常減壓蒸餾裝置噴氣燃料收率最大化前饋系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

于會(huì)泳，袁 泉

(中國(guó)石化北京燕山分公司煉油一廠，北京 102500)

常減壓蒸餾裝置噴氣燃料收率最大化前饋系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

于會(huì)泳，袁 泉

(中國(guó)石化北京燕山分公司煉油一廠，北京 102500)

為了優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高目標(biāo)產(chǎn)品收率、實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)行效益最大化，中國(guó)石化北京燕山分公司將在線分析儀器與先進(jìn)過程控制系統(tǒng)集成應(yīng)用，開發(fā)了常減壓蒸餾裝置噴氣燃料收率最大化前饋系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)解決了常規(guī)操作控制模式對(duì)追求裝置目標(biāo)產(chǎn)品收率所帶來(lái)的滯后問題，從傳統(tǒng)的單回路操作提升為擁有實(shí)時(shí)前饋的多變量的系統(tǒng)操作，提升了裝置的創(chuàng)效能力。

常減壓蒸餾 前饋 核磁共振 先進(jìn)控制 噴氣燃料

石油加工技術(shù)發(fā)展的最基本的動(dòng)力是如何利用具有一定性質(zhì)、組成的原油生產(chǎn)出能滿足不斷發(fā)展的質(zhì)量和數(shù)量要求的石油產(chǎn)品，以充分利用原油資源和提高經(jīng)濟(jì)效益。隨著石油煉制工業(yè)向精細(xì)化不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、過程系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)、在線分析技術(shù)在煉油工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

原油加工環(huán)節(jié)的第一個(gè)加工裝置是常減壓蒸餾裝置，在該裝置中原油根據(jù)沸點(diǎn)的不同被分離成汽油、煤油、柴油等不同的餾分，不同的餾分在不同地域的煉油廠具有不同的價(jià)值。

針對(duì)常減壓蒸餾裝置原料品種多、性質(zhì)復(fù)雜、切換頻繁的特點(diǎn)，對(duì)原油、關(guān)鍵產(chǎn)品進(jìn)行精確在線分析，再通過數(shù)據(jù)傳輸將分析結(jié)果實(shí)時(shí)提供給先進(jìn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集散控制系統(tǒng)(DCS)工藝參數(shù)的“前饋”控制，對(duì)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高目標(biāo)產(chǎn)品收率、實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)行效益最大化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 核磁共振(NMR)在線分析儀對(duì)石油及其產(chǎn)品分子結(jié)構(gòu)定量分析的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在NMR譜圖中，峰的高度和位置是分子結(jié)構(gòu)的精確反映。在對(duì)石油物理化學(xué)性質(zhì)的研究過程中發(fā)現(xiàn)：烴類分子中的各種結(jié)構(gòu)單元與烴類以及烴類混合物的物理化學(xué)常數(shù)之間存在著一定的關(guān)系，通過石油組成結(jié)構(gòu)單元能夠解析出烴的物性。同時(shí)，NMR信號(hào)與樣品的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成和物質(zhì)濃度存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此，通過訓(xùn)練NMR波譜信號(hào)與物性參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即可建立穩(wěn)定可靠、適應(yīng)性強(qiáng)的模型。NMR波譜的峰高包含了原子核濃度定量分析的所有信息，頻譜的位置則顯示了特殊結(jié)構(gòu)的分子和化合物。建立在NMR波譜信號(hào)基礎(chǔ)上的模型可以適應(yīng)原油種類、原油產(chǎn)地的頻繁變化，不需要對(duì)模型進(jìn)行頻繁的校正和升級(jí)。

2 核磁共振在線分析儀的工藝流程設(shè)計(jì)

NMR在線分析系統(tǒng)采樣部分設(shè)計(jì)采用樣品快速循環(huán)回路的方式，以保證用于NMR儀表分析的樣品與裝置中加工的樣品在時(shí)間上不存在滯后。

NMR分析系統(tǒng)可用于分析多個(gè)樣品物流，每個(gè)樣品物流都擁有獨(dú)立的快速回路，所有樣品快速回路的返回點(diǎn)都選在原油泵前，見圖1。工藝中所有物流的樣品出樣點(diǎn)與樣品返回點(diǎn)都有一個(gè)比較大的壓差，在不需要增加任何其它設(shè)備和投資的條件下，即可用NMR分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物流的在線分析。

圖1 NMR在線快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)工藝流程示意

在樣品處理系統(tǒng)內(nèi)，通過NMR的調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定物流的調(diào)度和在線分析，并在分析完成后將信號(hào)通訊給DCS。沒有進(jìn)入儀表分析的樣品，則在快速循環(huán)回路中保持持續(xù)流動(dòng)，以便于在NMR在線分析系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，用于分析的樣品與裝置中的樣品是同步的。

樣品進(jìn)入NMR在線分析系統(tǒng)后，在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行掃描操作并且得到掃描信號(hào)，信號(hào)在NMR在線分析系統(tǒng)內(nèi)處理完后，得到分析結(jié)果，并發(fā)送給DCS，先進(jìn)過程控制系統(tǒng)通過多變量預(yù)估控制，把工藝操作點(diǎn)推向?qū)崟r(shí)優(yōu)化系統(tǒng)計(jì)算出的優(yōu)化操作點(diǎn)。

燕化公司NMR在線分析儀對(duì)原料的分析項(xiàng)目包括：原油的硫含量、酸值、API重度、水含量、15～160 ℃餾出量、140～240 ℃餾出量、220～320 ℃餾出量、350～540 ℃餾出量和540 ℃以上的餾出量。對(duì)產(chǎn)品的分析項(xiàng)目包括：常壓塔塔頂油的90%餾出點(diǎn)和終餾點(diǎn)溫度，噴氣燃料的冰點(diǎn)、閃點(diǎn)和終餾點(diǎn)溫度，常二線的凝點(diǎn)。

3 分析與先進(jìn)過程控制相結(jié)合的前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 在線分析與先進(jìn)過程控制系統(tǒng)集成方案

NMR在線分析系統(tǒng)具備與DCS、先進(jìn)過程控制(APC)和實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)相連接的能力。而且，單臺(tái)核心分析設(shè)備可順序分析多個(gè)物流的多個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，同時(shí)將實(shí)時(shí)分析的原料特性和產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，傳輸給先進(jìn)過程控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用在線分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出裝置的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)控制進(jìn)行有效的過程控制補(bǔ)償，避免生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)性和盲目性。NMR在線分析系統(tǒng)、DCS和APC系統(tǒng)總體集成方案的框架結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 NMR在線分析系統(tǒng)、DCS和APC系統(tǒng)總體集成方案

3.2 噴氣燃料收率最大化的延時(shí)響應(yīng)

由于技術(shù)水平限制，APC軟測(cè)量技術(shù)無(wú)法對(duì)原油餾程等重要指標(biāo)進(jìn)行建模和預(yù)估，APC不能及時(shí)獲得原油性質(zhì)變化信息，這個(gè)重要的前饋?zhàn)兞繜o(wú)法參與APC的預(yù)估和優(yōu)化計(jì)算，降低了模型抗干擾能力，影響了控制器的投用效果。常減壓蒸餾裝置APC系統(tǒng)利用NMR原油140～240 ℃噴氣燃料餾程作為前饋?zhàn)兞?，根?jù)裝置加工負(fù)荷及固有的原油加工流程，確定噴氣燃料控制器延時(shí)響應(yīng)時(shí)間。將NMR分析得到的噴氣燃料理論收率CALCU01作為常壓塔控制器控制變量(CV)。APC控制器根據(jù)原油在線分析數(shù)據(jù)自動(dòng)修正對(duì)應(yīng)噴氣燃料抽出量FIC1302。操作員結(jié)合NMR分析儀對(duì)噴氣燃料餾分的在線檢測(cè)結(jié)果，及時(shí)修改噴氣燃料操作變量的上、下限，為控制器提供足夠的調(diào)節(jié)自由度。控制器根據(jù)可用的調(diào)節(jié)自由度，向各操作變量(MV)發(fā)送操作信息，自動(dòng)協(xié)調(diào)汽提塔液位和閥位約束，調(diào)節(jié)側(cè)線氣相溫度等相關(guān)CV變量，減少組分重疊，在確保噴氣燃料質(zhì)量合格的前提下，將噴氣燃料抽出量推向最大。前饋系統(tǒng)先進(jìn)控制器的主要操作變量見表1，前饋系統(tǒng)先進(jìn)控制器的主要被控變量見表2。

表1 前饋系統(tǒng)先進(jìn)控制器的主要操作變量

表2 前饋系統(tǒng)先進(jìn)控制器的主要被控變量

3.3 原油及噴氣燃料在線分析的流程實(shí)現(xiàn)及操作條件

在原油泵出口流量控制閥后開孔，作為NMR在線分析系統(tǒng)的原油出樣點(diǎn)，實(shí)時(shí)取樣，用于NMR在線分析。原油樣品通過快速回路和NMR分析采樣管線返回原油泵入口。NMR分析后，得到原油的9項(xiàng)分析數(shù)據(jù)，通過MODBUS通訊直接傳送給DCS。

噴氣燃料餾分NMR在線分析的出樣點(diǎn)位置在系統(tǒng)流程換熱器出口，出樣后，通過快速回路和NMR分析采樣管線返回原油泵入口。NMR分析后，得到噴氣燃料餾分油的冰點(diǎn)、閃點(diǎn)和終餾點(diǎn)的分析數(shù)據(jù)，通過MODBUS通訊直接傳送給DCS。

在線分析儀器每28 min提供1組原油、噴氣燃料的質(zhì)量分析數(shù)據(jù)，前饋系統(tǒng)先進(jìn)控制器根據(jù)此數(shù)據(jù)，調(diào)整優(yōu)化各主要操作參數(shù)(見表3)，使產(chǎn)品質(zhì)量逐步向指標(biāo)靠近，以期達(dá)到提高產(chǎn)品收率的目的。

表3 關(guān)鍵操作條件

4 前饋控制系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

4.1 在線分析系統(tǒng)運(yùn)行情況

前饋系統(tǒng)集成的NMR在線分析儀的現(xiàn)場(chǎng)工作性能非常穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)室與NMR在線系統(tǒng)的對(duì)比分析結(jié)果見圖3～圖6。由圖3～圖6可知，NMR在線分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果的誤差很小，能夠滿足前饋控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化的需求。

4.2 關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量控制

利用實(shí)時(shí)的在線分析數(shù)據(jù)，前饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整，噴氣燃料關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)逐漸接近指標(biāo)值(冰點(diǎn)不大于-48 ℃，終餾點(diǎn)不大于250 ℃，閃點(diǎn)不小于40 ℃)，減少了質(zhì)量過剩，收率也得到較大的提升，從而在產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下盡可能將噴氣燃料抽出量推向最大，詳細(xì)的產(chǎn)品質(zhì)量分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖7～圖9。

圖3 原油的實(shí)沸點(diǎn)蒸餾140～240 ℃餾出量分析結(jié)果■—實(shí)驗(yàn)室分析；■—在線分析；▲—偏差量。 圖4～圖6同

圖4 噴氣燃料的樣品冰點(diǎn)分析結(jié)果

圖5 噴氣燃料的閃點(diǎn)分析結(jié)果

圖6 噴氣燃料的終餾點(diǎn)分析結(jié)果

圖7 噴氣燃料的冰點(diǎn)分析數(shù)據(jù)

圖8 噴氣燃料的終餾點(diǎn)分析數(shù)據(jù)

圖9 噴氣燃料的閃點(diǎn)分析數(shù)據(jù)

4.3 噴氣燃料產(chǎn)品收率變化情況

2011年4月之前噴氣燃料餾分的平均收率為9.47%，2011年4月裝置及系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)后，噴氣燃料餾分的平均收率為10.26%。系統(tǒng)投用前、后噴氣燃料產(chǎn)品收率變化情況見圖10。由圖10可見，前饋系統(tǒng)上線運(yùn)行后，通過不斷地優(yōu)化，噴氣燃料收率明顯上升。前饋系統(tǒng)成功投用后，產(chǎn)品噴氣燃料的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了卡邊操作，在原油品種變化不大的情況下，噴氣燃料收率提高了0.79百分點(diǎn)，且常壓塔各餾出口抽出溫度波動(dòng)小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了目的產(chǎn)品收率最大的目標(biāo)。

圖10 噴氣燃料的收率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

常減壓蒸餾裝置噴氣燃料收率最大化前饋系統(tǒng)的成功開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了在線分析與先進(jìn)控制系統(tǒng)集成。在線分析選用核磁共振技術(shù)，在常減壓蒸餾工藝上尚屬首次。在線分析結(jié)果直接傳輸給先進(jìn)控制系統(tǒng)作為前饋信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整，及時(shí)修改目標(biāo)產(chǎn)品的相應(yīng)控制指標(biāo)，在確保質(zhì)量合格的前提下，自動(dòng)將噴氣燃料抽出量推向最大。

通過應(yīng)用前饋系統(tǒng)，常減壓蒸餾裝置從傳統(tǒng)的單回路操作提升為擁有實(shí)時(shí)前饋的多變量的系統(tǒng)操作，提高了裝置的操作平穩(wěn)性，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步降低了能耗，提升了裝置的創(chuàng)效能力。在先進(jìn)過程控制技術(shù)工業(yè)化與信息化的深度融合等方面，找到了與石油化工生產(chǎn)實(shí)際的契合點(diǎn)。

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF FEEDFORWARD SYSTEM IN ATMOSPHERIC AND VACUUM DISTILLATION UNIT FOR MAXIMIZING JET FUEL YIELD

Yu Huiyong，Yuan Quan

(No.1RefineryofYanshanCompany，SINOPEC，Beijing102500)

A feedforward system for maximizing jet fuel yield in 8 Mta atmospheric and vacuum distillation unit has been developed based on integration application of on-line analytic instruments and advanced process control system.The application indicates that the system has solved the lag issue brought by routine operation control mode which is in pursuit of target product yield of the unit.The original conventional single loop operation is upgraded to a multivariable system operation with a real time feedforward and the efficient creating capacity of the unit is thus increased.

atmospheric and vacuum distillation；feedforward；nuclear magnetic resonance；advanced control；jet fuel

2013-06-09；修改稿收到日期：2013-10-15。

于會(huì)泳，高級(jí)工程師。1998年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)石化北京燕山分公司煉油一廠從事工藝技術(shù)管理工作。

于會(huì)泳，E-mail：yuhuiyong.yssh@sinopec.com。