基于近紅外的快速評價及在線分析在煉化廠的應(yīng)用

郭瑞生

(南京富島信息工程有限公司，江蘇 南京 210061)

近幾年來，我國大多數(shù)煉化企業(yè)都面臨著原油產(chǎn)地多元、種類復(fù)雜、性質(zhì)多變的問題，總體傾向是劣質(zhì)及重質(zhì)原油比例持續(xù)升高，嚴(yán)重影響原油加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。為了及時準(zhǔn)確的了解煉廠原料及產(chǎn)品性質(zhì)，快速分析已經(jīng)逐漸成為必不可少的手段。

本文介紹了煉廠基于近紅外的原油快速評價、餾分油快速檢測、裝置在線分析、成品油輸送中的應(yīng)用情況，解決了傳統(tǒng)化驗時效性問題。

1 原油快速評價

煉化企業(yè)在設(shè)計建造時就確定了加工原油的性質(zhì)要求，不同性質(zhì)的原油對設(shè)備的材料、加工工藝的配套有嚴(yán)格的要求，尤其是對二次加工裝置的負(fù)荷、目的產(chǎn)品的質(zhì)量和收率影響很大。因此每種原油在首次加工前都要原油評價以確定其能否在裝置上進(jìn)行加工，產(chǎn)品分布和質(zhì)量能否滿足要求。傳統(tǒng)化驗的綜合評價時間需要2～3月。

基于近紅外光譜分析技術(shù)的原油評價具有操作簡便、樣品用量小、無損檢測、分析耗時短、性質(zhì)準(zhǔn)確等特點，可以實現(xiàn)原油的快速常規(guī)評價；根據(jù)包含煉廠各裝置原料、中間產(chǎn)品及最終產(chǎn)品指標(biāo)的專家?guī)?，結(jié)合全球歷史數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)原油的綜合評價。原油快評從拿到樣品到完成綜合評價整個過程不超過30 min。原油快評系統(tǒng)主要包括預(yù)處理、近紅外分析儀、計量學(xué)軟件及模型、原油管理軟件及原油歷史數(shù)據(jù)庫，主要流程為原油樣品通過預(yù)處理恒溫恒壓除雜后，在高壓樣品池內(nèi)采集近紅外譜圖，化學(xué)計量學(xué)軟件及模型對譜圖進(jìn)行預(yù)測得到常規(guī)評價報告，結(jié)合定制的企業(yè)原油歷史數(shù)據(jù)庫及專家?guī)斓玫皆妥罱K的綜合評價報告。原油快評流程如圖1所示。

圖1 原油快速評價流程圖

原油快評系統(tǒng)綜合評價主要包括六個部分：

文字描述，主要描述原油及各寬餾分關(guān)鍵性質(zhì)，建議的加工路線，對于不滿足二次裝置進(jìn)料要求的給出加工注意事項及預(yù)處理方案。

快速評價數(shù)據(jù)，包括：原油的密度、硫含量、氮含量、酸值、傾點、殘?zhí)肌⒛z質(zhì)、瀝青質(zhì)、實沸點收率等。

原油詳細(xì)性質(zhì)數(shù)據(jù)，包括元素分析、金屬含量、組成等。

關(guān)鍵餾分分類，按250～275 ℃、395～425 ℃關(guān)鍵餾分段確定原油類別為石蠟基、中間基或環(huán)烷基。

實沸點及窄餾分性質(zhì)，包括18個窄餾分實沸點及各餾分密度、硫、酸、粘度等。

寬餾分性質(zhì)，可以根據(jù)煉廠需要輸出不同寬餾分性質(zhì)，也可增加懸擺餾分。

通過快速分析除可得到綜合評價報告外，還可得到樣品的性質(zhì)文件，各餾分性質(zhì)以曲線形式存在，相比傳統(tǒng)分析報告形式更方便應(yīng)用及對比，如可以根據(jù)實際需要隨時調(diào)整各餾分溫度段重新輸出報告、可對一段時間內(nèi)性質(zhì)變化情況進(jìn)行跟蹤、可任意混合得到混合原油的綜合評價報告。

通過對進(jìn)廠原油快評分析，一可以對不同批次同一原油從吸收譜圖直接對比差異性；二可以獲得原油綜合評價報告，及時驗證與采購時預(yù)期的性質(zhì)對比，便于及時調(diào)整加工方案。通過對脫前樣的快速分析，可以對制定的加工計劃做驗證，預(yù)測側(cè)線理論收率及性質(zhì)。目前國內(nèi)應(yīng)用該技術(shù)的煉廠有：茂名石化、中科煉化、北海煉化、中化泉州、云南石化、齊魯石化等近二十家企業(yè)。

2 餾分油快速檢測

以某煉化企業(yè)為例，加工能力500萬噸/年，主要生產(chǎn)裝置16套。統(tǒng)計原油、石腦油、煤油、柴油、蠟油、渣油等中間原料或產(chǎn)品分析頻次，如表1所示。

為了及時了解原料及產(chǎn)品質(zhì)量情況，煉廠以往只能維持高頻次的采樣，而傳統(tǒng)分析具用分析時間長、分析效率低、工作量大、分析成本高的特點，化驗只能對關(guān)鍵性質(zhì)進(jìn)行傳統(tǒng)化驗。通過上表可以看出，傳統(tǒng)分析主要以密度、餾程為主，而僅依靠簡單性質(zhì)不可能準(zhǔn)確了解油品情況。

表1 傳統(tǒng)分析現(xiàn)狀

基于近紅外光譜分析技術(shù)的餾分油快速分析可批量檢測，一次檢測只需3 min，可同時準(zhǔn)確地檢測出多組物性及組成數(shù)據(jù)。應(yīng)用餾分油快速檢測系統(tǒng)，可大大節(jié)省分析時間，降低分析、人力成本及儀器損耗，并及時為裝置提供物性數(shù)據(jù)。圖2、圖3為部分輕質(zhì)油性質(zhì)對比曲線。

圖2 石腦油初餾點、終餾點近紅外與傳統(tǒng)分析對比

圖3 S-Zorb精制汽油芳烴及烯烴含量近紅外與傳統(tǒng)分析對比

該煉廠已使用近紅外檢測替代傳統(tǒng)分析，包括：直餾石腦油、直餾柴油、催化穩(wěn)定汽油、催化柴油、加氫精制柴油、航煤等。近紅外分析項包括：密度、餾程、十六烷值、飽和蒸汽壓、組成、凝點、閃點、冰點等。

近紅外除對流動性較好餾分油汽油、煤油、柴油等檢測外，對于凝點及粘度較高的蠟油、渣油檢測也有應(yīng)用，該類樣品檢測采用光譜儀+可溫控自動進(jìn)樣器+控溫流通池方式檢測，可溫控自動進(jìn)樣器+控溫流通池可設(shè)定樣品和管道在室溫～100 ℃，并保持恒溫，保證樣品流動性。

某煉廠利用該技術(shù)對蠟渣油進(jìn)行快速檢測，檢測溫度為 65 ℃，檢測性質(zhì)包括，蠟油：閃點、傾點、凝固點、密度、酸值、粘度、餾程、四組分；渣油：針入度、密度、餾程、硫含量、氮含量、殘?zhí)?、四組分。圖4、圖5為蠟渣油部分性質(zhì)對比曲線。

圖4 潤滑油運動粘度、酸值、閃點近紅外與傳統(tǒng)分析對比

圖5 渣油加氫原料、渣油中殘?zhí)技傲蚝拷t外與傳統(tǒng)分析對比

3 近紅外在線分析

目前各煉廠加工原油品種來源的多樣化，而不同產(chǎn)地的原油所提煉的油品性質(zhì)存在較大差異，這對工藝操作帶來很大的難度。隨著智能煉廠在國內(nèi)煉油企業(yè)的推廣應(yīng)用，越來越多的企業(yè)利用APC先進(jìn)控制、RTO實時優(yōu)化等信息系統(tǒng)來解決煉廠實際生產(chǎn)問題，以提高煉廠的經(jīng)濟效益，降低能耗[2]。而APC先進(jìn)控制、RTO在線優(yōu)化等智能優(yōu)化、控制系統(tǒng)的實施需要大量的過程參量與之配合，而當(dāng)下，眾多過程參量尚未實現(xiàn)在線化制約了APC、RTO等新技術(shù)的實施[3]。

基于近紅外的實驗室餾分油快速檢測的成功推廣使用，推動了近紅外在線分析的應(yīng)用。從原油采購到加工再到成品油調(diào)合、輸送整個環(huán)節(jié)，近紅外實時在線分析系統(tǒng)可為先進(jìn)控制、實時優(yōu)化、調(diào)合優(yōu)化系統(tǒng)提供物化性質(zhì)，為裝置的平穩(wěn)操作和優(yōu)化生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)。

某煉廠常減壓在線分析如圖6所示。

在線近紅外分析系統(tǒng)主要包括采樣和樣品預(yù)處理系統(tǒng)、在線近紅外分析儀、在線近紅外分析工作站以及分析小屋等；軟件包括在線光譜采集和控制軟件、化學(xué)計量學(xué)軟件等。使用樣品預(yù)處理系統(tǒng)對監(jiān)測物料進(jìn)行恒溫(溫度波動±2 ℃)、恒壓、過濾(脫除水分、機械雜質(zhì)、氣泡)處理、控制樣品的溫度和流速后進(jìn)入樣品檢測池中，通過分析小屋中的多通道近紅外光譜儀采集樣品光譜，保證樣品譜圖的及時性和代表性。

國外常減壓側(cè)線在線分析大都采用近紅外分析技術(shù)[4]。典型的是SK基于實時近紅外測量的原油蒸餾裝置優(yōu)化運行的全面解決方案。根據(jù)在線近紅外測量數(shù)據(jù)，結(jié)合APC或聯(lián)機優(yōu)化器，提供原料和產(chǎn)品的實時質(zhì)量數(shù)據(jù)，直接對質(zhì)量進(jìn)行控制并提供最佳操作目標(biāo)。

圖6 在線近紅外分析系統(tǒng)構(gòu)成

國內(nèi)首套在線近紅外原油快評系統(tǒng)在青島煉化成功應(yīng)用，系統(tǒng)采用五通道獨立檢測方式，避免了用單通道分析輪流切換檢測五種樣品的方式所帶來的樣品交叉污染風(fēng)險，分析模型精度的判斷更直觀，分析數(shù)據(jù)更可信，完成全部樣品的檢測周期僅為2 min/次。繼青島煉化后，金陵石化三常于2020年也新增常減壓在線檢測系統(tǒng)，檢測性質(zhì)包括：原油及7條側(cè)線(初頂石腦油、常頂一級石腦油、常一線、常二線、常三線、淺減二線、減三線)。圖7為青島煉化2020年6-7月常一線盲樣驗證對比結(jié)果如表2所示。

表2 常一線航煤模型精度比對表

廣州石化二號重整裝置、天津重整于2020年完成在線近紅外系統(tǒng)建設(shè)并成功應(yīng)用，用于重整進(jìn)料與生成油的辛烷值及PNA 在線分析。系統(tǒng)完成后，化驗對餾程及PNA組成檢測從每天一次縮減為每周一次。脫戊烷塔底油RON對比如圖7所示。

除常減壓、重整在線分析外，在線近紅外分析在加氫異構(gòu)、s-zorb、催化裂化等裝置均有應(yīng)用案例。

圖7 重整在線分析脫戊烷塔底油RON對比

4 在線近紅外混油界面檢測

隨著成品油長輸管道事業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了在一條管道中按照一定批量和次序，連續(xù)輸送不同種類油品的輸送方式，即順序輸送[4]。順序輸送過程中會出現(xiàn)兩種油品混合，在管道內(nèi)形成一定量的混油段。為了及時準(zhǔn)確地掌握混油段位置，減少因發(fā)生混油段檢測誤差造成油品質(zhì)量損失，需在順序輸送過程中進(jìn)行界面檢測，準(zhǔn)確跟蹤混油位置，進(jìn)行油品切割，減少混油損失及后期混油處理能耗損失，保證管線安全、經(jīng)濟運行。

目前判斷混油界面的方式是先通過觀察密度變化，不同牌號汽油密度差別微小或有重疊現(xiàn)象，就會給該檢測帶來一定的麻煩。因此需要在線實時監(jiān)控管輸成品油界面變化情況，及時準(zhǔn)確地掌握混油段位置，可以避免油品質(zhì)量損失。

圖8 管道混油界面檢測構(gòu)成圖

近紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)通過判斷不同油品的近紅外指紋峰變化情況，進(jìn)行油品分類識別，可有效解決成品油管輸混油界面判斷不準(zhǔn)確問題，減少原先的混油段長度，對于不同牌號汽油混油，可以減少高牌號汽油損失；對于汽柴油混油，一方面較少油品質(zhì)量損失，一方面減少混油量可有效降低后期混油處理能耗損失。在線分析探頭采用插拔式，將光譜采集探頭插入管道中，直接采集的油樣光譜再通過光纖傳至近紅外分析儀進(jìn)行檢測分析，實時區(qū)分不同牌號汽油、柴油，檢測汽油和柴油、不同牌號汽油之間的混油界面。系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。

圖9為92#汽油、 95#汽油、0#柴油光譜空間分布明顯，根據(jù)光譜分布無需建?？芍苯油ㄟ^近紅外光譜區(qū)分92#汽油、 95#汽油、0#柴油。

圖9 汽柴油近紅外譜圖在光譜空間的分布

如圖10所示，95#汽油和92#汽油過渡，油品光譜空間分布趨勢圖與研究法辛烷值在線分析值變化趨勢一致，均可對 95#汽油和92#汽油進(jìn)行區(qū)分。

圖10 95#汽油和92#汽油過渡識別

5 結(jié) 語

基于近紅外的快速檢測及在線分析系統(tǒng)可以有效的解決石化企業(yè)從原油采購、調(diào)合、裝置加工、產(chǎn)品調(diào)合、成品油輸送等過程中的性質(zhì)預(yù)測問題。原油快速評價系統(tǒng)基于歷史數(shù)據(jù)庫可指導(dǎo)計劃部門進(jìn)行原油采購、測算，加工前的快速評價可對加工方案優(yōu)化，結(jié)合原油調(diào)合系統(tǒng)實現(xiàn)從進(jìn)廠到常減壓加工性質(zhì)的可視化；實驗室餾分油快速檢測大大縮短檢測時間，提高分析效率，減輕分析工作量，減少人員與危險化學(xué)品的接觸；在線檢測為不僅實時跟蹤裝置裝置運行情況及產(chǎn)品質(zhì)量，還可為APC、RTO提高數(shù)據(jù)支撐，提高裝置運行穩(wěn)定性，在汽油調(diào)合中可為優(yōu)化方案制定提供依據(jù)；混油界面的快速檢測減少了質(zhì)量浪費，直接提高經(jīng)濟效益。

NIR檢測系統(tǒng)具有測量時間短、分辨率高、信噪比值大、檢測信息豐富、測量范圍廣等特點[5]。其檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到油品加工,固更加合理、穩(wěn)定的化學(xué)計量模型技術(shù)仍然是近紅外技術(shù)未來研究的主要方向[6]。