兰州石化：为乙烯装置安装“中国大脑”

来源：中国石油新闻中心 时间：2021-10-15 11:58

　　10月12日，由石化院兰州化工研究中心与清华大学共同开发的大型乙烯裂解炉模拟优化系统（EcSOS），参评2021年度中国石油科技进步二等奖并通过公示。

　　EcSOS是一款乙烯原料及裂解炉操作优化软件。乙烯裂解原料复杂多变，生产过程缺乏快速有效的优化手段，导致原料利用率、产物收率及生产成本等无法达到最优。为此，石化院自主开发了工业软件——EcSOS，填补了这个领域国产化软件的空白。该软件通过计算即可快速完成乙烯原料优选和生产操作优化，推动了我国乙烯生产优化手段的进步，可为企业创造巨大的经济效益。相比国外软件，EcSOS功能更强大，更适于国内乙烯原料和裂解炉复杂多变的现状，已在兰州石化和四川石化实现了工业应用。

　　将分散的数据连通，让数据创造出新价值

　　中国是世界石油和化工大国，拥有全世界最完整的产业体系。而乙烯产业的水平，代表了一个国家石化工业整体实力。

　　当前，全球对资源的需求，使得石油化工产业发展面临着前所未有的激烈竞争。通过信息化升级大幅挖掘潜力，迅速提升化工产品竞争力，已经显得十分迫切。

　　兰州石化橡胶厂丁苯车间工程师李金山从事信息化工作多年，他认为，就中国石油而言，生产装置已经具有很强的信息化条件和基础，采集了大量的生产数据。但这些数据在应用分析和利用等环节还存在瓶颈。究其原因，是缺乏拥有自主知识产权的分析利用即模拟优化平台，导致这些分散的数据相互之间不能连通，也就无法通过挖掘数据创造价值。“我们需要能服务于数据应用的工业软件，才能使数据创造出新的价值。”李金山表示。

　　工业软件被形象地称为生产装置的“大脑”。工业软件是对工业生产环节规律的模型化，以支撑和改进生产制造过程。“工业软件不但可以控制产品生产和设备运行，而且可以把产品和设备运行的状态实时展现出来，通过分析、优化，作用到产品和设备的运行上，甚至是设计/计划环节，实现迭代优化。” 石化院大型乙烯裂解炉模拟优化系统项目负责人田亮说。生产过程的优化和稳定控制是保障企业降低运行成本、提高生产效率、打造核心竞争力的前提。“工业软件是解决上述问题的有效手段。”田亮表示。

　　据中国乙烯行业协会统计，2020年我国乙烯年产能近3500万吨，但中国乙烯生产装置的“大脑”却基本为国外产品，成为我国乙烯产业降本增效高质量发展的掣肘。

　　当前，乙烯装置大型化、裂解原料多样化的趋势越来越明显，生产企业往往无法及时掌握原料裂解性能。同时，裂解炉在操作过程中受结焦等实际运行情况的影响，操作状态不断变化，传统的维持全周期裂解条件不变的生产方式不能充分挖掘裂解炉的潜力。

　　相比传统的实验室优化技术和工业炉现场标定方法，计算机模拟技术可以准确、灵活和快速地对乙烯裂解实际生产过程进行优化。然而，国外软件只能模拟计算，缺乏优化功能，且不能针对国内原料和装置运行情况作出相应调整，导致国内厂家实际使用效果不佳。

　　大型乙烯裂解炉模拟优化系统项目利用计算机技术，结合大量的实验数据和工业炉实际运行情况，自主开发了热裂解制乙烯原料及裂解炉操作优化软件EcSOS，实现了在国内复杂多变裂解情况下对裂解炉进行准确、灵活和快速模拟优化的技术突破，可以形成针对性强的个性化裂解炉模拟优化运行方案。

　　提高资源配置效率,数据驱动产业升级

　　EcSOS平台可根据生产需求和市场变化，对原料进行快速模拟评价并获得最优的裂解操作条件，使得生产过程更柔性、更智能、更集成化，并且能实现知识获取、规模化利用与传承的完美融合。

　　针对乙烯生产的多目标优化技术，可有效解决国内乙烯生产装置实际生产需求多变的问题。装置投料前，先将参数输入软件，然后经过计算，会自动提交一份优化后的操作方案。按照这个方案组织生产，可以最大限度提升资源的配置效率，使生产过程的降本增效措施落地。

　　兰州石化公司石化厂生产技术科李国新告诉笔者：“蒸汽热裂解制乙烯的生产过程，是所有石油化工生产中流程最长、设备最多、工艺机理最复杂的一环。裂解炉是石油化工的龙头，要想整个装置达到最优化运行，裂解原料优化和裂解炉运行优化是最基础和最关键的环节。EcSOS的应用使得操作人员在投料前就掌握了原料的裂解性能、最优的操作条件及裂解产物的分布，能够在不增加大型设备投资成本的基础上，有效发挥现有生产装置的运行潜能，促使增产、节能与降耗等目标的顺利实现，协助生产企业获得更高的经济效益。”

　　“对比国外同类别软件，EcSOS模拟功能更全，且具有优化功能，更适于国内乙烯企业需求目标多样化的实际生产情况。”田亮介绍。

　　EcSOS中乙烯裂解过程的分级模型及算法，更贴近国内实际情况。一套年产100万吨规模的乙烯装置，每年需要310万吨以上的裂解原料。乙烯原料包括从最轻的乙烷、液化气、拔头油、石脑油、轻柴油，到末沸点500摄氏度以上的加氢尾油，导致裂解过程极为复杂。针对实际生产中原料复杂多变，EcSOS按原料的不同种类或产地，建立相应的裂解原料数据库及分子表征模型，实现原料分子水平的精准表达，从而为基于上千个自由基反应的复杂机理模型的模拟过程提供数据支撑。针对气态原料、液化气、轻烃、石脑油、轻柴油、加氢尾油等分别优化反应网络，实现不同原料的分模型模拟计算，极大地提高了裂解产物预测精度，更有助于工厂优化复杂多变的原料。

　　EcSOS的降维策略和数据反馈系统，可实现求解“快速而不失真”。2020年6月，兰州石化公司石化厂乙烯装置检修完毕开车在即，在石化院科研人员的支持下，从要素指标输入开始，仅用30分钟，EcSOS软件就给出了优化后的操作方案。

　　工业软件对“快速”和“有效”有着严格的要求。热裂解是一个复杂的动态过程，过于复杂的模型计算会在应用过程中受到硬件和时间限制。提高计算速度降低计算精度，又会导致结果的误差不可接受。清华大学的开发人员将大系统复杂网络技术与大数据技术引入开发研究中，实现乙烯裂解反应网络及其模拟的降维优化，进一步减少模拟计算时间，从而支撑裂解炉的多目标操作优化，实现了求解 “快速而不失真”，模拟结果与工业炉实际裂解结果也有很高的吻合度。

　　为“三化”融合奠定基础，推动中国技术走出去

　　谈到工业软件的开发难点，田亮认为，工业软件具有鲜明的行业特色，工业知识是工业软件的核心，在反复应用中沉淀和积累下来，包含研发、工艺、指标、业务流程、供应链等各类知识，沉淀和汇聚了众多的机理模型和先进算法。

　　经过几十年的积累和发展，从目前我国整体情况来说，我国在以乙烯为代表的石油化工产业领域拥有强大的硬件开发能力，完全具有参与国际竞争的实力。受多种因素影响，我国在石油化工行业的工业软件领域与国际先进水平尚有差距。大型乙烯裂解炉模拟优化系统（EcSOS）开发应用的成功经验，也将进一步推动我国石化行业工业软件的开发，彻底改变工业软件依赖进口的被动局面。

　　田亮认为，EcSOS填补了该领域国产化软件的空白，对于工业化、信息化、智能化的“三化”融合起到有力地促进作用，成功实现了乙烯装置“大脑”的自主可控，为我国乙烯装置和石化产业数字化升级和智能化建设奠定了基础。

　　兰州理工大学石油化工学院院长李贵贤教授表示，石化院和清华大学研究团队针对乙烯裂解模拟优化开展了十几年的研究，在前期大型乙烯成套技术国产开发项目中完成的设计版“石油烃裂解产物预测系统”，解决了国产化乙烯裂解炉设计中的关键核心问题。自主开发的全中文版EcSOS生产优化版软件，对国内乙烯企业的优化运行将会产生及时有效的指导，对提升装置运行水平、提高企业经济效益都非常有意义。

　　目前，这项技术已在兰州石化和四川石化公司实现工业应用，近3年为企业降本增效成果显著，实现了核心技术的国产化，还为乙烯生产过程数字化升级的“石油方案”奠定了技术基础。

　　开发工业软件需要跨学科，工艺、机械、电气、通信、安全、软件工程多学科交叉，需要专门的人才。石化院与清华大学强强合作，经过艰苦攻关，不仅取得了技术上的重大突破，实现了乙烯生产工业软件的自主可控，而且培养了一支高水平、能攻关的科研人才队伍，为今后我国乙烯生产工业软件的应用拓展和石化行业工业软件的开发积累了经验。

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