400 萬噸/年蠟油加氫裂化裝置動態(tài)仿真

郭振剛，鄒利妮

(1 浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316200；2 圣泰工程軟件有限公司，北京 100125)

隨著煉油生產(chǎn)裝置及設(shè)備趨向于大型化、復(fù)雜化、連續(xù)化以及自動控制水平的提高，對生產(chǎn)操作人員的操作能力和技術(shù)水平提出了更高的要求，動態(tài)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)(Operator Training Simulation，OTS) 的在員工培訓(xùn)、裝置操作分析和控制系統(tǒng)的研究起到了重要的作用[1]。OTS 仿真模擬技術(shù)包括 DCS 操作過程、控制邏輯、聯(lián)鎖邏輯的動態(tài)過程模擬，它基于精確的熱動力學(xué)方程和傳質(zhì)動力學(xué)模型，可逼真地模擬工廠的開車、停車、正常運行和各種事故過程的現(xiàn)象和操作，加深員工對裝置操作規(guī)程的理解，使操作員系統(tǒng)的了解工藝流程和裝置，幫助員工積累操作經(jīng)驗、熟悉工藝、提高操作 技能，是生產(chǎn)裝置操作工培訓(xùn)和工藝方案研究的高效手段[2]，OTS 仿真模擬培訓(xùn)在新建裝置開車前顯得尤為重要[3]。

1 工藝概述

浙江石油化工有限公司400萬噸/年蠟油加氫裂化裝置由反應(yīng)部分、分餾部分、低分氣脫硫部分、脫異戊烷部分和公用工程部分組成，采用雙劑串聯(lián)一次通過加氫裂化工藝[4]，是我國目前規(guī)模最大的單段串聯(lián)一次通過工藝流程裝置。在反應(yīng)部分原料蠟油和氫氣混合后經(jīng)加熱后達到反應(yīng)溫度，在反應(yīng)器內(nèi)催化劑上進行加氫精制和加氫裂化反應(yīng)，完成蠟油裂化成輕質(zhì)油[5]。在分餾部分反應(yīng)產(chǎn)物在汽提塔中將溶解的硫化氫和干氣分離出來，生成油在分餾塔內(nèi)進行氣液兩相充分接觸進行熱交換和質(zhì)量的交換，側(cè)線產(chǎn)品有重石腦油、航煤、柴油。脫丁烷塔分離出C4及C4以下組分，石腦油分餾塔對輕、重石腦油進行有效分離，脫異戊烷塔脫除輕石腦油中異戊烷組分，為下游乙烯裂解裝置提高優(yōu)質(zhì)原料。裝置流程示意如圖1所示。

圖1 蠟油加氫裂化裝置流程示意

2 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)

2.1 Dynsim 基本動態(tài)模型的搭建

由裝置工藝流程知，要建立的數(shù)學(xué)模型涉及反應(yīng)器、汽液分離器、換熱器、汽提塔、離心式壓縮機等，用流程模擬軟件Dynsim的模擬仿真，建立模擬需要輸入數(shù)據(jù)較詳細，主要的文檔包括：工藝流程描述、PFD圖、P&ID圖、物料平衡表、開停車操作規(guī)程、儀表控制邏輯、聯(lián)鎖控制邏輯、設(shè)備數(shù)據(jù)表等。根據(jù) P&ID圖流程建立一個能滿足建模范圍和內(nèi)容要求、能收斂的并達到穩(wěn)態(tài)的Dynsim基本動態(tài)模型，如圖2、圖3所示。在Dynsim中建立整個裝置的動態(tài)模型，包括設(shè)備、管道、閥門，由于該裝置采用的大量的復(fù)雜控制系統(tǒng)，模型中都要予以體現(xiàn)，如簡單控制、串級控制、分程控制、復(fù)雜控制等，進行開停車、變負荷、事故處理等各種工況的研究。

圖2 Dynsim 模型部分流程

圖3 P&ID 圖部分流程

在Dynsim基本動態(tài)模型中搭建仿真SIS模塊(裝置安全儀表系統(tǒng))，把聯(lián)鎖值從仿真裝置的實際測量值傳送至聯(lián)鎖邏輯源頭，通過仿真邏輯模塊實現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯功能以后，計算出聯(lián)鎖模擬結(jié)果，再將這個結(jié)果返回值仿真設(shè)備，實現(xiàn)與實際裝置一樣的聯(lián)鎖效果。

2.2 仿真系統(tǒng)的搭建

400萬噸/年蠟油加氫裂化裝置OTS仿真系統(tǒng)從功能上設(shè)置教員機、現(xiàn)場站、DCS 學(xué)員站三大操作界面，具有開工、停工、事故處理、聯(lián)鎖系統(tǒng)(SIS)培訓(xùn)四大培訓(xùn)功能。仿真系統(tǒng)其硬件結(jié)構(gòu)如圖 4所示，系統(tǒng)關(guān)系圖如圖 5所示。

圖4 OTS 仿真系統(tǒng)硬件構(gòu)架

圖5 OTS 仿真系統(tǒng)關(guān)系

圖6 OTS 評分系統(tǒng)的啟用界面

教員機站可以在培訓(xùn)系統(tǒng)中實現(xiàn)Dynsim模型運行、暫停、快門存儲、評分設(shè)置等培訓(xùn)功能?，F(xiàn)場站在模型中提供需要現(xiàn)場手動開關(guān)的閥門等供外操進行仿真操作。DCS學(xué)員站提供真實DCS界面，供內(nèi)操進行仿真操作，同時聯(lián)鎖系統(tǒng) (SIS)操作界面功能也分為教員機站和DCS學(xué)員站實現(xiàn)，共完成DCS操作畫面59幅，聯(lián)鎖畫面48幅。操作評分是教員在一定的評判標準下監(jiān)測、評估和報告操作員在OTS培訓(xùn)與考核中操作水平的一種手段。成績通過操作員控制正確的操作順序和操作參數(shù)控制在合理的范圍之內(nèi)得到。如圖6所示，本評分系統(tǒng)作為OTS的獨立且重要的組成部分，以插件形式依附于Emulation系統(tǒng)。評分系統(tǒng)的運行與否，不會對DCS Emulation 的運行造成任何影響，可通過“導(dǎo)出評分結(jié)果”按鈕一鍵生成評分結(jié)果報表，如圖7所示，達到了仿真培訓(xùn)的要求。

3 仿真結(jié)果驗證

動態(tài)模擬的一個基本前提是當動態(tài)模型運行到穩(wěn)態(tài)時，其計算結(jié)果應(yīng)和穩(wěn)態(tài)是一致的，實現(xiàn)動態(tài)模型的穩(wěn)態(tài)驗證。為衡量基本動態(tài)模型的準確性，通常需要將動態(tài)模型的穩(wěn)態(tài)結(jié)果和設(shè)計數(shù)據(jù)或穩(wěn)態(tài)模擬數(shù)據(jù)進行對比。模型穩(wěn)態(tài)時DCS畫面中精制反應(yīng)器R1001四個床層入口溫度仿真值分別為：365.6 ℃、364.9 ℃、364.6 ℃、364.3 ℃，出口溫度仿真值分別為386.1 ℃、387.1 ℃、385.8 ℃、385.9 ℃；R1002加氫裂化反應(yīng)器三個床層入口溫度仿真值分別為：363.6 ℃、363.2 ℃、363.8 ℃，出口溫度仿真值分別為377.8 ℃、376.6 ℃、378.6 ℃。

如表1、表 2 所示，將反應(yīng)系統(tǒng)R1001與R1002操作參數(shù)仿真值、分餾系統(tǒng)各側(cè)抽產(chǎn)品仿真值與設(shè)計操作參數(shù)對比，可以看出R1001、R1002 仿真參數(shù)與工藝設(shè)計值偏差均在3.5 ℃以內(nèi)；分餾塔各側(cè)抽溫度與設(shè)計值偏差1.6 ℃以內(nèi)、抽出量偏差1.9 t/h以內(nèi)，系統(tǒng)運行至穩(wěn)態(tài)時仿真數(shù)據(jù)達到了較好的精度。模型動態(tài)仿真參數(shù)穩(wěn)定，加熱爐出口溫度做小幅度調(diào)整后，反應(yīng)器出入口溫度也隨之響應(yīng)，系統(tǒng)控制動態(tài)響應(yīng)及時，從而驗證了動態(tài)模型的正確性、穩(wěn)定性，實現(xiàn)裝置操作參數(shù)分析和控制系統(tǒng)研究。

表1 反應(yīng)系統(tǒng)仿真值與設(shè)計值對比表

表2 分餾系統(tǒng)仿真值與設(shè)計值對比表

4 結(jié) 論

(1)針對浙石化400萬噸/年蠟油加氫裂化裝置，建立了Dynsim仿真數(shù)學(xué)模型，搭建動態(tài)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的仿DCS系統(tǒng)與實際使用的DCS系統(tǒng)在畫面一致，設(shè)置具有開工、事故處理、聯(lián)鎖系統(tǒng)培訓(xùn)等功能，員工培訓(xùn)實操性強，加載評分系統(tǒng)后操作員仿真培訓(xùn)效果良好；

(2)通過動態(tài)模型的穩(wěn)態(tài)驗證，模型仿真參數(shù)穩(wěn)定，系統(tǒng)控制動態(tài)響應(yīng)及時，實現(xiàn)裝置操作參數(shù)分析和控制系統(tǒng)研究。