1. 方案背景与目标

在“双碳”目标引领下，全球能源结构加速向清洁低碳转型，天然气作为含碳量最低的化石能源，在一次能源消费中的占比持续提升。我国《“十四五” 现代能源体系规划》明确提出，2025 年天然气在一次能源消费中的占比将提高至14% 左右，2030 年进一步提升至 15% 以上。

天然气净化厂作为天然气产业链的核心环节，承担着脱硫脱碳、脱水、硫磺回收等关键任务，直接决定天然气品质与环保排放水平。2024 年我国天然气消费量达 4260.5 亿立方米，其中 60% 需深度净化处理，预计 2030 年净化需求将突破 3600 亿立方米，市场规模达 5000 亿元。随着环保标准趋严，天然气中硫化氢含量限值从 20mg/m³ 降至 10mg/m³，硫回收率要求从 99.2% 提升至 99.6%，推动净化技术向深度处理方向发展。

目前天然气净化厂虽实现了部分基础控制回路的自动化，但仍以单回路和简单串级控制为主，不能自动优化装置运行参数，报警频次高，无效报警难以消除，需要操作员工随时关注、及时干预，尤其是在原料气气质气量变化、装置波动等工况下，工艺参数调整更加依赖经验和技术，需要人为控制。此外，部分生产运行关键参数不易直接计算和预测，无法有效指导生产运行，存在操作经验依赖度大、平稳性较差、能源消耗偏高等问题。在这一背景下，以建模、控制和优化为代表的和利时基于机理模型的天然气净化厂国产化全流程自主运行方案成为应对上述挑战的有力工具。方案以全国化产先进过程控制系统（Advanced Process Control, APC）、实时优化系统（Real Time Optimization, RTO）和高级报警管理系统（Advanced Alarm Management System,AAS）为核心，可进一步挖掘装置潜在效益，实现装置精细化控制和“卡边”优化，从而达到最大限度地发挥装置的生产能力、减少能源和设备损耗、提升产品质量、降低人员干预，减少系统无效报警等多重目标，为企业创造更多经济效益，最终实现天然气净化厂“安全、稳定、连续、自动、优化”的全流程自主运行目标。

2. 方案详细介绍

2.1装置控制难点分析

脱硫单元控制难点分析：为了保证产品质量合格，减少操作工作量，工厂采取固定脱硫贫液循环量，只有在季节交换时根据经验调整循环量和入塔层数，部分时段，未运行到最优能耗工况；再生塔蒸汽流量是依据经验，按照蒸汽/贫液循环量比值控制，没有根据工况变化及再生塔分离温度进行连续调整，部分时段，未运行到最优能耗工况；脱硫单元部分控制回路，如吸收塔液位、闪蒸塔液位、闪蒸塔压力等，PID回路调节作用较小，无法应对系统波动情况，部分时段也会出现切除PID回路，进行手动调整。

硫磺回收单元控制难点分析：硫磺回收硫比值虽然有比值控制，但目前波动较大；主燃烧炉、一级再热炉、二级再热炉炉膛温度均有滞后性，传统PID控制无法应对波动问题，部分时段存在燃料气过量的情况；随着原料气量、气温变化、贫液入塔层数、贫液循环量等参数变化，酸气浓度会发生较大波动（35%~50%）。

尾气处理单元控制难点分析：尾气吸收塔为了保证环保指标合格，减少操作工作量，采取固定贫液循环量，只有在季节交换时根据经验调整循环量，部分时段，没有运行到最优能耗工况；尾气吸收再生塔蒸汽流量是依据经验，按照蒸汽/贫液循环量比值控制，没有根据工况变化及再生塔分离温度进行连续调整，部分时段，没有运行到最优能耗工况；在线灼烧炉整体调整滞后性较大，炉膛温度波动较大。

2.2生产控制全流程自主运行控制方案

本方案紧密围绕国家能源战略，结合天然气净化厂的实际需求，在与天然气净化厂专业技术人员长时间深入沟通的基础上，精准识别天然气净化厂全流程控制难点，综合利用多变量预测控制器、PID控制回路及性能评估系统、实时优化及对现场的报警处置的优势，开发出一套基于AI调控的适用于天然气净化厂的全流程全国产化APC+RTO+AAS智能优化控制方案，旨在解决现有控制系统的不足，提升天然气净化厂在生产过程中的自动化水平与稳定性，助力生产过程更高效、低耗、环保，达成生产控制全流程自主运行目标。

图1 方案整体构架图

（1）全国产化软、硬件集成方案

系统实现软件、硬件全面国产化，实现天然气智能工厂核心技术自主可控。其中软件部分先进控制系统、实时优化系统、控制回路性能评估系统、AAS高级报警管理系统均由和利时自主研发，核心代码与核心算法均具备完全自主知识产权，无第三方知识产权依赖。软件系统在DCS系统平台之上实施的，采用上位机方式实现。系统硬件系统采用的全国产飞腾CPU、操作系统采用麒麟操作系统、关系型数据库采用达梦数据库，硬件通过以太网与DCS系统直接连接，建立先进控制、RTO实时优化、控制回路性能评估系统上位机与DCS控制站数据传送的物理链接。系统的硬件结构如下图2所示。

 图2 系统网络结构图

（2）先进的APC优化控制方案

在深入分析装置工艺现状和过程控制需求的基础上，应用多变量预测控制、智能控制、软测量等先进控制技术，将模型预测和反馈控制有机结合，有效解决装置生产过程中的多变量协调优化过程控制问题，抑制干扰因素，达到统一操作方法，减少人为因素影响，保证生产操作的一致性，实现装置的平稳控制，并通过动态优化工艺参数，稳定产品质量，降低能耗，提高经济效益。

 1）多变量模型预测控制

多变量模型预测控制是一种基于模型的闭环先进控制策略，其通过预测模型、滚动优化和反馈校正的步骤实现多变量、大时滞、多约束以及强耦合等过程的控制。其中预测模型有效地反映了对象的过程特性，滚动优化通过不断地计算及滚动的特性，实现了对象的动态控制及预测，反馈校正则确保系统可以闭环运行。同时，其特有的隐式解耦能力可有效地克服传统分散控制、解耦控制所带来的繁琐和缺陷问题，从而使模型预测控制算法成为工业过程递阶控制结构中介于基础控制级与优化级之间极为重要的动态控制级。多变量模型预测控制算法已在石油化工等复杂工业过程中获得了成功应用，成为目前先进控制的首选方法，用来解决复杂工业过程系统的控制问题，实现复杂工业过程的先进控制。

2）智能专家控制

智能控制是以生产专家以及操作人员的经验为基础，应用拟人化的思维方法、规划及决策实现对工业过程先进控制的一种技术。亦可以说是由人工智能、自动控制及运筹学三个主要学科相结合的产物，是一种以知识工程为指导的，具有思维能力和学习、自适应调整及自组织功能的先进控制思想和策略。对于一些存在着严重不确定性过程，以经典控制和现代控制理论为指导的、基于被控对象数学模型的传统控制方法已经显示出不适应性，而智能控制理论和方法在处理高度复杂性和不确定性方面表现出了灵活的决策方式和应变能力。因此，智能控制已经成为解决复杂工业过程控制问题的一种有效方法。

3）软仪表

软仪表技术是依据最优化准则，通过构造以可测变量为输入、被估变量为输出的数学模型，用计算机软件实现重要过程变量估计的一种技术。这类数学模型及相应的计算机软件也称为“软测量”。软仪表技术的核心是建立目标变量和辅助变量的模型。模型的建立大致可以分为机理建模、经验建模、混合建模，其中以混合建模方法应用最为广泛。软仪表技术能够有效利用生产实时数据对生产中一些无法实时检测到的重要参数进行实时计算，为多变量预测控制器的优化计算提供信息支撑。

4）具体实施方案

根据生产装置的分布、人员配置及操作习惯等情况，将天然气净化厂设置了4组APC控制器，具体控制目标如下：

脱硫单元（脱硫吸收塔、闪蒸塔、脱硫再生塔）APC优化目标：通过APC项目的实施，稳定天然气中H₂S含量，保证净化气品质合格；实现脱硫单元吸收塔液位稳定控制，防止液位及采出流量出现频繁的间歇扰动，对后系统的波动；实现闪蒸塔压力、液位的稳定控制；稳定再生塔顶部温度，保证再生塔平稳运行。

硫磺回收单元（酸性气燃烧炉、一级再热炉、一级克劳斯反应器、二级再热炉、一级克劳斯反应器）APC优化目标：通过APC优化酸性气炉主空气量、平衡空气量，稳定燃烧炉温度及过程气中H2S/SO2比值；优化焚硫炉的分流比值来稳定控制燃烧炉炉膛温度；平稳控制一级再热炉温度、二级再热炉温度，稳定克劳斯反应器的转化效率；通过调整废热锅炉补水流量调节阀、入蒸汽总管压力调节阀，实现废热锅炉系统稳定控制。

尾气处理单元（尾气在线炉、尾气灼烧炉）APC优化目标：通过APC调节尾气在线炉燃料气流量、空气流量，稳定控制在线炉温度、烟气氢气含量；通过调节灼烧炉燃气流量、一次空气流量、二次空气量平稳控制灼烧炉温度、尾气含量、一次风系数、燃烧系数；通过优化控制余热锅炉补水流量、余热锅炉至低压蒸汽总管压力调节阀，来稳定控制余热锅炉液位及压力。

尾气处理单元溶液吸收段（急冷塔、尾气吸收塔、尾气再生塔）APC优化目标：通过APC调节急冷塔急冷水量，稳定控制急冷塔塔顶温度；通过调整吸收塔液位调节阀、吸收塔溶液循环量稳定吸收塔液位及吸收塔塔顶温度；通过调节热再生塔再沸器蒸汽流量，平稳控制出塔温度。

（3）RTO实时优化方案

本技术方案以工艺动态模拟研究阶段搭建的单装置及全流程离线模型为基础，率先构建起脱硫吸收塔/脱硫再生塔、一二级克劳斯反应器、在线炉、尾气吸收塔/尾气再生塔等核心设备的机理模型，实现了动态模拟数据与现场真实工况的深度融合。本方案依托和利时自研的高保真流程模拟软件GPRES对生产装置进行1:1精准复刻，同时采集海量现场运行数据完成机理模型的迭代校正，确保模型能够真实还原装置实际运行状态。在此基础上，采用Sobol 序列工况网格化，利用低差异序列（Sobol）对参数空间进行均匀覆盖采样，优于传统伪随机序列，确保工况点的代表性。再通过知识蒸馏与灰箱代理模型，将严格机理模型的复杂规律“蒸馏”至轻量化神经网络中，构建融合第一性原理与现场数据的灰箱模型，融合多线程计算、数据压缩及调用优化算法完成模型高效求解；并结合原料组分波动、外界环境变化及生产安全等多重约束条件，在保障生产安全的前提下，通过 RTO 非线性寻优技术锁定最优操作工况，最终将传统实时优化 20 分钟的计算时长压缩至 1 分钟以内，成功实现装置运行的分钟级动态寻优。

脱硫单元（脱硫吸收塔、脱硫再生塔）RTO优化器：  在保证产品气质量满足一类天然气指标要求的情况下，以脱硫装置经济效益最大化为目标函数，根据原料负荷、吸收塔压力等输入变量，优化贫液入吸收塔流量、重沸器蒸汽流量、贫液入塔层数、去吸收塔贫液温度，确保湿净化气在线分析（H2S）、脱硫-再生塔顶温等满足约束条件，并将最优设定值推优给APC系统。再通过APC优化调整，尽量提高脱硫装置经济效益。相对未投用时，实现脱硫装置经济效益最大化。

硫磺回收单元及尾气单元还原段（一级再热炉、一级克劳斯反应器、二级再热炉、二级克劳斯反应器、尾气在线炉）RTO优化器：在保证尾气指标满足排放要求的情况下，以一级再热炉、二级再热炉、尾气在线炉燃料气消耗最低为目标函数，根据酸性气流量、压力及空气压力等输入变量，优化一级再热炉炉温燃料气、二级再热炉炉温燃料气、尾气在线炉燃料气流量控制、尾气在线炉空气流量，满足过程气中H2S/SO2比值尾气在线炉炉膛温度、尾气H2在线监测等约束条件，并将最优设定值推优给APC系统。再通过APC优化调整，优化控制进一级再热炉燃料气、进二级再热炉燃料气、尾气在线炉燃料气消耗量，尽量降低燃料气消耗。相对未投用时，实现燃料气消耗量降低。

尾气处理单元吸收段（尾气吸收塔、尾气再生塔）RTO优化器：在保证尾气指标满足排放要求的情况下，以尾气吸收塔、尾气再生塔综合能耗最小为目标函数，根据硫磺回收单元酸气总流量、硫磺回收单元空气总流量等干扰变量，通过优化急冷塔急冷水水流量、吸收塔溶液循环量、尾气再生塔再沸器蒸汽流量，满足急冷塔塔顶温度、吸收塔塔顶温度、再生塔塔顶温度等约束条件，推优给APC系统。再通过APC优化调整，尽量降低尾气再生塔蒸汽消耗量。相对未投用时，实现蒸汽消耗量降低。

 图3 RTO优化工作流

项目提供的严格在线优化系统，与先进控制系统集成。来自DCS平台的装置数据，参与优化系统的控制变量、操作变量和干扰变量的数据，通过实时数据库，传递到实时优化平台进行数据整定和严格计算，优化目标的设定点给到先进控制服务器。先进控制服务器通过模型预测控制器实时地与DCS双向数据通讯，根据实时优化给定的优化目标，通过DCS对装置实施控制。

 图4 APC优化工作流

（4）PID参数优化及回路性能监控

天然气净化厂生产过程中，比例积分微分控制（简称PID控制）策略应用最为广泛，90%以上的自动控制回路采用了PID控制策略。为了提高装置的自控率，解放劳动力，以全厂各装置为应用对象，实施全厂PID参数优化，提高各装置PID控制回路的运维管理水平，实现PID控制回路实时检测、性能批量评估和参数整定优化，实现PID回路的集中量化管理和智能运维，及时发现性能不佳的控制回路，提升PID回路维护的及时性和有效性，最终平稳生产操作、提升质量水平、降低能耗、提高效益、减少事故。

对生产装置搭建PID控制器性能管理平台，通过合理配置和部署，满足装置级对控制回路性能管理的要求。系统可完成基础回路、APC控制回路、软仪表等系统数据采集、分析、回路性能评价以及优化PID参数整定等，并形成灵活的报表，帮助用户依据控制性能评级，及时发现性能不佳的控制回路或软仪表，提升PID回路、APC回路及软仪表维护的及时性和有效性，并最终平稳生产操作、提升质量水平、降低能耗、提高效益、减少事故，做到控制回路性能实时运行可视化。

图5 PID性能监控界面示意图

（5）AAS高级报警管理方案

现代过程工业装置及辅助设施报警设置繁杂，报警信息频繁出现，重要和次重要的报警信息都会产生报警，这不仅对中控室操作员造成压力，还可能出现操作人员忽视或者监控报警信息不及时，导致安全隐患，以及不必要的损失。

为解决全厂生产装置报警泛滥的问题，本方案建立了一套AAS高级报警管理系统，对当前的报警系统进行优化处理，消除无效报警，降低报警率，便于操作工及时发现设备故障隐患，降低安全生产风险，提高生产效率，为装置关键指标平稳率及性能考核提供数据支撑。

3 代表性及推广价值

本方案以助力国家“双碳”战略和两化融合为目标，针对天然气净化厂在智能、绿色转型与产能提升过程中所面临的操作经验依赖度大、控制滞后、报警泛滥、能耗高等、环保压力大等核心痛点，创新性地提出了基于机理模型的天然气净化厂的先进过程控制（APC）、实时优化（RTO）与高级报警管理（AAS）的国产化全流程自主运行解决方案。

3.1 创新点

创新点1：高效的全国产化天然气净化厂全流程自主运行优化方案

实现天然气净化厂全流程自主运行：通过先进控制系统+实时优化+高级报警管理系统等关键技术，实现全国产化天然气净化厂全流程自主运行的建立，在国内外处于领先水平。本方案的应用可极大提高天然气净化厂的自动化水平，降低操作人员的劳动水平，降低能耗。

创新点2：基于高精度机理降阶模型的实时优化系统

方案采用了最新的基于高精度机理降阶模型的实时优化系统，在国内处于领先水平。主要创新内容：

（1）1:1复刻装置运行情况：采用高保真的流程模拟软件，通过1:1复刻运行装置，构建还原现场物理化学过程的严格机理模型，并采集大量数据对机理模型进行校正，真实还原现场装置。

（2）Sobol 序列工况网格化：利用低差异序列（Sobol）对参数空间进行均匀覆盖采样，可覆盖全部工况，优于传统伪随机序列，确保工况点的代表性。

（3）知识蒸馏与灰箱代理模型：将严格机理模型的复杂规律“蒸馏”至轻量化神经网络中，构建融合第一性原理与现场数据的灰箱模型，实现分钟级的高精度实时推优。

与国内外同类技术相比，本方案实现了知识蒸馏与灰箱代理模型的轻量化实时优化，将实时优化计算时间从传统20分钟缩短至1分钟以内，实现分钟级动态寻优。

创新点3：先进的过程控制技术

本方案中采用了自主研发的先进过程控制（APC）技术，基于状态空间模型进行预测控制，并使用创新的稳态优化算法解决矛盾和经济优化问题。主要创新内容：

（1）多层结构：采用分层控制结构，将稳态优化、动态优化和基础控制相结合，实现全方位、多层次的先进过程控制。

（2）模型类型：采用自主研发的状态空间模型进行预测控制。相对于传统的序列数据模型，本项目采用“白盒”状态空间模型作为核心，通过揭示过程内部动态提升控制的透明度，状态空间模型能够更全面地利用模型内部状态信息，提高控制精度和响应速度。

（3）扰动估计：扩张状态空间模型能够高效地估计不可测扰动状态，在复杂多变的工业生产环境中提供高品质的多变量控制效果，显著提升了系统的鲁棒性和稳定性。

（4）稳态优化算法：能够在多变量条件下实现经济最优控制，还能处理复杂的多约束条件，并提供多种优先级处理策略，确保优化过程的高效性和可靠性。

（5）时变模型：实现了时变增益和增益调度控制器，在应对时变过程的大范围工况变化时，提供优化的全局控制性能。

与国内外同类技术相比，状态空间模型预测控制技术在控制精度、扰动估计和多变量控制效果方面具有显著优势，能够更好地应对工业生产环境；稳态优化技术在处理多变量条件和实现经济最优控制方面表现突出，优化算法更为先进，调试过程更加简便，显著提升了系统的整体性能和用户体验，能够更好地满足生产过程中的复杂需求。

创新点4：智能回路性能评估与PID参数整定

方案采用了最新的回路性能评估技术，结合PID参数整定，在国内处于领先水平。主要创新内容：

（1）性能评估与提升：采集回路的相关历史数据，从数据挖掘运行状态，智能评定回路的性能指标，评定回路的优劣，并且针对PID参数不好的回路，采用PID参数整定功能对PID参数进行整定。

（2）关键参数指标：通过历史数据计算回路的自控率、平稳率、非线性、振荡指数、粘滞系数等关键参数，实时评价回路性能，及时发现问题并为解决问题提供建议，提升回路自动化水平。

与国内外同类技术相比，本方案的回路性能评估与PID参数整定技术能够提高现场控制回路的自动投运品质，从而提高装置产能和质量。

3.2 示范性

中国是全球最大的天然气净化市场和应用国，天然气净化产物在能源、化工、民生等领域广泛应用，其市场需求巨大。本方案通过应用多变量模型预测控制（MPC）、实时优化（RTO）、高级报警管理系统（AAS）等技术，形成了一套适用于天然气净化厂全流程自主运行控制的解决方案。该方案的设计具有高度的通用性和灵活性，也可根据不同企业的实际需求进行定制化调整。这一特性使得该方案具备了较强的复制性和推广性，可以为其他天然气净化厂企业提供可参考的模板，加快其智能化转型的进程。

此外，方案还成功融合了工业互联网技术，通过构建数据中心，实现了智能化业务融合与 IT 资源的智能化管理。这种以数据为驱动的管理模式，不仅提升了生产管理的精准度，也为未来的智能制造奠定了坚实的基础。通过推广这一模式，可以为整个天然气净化行业，乃至整个化工行业提供有力的示范和引导作用。

3.3 推广价值

3.3.1 经济效益

（1）在满足装置约束的前提下，提高装置生产的平稳性，减少人为操作，降低操作频次80%以上；

（2）APC项目实施完成后关键被控变量标准偏差（波动幅度）降低≥30%，大幅度增加装置生产的平稳性；

（3）在相同工况下，预期可降低脱硫装置蒸汽消耗量5.0%，预期可降低尾气处理装置蒸汽消耗量5.0%、预期可降低灼烧炉天然气消耗量2.0%；

（4）通过对报警优化，降低无效报警频次95%以上；

（5）提升了整个脱硫、硫磺回收及尾气处理装置的自动化水平，改善生产过程的动态性能，提高了系统的稳定性、安全性，不在需要操作人员24小时内时刻操作关键指标，减少了人为误操作或疲劳操作带来的安全风险或停车风险；

（6）系统稳定后，同时也会带来其他不容易测量的能耗指标下降，如：电能、燃料气等能源消耗；

（7）减少对各个精馏塔塔盘、焚硫炉的温度及反应器的温度波动，延长脱硫、硫磺回收及尾气处理装置的设备及催化剂使用寿命，提高装置的连续运行周期。

3.3.2 社会效益

（1）绿色经济：可以进一步提高资源的利用率，节能降耗，为企业增收利润；可以有效地减少精馏塔的蒸汽消耗，提高燃料气的转化率，提高清洁利用率，降低燃料气的使用量，减少温室气体的排放，有着明显的社会效益；

（2）环保达标：可以有效降低硫回收出口SO₂及H₂S气体的排放，保障尾气达标排放，防止出现环保事故等恶劣事件的发生；

（3）设备与运行优化：关键设备的控制指标会更加精确，尤其是焚硫炉温度、反应器的温度、精馏塔的回流比的精准控制，减少了对反应器和精馏塔的冲击，延长设备、催化剂使用效率，提高连续运行周期，减少因操作导致设备损坏的开停车次数，进一步降低污染物排放；

（4）符合国家战略：能够实现各个装置中关键变量的预测及自动控制，极大降低了操作工的劳动强度，提高了系统的安全性，改善了一线操作人员的工作环境，实现整个净化厂全流程的智能工厂建设；

（5）知识与管理提升：通过引入最先进的APC+RTO+AAS全自主运行控制方案，让管理人员与操作人员提前接受先进知识，同时也提升了整个装置的生产管理水平。