天然氣加工終端工藝過(guò)程的數(shù)字孿生系統(tǒng)研究

向富明 石涵 羅睿喬 王彬 左敏

1. 中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司 廣東 深圳 518054；2. 斯倫貝謝科技服務(wù)（北京）有限公司 北京 100000

引言

中海油某天然氣加工終端，是亞洲最大的天然氣處理終端。海上來(lái)氣經(jīng)過(guò)脫碳、脫水、制冷、分餾等工藝之后產(chǎn)出干氣、丙烷、丁烷、液化氣、穩(wěn)定輕烴、穩(wěn)定凝析油等產(chǎn)品。該終端由于多種原因，輕烴回收率不理想，本文將采用斯倫貝謝的數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行該終端工藝過(guò)程數(shù)字孿生的研究。

數(shù)字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學(xué)科屬性，具有實(shí)時(shí)同步、忠實(shí)映射、高保真度特性，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與信息世界交互與融合的技術(shù)手段。隨著數(shù)字孿生車(chē)間概念的提出，數(shù)字孿生在智能制造中的應(yīng)用潛力得到越來(lái)越多的關(guān)注[1]強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)監(jiān)控物理實(shí)體的變化，利用虛擬模型精確模擬物理實(shí)體，從而優(yōu)化實(shí)際系統(tǒng)的操作。針對(duì)石油化工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用需要融合的關(guān)鍵技術(shù)包括：裝置模擬技術(shù)，傳感和監(jiān)測(cè)技術(shù)，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)，數(shù)字孿生平臺(tái)技術(shù)等[2]。斯倫貝謝的數(shù)字孿生，是指潛在的和實(shí)際物理資產(chǎn)、過(guò)程、人員、場(chǎng)所、系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)字副本。首先，它的數(shù)字性能由專(zhuān)業(yè)技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)的融合來(lái)決定；第二它強(qiáng)調(diào)物理模型和相應(yīng)虛擬模型的多個(gè)方面之間的聯(lián)系；第三它需要與使用傳感器生成的時(shí)間序列數(shù)據(jù)來(lái)建立連接。

本文認(rèn)為生產(chǎn)裝置操作條件優(yōu)化的核心是建立裝置準(zhǔn)確的機(jī)理性模型，從而才能以裝置效益為目標(biāo)，更好地響應(yīng)工藝參數(shù)的擾動(dòng)，優(yōu)化能量的消耗和高附加值產(chǎn)品的回收率，提高裝置經(jīng)濟(jì)效益。本文首先建立高欄終端氣體加工核心單元的實(shí)時(shí)在線優(yōu)化系統(tǒng)，二是建立先進(jìn)控制系統(tǒng)。三是將建立三維可視化系統(tǒng)，構(gòu)建數(shù)字工廠全景圖、工藝流程三維可視化、設(shè)備管理三維可視化、過(guò)程安全三維可視化，實(shí)現(xiàn)天然氣處理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可視化。

本文的目標(biāo)是通過(guò)建立核心操作單元實(shí)時(shí)在線優(yōu)化系統(tǒng)，為工藝加工過(guò)程提供最佳的操作條件，實(shí)現(xiàn)工藝異常預(yù)警和措施推薦，降低對(duì)操作員經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)，提高液態(tài)產(chǎn)品的回收率；通過(guò)建立先進(jìn)控制系統(tǒng)，提高裝置工藝操作條件的平穩(wěn)率，保證系統(tǒng)操作安全性和可靠性，為實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)駕駛奠定基礎(chǔ)；通過(guò)建立數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝三維動(dòng)態(tài)可視化，滿(mǎn)足生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急指揮的需求。

1 三維可視化系統(tǒng)

1.1 三維可視化系統(tǒng)的功能

基于數(shù)據(jù)可視化和三維建模構(gòu)建的加工終端數(shù)字孿生體，可實(shí)現(xiàn)工藝流程與數(shù)字化、可視化的有機(jī)整合，基于三維可視化場(chǎng)景，將高欄終端的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、工藝流程、先進(jìn)控制、實(shí)時(shí)優(yōu)化、日常運(yùn)營(yíng)等各類(lèi)信息資源進(jìn)行管理，并對(duì)工藝設(shè)備、裝置、流程分布、設(shè)備結(jié)構(gòu)以及具體設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。

本文建立的加工終端三維可視化系統(tǒng)是利用先進(jìn)的數(shù)字孿生可視化技術(shù)，在平臺(tái)上搭建三維模型，并融合先進(jìn)控制、實(shí)時(shí)優(yōu)化、安全預(yù)警、視頻監(jiān)控等模塊，實(shí)現(xiàn)天然氣處理工藝流程的優(yōu)化、智能預(yù)警、數(shù)字可視化等功能。通過(guò)整合終端生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的各類(lèi)數(shù)據(jù)，對(duì)終端生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、安防、設(shè)施資產(chǎn)、能效管理、環(huán)境空間管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行綜合操控與分析，輔助用戶(hù)對(duì)終端運(yùn)行態(tài)勢(shì)進(jìn)行全面感知、綜合研判，實(shí)現(xiàn)管理精細(xì)化、決策科學(xué)化和服務(wù)高效化。

三維可視化系統(tǒng)頁(yè)面按逐層遞進(jìn)展現(xiàn)的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為三維數(shù)字工廠全景圖、工藝流程三維可視化展示、設(shè)備三維仿真可視化展示三級(jí)頁(yè)面，以不同維度、不同角度去展示高欄終端天然氣處理工藝的相關(guān)信息。

1.2 三維數(shù)字工程全景三維模型

作為建設(shè)數(shù)字孿生工廠的第一步，本文對(duì)廠區(qū)環(huán)境、各生產(chǎn)區(qū)域、產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行1∶1的三維建模，全面還原各工藝生產(chǎn)線布局和廠區(qū)環(huán)境，形成廠區(qū)的數(shù)字孿生底座。并以采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，驅(qū)動(dòng)3D虛擬對(duì)象與廠區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)同步，實(shí)現(xiàn)了廠區(qū)狀態(tài)的實(shí)時(shí)映射。

在三維可視化系統(tǒng)中，可對(duì)廠區(qū)的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等操作，查看廠區(qū)各個(gè)角落的詳細(xì)情況，通過(guò)對(duì)接各類(lèi)相關(guān)的生產(chǎn)系統(tǒng)及實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可在平臺(tái)中對(duì)廠區(qū)的生產(chǎn)運(yùn)行情況、經(jīng)濟(jì)效益情況、設(shè)備告警情況、CCTV視頻監(jiān)控、廠區(qū)環(huán)境情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，保障廠區(qū)生產(chǎn)的正常運(yùn)作。

三維數(shù)字工廠全景圖結(jié)合真實(shí)的物理空間分布信息，對(duì)高欄終端天然氣終端的各工藝流程單元進(jìn)行建模還原，借助電子光影特效、管線輝光特效對(duì)其進(jìn)行分區(qū)，直觀展示各單元運(yùn)行的相關(guān)情況。

點(diǎn)擊模型中的具體設(shè)備，可展示此設(shè)備的相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，以便了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)情況。點(diǎn)擊模型中的攝像頭圖標(biāo)，可調(diào)取此攝像頭對(duì)應(yīng)的CCTV監(jiān)控視頻畫(huà)面，可實(shí)時(shí)查看攝像頭的監(jiān)控區(qū)域狀況。

圖1 典型天然氣加工終端全景3D模型

1.3 主工藝過(guò)程三維模型

以天然氣制冷、天然氣分餾等單元的真實(shí)生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，對(duì)冷箱、膨脹壓縮機(jī)、重接觸塔、脫乙烷塔、脫丙烷塔等重要設(shè)備進(jìn)行三維仿真建模。

針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備模型同時(shí)關(guān)聯(lián)到實(shí)際設(shè)備，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，實(shí)際設(shè)備的工藝流程、先進(jìn)控制、運(yùn)行狀態(tài)等情況與設(shè)備模型實(shí)現(xiàn)同步，能夠在三維場(chǎng)景中直接查看現(xiàn)實(shí)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

生產(chǎn)過(guò)程中，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，平臺(tái)將即時(shí)反饋，以設(shè)備高亮以及告警列表顯示的形式，對(duì)故障位置、故障詳情進(jìn)行突出展示，以提醒工作人員，并進(jìn)行設(shè)備維修跟蹤，減小設(shè)備故障造成的損失。

圖2 主工藝過(guò)程典型三維模型

1.4 工藝設(shè)備三維可視化

實(shí)時(shí)優(yōu)化（real-time optimization，RTO）技術(shù)是全流程優(yōu)化控制技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段最先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)，其把最優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于化工生產(chǎn)過(guò)程控制，在滿(mǎn)足各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的要求下，自動(dòng)尋求使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的一組操作參數(shù)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行最佳設(shè)定，并在線下發(fā)給APC（先進(jìn)控制）使整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行并維持在最優(yōu)狀態(tài)。RTO系統(tǒng)以生產(chǎn)效益最大化、全局最優(yōu)為目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及操作條件等信息進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。整個(gè)RTO系統(tǒng)從取數(shù)到優(yōu)化計(jì)算，再到輸出外部目標(biāo)值供APC執(zhí)行，全流程閉環(huán)運(yùn)行，無(wú)須人工干預(yù)。APC系統(tǒng)會(huì)持續(xù)按照RTO系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算所得的指定目標(biāo)進(jìn)行控制，不斷將裝置調(diào)整到當(dāng)前工況下的最優(yōu)操作點(diǎn)[3]。對(duì)冷箱、膨脹壓縮機(jī)、重接觸塔、脫乙烷塔、脫丙烷塔等核心工藝設(shè)備進(jìn)行三維建模，還原設(shè)備的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備間管線連接等細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)的工藝設(shè)備可視化還原。

設(shè)備模型與工藝在線優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)接，以圖表的形式，對(duì)設(shè)備的溫度趨勢(shì)、壓力趨勢(shì)、轉(zhuǎn)速趨勢(shì)等關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常情況時(shí)，將故障位置及故障原因以高亮差異化的形式呈現(xiàn)在設(shè)備模型上，輔助操控人員直觀掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障問(wèn)題。

圖3 典型工藝設(shè)備三維模型

2 先進(jìn)控制系統(tǒng)

在典型的油氣加工生產(chǎn)操作過(guò)程中，存在著動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間滯后、變量未能在線測(cè)量、動(dòng)態(tài)響應(yīng)非線性、干擾相互偶合、約束、大的外部干擾等特性，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的PID控制效果不佳。20世紀(jì)70年代初，學(xué)術(shù)界提出以多變量預(yù)估控制為核心的先進(jìn)控制（Advanced Process Control，簡(jiǎn)稱(chēng)APC）理論，根據(jù)裝置運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用多變量模型預(yù)估技術(shù)，計(jì)算出最佳的設(shè)定值，送往控制器執(zhí)行。多變量預(yù)估控制范圍不再只是針對(duì)某個(gè)具體的工藝測(cè)量值或與之有關(guān)的變量，而是根據(jù)相關(guān)的測(cè)量值乃至整個(gè)裝置的所有變量。通過(guò)實(shí)施APC，可以改善過(guò)程動(dòng)態(tài)控制的性能，減少過(guò)程變量的波動(dòng)幅度，使生產(chǎn)裝置在接近其約束邊界的條件下運(yùn)行（卡邊操作）。

本文的數(shù)字孿生系統(tǒng)采用Pavilion8的先進(jìn)控制技術(shù)。Pavilion8是全球第一套采用線性與非線性模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)多變量控制與預(yù)測(cè)的先進(jìn)控制軟件，軟件包集合了過(guò)程控制、過(guò)程分析、在線監(jiān)測(cè)、圖形可視等模塊。相比其他的解決方案，這些模塊的結(jié)合能提供有針對(duì)性的天然氣生產(chǎn)行業(yè)解決方案，更快產(chǎn)生效益，且更持久。

本文可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需求實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)優(yōu)化結(jié)果在服務(wù)器及三維展示平臺(tái)上顯示，在開(kāi)環(huán)模式下，可將實(shí)時(shí)優(yōu)化模擬結(jié)果作為DCS控制的參數(shù)設(shè)定指導(dǎo)，由操作人員手動(dòng)將數(shù)據(jù)輸入DCS系統(tǒng)，在閉環(huán)模式下，實(shí)時(shí)優(yōu)化結(jié)果將先給到APC先進(jìn)控制系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)則將接受來(lái)自經(jīng)APC計(jì)算后的結(jié)果數(shù)據(jù)，直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)PID回路自動(dòng)控制。

2.1 本文APC技術(shù)的特點(diǎn)

2.1.1 APC建模。本文采用的APC技術(shù)中的混合方法使過(guò)程數(shù)據(jù)和機(jī)理方程在模型開(kāi)發(fā)中可以得到綜合利用。這種做法提高了模型的精度，對(duì)于實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和控制效果很好，模型計(jì)算速度更快并容易維持。

2.1.2 數(shù)據(jù)整定。本文的技術(shù)可設(shè)置數(shù)據(jù)異常值的判斷和剔除功能，包括數(shù)據(jù)峰值檢測(cè)（Spike），數(shù)值長(zhǎng)時(shí)間不變（Freeze）以及上下限有效性檢驗(yàn)（Limit）等功能；此外，本技術(shù)還帶有儀表校驗(yàn)?zāi)K，可通過(guò)軟件中的“Sensor Validation”模塊去設(shè)置。

2.1.3 控制。通過(guò)混合建模方法，本文的技術(shù)還提供了性能改進(jìn)的控制器。這種新的精確的參數(shù)控制手段更好的表征了操作過(guò)程中的各種動(dòng)態(tài)行為。確?？刂菩阅芘c不斷變化的過(guò)程相一致，使控制效果更好，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1.4 分析。利用基于模型的分析為工廠提供準(zhǔn)確和合適的運(yùn)行參數(shù)。KPI指數(shù)被嵌入在控制器中，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，匯總和計(jì)算。

本文的技術(shù)可以計(jì)算過(guò)去的、當(dāng)前的以及將來(lái)的KPI指數(shù)，使操作員、工藝工程師、環(huán)保專(zhuān)家和工廠經(jīng)理等人員提前做出決策以達(dá)到企業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)。羅克韋爾先控解決方案的特色之一是很好地把控制器和生產(chǎn)管理結(jié)合在一起。

2.2 APC模型的開(kāi)發(fā)

2.2.1 階躍測(cè)試。由于本研究采用了實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)于生產(chǎn)流程進(jìn)行模擬，先進(jìn)控制系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的模擬結(jié)果來(lái)進(jìn)行先進(jìn)控制模型的開(kāi)發(fā)，相比單純采用先進(jìn)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)優(yōu)化時(shí)繁瑣的階躍測(cè)試，具備實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)模擬基礎(chǔ)上的先控模型開(kāi)發(fā)，只需在某幾個(gè)變量上進(jìn)行模型驗(yàn)證即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)裝置階躍測(cè)試的效果。

2.2.2 模型辨識(shí)和模型驗(yàn)證。本文將根據(jù)實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)模擬結(jié)果，及現(xiàn)場(chǎng)采集的歷史數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)，利用Pavilion8離線建模軟件進(jìn)行建模，建模完成后將與實(shí)時(shí)優(yōu)化工程師，工廠工藝和儀表人員討論，分析所獲得模型的質(zhì)量。模型質(zhì)量達(dá)不到項(xiàng)目要求時(shí)，將重新進(jìn)行辨識(shí)建模，直到模型質(zhì)量達(dá)到項(xiàng)目要求。本文根據(jù)通過(guò)驗(yàn)證的模型，進(jìn)行離線仿真，初步確定控制器的調(diào)節(jié)參數(shù)，選擇能達(dá)到預(yù)期效果的一組模型與控制器。

2.3 APC投用后的效果

本文的APC投用后，裝置的工藝操作條件穩(wěn)定性得到了明顯的提高，下圖是冷箱C出口溫度APC投用前后的效果對(duì)比圖。

圖4 典型工藝參數(shù)采用APC后的效果圖

先進(jìn)控制可以保證該控制環(huán)節(jié)穩(wěn)定運(yùn)行在給定工況，但先進(jìn)控制不能確定裝置的最優(yōu)工況及對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)參數(shù)。針對(duì)該問(wèn)題，在先進(jìn)控制的基礎(chǔ)上，本文對(duì)核心加工單元采用了在線實(shí)時(shí)優(yōu)化（real-time optimization，RTO）技術(shù)。實(shí)時(shí)優(yōu)化是模擬和控制的緊密結(jié)合，在裝置穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)校正和更新模型參數(shù)，根據(jù)產(chǎn)品價(jià)格，公用工程價(jià)格以及約束條件進(jìn)行模擬和優(yōu)化，并可將優(yōu)化結(jié)果傳送到先進(jìn)控制系統(tǒng)或裝置操作人員。

3 工藝操作條件實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)

工藝操作條件在線實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)RTO）是天然氣加工工藝過(guò)程數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心。本文的RTO技術(shù)由3部分組成：一是建立裝置工藝過(guò)程嚴(yán)格的機(jī)理性模型；二是將裝置優(yōu)化計(jì)算模型與DCS操作數(shù)據(jù)的集成；三是對(duì)裝置的工藝操作進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化計(jì)算；四是將優(yōu)化計(jì)算結(jié)果推送給相關(guān)的系統(tǒng)。

3.1 嚴(yán)格機(jī)理性模型的建立

本文工藝優(yōu)化計(jì)算建模采用的軟件是Symmetry，選擇的熱力學(xué)方法為Advanced Peng-Robinson for Natural Gas 2，它是斯倫貝謝開(kāi)發(fā)的天然氣加工專(zhuān)用的熱力學(xué)方法，包含了天然氣行業(yè)最新的科研成果，與其他熱力學(xué)方法相比，計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。該熱力學(xué)方法已經(jīng)成為國(guó)際油氣加工協(xié)會(huì)所推薦的方法。本文建模所使用的單元操作主要有分離罐，吸收塔，冷箱，泵，分餾塔，壓縮機(jī)，膨脹機(jī)，閥門(mén)的，工藝計(jì)算器，方案研究，優(yōu)化器以及OPC數(shù)據(jù)接口。

根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)際的操作數(shù)據(jù)，本文建立了裝置的設(shè)計(jì)工況模型，實(shí)際操作模型，以及工藝條件實(shí)時(shí)優(yōu)化模型等核心工藝過(guò)程的模型。其中凝析油穩(wěn)定單元，脫碳單元，脫水單元采用了裝置類(lèi)操作單元模型，制冷單元及分餾單元采用了嚴(yán)格機(jī)理性模型。本文對(duì)建立的操作工況模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明關(guān)鍵的工藝參數(shù)誤差小于5%，關(guān)鍵的操作溫度誤差＜5℃。

圖5 裝置的輕烴回收系統(tǒng)操作工況模型圖

3.2 裝置優(yōu)化計(jì)算模型與DCS數(shù)據(jù)的集成

本文通過(guò)Symmetry內(nèi)置的OPC接口模塊，與DCS數(shù)據(jù)進(jìn)行了集成，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自動(dòng)讀取實(shí)際原料氣的組成，實(shí)際工藝操作條件，從而對(duì)當(dāng)前的裝置運(yùn)行工況以及裝置性能實(shí)時(shí)進(jìn)行嚴(yán)格的分析計(jì)算。

圖6 裝置的優(yōu)化計(jì)算模型與DCS數(shù)據(jù)集成圖

3.3 工藝操作條件的實(shí)時(shí)優(yōu)化

本文開(kāi)發(fā)完成了自動(dòng)優(yōu)化計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)對(duì)DCS中的工藝操作條件及原料組成數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，自動(dòng)進(jìn)行工藝操作條件的優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化的目標(biāo)是C3+輕烴回收率最大化。調(diào)節(jié)變量包括冷箱的出口溫度，脫乙烷塔的塔底溫度，膨脹機(jī)的出口壓力等變量，設(shè)定的約束條件是設(shè)備的約束條件以及產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。采用的優(yōu)化算法是內(nèi)點(diǎn)法及Nelder-Mead。

圖7 提高輕烴回收率操作條件優(yōu)化模型設(shè)置圖

3.4 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的通訊

本文能夠?qū)?yōu)化后的工藝操作條件通過(guò)OPC的方式推送給三維可視化及APC系統(tǒng)。

圖8 成功連接OPC服務(wù)器

并能夠通過(guò)內(nèi)部局域網(wǎng)展示給相關(guān)的人員。

圖9 成功進(jìn)行OPC數(shù)據(jù)寫(xiě)入

4 實(shí)際效果及研究結(jié)論

本文將三維可視化系統(tǒng)，先進(jìn)控制系統(tǒng)，工藝過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)整合，形成了完整的天然氣加工終端數(shù)字孿生系統(tǒng)，這在國(guó)內(nèi)及國(guó)際同行業(yè)處于領(lǐng)先水平。

本文的技術(shù)實(shí)施后，工業(yè)實(shí)際應(yīng)用證明，在裝置加工量及操作條件波動(dòng)比較大的條件下，該系統(tǒng)均能夠良好的工作，并提供操作條件的優(yōu)化指導(dǎo)。

圖10 RTO系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果示例

另外，該系統(tǒng)的魯棒性能非常強(qiáng)，RTO的收斂率在95%以上，超過(guò)業(yè)界平均的85%的水平。

本文認(rèn)為，該數(shù)字孿生系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：①采用了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的三維可視化系統(tǒng)。在平臺(tái)上搭建了三維模型，并融合了安全預(yù)警、視頻監(jiān)控等模塊，對(duì)終端生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、安防、設(shè)施資產(chǎn)、能效管理、環(huán)境空間管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行綜合操控與分析，輔助用戶(hù)對(duì)終端運(yùn)行態(tài)勢(shì)進(jìn)行全面感知、綜合研判，實(shí)現(xiàn)管理精細(xì)化、決策科學(xué)化和服務(wù)高效化。②采用了國(guó)際領(lǐng)先的先進(jìn)控制系統(tǒng)，Pavilion8是全球第一套采用線性與非線性模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)多變量控制與預(yù)測(cè)的先進(jìn)控制軟件，軟件包集合了過(guò)程控制、過(guò)程分析、在線監(jiān)測(cè)、圖形可視等模塊。該系統(tǒng)確保了加工終端的穩(wěn)定運(yùn)行，從而可以實(shí)現(xiàn)卡邊操作。③采用了國(guó)際領(lǐng)先的流程模擬軟件Symmetry，該軟件內(nèi)置了多個(gè)世界最新的流程模擬研究成果，其中天然氣加工專(zhuān)用的熱力學(xué)方法Advanced Peng Rabinson for Natural Gas 2 ，是國(guó)際氣體加工協(xié)會(huì)GPSA所推薦的，該軟件內(nèi)置了上百種單元操作，能夠準(zhǔn)確計(jì)算天然氣的專(zhuān)業(yè)物性，對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬與優(yōu)化。④采用了國(guó)際領(lǐng)先的工藝加工顧問(wèn)系統(tǒng)Process Advisor。該系統(tǒng)包含了斯倫貝謝上百年的油氣加工領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)以及最新的人工智能，大數(shù)據(jù)分析，機(jī)器學(xué)習(xí)，優(yōu)化計(jì)算等數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)。⑤將三維可視化系統(tǒng)，先進(jìn)控制系統(tǒng)，工藝操作條件實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行了有機(jī)的集成。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用斯倫貝謝的工藝加工數(shù)字孿生技術(shù)（Process Advisor），對(duì)某天然氣加工終端的工藝過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的研究，建立了核心加工單元實(shí)際生產(chǎn)工況的嚴(yán)格的機(jī)理性模型，進(jìn)行了提高輕烴回收率的研究，研究結(jié)果表明通過(guò)優(yōu)化工藝操作條件，可以提高該終端的輕烴回收率，并可取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。