炼油塔模型在化工流程模拟中起着至关重要的作用。严格法求解计算的炼油塔模型通常是高度非线性的,不易收敛,不适合应用于实际在线生产、调度。而适当简化的炼油塔模型可快速便捷地完成计算,返回工厂需要的重要参数,满足实际生产调度、产品产量和质量预测等需求。常见的简化过程工业模型大致分为基于过程原理的简化数学模型和基于数据驱动建模的黑箱模型。但简化的机理模型往往基于各种前提假设,通常与实际会有一定差距。而基于数据驱动模型则对数据要求高,且遇到训练数据集范围外的数据会导致计算偏差过大。目前化工模拟软件的简捷炼油塔模块大都采用机理模型且未与实际操作数据进行关联,而基于数据模型难以计算出各产品具体的组分流量,不适合作为化工模拟软件的单元模块。为避免二者的缺点,本研究将机理模型与实际数据相结合,开发一个基于混合建模的简捷炼油塔模型,实现调整操作变量或变动工况的炼油塔模拟。在Visual Studio 2010软件编程环境下,采用C++编程语言来开发基于CAPE-OPEN标准的简捷炼油塔模型,能够应用于实际炼油厂的在线计算和排产调度。首先,开发一种基于分离因数法的简捷炼油塔机理模型,适合集成在化工流程模拟软件当中。该机理模型将炼油塔简化为连续分离单元,依据分离过程中各组分分配比与沸点之间的关系,采用切割温度或产率、分离因数等模型参数,可快速分离计算出各组分流量,较好地模拟在产品切割点附近组分不完全分离过程。在开发的机理模型基础上,增添参数校正功能,利用实际数据中的产品指标数据,以修正模型参数与实际数据之间的差距。其次,将实际数据与机理模型相结合,开发基于混合建模的简捷炼油塔模型。采用径向基插值技术,将操作变量数据与模型参数建立关联。利用立方型径向基函数插值,从而实现在线变动操作变量或工况下的产品预测。然后,基于CAPE-OPEN的简捷炼油塔模块开发。采用Visual Studio 2010软件中C++编程语言,开发符合CAPE-OPEN过程建模标准规范的单元模块。完成单元模块的创建、模型算法的编写、方便用户的操作界面以及计算结果界面,并验证能够在自主开发的国产流程模拟软件OPEN上调用。最后,通过一个常减压装置全流程实例进行验证,其结果与实际值和Aspen模拟值进行结果对比。结果显示,参数校正功能将不同工况下计算值与实际值的相对误差均值减小至2%以内。所开发的简捷炼油塔模型模拟计算速度快,常减压各塔均在0.2秒左右完成计算。与Aspen计算结果基本相近,各塔产品偏差大都在3%以内,蒸馏曲线变化趋势一致。与实际值相对比计算误差大都在6%以内,符合工程允许误差范围以内,且Aspen和OPEN计算结果与实际相对误差的均值基本相同。综上所述,研究开发的简捷炼油塔以混合建模的方式结合实际数据,避免了单一机理模型或数据驱动模型的缺陷,且实现了在线多工况的产品预测,为炼油厂模拟在线计算提供了较好的方法。因此,开发基于CAPE-OPEN标准的简捷炼油塔模块具有重要的工业应用价值,并进一步完善国产模拟软件相关功能。
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