自2016年國內第一套由國內技術力量建設的穩(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)廣為關注。

　　RTO(Real Time Optimizer)是實時在線優(yōu)化技術的英文簡稱，是指設定一定的優(yōu)化目標，讓裝置操作圍繞該目標實時、在線優(yōu)化的一種技術。RTO技術是實現石油化工企業(yè)裝置操作智能化的主要技術路徑。RTO以現場操作數據、產品及原料分析數據、物料價格數據為計算輸入，以工藝模型為計算依據，以效益最大化為目標，對生產裝置關鍵操作參數進行優(yōu)化計算并自動執(zhí)行，使裝置始終處于最佳收益的運行狀態(tài)。用形象的話說，RTO技術就是流程工業(yè)的無人駕駛技術，是流程工業(yè)的AI。

 

　　RTO技術分類

　　RTO按技術實現路徑分為穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化技術、動態(tài)實時優(yōu)化技術和基于神經網絡的實時優(yōu)化技術3種。

　　穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化技術基于的模型是工藝全過程的嚴格機理模型，這種全過程機理模型既包括工藝過程每個設備的機理模型，也包括物質沿工藝過程在不同設備間的傳遞也是按機理建模，穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化技術一般是小時級優(yōu)化。

　　動態(tài)實時優(yōu)化技術一般用數學回歸的方法對工藝過程進行建模，也有一些動態(tài)優(yōu)化技術將裝置中的部分設備用機理模型進行表達，但物質沿工藝過程間的傳遞是數學回歸模型，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，但計算結果的合理性無法保障，故動態(tài)優(yōu)化技術通過“后饋糾偏”的方法改善計算的合理性。

　　神經網絡模型的總體方法與動態(tài)實時優(yōu)化技術類似，只是單臺設備的模型采用神經網絡模型進行建立，同樣存在計算結果合理性無法保障的問題，特別是當實際工況不在神經網絡的樣本范圍內、需要外延計算時，計算偏差很大。

　　整體而言，穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化技術無論是單臺設備還是整個工藝過程的描述都更加符合化工機理，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，故國內外企業(yè)采用的實時優(yōu)化技術大多是穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化技術。

　　三大核心技術

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

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

　　模型在線整定。隨著催化劑失活、設備結垢、結焦或磨損，RTO模型中的結構參數也需要隨之調整才能與生產實際匹配。RTO具有模型結構參數在線整定功能，可對儀表和模型結構參數(如：換熱系數、板效率、反應動力學參數等)進行在線的、自動的整定。在線整定通過規(guī)定原料條件、產品條件和操作條件，反向調整需整定的模型結構參數或儀表測量變量，使得模擬計算值與實際測量值匹配，從而找出需整定變量參數的合理值。

　　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，數據矩陣中超過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進行求解，一般能在10分鐘左右完成優(yōu)化求解計算。

　　與相關技術的關系

　　RTO與APC的關系

　　APC(先進過程控制)本質是個控制技術，靠建立數學模型，對裝置進行卡邊操作、保證產品質量合格。APC不能自動給出裝置的最佳操作方案，需要靠操作員憑經驗人工設定操作變量(CV)的卡邊范圍，再由CV和MV(操縱變量)的增益關系轉化成具體操縱變量的值進行執(zhí)行。

　　RTO是優(yōu)化技術，且基于嚴格機理建立模型，而不是數學模型。RTO代替優(yōu)化工程師在線計算裝置關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”構成的在線、實時優(yōu)化、閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中RTO模型負責優(yōu)化計算，具體流程為：操作數據及在線分析數據→DCS→實時數據庫→RTO模型→得出受控變量(CV)最優(yōu)解。而APC負責執(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→實時數據庫→進入APC并作為APC的CV值的設定值→APC求解操控變量(MV)值→DCS執(zhí)行。

　　RTO技術與流程模擬的關系

　　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。目的是實現工藝過程由“人優(yōu)化控制”向“人機協(xié)同優(yōu)化控制”的轉變。

　　兩者在模型構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技術是流程模擬技術的繼承，二者采用一致的熱力學模型，均基于嚴格機理，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技術與計劃優(yōu)化技術的關系

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

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

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

　　RTO技術的應用

　　RTO技術一經推出，在全球石油化工企業(yè)迅速推廣。上世紀90年代，先是在北美的先進煉廠進行應用，如殼牌的北美煉廠、?？松梨凇P、巴斯夫等。進入21世紀，開始在亞太、南美的先進煉廠推廣應用，如SK、GS Caltex、巴西石油、Reliance。2013年起，中國石化開始推進RTO系統(tǒng)建設，首先建設的是乙烯裝置，目前鎮(zhèn)海煉化、燕山石化、茂名石化的乙烯裝置RTO系統(tǒng)已經投用，普遍達到了噸乙烯

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

　　筆者以具體應用實例來分別介紹RTO技術在實時優(yōu)化和數字孿生方面的應用。

　　RTO技術在線實時優(yōu)化應用

　　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。為了響應市場價格波動及原料波動，及時優(yōu)化裝置產品分布從而取得更好的效益，該企業(yè)在2013年實施了乙烯裂解裝置RTO在線實時優(yōu)化項目。

　　該項目中，RTO建模范圍包括進料分配系統(tǒng)、裂解爐、急冷系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)和分離系統(tǒng)，共涉及反應爐11臺，塔、罐、壓縮機、泵和閥門等設備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小時進行一次優(yōu)化計算，優(yōu)化結果作傳遞給APC作為CV的設定值，APC以此設定值為目標，在15分鐘內完成操作調節(jié)，達到設定目標。

　　2015年該系統(tǒng)進行了標定，模型收斂率達到85%以上，噸乙烯增效達26.34元，折算裝置全年增效達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乙烯、丙烯等高附加值產品方向優(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、每臺裂解爐的進料流量。實際運行優(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)化變量的調整情況及有代表性的高附加值產品的收率情況。從表中可以看出，通過對裂解深度、稀釋比等參數的優(yōu)化，裂解爐的高附加值產品收率平均提高了0.73%;在優(yōu)化的拉動下，受進料總量不變的影響，高附加值產品收率高的裂解爐所分配的原料量有所提高，高附加值產品收率低的裂解爐所分配的原料量有所降低。標定階段乙烯價格高于丙烯價格，導致裂解爐裂解深度(丙烯/乙烯)均向下調整，稀釋比都有不同程度的提高，也即在多產乙烯、丙烯的前提下，適當提高乙烯產品的比例，以取得更大的效益。

　　RTO技術數字孿生應用

　　利用RTO模型可以實現在線模擬、在線整定等功能，用于支持裝置的數字孿生應用。從目前企業(yè)應用的情況來看，主要集中在儀表偏差的在線監(jiān)測、設備性能的在線監(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。

　　在國內乙烯裝置RTO建設項目中，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，進行求解。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行輸出，這些變量對應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行在線監(jiān)控。如上節(jié)案例中，實施方在RTO建設過程中發(fā)現企業(yè)28臺儀表偏差較大，企業(yè)進行了校表或維修處理;在乙烯RTO系統(tǒng)上線運行后，RTO系統(tǒng)定期推送儀表整定報告，提醒用戶關注該裝置偏差較大的儀表。

　　設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。設備性能在線監(jiān)測常見的包括：冷換設備的換熱系數、塔板效率、機泵和壓縮機效率等。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字孿生應用中，用RTO模型在線計算各換熱器的總括換熱系數，繼而計算成污垢系數用于指導換熱器清洗除垢工作。隨著換熱器運行，換熱器管程或殼程結垢加劇使得污垢系數增加，導致?lián)Q熱器換熱效果變差。當污垢系數增加到一定程度后產生報警，提醒用戶及時清洗換熱器進行除垢。圖1顯示的是?？松梨谀吵p壓裝置的4臺原油與分餾塔側線換熱器用RTO模型在線計算污垢系數形成的曲線，圖中可以看出紫色、橙色、綠色、紅色對應的4臺換熱器垢系數開始都挺大，且隨著時間推移持續(xù)上升。在時點1對紅色、綠色曲線對應的換熱器進行了清洗，二者污垢系數顯著下降，紫、橙色換熱器污垢系數仍維持較高水平并持續(xù)上升。在時點2對四個換熱器同時進行清洗，所有換熱器污垢系數顯著下降。

　　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模型日常維護提供數據支撐。傳統(tǒng)APC的增益是基于階躍測試的結果數學回歸得到的，裝置性能是動態(tài)變化的，增益關系也在發(fā)生變化，需要及時維護才能保證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，其變量間關系符合工藝機理，可用該模型代替真實裝置模擬階躍測試，計算MV(操控變量)對CV(受控變量)的增益關系。韓國的GS Caltex煉廠利用該方法實現了APC各控制器增益關系的自動計算，當發(fā)現計算值與APC控制器實際設置值偏差較大時，就啟動運維程序，更新APC增益。
       (作者單位：石化盈科信息技術有限責任公司)