這是一個(gè)寫于2000年的論文，現(xiàn)在看來(lái)依然收獲很大，同時(shí)也表明加入WTO后，近20多年中國(guó)的流程模擬等工業(yè)軟件基本處于停滯狀態(tài)；中美沖突為國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件發(fā)展提供了難得的機(jī)會(huì)，希望我們能把握住這次機(jī)會(huì)，讓中國(guó)的工業(yè)軟件能快速成長(zhǎng)起來(lái)
石油化工是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，其所實(shí)現(xiàn)的利潤(rùn)約占全國(guó)國(guó)有及國(guó)有控股企業(yè)總利潤(rùn)的1/4左右。
但是，面臨國(guó)際市場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)和國(guó)內(nèi)需求的不穩(wěn)定，我國(guó)各石油化工企業(yè)均面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，
與國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家的石化企業(yè)相比，我國(guó)的石化企業(yè)在質(zhì)量、成本、規(guī)模、效益等方面尚存在較大的差距。
以中國(guó)石化集團(tuán)公司為例，綜合商品率1996年為91.4%，1997年為91.12，1998年為91.67％，而同期美國(guó)為93.0%，英國(guó)為92.3%，法國(guó)為92.5%，國(guó)外平均水平大于92%。
中石化的平均加工損失率1996年為1.29%，而1994~1995年美國(guó)、英國(guó)和法國(guó)分別為0.2%，0.3%和1.04%，世界平均水平為1%。
中石化輕油收率1996年為65.11%，1997年為67.14%，1998年為67.95%，世界平均水平>;70%[1]。
每加工1噸原油的燃料動(dòng)力費(fèi)用中石化總公司1996年為63元，亞太地區(qū)平均水平為47元。
隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，要求石油化工企業(yè)對(duì)市場(chǎng)和生產(chǎn)環(huán)境的變化做出快速而有效的響應(yīng)，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國(guó)加入wto的日益臨近，深化改革企業(yè)的運(yùn)行機(jī)制和管理體制，運(yùn)用信息技術(shù)改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，使其保持可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于增強(qiáng)企業(yè)在國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力具有十分重要的意義。
世界各國(guó)的經(jīng)驗(yàn)表明，流程模擬、先進(jìn)控制與過(guò)程優(yōu)化技術(shù)是提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、降低生產(chǎn)成本、提高其在國(guó)際市場(chǎng)中的創(chuàng)新力、應(yīng)變力、適應(yīng)力和綜合競(jìng)爭(zhēng)力的主要技術(shù)手段之一。
例如，美國(guó)70％的煉油廠、美洲60％的煉油廠、世界煉油加工總量的40％，都使用生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、資源優(yōu)化軟件；杜邦公司10多個(gè)部門的幾百人，100多個(gè)計(jì)劃調(diào)度項(xiàng)目，每天都使用生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、資源優(yōu)化軟件等。以上情況表明，開展石油化工過(guò)程流程模擬、先進(jìn)控制與過(guò)程優(yōu)化技術(shù)的研究與應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外石油化工界廣泛關(guān)注的一個(gè)話題。
1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
石油化工自動(dòng)化的技術(shù)進(jìn)步，已成為世界石化工業(yè)消除“瓶頸”制約，努力增效創(chuàng)收的主要環(huán)節(jié)之一。
生產(chǎn)過(guò)程的流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)，是在現(xiàn)有的工藝條件下，通過(guò)對(duì)過(guò)程對(duì)象的充分了解，調(diào)整操作條件，在不增加投資或投資很小的情況下取得很大的經(jīng)濟(jì)效益。
國(guó)外已有多年的開發(fā)流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化軟件產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，例如，aspen tech公司的模型從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有30多年的歷史。據(jù)報(bào)道，國(guó)外已有20多家軟件公司相繼推出了在石油化工過(guò)程專用和通用的流程模擬軟件60多種，已有20多家公司推出石油化工優(yōu)化軟件30余種。其應(yīng)用領(lǐng)域涉及天然氣加工、原油蒸餾和分餾、烷基化、催化重整、催化裂化、加氫、溶劑脫蠟、減粘、延遲焦化、硫回收、乙烯裝置、合成氨、pet（聚酯）、苯乙烯、氯乙烯單體、用能組合、煉廠裝置及整體等。
比較典型的有aspen tech公司的rt-opt，simsci公司的嚴(yán)格在線優(yōu)化軟件rom，simsci公司結(jié)合美國(guó)殼牌石油公司的流程模擬產(chǎn)品opera的remeo，honeywell公司的先進(jìn)控制和優(yōu)化軟件包profit suite和英國(guó)kbc公司的桌面煉油軟件petrofine等。上述軟件都是以通用性為主，專門針對(duì)某些裝置開發(fā)的流程模擬和優(yōu)化軟件還包括integrated production control system公司、continental controls inc.和treiber control inc. 的產(chǎn)品等很多種。
在分離過(guò)程方面，基于平衡級(jí)模型的流程模擬軟件包括aspen tech公司的aspen plus和simulation science公司的pro/ii with provision；
將上述模型用于在線優(yōu)化技術(shù)，aspentech公司推出了rt-opt，simsci公司推出了嚴(yán)格在線優(yōu)化軟件rom。另外，兩個(gè)公司在反應(yīng)器、換熱網(wǎng)等的優(yōu)化上也均有相應(yīng)產(chǎn)品；同時(shí)，honeywell公司推出的先進(jìn)控制和優(yōu)化軟件包profit suite和英國(guó)kbc公司的桌面煉油軟件petrofine，也都是優(yōu)化軟件中具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。
在烯烴聚合過(guò)程方面，由于建模技術(shù)尚不成熟，真正用于烯烴聚合過(guò)程流程模擬和優(yōu)化的商業(yè)軟件還并不多見。在現(xiàn)有商業(yè)軟件中，aspen tech公司的polymers plus是一個(gè)通用的聚合建模系統(tǒng)，但主要用于工藝過(guò)程設(shè)計(jì)，還難以對(duì)聚合過(guò)程進(jìn)行在線優(yōu)化。同時(shí)由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，這類專用技術(shù)嚴(yán)格保密，未能見到詳細(xì)報(bào)道。
遺憾的是，我國(guó)在商品化和產(chǎn)業(yè)化方面與國(guó)外相比存在的差距非常大，至今還沒有出現(xiàn)若干個(gè)可與國(guó)外產(chǎn)品抗衡的具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的石油化工流程模擬、先進(jìn)控制與過(guò)程優(yōu)化的軟件產(chǎn)品。
從世界范圍來(lái)看，目前石油化工企業(yè)流程模擬、先進(jìn)控制與過(guò)程優(yōu)化技術(shù)與軟件表現(xiàn)出以下幾大趨勢(shì)：
(1) 壟斷局面正在形成
“在未來(lái)的幾年里，石化工業(yè)將由5至6個(gè)巨頭所壟斷的局面正在形成 ”(bryan sanderson bp chemicals, managing director)。適應(yīng)石化工業(yè)發(fā)展的需要，從事石化企業(yè)過(guò)程設(shè)計(jì)、監(jiān)控和管理的工程公司，以aspen tech公司為代表，形成了以aspen technology inc., simulation science inc., hyprotech inc., honeywell inc.等幾大公司控制全球市場(chǎng)的局面。特別是aspen technology inc., 近年來(lái)先后成功地收購(gòu)了prosys technology ltd., industrial systems, inc., setpoint, inc., dynamic matrix control corporation (dmcc)等15家公司，成為該領(lǐng)域最具實(shí)力的公司。壟斷的形成將不利于新興企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，因此能夠在最近的幾年內(nèi)開發(fā)出在技術(shù)上具有國(guó)際領(lǐng)先水平的產(chǎn)品，是我國(guó)石化工業(yè)及其相關(guān)軟件產(chǎn)業(yè)能否在這一領(lǐng)域占據(jù)一席之地的關(guān)鍵。
(2)產(chǎn)品系列化和系統(tǒng)集成技術(shù)迅速發(fā)展
為了全方位地占領(lǐng)市場(chǎng)，各石油化工工程公司都力爭(zhēng)將其產(chǎn)品系列化。以aspen tech公司為例，該公司共有43項(xiàng)產(chǎn)品，其中用于設(shè)計(jì)的17項(xiàng)，用于操作的16項(xiàng)，用于管理的有19項(xiàng)(有重疊)。simulation science inc. 有16項(xiàng)產(chǎn)品，主要用于工藝設(shè)計(jì)。雖然產(chǎn)品的種類很多，但大部分產(chǎn)品的核心技術(shù)是相同的，即過(guò)程模型。在過(guò)程模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的需要開發(fā)不同的產(chǎn)品，形成系列化的產(chǎn)品，是各公司占領(lǐng)市場(chǎng)的主要手段。并且注重產(chǎn)品間的系統(tǒng)集成，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，在石化企業(yè)中全面推行其產(chǎn)品。因此，我國(guó)也應(yīng)該借鑒這些公司的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，加速發(fā)展流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)，盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化和產(chǎn)業(yè)化。
(3) 通用性和專門化的流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化軟件均具有很大的市場(chǎng)潛力
在大公司競(jìng)爭(zhēng)通用流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化軟件的同時(shí)，針對(duì)具體裝置設(shè)計(jì)的專用流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化軟件仍然具有很大的市場(chǎng)潛力，一些小的公司以此為重點(diǎn)發(fā)展方向也取得了很大的成功。因?yàn)橥耆ㄓ玫能浖r(jià)格昂貴，對(duì)于具體的裝置操作并不是必須的。而且通用模型在操作界面上不能適應(yīng)具體裝置的需要，使用比較煩瑣和困難。因此如果能夠在通用模型的技術(shù)上針對(duì)不同的裝置開發(fā)不同的操作界面，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，將具有模型準(zhǔn)確性高、易于操作和通用性好等共同特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的軟件產(chǎn)品，將會(huì)更受到用戶的歡迎。
2 存在的主要問題
經(jīng)過(guò)多年的研究和技術(shù)儲(chǔ)備，我國(guó)在單元設(shè)備的建模、控制和優(yōu)化上已經(jīng)取得了豐富的成果，在一些關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。主要包括：原油蒸餾裝置的建模和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)，催化裂化裝置的建模和先進(jìn)控制，聚合過(guò)程的建模和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)，板式精餾塔的非平衡級(jí)模型及過(guò)程優(yōu)化等，這些技術(shù)基本上覆蓋了煉油化工企業(yè)的主要生產(chǎn)裝置。
另外，在裂解爐系統(tǒng)的建模、控制和優(yōu)化上也已做了大量的前期研究工作，為乙烯生產(chǎn)過(guò)程的流程模擬、先進(jìn)控制和優(yōu)化上也打下了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。現(xiàn)在存在的主要問題是：
(1)集成能力差：
各模型均為獨(dú)立開發(fā)，在模型和模型之間的數(shù)據(jù)交換、模型和工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)交換上存在著標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的混亂局面。使得各類模型雖然獨(dú)立在技術(shù)上具有先進(jìn)水平，但尚不具備多裝置流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化的條件，在總體上不具有競(jìng)爭(zhēng)力。
(2)模型通用性差：
所開發(fā)的模型往往是針對(duì)單獨(dú)的企業(yè)的特定裝置而開發(fā)，而國(guó)內(nèi)的石化企業(yè)工藝流程種類多，導(dǎo)致所開發(fā)的模型通用性差，推廣應(yīng)用的適應(yīng)性不強(qiáng)。
(3)產(chǎn)品化能力差：
將已有過(guò)程模型和優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)品化需要大量的資金和人力，一般科研單位雖然具有很強(qiáng)的科研實(shí)力，但不具備產(chǎn)品化所需資金；同時(shí)將高級(jí)的科研人員用于產(chǎn)品化程序的開發(fā)工作，是人力資源的巨大浪費(fèi)；產(chǎn)品化工作需要大量中級(jí)技術(shù)人員，其工作量是核心技術(shù)開發(fā)的數(shù)倍。
3．面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
目前流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展既面臨著前所未有的機(jī)遇，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)由于國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)石油化工產(chǎn)品的強(qiáng)烈需求，在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)仍將加大石油化工工業(yè)的發(fā)展。
據(jù)估計(jì)，在2000至2010年間，國(guó)內(nèi)汽油、柴油、煤油的需求量/年增長(zhǎng)將分別為3～3.9%，3～3.7%，4.5～5.8%；國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)乙烯需求也十分旺盛，1990-1997年乙烯需求的平均增長(zhǎng)速度為19.3%，是gdp年均增長(zhǎng)速度的1.6倍，預(yù)計(jì)到2010年乙烯年需求量為1700至1800萬(wàn)噸，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)量只能達(dá)到1000萬(wàn)噸[16]。因此，我國(guó)除了新上一批項(xiàng)目之外，還將對(duì)大量已有的裝置進(jìn)行技術(shù)改造和挖潛增效，這將會(huì)給流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用提供廣闊的發(fā)展空間。
(2)今后我國(guó)在石油化工工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，將不斷加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)的探索性研究與應(yīng)用，以尋求新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。
同時(shí)，還將加快信息技術(shù)在石油化工工業(yè)中的應(yīng)用[8]，在此過(guò)程中，流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)及其產(chǎn)品具有舉足輕重的作用。(3)目前，我國(guó)石油化工的大多數(shù)裝置仍然采用常規(guī)的控制系統(tǒng)，其中90％以上只是采用pid控制，裝置的真正潛力沒有發(fā)揮出來(lái)。因此，開發(fā)和推廣流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)十分必要也非常迫切。(4)經(jīng)過(guò)多年的攻關(guān)和不斷的技術(shù)開發(fā)研究，我國(guó)在流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)方面已有了一定的開發(fā)、應(yīng)用的理論和經(jīng)驗(yàn)積累，為今后進(jìn)一步的發(fā)展打下了重要的基礎(chǔ)。但是，我們也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：(1)國(guó)外的技術(shù)封鎖和市場(chǎng)壟斷局面對(duì)我國(guó)自主流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)形成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這種局面必須引起國(guó)家的高度重視，在大力引進(jìn)國(guó)外有關(guān)的技術(shù)與產(chǎn)品的同時(shí)，要給國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究與開發(fā)留出適當(dāng)?shù)目臻g，以有利于我國(guó)自主流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)、應(yīng)用與推廣，只有這樣才能最終打破國(guó)外產(chǎn)品的市場(chǎng)壟斷局面，抑制國(guó)外產(chǎn)品奇高的市場(chǎng)壟斷價(jià)格，從而最終保護(hù)我們的國(guó)家利益。(2)目前，我國(guó)仍然缺少一支強(qiáng)有力的流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)、應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)隊(duì)伍，高級(jí)人才流失嚴(yán)重。
(3)由于市場(chǎng)、技術(shù)、政策等的變化， 不斷給流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)，
如嚴(yán)格的環(huán)保指標(biāo)和成本控制要求，多目標(biāo)、變約束的優(yōu)化與控制任務(wù)等，在這方面，目前已有的流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)尚不能完全勝任，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。
4 關(guān)鍵技術(shù)
國(guó)外的研究表明：過(guò)程模型和優(yōu)化技術(shù)中的不足是企業(yè)it項(xiàng)目長(zhǎng)期效益不理想的主要原因。
white d.c通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，只有16%的it項(xiàng)目達(dá)到了最初的預(yù)算、進(jìn)度和功能目標(biāo)。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有約250個(gè)商業(yè)在線優(yōu)化系統(tǒng)的分析，大部分的系統(tǒng)在初期可以取得技術(shù)上和商業(yè)上的成功，但是長(zhǎng)期的效益往往并不理想[17]。模型的準(zhǔn)確性和效率、在線模型參數(shù)調(diào)整、測(cè)量?jī)x表故障補(bǔ)償、系統(tǒng)擾動(dòng)、優(yōu)化系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、非專家型操作界面設(shè)計(jì)、系統(tǒng)長(zhǎng)期維護(hù)的困難等是造成現(xiàn)有項(xiàng)目長(zhǎng)期效益不理想的主要原因。因此，過(guò)程模型化技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)特別是在線優(yōu)化技術(shù)應(yīng)當(dāng)是重要的關(guān)鍵技術(shù)。
4.1過(guò)程模型化技術(shù)
過(guò)程模型是開展流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化的核心技術(shù)，通過(guò)過(guò)程模型可以發(fā)展出各種適用于企業(yè)不同應(yīng)用目的的軟件產(chǎn)品和技術(shù)方案，是國(guó)際上大的化工工程公司普遍的做法。aspen tech的商業(yè)顧問david holden指出在其產(chǎn)品中，過(guò)程模型化占據(jù)了最大的市場(chǎng)份額。圖1給出了aspen tech公司以模型為中心的設(shè)計(jì)、操作與管理思想，從中可以看出模型技術(shù)的重要性。
目前，過(guò)程模型化技術(shù)和水平還遠(yuǎn)不能滿足我國(guó)石化行業(yè)發(fā)展的需要。一方面國(guó)外公司對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖，另一方面花費(fèi)大量的資金引進(jìn)的模型技術(shù)不能滿足某些關(guān)鍵裝置的流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化的需要，使我國(guó)石化行業(yè)在流程模擬、先進(jìn)控制和優(yōu)化軟件的技術(shù)引進(jìn)和開發(fā)上處于兩難境地。
另外，石油化工部分主要裝置的模型尚沒有成熟的軟件。現(xiàn)有國(guó)際上大的從事流程模擬的公司在模型上對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖，使我國(guó)的石化企業(yè)長(zhǎng)期幾乎完全依賴購(gòu)買國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行流程的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和改造?，F(xiàn)有產(chǎn)品雖然價(jià)格昂貴，但是也主要集中于比較成熟的精餾過(guò)程的建模和優(yōu)化，例如pro/ii，aspenplus等均是如此；在其他一些主要裝置，如反應(yīng)器、反應(yīng)精餾、聚合等過(guò)程上尚沒有模型或者只有簡(jiǎn)單的模型，許多新的技術(shù)如非平衡級(jí)模型，pinch分析等尚沒有在商品化軟件中得到普遍應(yīng)用。對(duì)于石化企業(yè)和設(shè)計(jì)部門來(lái)說(shuō)，花費(fèi)巨資購(gòu)買的軟件仍然只能在某些裝置上適用。因此，開發(fā)出針對(duì)我國(guó)石油化工企業(yè)，能夠覆蓋主要生產(chǎn)裝置的流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化軟件將具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，會(huì)填補(bǔ)國(guó)際上在這一領(lǐng)域的空白。
4.2在線優(yōu)化技術(shù)
圖1 aspen tech公司以模型為中心的思想在線優(yōu)化是指綜合應(yīng)用過(guò)程建模技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，在滿足生產(chǎn)安全要求及產(chǎn)品質(zhì)量約束等條件下，不斷計(jì)算并改變過(guò)程的操作條件，使得生產(chǎn)過(guò)程始終運(yùn)行在“最優(yōu)狀態(tài)”。
在線優(yōu)化是比離線優(yōu)化更為復(fù)雜和困難的技術(shù)，在線優(yōu)化所需的關(guān)鍵技術(shù)包括：
①精確快速的過(guò)程模型；
②能夠保證平穩(wěn)操作的高性能的控制系統(tǒng)；
③合理的目標(biāo)函數(shù)和高效的優(yōu)化算法；
④儀表可靠性檢查和測(cè)量數(shù)據(jù)的校正技術(shù)；
⑤模型的在線校正技術(shù)[9]。
同時(shí)，k. h. pang指出，在某個(gè)企業(yè)的裝置上實(shí)施在線優(yōu)化，還必須具備以下四個(gè)客觀條件：
①具有集中管理的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，并且能夠容易地訪問數(shù)據(jù)；
②過(guò)程是高度集中的；
③過(guò)程通常運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下；
④管理部門認(rèn)同“在線優(yōu)化”概念。
正是由于上述原因，現(xiàn)有的優(yōu)化系統(tǒng)和軟件大多是離線優(yōu)化[10]。
文[11]在福建煉油化工有限公司常壓塔上不僅實(shí)現(xiàn)了在線優(yōu)化，而且采用了復(fù)雜的原油蒸餾模型。
文[12]介紹了基于非平衡級(jí)模型的在線優(yōu)化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況，是近年來(lái)基于非平衡級(jí)模型在線優(yōu)化技術(shù)的有益嘗試。
由于化工過(guò)程高度復(fù)雜，高度非線性以及約束條件復(fù)雜，現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化問題都屬于有約束的多變量非線性系統(tǒng)的優(yōu)化問題。因此，優(yōu)化算法的選取是優(yōu)化問題的關(guān)鍵之一，必須采用有約束條件下的優(yōu)化算法、不依賴于模型導(dǎo)數(shù)的算法和非線性算法。
5 經(jīng)濟(jì)效益分析
chemshare公司給出的經(jīng)濟(jì)效益與投資比例的統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為：用dcs改造常規(guī)儀表投資大約占總投資的70％，取得的經(jīng)濟(jì)效益約占總效益的10％；利用dcs實(shí)現(xiàn)常規(guī)的復(fù)雜控制，得到的效益和投資大約各占總的10％；
在dcs基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制（apc），增加約10％的成本，可取得約40％的效益。
在先進(jìn)控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)裝置的實(shí)時(shí)優(yōu)化功能，成本增加約10％，又可獲得約40％的效益。
aspen tech的調(diào)查也表明，目前的工業(yè)發(fā)展水平給推廣應(yīng)用流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化提供了廣闊的市場(chǎng)前景，各個(gè)石油化工企業(yè)都存在著巨大的潛力（圖2）。圖 2 工業(yè)發(fā)展水平提供的改進(jìn)機(jī)會(huì)
根據(jù)aspen tech的資料，如果實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理所需要的從設(shè)計(jì)、操作到管理的各個(gè)子系統(tǒng)，企業(yè)平均每年增加的效益大約是2000萬(wàn)~4000萬(wàn)美元。
通過(guò)過(guò)程模擬可以增加產(chǎn)量、減少能耗和原材料消耗、以最低的操作成本生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品、提高生產(chǎn)率等，每年效益在100~500萬(wàn)美元；
先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化可以增加產(chǎn)量2%5%，減少冷端消耗5%10%，提高加熱爐效率1%2%，提高操作工的技能，更加安全等，每年效益為300萬(wàn)1000萬(wàn)美元。
可見，僅僅是過(guò)程建模和直接依靠模型的過(guò)程控制和優(yōu)化，每年的效益就有400萬(wàn)~1500萬(wàn)美元，而計(jì)劃調(diào)度也直接或間接依賴模型計(jì)算結(jié)果，因此發(fā)展流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)及軟件產(chǎn)品，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀[5]。
又據(jù)aspen tech公司提供的數(shù)據(jù)，在乙烯生產(chǎn)過(guò)程中采用流程模擬、先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)，可使生產(chǎn)能力提高3％～5％，在分離/冷凍循環(huán)系統(tǒng)中能耗下降5％～10％，使裂解爐效率提高1％～2％。在收率方面，由于分離塔的性能改善，收率上升2％～3％，裂解爐控制使選擇性提高了1％～2％。對(duì)一套30萬(wàn)t/a生產(chǎn)能力的乙烯裝置，每年可獲得300萬(wàn)美元的效益，其中約1/2來(lái)自裂解爐的先進(jìn)控制和優(yōu)化[18]。
據(jù)foxboro公司1999年的資料介紹，優(yōu)化的效益比整個(gè)自動(dòng)化的效益都合適。
其效益比例是：dcs設(shè)為1，則arc（advanced regulatory control）為3，apc為5，opt（優(yōu)化）為9。
國(guó)內(nèi)外的大量使用經(jīng)驗(yàn)表明，在石油化工企業(yè)中使用過(guò)程模擬、先進(jìn)控制與過(guò)程優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益十分理想。
譬如，韓國(guó)現(xiàn)代石化公司達(dá)山乙烯聯(lián)合裝置實(shí)施實(shí)時(shí)優(yōu)化（rto）控制策略的效果表明：在不改變操作條件下，該裝置生產(chǎn)乙烯的能力提高了4％，效益增長(zhǎng)了121％，同時(shí)節(jié)省了原材料和能耗2.5%。又如，honeywell公司為澳大利亞某個(gè)煉油廠汽油穩(wěn)定塔和液化石油氣處理裝置上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制,取得每年100萬(wàn)美元的經(jīng)濟(jì)效益；該公司為bp公司在蘇格蘭的煉油廠及加拿大的帕邱蒙特乙烯廠都實(shí)施了這種優(yōu)化控制并取得了成功。在我國(guó)，據(jù)報(bào)道大慶石油化工總廠1994年投用的乙烯模擬系統(tǒng)和合成氨嚴(yán)格在線模擬系統(tǒng),年效益分別為890萬(wàn)元和435萬(wàn)元。齊魯石油化工公司勝利煉油廠第二套催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)采用多變量預(yù)估先進(jìn)控制技術(shù),使裝置加工能力提高10%以上[3,6]。因此，開展石油化工流程模擬、先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)的研究與應(yīng)用將會(huì)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益。
6 建議與對(duì)策
國(guó)內(nèi)外的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明：石油化工自動(dòng)化和信息化的技術(shù)進(jìn)步，已成為世界石化工業(yè)消除“瓶頸”制約，努力增效創(chuàng)收的主要技術(shù)手段。white d. c.指出，現(xiàn)在每年大約有200個(gè)新的it系統(tǒng)在石化企業(yè)實(shí)施，年增長(zhǎng)率為20~25%，總計(jì)已有1500個(gè)項(xiàng)目完成。這些it系統(tǒng)包括過(guò)程建模、先進(jìn)控制和優(yōu)化、管理信息系統(tǒng)和計(jì)劃調(diào)度等[2]。
近幾年，國(guó)外石化公司在信息技術(shù)上的投資每年超過(guò)400億美元，占全球石油化工營(yíng)業(yè)額（2萬(wàn)億美元）的2％。全球前30名石化公司的信息技術(shù)投入從2.54億美元到20億美元/年,信息技術(shù)的投入一般占總銷售收入的1％～2％[3]。上述數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)在以企業(yè)信息集成、管理、監(jiān)控、調(diào)度、建模、控制和優(yōu)化等系統(tǒng)為代表的流程企業(yè)自動(dòng)化和信息化技術(shù)研究與應(yīng)用正處于高速發(fā)展的上升階段，也是我國(guó)抓住機(jī)遇，迎頭趕上的關(guān)鍵階段。
隨著我國(guó)加入wto的日益臨近，深化改革企業(yè)的運(yùn)行機(jī)制和管理體制，運(yùn)用信息技術(shù)改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，使其保持可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于增強(qiáng)企業(yè)在國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
(1)充分利用企業(yè)現(xiàn)有的軟硬件資源，發(fā)揮已有系統(tǒng)，特別是dcs系統(tǒng)的潛力。
有關(guān)資料表明在中國(guó)石油化工集團(tuán)公司安裝有dcs的400多套裝置中,生產(chǎn)過(guò)程控制水平仍停留在維持生產(chǎn)的一般正常運(yùn)行上,絕大多數(shù)dcs的作用只是取代常規(guī)儀表的單回路pid控制,大量潛在的經(jīng)濟(jì)效益尚未利用流程模擬、先進(jìn)控制、優(yōu)化技術(shù)等挖掘出來(lái)。據(jù)估算,如果實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制后則平均每套生產(chǎn)裝置年效益就能增加(500～1000)萬(wàn)元,在一些重要裝置上充分發(fā)揮已有的dcs作用每年就可創(chuàng)(10～20)億元的經(jīng)濟(jì)效益,如果再與優(yōu)化控制、流程模擬、企業(yè)資源計(jì)劃等相結(jié)合,則可為企業(yè)創(chuàng)造出更多的效益[7]。因此，充分利用企業(yè)現(xiàn)有的軟硬件資源，開展一些力所能及的流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)，發(fā)揮已有系統(tǒng)，特別是dcs系統(tǒng)的潛力具有很大的價(jià)值。
(2)重視系統(tǒng)集成，發(fā)揮整體優(yōu)勢(shì)，避免形成一個(gè)個(gè)“自動(dòng)化”孤島。
在我國(guó)石化企業(yè)內(nèi)存在許多的“自動(dòng)化孤島”，諸如流程模擬、優(yōu)化計(jì)算、過(guò)程控制、生產(chǎn)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)管理、計(jì)劃調(diào)度、財(cái)務(wù)勞資、維護(hù)管理、工程管理等，各個(gè)應(yīng)用軟件的系統(tǒng)集成性差，難以發(fā)揮整體效益。因此，應(yīng)在計(jì)算機(jī)集成制造思想的指導(dǎo)下，綜合應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、智能技術(shù)和有關(guān)工藝技術(shù)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的支持下，把企業(yè)的全部業(yè)務(wù)活動(dòng)，包括市場(chǎng)分析、經(jīng)營(yíng)管理、加工生產(chǎn)集成起來(lái)，也把人━機(jī)集成起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)經(jīng)營(yíng)決策、生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、管理、過(guò)程優(yōu)化控制為一體的集成生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的經(jīng)營(yíng)決策、信息管理、優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度、優(yōu)化加工方案、優(yōu)化工藝操作和控制；達(dá)到降低原材料和能源消耗，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高綜合商品率，提高企業(yè)管理水平，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)能力。
(3)發(fā)揮流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)在“綠色”制造中的作用，開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。
目前，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保工作的重視，環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，將對(duì)我國(guó)石化工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響，環(huán)保問題已經(jīng)成為我國(guó)石油化工工業(yè)發(fā)展需要面對(duì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[8]。因此，有必要研究流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)在“綠色”制造中的作用，從而創(chuàng)造更多的價(jià)值。在此方面，過(guò)程環(huán)保優(yōu)化與控制將有可能成為新的研究課題。
(4)重視以安全性為中心的安全監(jiān)控和故障控制技術(shù)的研究與應(yīng)用。
生產(chǎn)裝置如果處于“非正常生產(chǎn)狀況”時(shí),裝置的能力將受到不同程度的影響,不僅降低經(jīng)濟(jì)效益,也是事故的前兆。據(jù)報(bào)道，美國(guó)工業(yè)界每年由于非正常生產(chǎn)狀況造成的損失約為770億美元,石油化工行業(yè)為220億美元,降低裝置的生產(chǎn)能力3%～8%,這種生產(chǎn)過(guò)程的負(fù)效益已引起越來(lái)越多企業(yè)管理人員和技術(shù)人員的關(guān)注。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,造成非正常狀況的原因80%以上是操作者的錯(cuò)誤操作,造成事故的原因40%以上是因人為的處理錯(cuò)誤。因此減少非正常狀況的出現(xiàn)次數(shù)和影響,杜絕惡性事故的發(fā)生是企業(yè)獲取效益的另一個(gè)重要方面。為解決非正常生產(chǎn)狀況問題,美國(guó)政府1996年出資1700萬(wàn)美元立項(xiàng)開發(fā),由honeywell公司負(fù)責(zé),chevron、phillips、exxon等大公司參加,聯(lián)合組成“非正常狀況處處理技術(shù)協(xié)會(huì)(asm)”進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。目前該項(xiàng)目的研究工作已趨于完成,形成的技術(shù)已在阿莫科等煉油廠中試用并獲得了較好的效果,已經(jīng)陸續(xù)形成商業(yè)化產(chǎn)品上市[7]。
(5)加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)的聯(lián)合攻關(guān)，形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和開發(fā)相應(yīng)具有自主版權(quán)的軟件產(chǎn)品，注重產(chǎn)業(yè)化工作和市場(chǎng)的推廣與應(yīng)用。
對(duì)于關(guān)鍵的核心技術(shù)，如精確快速的過(guò)程模型、高效的算法和模型的校正技術(shù)等應(yīng)該堅(jiān)持聯(lián)合攻關(guān)的策略，以期形成一批具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)。正是由于流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)所帶來(lái)的巨大的經(jīng)濟(jì)效益，世界上很多公司都在大力開發(fā)相應(yīng)的軟件產(chǎn)品，并在世界范圍內(nèi)形成了一個(gè)強(qiáng)大的石油化工應(yīng)用軟件產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展，對(duì)開發(fā)我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的石油化工企業(yè)流程模擬、先進(jìn)控制與過(guò)程優(yōu)化軟件產(chǎn)品提出了迫切的要求，也形成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。
這種局面已經(jīng)引起了我國(guó)政府、研究機(jī)構(gòu)、石油化工企業(yè)和有關(guān)公司的高度重視，并在近10年來(lái)通過(guò)相關(guān)技術(shù)的研究，取得了一系列重要的成果，但在開發(fā)相應(yīng)具有自主版權(quán)的軟件產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面的進(jìn)展卻不盡如人意，造成了大批理論成果的空前繁榮和實(shí)際商品化與產(chǎn)業(yè)化相當(dāng)匱乏之間的尷尬局面，這種局面如果不盡快解決，則勢(shì)必會(huì)影響到我國(guó)流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)的健康發(fā)展。
7 結(jié)論與展望
流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)的研究與應(yīng)用是石油化工過(guò)程的一個(gè)重要方面，它已成為提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、降低生產(chǎn)成本、提高其在國(guó)際市場(chǎng)中的創(chuàng)新力、應(yīng)變力、適應(yīng)力和綜合競(jìng)爭(zhēng)力的主要技術(shù)手段之一。
開發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)及其產(chǎn)品不僅具有廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且可以打破國(guó)外產(chǎn)品在技術(shù)和市場(chǎng)上的壟斷局面，對(duì)于我國(guó)石油化工信息技術(shù)的健康發(fā)展具有十分重要的意義。這項(xiàng)工作的大力開展，有可能最終形成我國(guó)自主的流程模擬、先進(jìn)控制和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)業(yè)，成為石化工業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。
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