先進控制技術在常減壓裝置節(jié)能降耗方面的應用

長嶺煉化岳陽工程設計有限公司 邱崇軍

1.前言

自上世紀七十年代，基于模型預測控制為主的先進過程控制技術不斷得到提高和完善。經(jīng)過近四十年的發(fā)展和應用，應用范圍也在不斷拓寬，從線性時不變系統(tǒng)，逐漸發(fā)展到非線性、時變系統(tǒng)的多種新的預測控制技術；工程設計與實施技術也趨于成熟。

從煉油化工裝置對象來看，現(xiàn)已涵蓋大部分的煉油和化工裝置(如：催化裂化、常減壓、催化重整、延遲焦化、氣分、聚丙烯、聚乙烯、合成氨等)。先進控制技術應用于裝置生產(chǎn)過程中，已成為我國煉油和化工企業(yè)節(jié)能降耗、挖潛增效的重要手段。

2.常減壓節(jié)能措施概述

常減壓裝置是煉油廠最大的耗能裝置之一。通常，常減壓能耗占煉油總耗能的20%左右，因此降低該裝置的能耗對煉油廠的節(jié)能降耗具有極其重要的意義。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)常減壓裝置的最低能耗約為410.3MJ/t，而平均能耗則為518.3MJ/t，差距高達108MJ/t(最低能耗的26.3%)[1]，可見該裝置的節(jié)能尚有較大的挖掘潛力。目前，國內(nèi)各大煉油廠和科研機構(gòu)從設計改造、新工藝新設備的應用等方面進行了大量研究，并取得了較好效果。

而作為在線優(yōu)化和控制層面的先進控制技術，同樣發(fā)揮著不可替代的作用。實施先進控制，是常減壓裝置節(jié)能降耗的重要途徑之一。

3.常減壓裝置先進控制策略中的節(jié)能設計

根據(jù)裝置的不同特點，并結(jié)合裝置能耗分析，設計適合該裝置的先進控制方案，是先進控制在節(jié)能降耗方面發(fā)揮突出作用的前提。

從常減壓裝置的用能三環(huán)節(jié)：能量的傳輸和轉(zhuǎn)換、能量的工藝利用和能量的回收利用角度設計合理的先進控制方案(控制器結(jié)構(gòu))，是降低常減壓裝置能耗的關鍵。

3.1 熱量傳輸和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的控制器設計方案

在熱量的傳輸和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，能量的利用率為86.9%。在直接損失的能量中，加熱爐的排煙熱損失占總供入能量的8.45%。為此，針對煙氣回收系統(tǒng)設計控制器，用于提高加熱爐的熱效率、降低排煙熱損失。除此以外，為減少原油各支路進加熱爐最終混合后的熱損失，提高加熱爐的加熱原油的效率，針對原油加熱流程設計加熱爐支路平衡控制器。

3.1.1 加熱爐爐效率的先進控制策略及運行效果

加熱爐的爐效率先進控制策略一般是通過自動調(diào)節(jié)鼓風機變頻、引風機變頻、氧含量擋板開度、煙氣擋板開度來控制加熱爐的氧含量和爐膛負壓，盡可能降低入加熱爐的空氣量，減少加熱爐的熱損失。這種控制方案同樣適用于兩爐共用一個鼓風機和引風機。

圖1為控制器投用前后常壓爐煙氣氧含量(AIC1201)、減壓爐煙氣氧含量(AIC1301)對比曲線；表1為控制器投用前后常減壓爐的煙氣氧含量和爐膛負壓對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

通過圖1和表1可以看出先進控制控制器投用后，煙氣氧含量波動明顯減小，波動方差降低30%左右，煙氣氧含量平均值之差達到0.7%左右，通過控制器的卡邊調(diào)節(jié)可進一步降低煙氣氧含量，這樣便降低入加熱爐的空氣量，提高了加熱爐的熱效率。

表1 控制器投用前后煙氣氧含量和爐膛負壓對比統(tǒng)計

圖1 控制器投用前后AIC1201、AIC1301對比曲線

3.1.2 加熱爐進料支路平衡先進控制策略及運行效果

加熱爐各進料支管和爐底燒嘴雖然在爐內(nèi)按幾何對稱分布，但由于流量波動、壓力波動、各支管流量不均衡、各爐管分支結(jié)焦程度不同的影響，以及各燒嘴燃料流量、霧化蒸汽以及送風量不均衡而造成偏火現(xiàn)象，從而造成各支管進料不能均衡加熱，最終使加熱爐各支管出口溫度不平衡，會在一定程度上降低加熱爐的熱效率。

先進控制實施中，設計加熱爐支路平衡控制器，以減小加熱爐各支路的溫度偏差，提高加熱爐的熱利用率。一般設計是：通過自動調(diào)節(jié)加熱爐各支路流量，實現(xiàn)對各支路流量和出口溫度的均衡控制。

表2 控制器投用前后常壓爐進料各支路溫差對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖2 控制器投用前后常壓爐進料各支路溫差對比曲線

圖2所示為控制器投用前后常壓爐進料各支路與混合后溫差對比曲線；表2所示為控制器投用前后常壓爐進料各支路與混合后溫差對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

由圖2和表2可以看出，先進控制器投用后，常壓爐進料各支路換熱更加均衡，支路之間的溫度偏差大幅減小。

3.2 熱量工藝利用和回收環(huán)節(jié)的控制器設計方案

在工藝利用和能量回收利用環(huán)節(jié)中，裝置工藝總用能較高，大于1000MJ/t，且系統(tǒng)回收循環(huán)能較低，僅占36.1%，其它用能需要由裝置外界燃料、蒸汽和電力等進行補充。

常減壓裝置的剩余熱量，主要是蒸餾塔塔頂回流和各中段回流取出的，熱流的溫位沿塔徑方向從上而下依次升高。因而為提高原油的最終換熱溫度，應合理分配取熱，增加高溫位熱源熱量供給，進行換熱網(wǎng)絡和常壓塔的優(yōu)化控制是重要的措施之一。

3.2.1 原油換熱網(wǎng)絡實施先進控制，可以達到明顯的節(jié)能效果

一般情況下，由于原油性質(zhì)的變化、操作方案的改變以及設備約束等因素會使原油換熱各支路的熱供給量發(fā)生或大或小的變化，如果仍然保持各原油換熱支路的流量均衡，會使整個原油換熱網(wǎng)絡換熱效率下降，因而不是最優(yōu)操作。

基于以上考慮，利用先進控制技術的在線優(yōu)化和實時控制功能，針對原油換熱網(wǎng)絡設計先進控制器用于減小各原油換熱支路的換熱溫差，進而提高原油換熱效率。在工程實踐中，一般通過調(diào)節(jié)各原油換熱支路流量，來減小各支路的換熱溫差。

對于熱量供給比較充足的原油換熱支路，此種方案可通過提高被加熱物流量來提高該支路的熱交換量，最大限度地取熱，使換熱過程更加均衡，最終提高整個原油換熱網(wǎng)絡的換熱效率。

表3 控制器投用前后電脫鹽前進料各支路溫差對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 控制器投用前后電脫鹽前進料各支路溫差對比曲線

圖3所示為控制器投用前后電脫鹽前原油進料各支路與混合后溫差對比曲線；表3所示為控制器投用前后電脫鹽前原油進料各支路與混合后溫差對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

由圖3和表3可以看出，先進控制器投用后，原油進料各支路換熱更加均衡，支路之間的溫度偏差大幅減小，提高了換熱網(wǎng)絡的運行效率。

3.2.2 常壓塔先進控制器的節(jié)能設計考慮

常壓蒸餾塔是石油產(chǎn)品分離的核心設備，常壓塔先進控制的主要目標是質(zhì)量控制和產(chǎn)品優(yōu)化。但在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，優(yōu)化常壓塔的操作，同樣也可達到節(jié)能的效果。

通常，熱流溫位沿常壓塔的塔徑方向自上而下依次升高，因而在保證常壓塔汽液相分布均勻和產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，盡量提高二中和一中循環(huán)量，盡量降低冷回流量，最大限度的使高溫位熱源多換熱可提高熱量利用率。在具體實施過程，合理設置DMCplus的優(yōu)化參數(shù)可實現(xiàn)該功能。

為保證常壓塔精餾段最低側(cè)線以下塔板上有足夠的液相回流，原油進常壓塔時一般設計2%～4%的過汽化率。然而研究證明，過汽化率每提高1%可使加熱爐的負荷增加2%，因此在實際生產(chǎn)中，只要能夠保證側(cè)線產(chǎn)品的質(zhì)量，應對現(xiàn)有操作進行調(diào)整，使過汽化率降到最低，從而降低加熱爐出口溫度，節(jié)省燃料。

表4 某常減壓裝置先進控制投用后的能耗變化表

4.常減壓裝置先進控制在節(jié)能降耗方面的效益估算

先進控制投入使用后，優(yōu)化了常壓爐的操作，降低燃料消耗；優(yōu)化了換熱網(wǎng)絡并提高了高溫熱利用情況，能量消耗變化主要體現(xiàn)在循環(huán)、蒸汽以及燃料使用量三個方面，綜合考慮，能耗改變數(shù)據(jù)列表如表4所示。

根據(jù)能耗數(shù)據(jù)可以看出先進控制投用后，裝置循環(huán)水使用量有上升，蒸汽和燃料氣使用量降低，綜合能耗降幅達到了2.28%。

根據(jù)表3能耗變化，可知噸原油能耗降低：9.67-9.45=0.22千克標油，按照裝置按一年運行350天，日加工15000噸原油計，則每年可減少能耗15000*350*0.22/1000=1155噸標油，標油價格按照2300元/噸計算，則可增加效益1155*2300=2656500元，即265.65萬元。

5.先進控制實施中遇到的主要問題

先進控制技術在國內(nèi)常減壓裝置的推廣應用已有十幾年的歷史，取得了不小的進步。但是在先進控制實施過程中也遇到了一些問題，這些問題通常隨著裝置的不同特點，最終表現(xiàn)出的應用效果也不一樣。對于先進控制技術在常減壓裝置實施應用過程遇到的問題，筆者可以歸納為以下幾點：

(1)硬件設備的可靠性有待提高。

電氣閥門定位器、控制閥的可靠性較低；流量、液位變送器時常失靈；加熱爐煙氣氧含量分析儀故障率很高；可以非常有效地指導加熱爐操作的煙氣中一氧化碳體積分數(shù)在線分析儀根本無法長期正常投用；等等?；A控制條件極大地影響先進控制的應用。

這些問題會影響加熱爐的熱效率和原油換熱網(wǎng)絡及各系統(tǒng)的優(yōu)化控制。有些常減壓裝置甚至由于硬件設備不可靠而導致的先進控制實施無法正常進行下去，更別提應用效果了。

(2)企業(yè)重視程度、操作人員對先進控制的認識，有待進一步提高。

先進控制的效益體現(xiàn)在持續(xù)的投用上，并且是慢慢積累起來的，因此只有企業(yè)領導、相關單位高度重視，同時，不斷提高操作人員對先進控制的認識和操作熟練程度，才能保證先進控制有高的投用率，節(jié)能降耗、經(jīng)濟效益才能實現(xiàn)。

(3)DCS控制技術素質(zhì)有待進一步提高。

DCS所帶的高級控制功能大多沒有被使用，很多DCS僅僅被作為普通的PID控制器使用，甚至有些裝置的PID參數(shù)也很不合理。作為先進控制下層的DCS基礎控制回路問題，同樣制約著先進控制效果的發(fā)揮。

在先進控制實施過程中遇到的有些特殊性問題，首先必須充分運用DCS內(nèi)嵌的一些高級控制算法在DCS層上解決。實施先進控制前最大限度發(fā)揮DCS的基礎控制功能，有利于提高先進控制的投用效果。

6.結(jié)論與展望

先進控制技術，本身已相當成熟。該技術應用于常減壓裝置，也不存在任何不可逾越的技術壁壘。

應用效果的不同，大多取決于裝置的基礎性問題，是否得到很好的解決。例如原料性質(zhì)的頻繁變化，基礎硬件設備的故障、老化和可靠性低，企業(yè)重視程度，先進控制專業(yè)維護人員配備，等。

隨著中國石化各企業(yè)越來越重視裝置的節(jié)能降耗、精細管理和精細操作，隨著中國石化加大投入、在各裝置上大力推廣新技術，先進控制技術，將在其中扮演非常重要的角色。

隨著先進控制在各煉化企業(yè)的逐步普及，先進控制技術，必將成為裝置實現(xiàn)節(jié)能降耗、精細操作不可獲缺的工具之一。

[1]侯祥麟.中國煉油技術(第2版)[M].北京:中國石化出版社,2001.