng)中裂解爐的優(yōu)化變量包括：裂解深度(丙烯/乙烯)、COT、稀釋比、每臺裂解爐的進(jìn)料流量。實(shí)際運(yùn)行優(yōu)化效果如下表所示，表中統(tǒng)計了裂解爐優(yōu)化前后主要優(yōu)化變量的調(diào)整情況及有代表性的高附加值產(chǎn)品的收率情況。從表中可以看出，通過對裂解深度、稀釋比等參數(shù)的優(yōu)化，裂解爐的高附加值產(chǎn)品收率平均提高了0.73%;在優(yōu)化的拉動下，受進(jìn)料總量不變的影響，高附加值產(chǎn)品收率高的裂解爐所分配的原料量有所提高，高附加值產(chǎn)品收率低的裂解爐所分配的原料量有所降低。標(biāo)定階段乙烯價格高于丙烯價格，導(dǎo)致裂解爐裂解深度(丙烯/乙烯)均向下調(diào)整，稀釋比都有不同程度的提高，也即在多產(chǎn)乙烯、丙烯的前提下，適當(dāng)提高乙烯產(chǎn)品的比例，以取得更大的效益。

　　RTO技術(shù)數(shù)字孿生應(yīng)用

　　利用RTO模型可以實(shí)現(xiàn)在線模擬、在線整定等功能，用于支持裝置的數(shù)字孿生應(yīng)用。從目前企業(yè)應(yīng)用的情況來看，主要集中在儀表偏差的在線監(jiān)測、設(shè)備性能的在線監(jiān)測、工藝性能的在線計算及監(jiān)控、APC增益的自動計算等方面。

　　在國內(nèi)乙烯裝置RTO建設(shè)項目中，一般都同步考慮了儀表偏差的在線監(jiān)測功能。RTO系統(tǒng)的儀表整定功能，以原料條件和產(chǎn)品分布為約束條件，以各變量的計算值和測量值偏差最小化作為整定目標(biāo)，進(jìn)行求解。求解可得出變量的測量值和模型計算值偏差列表?？蓪⑵羁偸呛艽蟮淖兞窟M(jìn)行輸出，這些變量對應(yīng)的儀表被高度懷疑測量偏差大，需要校表或更換。采用這種方法，RTO系統(tǒng)可對裝置儀表的測量精度進(jìn)行在線監(jiān)控。如上節(jié)案例中，實(shí)施方在RTO建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)企業(yè)28臺儀表偏差較大，企業(yè)進(jìn)行了校表或維修處理;在乙烯RTO系統(tǒng)上線運(yùn)行后，RTO系統(tǒng)定期推送儀表整定報告，提醒用戶關(guān)注該裝置偏差較大的儀表。

　　設(shè)備性能和工藝性能的在線監(jiān)測主要利用了RTO模型可在線整定或在線模擬計算的功能。設(shè)備性能在線監(jiān)測常見的包括：冷換設(shè)備的換熱系數(shù)、塔板效率、機(jī)泵和壓縮機(jī)效率等。工藝性能在線監(jiān)測常見的包括：催化劑壽命、液泛、工藝節(jié)能等。埃克森美孚開展的數(shù)字孿生應(yīng)用中，用RTO模型在線計算各換熱器的總括換熱系數(shù)，繼而計算成污垢系數(shù)用于指導(dǎo)換熱器清洗除垢工作。隨著換熱器運(yùn)行，換熱器管程或殼程結(jié)垢加劇使得污垢系數(shù)增加，導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱效果變差。當(dāng)污垢系數(shù)增加到一定程度后產(chǎn)生報警，提醒用戶及時清洗換熱器進(jìn)行除垢。圖1顯示的是?？松梨谀吵p壓裝置的4臺原油與分餾塔側(cè)線換熱器用RTO模型在線計算污垢系數(shù)形成的曲線，圖中可以看出紫色、橙色、綠色、紅色對應(yīng)的4臺換熱器垢系數(shù)開始都挺大，且隨著時間推移持續(xù)上升。在時點(diǎn)1對紅色、綠色曲線對應(yīng)的換熱器進(jìn)行了清洗，二者污垢系數(shù)顯著下降，紫、橙色換熱器污垢系數(shù)仍維持較高水平并持續(xù)上升。在時點(diǎn)2對四個換熱器同時進(jìn)行清洗，所有換熱器污垢系數(shù)顯著下降。

　　近些年，國外有些煉化企業(yè)用RTO模型自動計算APC中MV(操控變量)對CV(受控變量)的增益，為APC模型日常維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。傳統(tǒng)APC的增益是基于階躍測試的結(jié)果數(shù)學(xué)回歸得到的，裝置性能是動態(tài)變化的，增益關(guān)系也在發(fā)生變化，需要及時維護(hù)才能保證APC模型持續(xù)可靠。但階躍測試對裝置影響較大，可能會造成裝置波動。RTO模型可以看作是與工藝裝置高度吻合的仿真虛擬裝置，其變量間關(guān)系符合工藝機(jī)理，可用該模型代替真實(shí)裝置模擬階躍測試，計算MV(操控變量)對CV(受控變量)的增益關(guān)系。韓國的GS Caltex煉廠利用該方法實(shí)現(xiàn)了APC各控制器增益關(guān)系的自動計算，當(dāng)發(fā)現(xiàn)計算值與APC控制器實(shí)際設(shè)置值偏差較大時，就啟動運(yùn)維程序，更新APC增益。
       (作者單位：石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司)