随着世界各国对节能工作的日益重视和对节能技术的深入研究，国内外相关研究机构、技术公司和软件公司在能量系统优化理论研究、模拟优化技术研究及软件开发等方面获得了较大的发展，在能量系统优化技术应用方面也取得了较为显著的经济效益。

以下分别对能量系统优化理论研究现状、国内外技术公司研究应用现状以及本课题涉及的关键技术研究应用现状进行阐述。

（1）能量系统优化理论研究现状

对过程能量系统理论的研究始于上世纪70年代，随着研究的不断深入，国内外学者相继提出了三子系统交互模型、“洋葱”模型和三环节模型等，对能量在过程系统中的结构、作用和变化进行描述。

1983年，Townsend和Linnhoff在研究过程优化涉及的结构化方法时，将过程系统看成是由一些相互作用的子系统所组成，以简化设计优化过程，并提出了三子系统交互模型，将过程系统划分为加工（反应、分离）、换热网络和动力3个子系统，以定性反映过程系统能量转换和利用内在的联系及制约关系，但并不能确切反映能量结构的本质。

1988年，Linnhoff等人提出了“洋葱模型”以强调过程设计的层次特性，其核心为反应子系统，其余由内向外依次为分离子系统、换热网络和公用工程子系统，但该模型只是对过程系统能量结构的粗略描述，没有给出严格、定量的数学模型。

自1982年起，华贲等人以热力学第二定律分析为基础，从能量在过程系统中的变化规律入手，提出并逐步完善了包括能量转换环节、能量利用环节和能量回收环节在内的三环节能量结构模型。该模型给出了严格、定量的过程系统能量流结构拓扑关系，其关键是按功能区分子系统并分别给出了火用经济模型、相应的目标函数和边界条件，并在子系统分解协调优化的基础上进行全局改进方案的火用经济评价调优。但是，由于火用经济分析方法的理论性较强且工作过程比较复杂，使得其在企业实际生产中的应用受到了一定限制。

（2）国内外研究及应用现状

①国外现状

近年来，KBC公司、ASPEN公司、ShellGlobalSolutions公司、Invensys公司、Honeywell公司和ProcessIntegrated Limited (PIL)公司等国际知名技术及软件公司依托成熟的流程模拟和优化技术，结合先进的夹点分析方法，借助丰富的专家经验，逐步形成了自主的能量系统优化技术解决方案，并在一些国际大型石油公司和炼化企业取得了较好的应用效果。

KBC公司基于HYSYS.Refinery开发了Petro-SIM过程模拟软件，并拥有可在Petro-SIM中使用的催化裂化（FCC-SIM）、加氢裂化（HCR-SIM）、催化重整（REF-SIM）、石脑油加氢（NHTR-SIM）、柴油加氢（DHTR-SIM）、VGO加氢（VGOHTR-SIM）、渣油加氢脱硫（RHDS-SIM）、延迟焦化（DC-SIM）、烷基化（ALK-SIM）、减粘裂化（VIS-SIM）、异构化模型等标准反应堆模型套件；研究开发了用于换热网络优化的SuperTarget软件、蒸汽系统模拟优化的ProSteam软件和基于BT(BestTechnology)指数的最佳能量使用效率技术。其研究提出的全厂能量一体化技术（Total Site），使用全厂夹点分析技术和应用战略性节能发展规划路线图RoadMaps，对全厂工艺装置和公用工程系统的用能和供能进行分析、优化并排序，从而找出最快捷有效的改进途径。目前，KBC已在BP、BASF、ESSO、Chevron、Total、COSMO、日本能源全球等50多个炼油厂和化工厂实施了Total Site全厂能量优化项目，实现节能15%~30%，氢气需求减少8%~20%，压缩机节能25%~35%，总成本下降14%~20%。例如，欧洲某炼厂通过应用Total site技术进行夹点分析和蒸汽系统建模，在公用工程方面提出了透平改造、余热利用、联合发电等若干节能项目，实施后炼厂能源密度指数（EnergyIntensityIndex, EII）下降5个点；南非的Sasol燃料公司应用Total Site技术对公用工程系统进行分析后，提出了改善换热网络、增加联合发电等许多典型的节能项目，实施后可使公用工程需求量节约30％左右。

Aspen公司拥有众多的模拟优化软件产品，主要包括用于化工流程模拟的Aspen Plus、炼油流程模拟的Aspen RefSYS、化工流程模拟的HYSYS、动态模拟的Aspen Dynamics、换热网络优化的HX-Net和Aspen Pinch、公用工程系统优化的Aspen Utilities、实时优化的AspenPlusOptimizer、换热设备模拟计算的Aspen HTFS+ 系列产品、部分炼油反应装置模拟软件和聚合物反应模拟的POLYMER等。其中，Aspen Plus是稳态流程模拟工具，是唯一将序贯模块和联立方程两种算法同时包含在一个模拟工具中的软件产品；HYSYS原是加拿大Hyprotech公司产品，2002年Aspen公司收购该公司后，HYSYS成为Aspen公司旗下的产品，是唯一同时具有稳态和动态模拟功能的软件产品；AspenPlusOptimizer允许用户利用联立方程求解算法对拥有多个自由度的非线性目标函数优化问题进行快捷准确的求解，为过程工业的工程师提供了一种求解大型复杂工艺流程的有效工具，为实施闭环实时优化系统创造了条件，作为Aspen Plus的嵌套产品，能够全面支持Aspen Plus中涵盖的自由度、约束条件以及目标函数设定、配置等功能，可用于在线工艺优化和离线模拟。基于上述软件产品，Aspen公司进一步研究提出了能量优化整体解决方案，并借助其专家力量在许多炼化企业开展了能量系统优化分析工作。例如，Aspen于2000年对BP的Bulwer Island炼厂实施了公用工程系统优化项目，投资回收期低于1年；对位于韩国Yosu的YNCC乙烯厂开展了乙烯装置节能优化改造项目，通过操作工况调整和设备改造，实现产量增加10%、单位能耗降低2.2%；2005年，开展了中海油惠州炼油厂设计方案的能量系统优化分析，包括氢气系统分析和优化、全厂蒸汽系统分析和优化、全厂燃料和电力（热电联供）系统分析和优化、全厂范围内夹点分析等，优化后设计方案的EII从80降到61.5，相当于年经济效益2.4亿美元。

Shell GlobalSolutions公司利用其内部的专业咨询团队和引进开发的模拟优化软件开展能量系统优化分析工作，使用的软件产品包括Aspen Plus、Unisim和自主开发的ECU、SHARC、plan24tune、EMS等。其中，ECU软件用于乙烯裂解炉模拟优化、SHARC软件用于催化裂化装置模拟优化。目前，ShellGlobalSolutions已在全球29家炼厂和石化企业开展了能量系统优化实施，为炼厂降低了约2％～7％的能耗，为石化企业降低了约3％～5％的能耗。

Invensys公司在流程模拟（稳态和动态模拟）、离线和在线优化、操作员培训系统等方面拥有诸多软件产品，包括用于化工流程模拟的PRO/II、用于换热设备和网络优化的HEXTRAN、用于动态过程模拟的DYNSIM、用于在线模拟优化的ROMeo等。2002年，该公司分别为韩国Daesan的乙烯厂和日本Mizushima的炼油厂进行了乙烯公用工程系统优化；2005年，分别为Ohita的乙烯厂公用工程系统和Aichi的炼油厂公用工程系统进行优化改造。

Honeywell公司于2004年收购了用于稳态和动态模拟优化的软件产品HYSYS，2005年在HYSYS和UOP技术基础上推出了新一代流程模拟软件系统UniSim，将设计、在线优化及操作员培训系统集成在同一产品环境下，增加及强化了换热网络优化、流程过程合成等技术。其中，UniSim Desig用于稳态流程模拟，UnisimDynamicOption用于动态流程模拟，UniSim SQPOptimizer Option用于流程模拟优化，UniSim ExchangerNet用于夹点分析与换热网络设计，Profit Optimizer用于在线动态优化。

PIL公司研究开发了热回收换热网络系统设计与改造技术及HEAT-int软件、全厂蒸汽动力系统设计与操作优化技术及软件SITE-int、用于全厂氢资源管理与优化的氢夹点分析技术及软件H2-int。其中，H2-int软件产品具有独特的加氢装置建模方法和先进的数学优化方法，并与氢网络的严格流程模拟相结合，能够准确描述各单元操作，对炼厂氢气系统操作进行全局调优。目前，该公司已实施了多项能量系统优化项目，取得了较好的节能效果。例如，对BP的Grangemouth炼厂13套炼油装置（3套常减压、加氢裂化、催化裂化、重整、烷基化、多套加氢精制）和8套石化装置进行了能量系统优化分析，在只做操作调整的情况下年节能效益达到780万美元；对BP的Coryton炼厂25套装置进行能量系统优化，在只做操作调整的情况下年节能效益达到370万美元。

②国内现状

近些年，优华过程技术公司、大连理工大学、中国科学院、清华大学、华南理工大学等在引进部分国际先进模拟优化软件的基础上，自主研究形成了深度热出料和大系统热联合、虚拟温度法等专有技术，开发了换热器优化软件、换热网络优化软件和蒸汽动力系统优化软件等产品，开展了装置及装置间、换热网络、蒸汽动力系统等的能量综合优化工作，获得了较好的经济效益。

优华过程技术公司的能量系统优化技术基于过程系统“三环节”能量综合优化理论和方法形成，运用该技术已为国内炼化企业开展了40余项节能改进工程项目。其中，2002年9月通过的由广东省科技厅组织的鉴定成果“过程工业能量系统优化在石油石化行业中的工程应用”，为4家企业创效益1.2亿元/年。该公司研究开发的专有技术和软件产品包括：专用换热器优化软件（HEDO）、加氢装置热进料后的能量优化技术、深度热出料和大系统热联合专有技术、低温热的大系统综合利用技术、蒸汽动力系统优化软件（STOpti）、专用于全厂循环水系统优化的CWopti工艺包、机泵节电成套技术、换热网络优化软件（ODHEN）等。2001年，开展了大庆炼化常减压装置能量系统优化改造工程，优化改造后一套常压减少蒸汽用量2t/h~3t/h，换热终温提高10℃以上，降低燃料消耗100kg/h；二套常压提高换热终温6℃~8℃，降低燃料消耗200kg/h~250kg/h；减少大气分蒸汽用量8t/h~10t/h，增加低温热回收约2500 kW，总投资约8000万元，实现年节能效益3200万元。对原油加工能力1300万吨/年的某石化企业开展了能量系统优化，提出并实施了热供料与热联合、低温热系统优化和蒸汽动力系统优化等项目，总工程费用为1.6亿元，实现能耗降低14.9千克标油/吨，年经济效益为3.6亿元。

大连理工大学化工学院在自主创新的基础上开发出了“过程系统能量集成技术”，首次提出了“过程系统用能一致性原则”，将大规模、复杂的全过程系统从用能的本质上统一为整体，其能量集成问题转化为相应的有约束换热网络系统的最优综合问题，开发了大规模能量网络优化综合系统软件V1.0，能够有效地求解大规模系统能量集成问题；首次提出采用“虚拟温度法”（即有效温位）进行操作型与设计型的夹点分析，正确地描述能量在系统中的流动分布状况，进而做出用能状况的准确诊断；总结归纳出“过程系统能量集成策略”，指导实施过程系统用能诊断、发现瓶颈、脱瓶颈以及生产装置节能与扩容的同步优化。目前，这项技术已应用于大连、吉林、辽阳、抚顺、燕山、齐鲁等石化企业20余套生产装置的用能状况和生产能力分析，提出的节能与扩容技术改造方案已实施8项，可达到节能10%~20%及扩产20%~30%，实现年经济效益8000万元。其中，利用虚拟温度法对国内某乙烯装置冷箱系统进行用能诊断分析，找出过程系统的用能瓶颈，并针对低温过程传热温差较小以及冷公用工程采用中间公用工程的特点，提出了低温过程多流股换热器网络的综合方法，实施后冷公用工程用量降低了44.5%。

清华大学化工系过程系统工程研究所研究开发了高柔性、低灵敏度的换热网络模拟系统HEXTH和全厂总能系统优化设计工具TSES，并在燕山石化、齐鲁石化和锦西石化等得到应用。在乙烯装置模拟优化方面，开发了GK-V型乙烯裂解炉模拟分析系统PYRO-SimP和乙烯裂解炉模拟及优化系统EPSOS，并为兰州石化小乙烯装置开发了裂解反应动力学模型和全周期操作优化模型，有效指导了装置操作，为双烯产率的提高和装置乙烯综合能耗的降低提供了技术支持。此外，采用PIL公司的HEAT-int软件和清华大学的HEATSim软件，研究开发了工艺过程热回收系统优化改造的软件平台，能够进行换热网络自动设计和改造、换热网络模拟和优化等；采用PIL公司的SITE-int软件和清华大学的HEATSim软件，研究开发了全厂蒸汽动力公用工程优化改造软件，能够进行公用工程系统工程分析、汽电联产目标分析与优化、公用工程系统模拟优化等。

中国科学院过程所同日本三菱公司合作，开发了重油延迟焦化流程模拟系统，提出碳数组分模型，开发了延迟焦化反应器模型，通过Pro/II软件接口，成功嵌入到Pro/II软件中；自主开发了延迟焦化全过程流程模拟的专用软件，可完全独立于现有商业化流程模拟软件运行；提出了基于有效能的全过程能效分析模型和数据库系统，对原料、流股、单元及全过程的能量利用效率和能耗损失原因进行分析，系统可以单独运行，也可与流程模拟软件如Pro/II、Aspen等实现联接。

（3）关键技术研究及应用现状

①用能评价方法

目前，获得国外炼化企业和石油公司普遍认可的主要炼油能耗评价指标为所罗门公司提出的能源密度指数（EII）和KBC公司的最佳实践指数（BestTechnology,BT）。此外，Shell公司也有其内部专用的能耗评价指标CEL（CorrectEnergyLoss），但在进行能耗基准对比时仍需结合所罗门的EII指数。其中，EII指标由炼厂实际总能耗、装置利用能力、装置的能耗指标和界区外系统能耗等主要因素确定，能够反映炼厂装置条件、进料水平、操作条件和产品质量对能耗的影响，是考虑了炼厂复杂程度后的综合能耗指标，主要用于不同企业之间的横向竞争力对比。KBC公司的BT指数主要在纵向比较企业现有能耗与其最佳水平之间差距的基础上进行企业间排名，该指标能够较为合理的反映原料、工艺和设备对能耗水平的影响，并能指出炼化企业装置及全厂用能的薄弱环节，为企业有针对性的开展能量系统优化指明方向。由于上述指标比较客观且易于寻找节能潜力和指导节能工作，因此，在国外炼化企业开展能量系统优化分析时得到了较为广泛的应用。但是，由于用能评价方法的具体研究内容是上述公司的核心技术之一，因此具体研究内容不对外公布和转让。

国内炼油企业普遍采用的是美国阿莫科公司上世纪80年代提出的炼油综合能耗和单因耗能指标，化工业务则一直采用化工产品综合能耗指标。2005年，中国石化在原有炼油能耗计算标准的基础上进行了修订，主要是根据目前炼油装置生产工艺的变化情况对各炼油装置的能量系数进行调整。2006年，中国石油对乙烯产品综合能耗计算标准进行了修订，修改了计算范围，增加了双烯能耗等指标。上述能耗评价指标的优点是简化了能耗概念，易于各装置间的能耗对比，也易于进行炼厂间的能耗对比，但只能用于企业全厂和装置的整体用能水平分析，无法反映原料、工艺、设备等对装置能耗的影响程度，特别是不能进行装置内用能系统和用能设备关键指标的对比，不能直接用于寻找装置和系统关键环节的节能潜力。

②炼化工艺流程模拟优化技术及软件

炼化过程模拟采用的方法主要包括三类：序贯模块法、联立方程法和联立模块法。其中，序贯模块法是逐个单元模块依次序贯计算求解系统模型的一种方法，由于建模直观、易于理解，目前多数应用广泛的炼化全流程模拟软件都基于该方法开发。炼化过程的优化方法则主要包括数学规划法、人工智能法和夹点分析法（主要用于换热网络优化）。

以下综述的模拟优化软件产品主要基于上述模拟和优化方法。

Petro-SIM是一个全功能图形化过程模拟器，该模拟器将业界领先的KBC Profimatics技术和业已证明的炼厂严格过程模型结合起来，基于HYSYS.Refinery界面而开发。Petro-SIM能够建立典型的“桌面炼油厂”，还提供了一套较完整的炼油生产装置反应模型，包括催化裂化装置、催化重整装置、加氢裂化装置、加氢精制（含石脑油加氢、柴油加氢、蜡油加氢和渣油加氢脱硫）、延迟焦化、芳烃歧化、异构化等。该软件已应用于全球120多家炼化企业，在生产计划优化、PIP和能量系统优化方面取得很好的效果。

Aspen RefSYS是Aspen公司以成熟的通用流程模拟系统HYSYS为平台，并融合了Aspen和世界著名炼油技术公司UOP的各种炼油反应模型（包括催化裂化、催化重整、加氢裂化和加氢精制）而建立的适用于炼厂全流程模拟的优秀软件，能够帮助炼厂改进操作方法，更准确地对全厂效益进行预测。目前，全球排名前25个的石油公司中有23个使用该产品。

Aspen Plus是Aspen公司的化工稳态流程模拟工具，能够解决连续过程的稳态质量和能量平衡，拥有完备的数据库，产品线较长、集成能力很强，是唯一将序贯模块SM和联立方程EO两种算法同时包含在一个工具中的模拟软件，除组分、物性和状态方程外，还包括丰富的单元操作模块，具有强大的模型、流程分析功能。

Invensys公司的PRO/II产品是通用化工稳态流程模拟软件，最早起源于1967年SimSci公司开发的世界上第一个炼油蒸馏模拟器SP05。1973年，SimSci推出基于流程图的模拟器，1979年推出基于PC机的流程模拟软件Process（即PRO/II的前身）。PRO/II拥有完善的物性数据库、强大的热力学物性计算系统以及40多种单元操作模块，可用于流程的稳态模拟、物性计算、设备设计、费用估算／经济评价、环保评测以及其它计算。

ROMeo是Invensys公司与Shell公司联合开发的新一代具有开放式应用架构的在线优化系统，结合了Invensys公司在热力学和单元过程等方面的优势以及Shell公司在数学建模和优化算法方面的领先技术，是一套基于严格机理、面向方程求解的在线模拟优化系统，能够为炼油过程的模拟与优化提供全面的软件解决方案。ROMeo已成为ExxonMobil公司进行工艺过程在线优化的标准软件产品。

Unisim是Honeywell公司于2005年在HYSYS及UOP技术的基础上推出的新一代的流程模拟软件，将设计、模拟、在线优化及操作员培训系统集成在同一个产品环境下，增加及强化了换热网络优化、流程过程合成等技术。

③炼化重点装置模拟优化技术及软件

常减压蒸馏装置作为炼油厂的龙头装置，主要包括初馏塔、常压塔和减压塔等具有中间进料、多股出料、中段回流的复杂精馏塔。此类复杂精馏塔的模拟方法主要包括逐板计算法、矩阵法、F因子法，最常用的是逐板计算法，并且已形成了相应的模拟模块，如Aspen RefSys的PetroleumDistillationColumn模块、Petro-SIM的DIS-SIM、Aspen Plus的PetroFrac模块等。这些模块已应用于诸多炼厂，均能达到满意的精度。

催化裂化装置是炼油厂重要的二次加工装置，其模拟优化的核心在于反应-再生系统。目前，国内外开发的相关模拟优化软件产品主要有Aspen公司的Aspen FCC和AspenRefSYSCatCracker、KBC公司的FCC-SIM、Shell公司的SHARC等以及国内洛阳石化工程公司的FCCM。其中，Aspen FCC软件的反应模型部分采用了目前表征催化裂化反应较为全面和成熟的21集总反应动力学模型，能够比较合理地描述催化裂化的反应历程，提升管反应器模型设1个预提升段和2个反应段，产物分离部分采用关联方法进行切割，可以模拟进料性质、操作条件等变化时产物分布和产品性质的变化规律，还可以进行装置的优化计算，设定的优化目标可以是特定产品的最大收率，也可以是装置的最大经济效益，优化变量为原料预热温度、提升管出口温度、再生烟气含氧、沉降器压力、再生器压力、回炼油流量、回炼油浆、催化剂活性等。AspenRefSYSCatCracker是一款简单易用的严格机理模型，是Aspen RefSYS中的炼油单元模块，能够迅速集成到全厂流程中。KBC公司的FCC-SIM是催化裂化装置机理模拟模型，用严格的焦炭燃烧动力学原理建立热量平衡模型，具有详细的提升管反应器、再生器烧焦等动力学模型，催化剂活性模型能够为某一具体的催化裂化单元选择最优原料、转化率和催化剂等。Shell公司1995年推出的SHARC也是严格机理模型，可用于预测原料、催化剂与操作条件变化对催化裂化装置运行的影响，优化装置运行，至今已升级7次。该模型先计算出装置的碳与热平衡，再预估原料、催化剂加入率与操作条件变化对收率与产品性能的影响，使用户通过原料选择与优化、催化剂评估与控制来改善装置运行；采用Shell专有的原料特性表示技术，如用不可蒸发焦炭（NVC）预测焦炭产率比通常用康拉逊残炭更确切；具有开放式结构，易与其它在线优化器、炼油厂线性规划模型结合应用。洛阳石化工程公司的FCCM是在重油催化裂化十三集总动力学模型和催化剂再生本征动力学和再生器流动、传递模型的基础上开发的，适用于不同类型的反应器和再生器。

催化重整是炼油厂重要的二次加工装置之一，重整反应动力学模型的研究和开发是实现重整装置全流程模拟的核心内容。由于参与反应的化合物达300多种，涉及环烷烃脱氢芳构化、烷烃脱氢环化、异构化、加氢裂化等反应，这些反应或串联、或并行、或交叉，构成了复杂的反应体系，因此反应动力学模型开发过程的关键是合理简化集总组分，构造组分间的反应网络。目前，国内外学者已开发了许多集总反应动力学模型，包括Smith的4集总模型、Ramage的13集总模型、翁惠新等人提出的16集总模型、Jorge的24集总模型、Froment的28集总模型等。最具代表性的是Ramage的13集总模型，该模型广泛用于工业装置的开工、过程监视、故障诊断、优化操作及设计、研究开发指导等方面，取得了显著的经济效益。目前，部分通用流程模拟软件已内置了催化重整反应模型，如Aspen RefSYS的Reformer模块、KBC的Ref-SIM模块。Aspen RefSYS内置的催化重整反应模型可以模拟连续重整、半再生式重整装置，具有以催化剂金属的负载及历史的催化剂表现为依据的催化剂失活速率。KBC公司的REF-SIM有连续重整、半再生重整和循环单元的模型，包含由碳数及类型决定的详细的动力学反应。

加氢裂化装置作为生产高质量轻质油品的重点装置，建模要求严格。目前，几个有代表性的加氢裂化反应动力学模型包括：1）根据产品数目和沸程范围划分的四集总模型，将该模型应用于罗马什金减压馏分油及阿兰斯减压馏分油，在一定温度、压力下，反应模型预测值与实验值一致；2）窄馏分多集总反应动力学模型，此模型在较宽的原料沸程范围预测产品的沸程及收率与中试工业数据较为一致，因此被认为可借此模型内插预测未经试验的产品收率；3）按沸点和化学性质划分的七集总模型。目前，通用的加氢裂化模拟软件有Aspen RefSys的Hydrocracker模型和KBC的HCR-SIM模型。其中，Hydrocracker模型包括所有关键反应的模型，如加氢脱硫、加氢脱氮、脱金属、烯烃及芳烃饱和、开环、脱烷环化、石蜡裂解、石蜡异构化以及催化剂失活模型。KBC的HCR-SIM模型也包含所有关键反应，利用详细的热平衡计算反应床温度的上升，能够准确预测产物和氢气的消耗量。

加氢精制流程包括反应器、汽液分离器、换热器、汽提塔、离心式压缩机等，反应动力学模型包括烯烃饱和模型、脱硫模型、脱氮模型、脱氧模型、芳烃饱和模型、芳烃开环模型以及环烷烃开环模型等。目前，通用的加氢精制模拟软件有Aspen RefSys的Hydrotreator模型和KBC的DHTR-SIM模型。Hydrotreator模型包含专门的馏分油、蜡油及渣油原料模型；DHTR-SIM模型具有对所有关键反应的严格动力学表征，包括加氢脱硫、加氢脱氮、芳烃饱和及裂解，对超低硫含量级别的脱硫能够准确表征。

针对延迟焦化装置机理模型的文献报道较少，目前开发的焦化装置模拟软件产品主要有KBC的DC-SIM、洛阳石化工程公司DCLK和中国科学院过程所的重油延迟焦化流程模拟系统。其中，KBC公司的DC-SIM软件是延迟焦化装置机理模拟模型，能够模拟焦炭塔温度、循环比、操作压力和原料性质等关键工艺变量的各种影响，可以内置于Petro-SIM中使用。洛阳石化工程公司的DCLK软件是基于焦化十一集总反应动力学动态机理模型开发的可动态模拟工业延迟焦化过程的模拟优化软件，该软件可以体现工业延迟焦化装置的非稳态性等特点，能够预测焦炭塔一个操作周期内任意时刻的产品产率和焦炭塔内各物料的即时组成。中国科学院过程与日本三菱公司合作开发的重油延迟焦化流程模拟系统，包括延迟焦化反应器模型、延迟焦化全过程流程模拟、基于有效能的全过程能效分析模型和数据库系统等，能够单独运行，也可与流程模拟软件如Pro/II、Aspen等实现联接。

乙烯装置的节能优化方向主要包括裂解反应模拟优化和冷区模拟优化。目前，裂解反应模型可分为以下3类：以KSF裂解深度函数和PONA值描述裂解过程产品分布模型为代表的经验动力学模型；以kumar模型为代表的分子反应动力学模型；以SPYRO模型为代表的机理模型。主要软件产品有：SPYRO（TECHNIP）、ECU(SHELL)、OlefinSim(KBC)、PYRO-SimP(清华大学)等。其中，最成功的当属SPYRO模型，其最新的动力方案包含了涉及大约240个自由基和分子品种（或当量组分）的超过7000个反应，可以预测从C2到HVGO的裂解产品收率。SPYRO程序计算分成两个阶段，第一阶段采用简化动力学模型计算精确的压力分布和物料的温度分布；第二阶段按自由基反应机理，根据第一阶段所得温度分布进行焓平衡和基元反应的动力学计算。通过与流程模拟软件集成，联动SPYRO迭代计算，优化过程中的多方案计算和生产数据的动态模拟，使生产运行情况得到更为准确的反映，从而优化乙烯裂解原料和产物结构，达到节能增效的目的。采用此模型对裂解炉进行操作管理、原料选择和生产过程最优化，预计能够提高乙烯收率1%~4%。例如，2004年10月以后，燕山石化乙烯原料受炼油装置加工外油影响逐渐变差，乙烯收率持续下降，裂解炉运行周期明显缩短，通过对裂解原料、工艺条件、裂解产物组成等跟踪，应用SPYRO软件对裂解炉进行模拟计算，运用可用功分析、夹点分析等技术，提出了优化分离序列、换热流程和操作等优化方案。装置2005年3月开始运行，工业数据表明：在运行周期没有受到很大影响的前提下，乙烯收率提高了近1%。

④换热网络模拟优化技术及软件

换热网络优化自上世纪60年代起作为过程设计综合的一个子问题而引起重视，许多研究者对换热网络的综合优化问题进行了深入研究并用于工程实际，取得了显著的经济效益。

换热网络优化方法主要包括夹点技术、数学规划和人工智能。其中，夹点技术是Linnhoff于1982年提出的。该技术立足于热力学第二定律，主要用于换热网络综合优化。该技术从能量回收有极限值的观点出发，通过组合温焓曲线或问题表找出能量回收的瓶颈，建立最大限度能量回收的初始网络，进行投资费用与运转费用的权衡，对网络进一步调优，得到一个最优换热网络。1986年，Linnhoff和Ahmad及Floudas等两组研究人员独立地提出了求解换热网络优化最优夹点温差的不同方法，前者称为“超目标法”（Supertargeting）；1992年，尹清华、华贲等人提出不考虑流动有效能损失及匹配单元优化可能会导致所求出的解并非真正的最优夹点温差，并详细论证了同时考虑流动有效能损失、匹配单元优化及传热强化对最优夹点温差的影响，提出了改进的优化策略；Challand等（1981年）和Clbert（1982年）提出的双最小换热温差法中，组合曲线的最小换热温差取为HRAT，用以决定外供能量值，而合成网络时，个别换热单元的换热温差取为E-MAT，且EMAT<HRAT；Trivedi等提出了改进的双温差设计法，指出不应以夹点温差作为换热网络最优合成的唯一变量，区分了最大能量回收网络的最小传热温差（HRAT）和系统中换热器所允许的极限温差EMAT，同时有HRAT EMAT；王莉等在前人的基础上，提出以三温差法为基础的混合整数线性规划（MILP）转动模型，可以从整体考虑能量系统的综合，避免了温差改变时夹点位置发生变化导致夹点上下两部分物流互相换热而得不到最佳换热网络；G. T. Polley等认为不管是夹点技术还是用混合整数非线性规划（MINLP）方法，都不能保证最后设计出的换热网络是最优的，因为在综合换热网络时仅仅对换热器单元的面积作出粗略估计，以及假定出各物流的传热系数，因此提出在综合换热网络时要对每个换热器进行详细设计，满足单个换热器的传热面积要求、管程压降以及壳程压降要求；李晖等人在多温差法的基础上提出温差贡献值的计算公式，根据物流的温差贡献值计算虚拟温度，利用物流虚拟温度设计和优化换热网络。

数学规划研究方面，Grossmann等提出了混合整数非线性规划模型，减少了网络结构的复杂性；Kwok-Yuen Cheung等对投资费用与面积的关系进行细化研究，提出两者之间的非连续函数。

人工智能研究方面，主要开展了专家系统合成网络方法以及智能法合成换热网络方法的研究。此外，李志红等提出了人工智能和数学规划集成的方法，建立了换热网络结构和匹配单元同时优化的数学模型，并提出运用分解协调法求解该模型。

基于以上模拟优化技术，国内外开发的换热网络模拟优化软件包括：SimSci公司的HEXTRAN、Aspen公司的HX-NET、KBC公司的SuperTarget、青岛化工学院的HENS V2.0和优华技术公司的ODHEN等。

HEXTRAN是SimSci公司开发的换热器设计与网络优化软件，投入市场应用已有20余年。SuperTarget软件由Linnhoff等人开发，以夹点技术为模型基础，可进行过程、塔、界区等3方面的热集成，给出热回收的最佳经济指标和设计最有效的换热网络，以降低运营成本。HENS V2.0换热网络软件由青岛化工学院采用数据库、过程模拟、专家系统等技术开发而成，可用于换热网络最优合成、换热网络分析、换热器最优设计和换热网络流程模拟等。该软件在网络最优合成上采用人工智能法解决了一次实现最优合成的问题；在网络分析上采用线性规划法计算得到进出换热器的最佳温度，从而使热回收量最大；在换热器最优设计上采用了人工智能技术，在网络的流程模拟上采用了柔性序贯技术。优华技术公司的ODHEN是在夹点技术基础上开发的换热网络最优化合成设计工具软件，可根据技术经济参数和相应的物流、物性数据自动搜索到最优夹点温差△Tmin,opt初值，并生成夹点温差与操作费用、设备费用和总费用的关系图；可在物流线上直接存取物流数据及按最优传热温差方法进行物流匹配；可将匹配结果生成“单台换热器优化选型软件”的输入文件，对各换热单元进行优化选型。

⑤公用工程系统模拟优化技术及软件

公用工程系统优化的主要方法包括层次分解法和数学规划法。其中，“顶层分析法”（TopLevelAnalysis）先进行公用工程系统的用能诊断，寻找出全局节能的潜力所在，充分发挥公用工程系统的各种剩余热负荷（剩余蒸汽）转化途径作用，使剩余热发挥最大效益；范继宽等人提出的改进的顶层分析法，对公用工程系统剩余热的热功转化途径进行了分析和改进。Papoulias首先提出公用工程系统的混合整数非线性规划（MixedIntegerNon-linear Programming, MINLP）模型，利用超结构来表示公用工程系统的所有备选设计，在优化过程中选择最佳流程；邱庆刚等人基于求解大型复杂MINLP模型的混合进化算法，对大型石油化工企业复杂公用工程系统的结构和参数同步优化综合的方法进行了研究；张健等人提出了一种系统化的基于动力模块的MINLP过程优化综合方法，将超结构图分解成特定的几种设备联接类型，从而将超结构图的拓扑结构转化成基于逻辑的混合整数规划模型。

目前，开发的商业化公用工程系统优化模拟优化软件主要包括：Aspen公司的Aspen Utilities、KBC公司的ProSteam和OptiSteam、Shell公司的SmartUtil、美国Soteica公司的Visual MESA等。

Aspen Utilities软件主要从生产运营方面对供能方和用能方进行优化和管理，包括UtilitiesPlanner（公用工程计划器）、UtilitiesOperations（公用工程运营管理器）和ECM（EnergyCostManager，能量管理成本器）3个软件工具。其中，AspenUtilitiesPlanner是基于混合整数规划和过程模拟的离线优化工具，可基于工厂运营用能数据，建立以客户模型为基础的公用工程系统严格模拟模型，对公用工程的供能生产进行离线优化；同时通过与计划和调度工具的联合使用，形成一个对应于生产计划的包括公用工程采购、生产和分配的最佳计划，帮助企业按照生产的要求来管理优化公用工程系统。AspenUtilitiesOperations是在线应用工具，通过采集有关工艺单元能量需求和公用工程设备性能的实时数据并进行数据整合，动态提出最合适的能量供应策略，通过实时优化公用工程系统的管理绩效，实现对生产过程变化的能源供应调整。

ProSteam是KBC公司开发的蒸汽动力系统模拟软件，利用Excel作为平台，内含大量工程计算模块，便于工程技术人员的使用和开发。OptiSteam则是该公司为西班牙石油公司（CEPSA）下属的Gibraltar炼厂公用工程系统开发的一套优化模型，不但能处理公用工程系统的物理复杂性，还能解决公用工程系统购销合同方面的复杂事务。该软件包含蒸汽管网、燃料、蒸汽透平、锅炉、燃气轮机和其它设备的操作及相关热动力学原理，将混合整数线性规划（MILP）技术和非线性规划（NLP）技术相结合，可以找到满足工艺要求并受物质条件和设备可用性严格制约的最低成本运行数据，具有在线和离线运行功能。该软件2003年用于Gibraltar炼厂的公用工程购销合同管理、锅炉和加热炉的燃油或燃气优化、公用工程系统可控参数筛选等，仅2003年下半年已进行了350次优化运行，模型预测平均降低操作成本3%左右。

Shell公司开发的SmartUtil软件采用经济最优化模型，用给定的能源价格以及分析设备之间的关系对公用工程相关节点进行评价和优化，可实现在满足设备生产能力约束条件下，耗费最少燃料生产所需要的水、电、汽等公用产品，降低公用工程成本。

3．技术发展趋势

（1）不同软件集成开发，形成系统化的能源解决方案

经过几十年的研究开发，国际主要的技术咨询和软件公司已逐步形成了一整套成熟的能量系统优化相关软件产品，功能涵盖稳态过程模拟、动态过程模拟、工艺过程优化、换热网络优化、公用工程系统优化等。随着国际能源形势的日趋紧张和企业对节能工作的不断重视，一些软件公司开始着重于将不同软件产品集成开发，并逐步研究形成了系统化的能源解决方案，以便更加快捷、方便的帮助企业开展能量系统优化工作，实现能耗降低目标。同时，为了帮助企业有效提高产品产率、降低生产成本，快速应对市场变化和产品价格变化等问题，软件公司和技术公司越来越重视在线优化产品的开发和推广。

例如，Aspen公司将Aspen Plus、AspenPlusOptimizer、Aspen RTO（RealTimeOptimization）和其它反应装置模拟软件等加以集成并形成了AspenOne能量优化整体解决方案；Invensys公司与Shell合作开发的ROMeo具有在线实时优化功能，能够为生产操作提供具有指导性的精确实时信息。

（2）国际大型石油公司与软件公司合作开发或自主集成开发应用软件

由于国际著名软件公司拥有成熟、广泛的软件产品和丰富的软件开发经验，因此，许多国际大型石油公司与软件公司开展了密切合作，以开发符合企业内部生产需要的软件产品；一些石油公司与软件公司签订了产品长期使用协议，以满足企业生产优化和节能增效的迫切要求；一些国际大型石油公司还在引进成熟模拟软件的基础上，结合自身丰富的实际生产经验，自主集成开发了部分实用化的配套软件。

例如，Shell公司与Invensys公司联合开发了新一代具有开放式应用架构的在线优化系统——ROMeo；Shell公司与Honeywell公司充分合作，选择UniSim软件作为其全球流程设计标准；ExxonMobil公司与Invensys公司签署了一项永久许可协议，Invensys向ExxonMobil的全球下游分支业务提供动态模拟软件DynSim以及过程模拟软件Pro/II和换热网络模拟软件Hextran等；Shell公司在Aspen Plus平台上自主开发了催化裂化严格模型SHARC、乙烯裂解炉半经验模型ECU、能源管理系统EMS等软件产品，用于下属炼化企业能量系统优化工作和日常节能管理工作。

（3）国际大型石油公司建立内部专家团队，持续实施能量系统优化分析工作

目前，国外许多大型石油公司都在致力于形成自己的专业队伍和专有技术，以避免长期依赖咨询公司所产生的技术咨询费用高昂、持续工作缺乏人才支持等问题。例如，Shell和Chevron等公司纷纷培养建立了自己的专家咨询队伍，并利用商业化的系统优化分析软件、自主开发的集成技术与专家咨询团队相结合的方法，对内部企业能量利用情况进行系统评价、分析和诊断，提出节能改进方案，以便更加及时、有效的提高企业能效利用水平。其中，Shell公司下属的ShellGlobalSolutions就是为满足内部炼化企业能量系统优化分析而成立的专业技术公司，其专家队伍主要来自于Shell相关炼化技术研究部门和生产企业。

国内方面，中国石化在聘请KBC公司开展镇海石化、燕山石化、济南石化和广州石化生产增效研究的基础上，培养相关技术人员，并通过其成立的“卓越中心”进一步引进技术及培养、建立专家队伍，为持续开展能量系统优化提供了技术保障和奠定了人才基础。

（4）国际大型石油公司和技术公司注重相关节能技术的研发和积累

能量系统优化工作的顺利开展除了依托科学的能耗评价方法、先进的模拟优化软件和丰富的专家经验，还需要不断研发和积累先进的节能技术，以便为企业节能潜力点的实现提供切实的技术支持。因此，国内外相关技术咨询公司都开发和引进了大量先进实用的节能技术。

例如，KBC公司和Shell公司都拥有换热器在线结垢监测和清洗的技术及软件产品，能够在提出换热网络优化方案后，帮助企业实现实际生产过程中的换热器优化运行。

KBC公司、Aspen公司和Shell公司均拥有能源管理系统（EMS），能够对实施的节能项目效果进行监控和跟踪，以确保能量系统优化工作的持续性。

KBC公司和Shell公司都拥有独立的减压深拔技术，用于提高轻油收率、改善渣油处理模式。Shell公司减压深拔技术的关键在于减压塔空塔设计，比较适用于新建常减压蒸馏装置的设计；KBC公司的减压深拔技术通过其软件模拟计算功能，可以给出不同原油的结焦曲线和加热炉炉管的逐管计算，适用于操作优化和装置局部改造。减压深拔技术的应用可使减压炉在430℃的出口温度下安全操作，蜡油/渣油的切割点温度达到580℃以上，甚至达到630℃。