数字孪生技术在提高LPG回收率方面的应用探索

石涵 郭伟 樊春明 岳彩利 王彬

一、引言

数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性，能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段。随着数字孪生车间概念的提出，数字孪生在智能制造中的应用潜力得到越来越多的关注。强调实时监控物理实体的变化，利用虚拟模型精确模拟物理实体，从而优化实际系统的操作。石油化工领域实现数字孪生应用需要融合的关键技术包括：流程模拟技术、传感和监测技术、机器学习技术、实时优化技术、数字孪生平台技术等。

由于国内的实时优化技术起步较晚，目前还没有成熟的商业化系统平台诞生。国外成熟的商业化平台有AspenTech公司的RT-OPT平台和Schneider Electric公司的ROMeo平台。实时优化系统涉及的装置主要在乙烯、常减压、催化裂化和连续重整等炼油化工装置，天然气加工领域还未有实时优化系统实施的先例。

中海油某天然气加工终端，设计加工能力66亿立方米/年。天然气外输近50亿立方米/年，液态产品销售70余万吨/年，是亚洲最大的天然气处理终端。海上来气经过脱碳、脱水、制冷、分馏等工艺之后产出干气、丙烷、丁烷、液化气、稳定轻烃、稳定凝析油等产品。该终端由于海上来气组成变化以及环境温度变化等因素，LPG回收率仍有提升空间，本文将采用斯伦贝谢的数字孪生技术进行提高LPG回收率的有效途径研究。

Process Advisor是斯伦贝谢公司开发的生产加工过程的数字孪生系统，它结合了斯伦贝谢九十多年的油气生产经验，以及最先进的过程模拟技术平台Symmetry。本文将使用Symmetry软件特有的天然气加工专用热力学方法以及单元操作，首先利用设计数据建立制冷单元及分馏单元的严格的机理型基础模型，然后利用标定数据对建立的基础模型进行整定，最后根据海量的生产数据确立装置的实际生产模型。在此基础上，根据装置的实际模型、当前的原料及产品价格，公用工程价格以及相关的设备制约条件，以LPG回收率为目标优化计算，寻找最佳操作条件，从而提高LPG回收率。

二、热力学方法选择

本文选择Symmetry平台特有的热力学方法为Advanced Peng-Robinson for Natural Gas 2， 它是斯伦贝谢开发的天然气加工专用的热力学方法，包含了天然气行业最新的科研成果，与其他热力学方法相比，计算结果更准确可靠。该热力学方法已经成为国际油气加工协会推荐的方法。

本文建立的模型还能够对天然气加工所需要的物性（例如热值、华白指数、露点、蒸汽压等等）进行详细计算；并能够进行干冰、天然气水合物、结蜡等固体的形成预测，满足产品质量指标约束需求。

三、数字孪生模型的开发

本文首先利用设计数据建立制冷单元及分馏单元的严格的机理型基础模型（见图1），然后利用标定数据对建立的基础模型进行整定，最后根据海量的生产数据确立装置的实际生产模型。

将操作工况模型的计算结果与实际生产数据进行了对比，结果表明关键的工艺参数误差小于5%，关键的操作温度误差<5℃，数字孪生模型与装置实际运行匹配度高，在此基础上进行优化具有较高的可靠性。

四、数字孪生模型优化器开发

（一）优化目标、操作变量和约束变量的选取

本天然气处理终端的主要任务就是对海管来气进行脱水、脱二氧化碳处理，在确保天然气热值的前提下最大限度回收高附加值的LPG，从而提高经济效益。因此本文的优化目标为最大化LPG回收率。

制冷单元以膨胀机减压膨胀制冷为系统提供冷量，通过冷箱换热调整各流道温度，从而改变组份间的相对挥发度，从而实现分离提纯。因此选取冷箱各流道的出口温度为操作变量。脱乙烷塔将天然气中的C2+成分与甲烷进行分离，较低的塔釜温度可以提高LPG的回收率，但是会使得液化烃中的甲烷含量升高，从而降低液化烃的饱和蒸汽压，使得产品质量不合格，过高的塔釜温度会使得C2+成分进入天然气产品，从而降低LPG收率，降低装置效益。因此选取脱乙烷塔塔釜温度为操作变量，可以寻找最优的塔釜操作温度在确保液化烃饱和蒸汽压合格的条件下最大化LPG回收率。

液化烃的饱和蒸汽压及C2含量有明确的产品指标要求，操作条件改变势必要影响该指标，因此将该指标作为约束条件。

（二）优化器开发

本文利用Symmetry软件中的优化工具开发工艺操作条件的自动优化计算模型，本文设定的目标函数是LPG回收率最大化，根据先进控制系统APC控制器设定和工艺原理设定的操作变量包括冷箱的出口温度、脱乙烷塔的塔底温度等，设定的约束条件是设备的约束条件以及产品质量指标。优化算法采用Nelder-Mead。详细设置如图2所示。

（三）优化计算结果：

从图3中可以看出，通过操作条件的优化，装置的LPG回收率可从93%提高到95%左右。按照干气与LPG的差价计算，预计操作条件优化后可取得经济效益上千万元/年。

五、模型在线化

数字孪生技术是全流程优化控制技术发展到现阶段最先进的优化技术，其把最优化技术应用于化工生产过程控制，在满足各项生产技术指标的要求下，24小时不间断的自动寻求使目标函数达到最优的一组操作参数，对工艺参数进行最佳设定，并在线下发给APC（先进控制）生产系统，持续的将装置推到最佳的操作状态，本文通过OPC接口将DCS系统与数字孪生系统进行数据传输，通过Python语言开发模型在线化实时控制序列程序，自动的定时将DCS数据输入数字孪生模型，并自动控制数字孪生模型的数据处理，优化计算，优化结果输出，以及各种安全逻辑判断，确保系统的持续运行以及装置安全运行。

六、研究结论

本文利用斯伦贝谢的工艺加工数字孪生技术（Process Advisor）， 对某天然气加工终端进行在线化数字孪生技术探索实践，建立了核心加工单元实际生产工况的严格机理性模型，进行了提高LPG回收率的研究，研究结果表明通过优化工艺操作条件，可以提高该终端的LPG回收率，并可取得显著的经济效益。本套系统是国内天然气处理终端第一套在线化数字孪生系统，对其他天然气处理终端数字化应用具有重要的借鉴意义。

作者单位：石涵、郭偉、樊春明 中海石油深海开发有限公司

岳彩利、王彬 斯伦贝谢科技服务（北京）有限公司