先進控制系統(tǒng)在催化裂化裝置上的應(yīng)用

董 超

（大慶煉化公司信息中心，黑龍江 大慶 163411）

0 引言

隨著計算機應(yīng)用、自動控制以及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，基于模型預(yù)測控制為主的先進控制技術(shù)不斷得到提高和完善。先進控制技術(shù)應(yīng)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之一。特別在占能耗比例較大的煉油類裝置中，通過實施先進控制，降低裝置能耗，對煉油廠節(jié)能降耗具有重要意義。

2020 年7 月，大慶煉化公司在100 噸／年催化裂化裝置上，采用橫河電機公司的先進控制及預(yù)估平臺PACE，實施了先進控制。

1 工藝過程

1.1 裝置概況

100 噸／年催化裂化裝置是由洛陽石油化工工程公司設(shè)計，于1993 年7 月建成投產(chǎn)的原60×104t／a 重油催化裂化裝置基礎(chǔ)上改擴建而成的（仍由洛陽石油化工工程公司設(shè)計），于2002 年12 月份破土動工，2003 年6 月份正式改建，9 月18日正式投產(chǎn)后一次開車成功。裝置重油提升管反應(yīng)器的原料為大慶常壓渣油，其規(guī)模為100×104t／a，汽油提升管反應(yīng)器的原料是裝置外來的180×104t／a ARGG 裝置的36×104t／a 的穩(wěn)定汽油（過渡期采用了180×104t／a ARGG 裝置的45×104t／a 的FCC 穩(wěn)定汽油回?zé)挘０茨觊_工時數(shù)8000 小時計算裝置物料平衡，裝置設(shè)計按三年一大修來考慮。

裝置的作用是降低汽油中的烯烴含量，確保全廠汽油烯烴含量滿足新標準汽油中烯烴＜35%（V）的質(zhì)量標準。同時，也可增產(chǎn)丙烯，保證即將建成投產(chǎn)的30×104t／a 聚丙烯裝置的丙烯原料供應(yīng)。另外，裝置還可根據(jù)市場變化情況隨時調(diào)整生產(chǎn)方案，增產(chǎn)柴油，或者最大化追求輕質(zhì)油收率等不同的生產(chǎn)方案，以增加裝置的靈活性，更好地適應(yīng)市場變化。裝置的主要產(chǎn)品為液態(tài)烴、低烯烴汽油和輕柴油，副產(chǎn)品為干氣和油漿。

裝置的沉降器與再生器采用同軸式布置，兩根提升管采用外提升管。反應(yīng)部分采用深度催化轉(zhuǎn)化工藝（ARGG）和靈活多效FDFCC 技術(shù)。再生器采用了單段逆流高效再生的方式，并采用了雙提升管催化裂化新技術(shù)、CSC 預(yù)汽提等10 余項國內(nèi)先進技術(shù)。

裝置占地面積為12 878 平方米，包括反應(yīng)再生、分餾、吸收穩(wěn)定、熱工、產(chǎn)品精制、主風(fēng)機組、氣壓機部分。

1.2 技術(shù)特點

催化裂化是煉油工業(yè)中重要的二次加工過程，是重油輕質(zhì)化的重要手段。它是使原料油在適宜的溫度、壓力和催化劑存在的條件下，進行裂解、異構(gòu)化、氫轉(zhuǎn)移、芳構(gòu)化、縮合等一系列化學(xué)反應(yīng)，原料油轉(zhuǎn)化成氣體、汽油、柴油等主要產(chǎn)品及油漿、焦炭的生產(chǎn)過程。催化裂化的原料油來源廣泛，主要是常減壓的餾分油、常壓渣油、減壓渣油及丙烷脫瀝青油、蠟膏、蠟下油等。隨著石油資源的短缺和原油的日趨變重，重油催化裂化有了較快的發(fā)展，處理的原料可以是全常渣甚至是全減渣。在硫含量較高時，則需用加氫脫硫裝置進行處理，提供催化原料。催化裂化過程具有輕質(zhì)油收率高、汽油辛烷值較高、產(chǎn)品中烯烴含量高等特點。

催化裂化的生產(chǎn)過程包括以下幾個部分。

反應(yīng)再生部分：其主要任務(wù)是完成原料油的轉(zhuǎn)化。原料油通過反應(yīng)器與催化劑接觸并反應(yīng)，不斷輸出反應(yīng)產(chǎn)物，催化劑則在反應(yīng)器和再生器之間不斷循環(huán)，在再生器中通入空氣燒去催化劑上的積炭，恢復(fù)催化劑的活性，使催化劑能夠循環(huán)使用。燒焦放出的熱量又以催化劑為載體，不斷帶回反應(yīng)器，供給反應(yīng)所需的熱量，過剩熱量由專門的取熱設(shè)施取出加以利用。

分餾部分：主要任務(wù)是根據(jù)反應(yīng)油氣中各組分沸點的不同，將它們分離成富氣、粗汽油、輕柴油、回?zé)捰?、油漿，并保證汽油干點、輕柴油凝固點和閃點合格。

吸收穩(wěn)定部分：利用各組分之間在液體中溶解度不同把富氣和粗汽油分離成干氣、液化氣、穩(wěn)定汽油，并控制好干氣中的C3 及其以上重組份含量、液化氣中的≤C2 含量和≥C5 含量、穩(wěn)定汽油的蒸氣壓。

2 橫河先進控制技術(shù)介紹及先進控制策略

2.1 橫河先進控制技術(shù)介紹

橫河電機（YOKOGAWA）和殼牌公司（Shell Global Solutions）于1999年在先進控制技術(shù)（APC）領(lǐng)域進行結(jié)盟，共同進行APC 技術(shù)的發(fā)展。

APC 技術(shù)經(jīng)實踐證明，是一項卓越的控制與優(yōu)化技術(shù)，能夠為石油化工裝置帶來可持續(xù)的、可測量的經(jīng)濟效益。它能夠提高裝置的產(chǎn)量，節(jié)省裝置的能源消耗。PACE 是由橫河電機與殼牌公司聯(lián)合開發(fā)的APC 組件。它將多變量控制、質(zhì)量預(yù)估、復(fù)雜計算、非線性控制、RTO 接口以及用戶自定義接口都集成在同一個平臺內(nèi)。這能夠顯著地節(jié)約APC 項目開發(fā)的時間，減少控制器維護的復(fù)雜程度，提高控制器的魯棒性。PACE由離線設(shè)計工具和在線運行工具共同組成。

離線設(shè)計工具為數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、動態(tài)模型創(chuàng)建、控制器及其他應(yīng)用的開發(fā)、進程管理和仿真場景設(shè)定提供一個統(tǒng)一的工作界面。

在線運行工具提供了一個內(nèi)嵌的高速實時數(shù)據(jù)庫，并且提供一個友好的人機交互界面和強大的執(zhí)行引擎。

根據(jù)裝置特點及橫河電機在同類裝置的實施經(jīng)驗，該裝置先進控制包括3 個控制器，裝置控制器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 控制器結(jié)構(gòu)

2.2 先進控制策略

催化裂化裝置先進控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下的控制功能：

（1）反應(yīng)-再生單元先進控制：建立反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和主要產(chǎn)品產(chǎn)率的軟測量模型，建立反應(yīng)-再生系統(tǒng)的約束控制、熱平衡控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制和氧平衡控制，實現(xiàn)反應(yīng)深度、產(chǎn)率分布和裝置處理量的優(yōu)化。

（2）主分餾單元先進控制：建立粗汽油干點和輕柴油95%點的軟測量模型，建立主分餾塔產(chǎn)品質(zhì)量控制和物料平衡控制，以實現(xiàn)改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高目標產(chǎn)品收率和降低能耗。

（3）吸收穩(wěn)定單元先進控制：建立穩(wěn)定汽油蒸汽壓、液化氣C5、C2 含量和干氣C3 含量的軟測量模型，建立吸收塔、解吸塔和穩(wěn)定塔產(chǎn)品質(zhì)量控制，以實現(xiàn)改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高目標產(chǎn)品收率和降低能耗。

3 控制效果

催化裂化裝置先進控制系統(tǒng)投運后，取得了如下的控制效果：

（1）提高了裝置對各種生產(chǎn)工況的適應(yīng)能力和抗干擾能力，降低主要被控變量的平均標準差40%以上，達到了安全、穩(wěn)定操作的目的，為裝置的“卡邊”優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

（2）實現(xiàn)了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和主要產(chǎn)品產(chǎn)率和質(zhì)量的及時、準確軟測量計算，為產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了有力支撐。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了裝置處理量和摻渣量的優(yōu)化。催化裂化裝置先進控制系統(tǒng)投運前后部分重要變量的控制效果如圖2 所示，粗汽油干點化驗室分析值與軟儀表計算值的對比效果如圖3 所示。

圖2 二再密相溫度等控制效果對比圖

圖3 粗汽油干點化驗室分析與軟測量計算結(jié)果對比圖

4 效益分析

根據(jù)裝置標定，通過對比先進控制系統(tǒng)投運前后的裝置標定和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，催化裂化裝置先進控制系統(tǒng)取得如下的應(yīng)用效果：

（1）提高了裝置的抗干擾能力，降低主要被控變量的平均標準差在30%以上，達到了安全、穩(wěn)定操作的目的，為裝置優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

（2）有效地改善了催化裂化裝置的產(chǎn)品質(zhì)量，同時干氣中丙烯質(zhì)量含量減少4.17%，液體產(chǎn)品收率提高了0.3%。

（3）催化裂化裝置的渣油摻煉量提高了0.52%，同時降低了產(chǎn)品損失。

5 結(jié)語

綜上，根據(jù)項目標定時的測算，催化裂化裝置先進控制系統(tǒng)投運后，可產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益超過400 萬元。