常減壓塔先進(jìn)控制效益分析

黃 飛

(上海福克斯波羅有限公司，上海 201400)

常減壓塔先進(jìn)控制效益分析

黃 飛

(上海福克斯波羅有限公司，上海 201400)

傳統(tǒng)先進(jìn)控制技術(shù)效益分析方法主要依靠側(cè)線產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量的增益關(guān)系，分析先進(jìn)控制技術(shù)潛在的效益，多適用于簡單精餾塔操作。而常減壓蒸餾系統(tǒng)，由于側(cè)線產(chǎn)品眾多、各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量相互影響，采用傳統(tǒng)先進(jìn)控制技術(shù)效益分析方法不能克服全塔物料平衡等問題，因此不能提供有效的分析手段。將先進(jìn)控制技術(shù)的效益分析同進(jìn)料油的蒸餾曲線相結(jié)合，利用蒸餾曲線，評價切割點發(fā)生變化時，對于各側(cè)線產(chǎn)品收率的影響，進(jìn)而計算先進(jìn)控制技術(shù)可為常減壓系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟收益。通過對比先進(jìn)控制技術(shù)性能測試結(jié)果，證實所提供的計算方法可以準(zhǔn)確評價先進(jìn)控制技術(shù)帶來的收益。

先進(jìn)控制技術(shù) 常減壓裝置 進(jìn)料油蒸餾曲線 效益分析

煉油裝置的常減壓蒸餾是原油加工的第一道工序，根據(jù)原油中各組分的沸點(或揮發(fā)度)不同，用加熱方法從原油中分離出各種石油餾分。由于常減壓塔含多個側(cè)線產(chǎn)品(如常一線、常二線、減一線及減二線等)，且各產(chǎn)品之間相互影響，采用常規(guī)PID控制有較多的局限性，無法滿足控制產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化操作運行的要求。因此，各煉油廠分別采用其他的高級控制方式。據(jù)報道，美國Cosmo Oil公司Sakai煉油廠1988年在其常減壓裝置上實施先進(jìn)控制(Advanced Process Control，APC)后，經(jīng)濟效益可觀，僅一年就收回了成本[1]。參考國外成功經(jīng)驗，國內(nèi)煉油裝置也上線了多套常減壓APC系統(tǒng)，如蘭州煉油化工總廠常減壓、大慶石化總廠第三套常減壓及燕山石化常減壓等[2]。其他常減壓裝置也在進(jìn)行APC項目的前期調(diào)研。項目開展前，合理評價APC，對于常減壓裝置的效益和APC項目的開展至關(guān)重要。

1 APC的工作原理

APC系統(tǒng)的工作原理為模型預(yù)測控制技術(shù)，利用經(jīng)辨識得到的過程模型預(yù)測各種擾動因素對生產(chǎn)過程的影響，從而及時指定控制策略，以穩(wěn)定操作、提高關(guān)鍵變量控制品質(zhì)。另外，除了下層模型預(yù)測控制器外，APC系統(tǒng)還自帶上層優(yōu)化器(通常根據(jù)線性規(guī)劃原理或者二次型規(guī)劃原理)，優(yōu)化器會根據(jù)當(dāng)前工況和各種工藝約束，計算可實現(xiàn)的最優(yōu)操作點，利用模型預(yù)測控制器將裝置控制在最優(yōu)操作點附近，以實現(xiàn)生產(chǎn)效益最大化，“卡邊操作”示意圖如圖1所示。根據(jù)線性規(guī)劃理論，線性系統(tǒng)的最值點通常在各種約束條件的交點上，而典型的操作區(qū)域是遠(yuǎn)離各約束條件的安全區(qū)域。通過APC系統(tǒng)的上線運行，在提高裝置的控制品質(zhì)后(減少關(guān)鍵變量的波動)，裝置可以更好地“卡邊運行”，實現(xiàn)生產(chǎn)增效，為企業(yè)帶來更大的利潤[3]。

圖1 APC“卡邊操作”示意圖

以精餾塔為例，靈敏板溫度反映了全塔對于物料的分離程度，當(dāng)其溫度低于下限溫度時，更多的輕組分將會留在塔底，造成輕組分損失，嚴(yán)重時，甚至影響塔底產(chǎn)品合格率；而靈敏板溫度過高時，需要使用更多的加熱蒸汽以維持溫度，導(dǎo)致大量蒸汽損耗。因此，在優(yōu)化控制時，應(yīng)保證該塔板溫度卡在下限運行，既保證分離效率又避免造成能量損耗[3]。如圖2所示，某精餾塔上線APC后，其靈敏板溫度降低約2.26℃，根據(jù)靈敏板溫度和塔釜加熱蒸汽的穩(wěn)態(tài)增益，通過溫度操作點的卡下限操作，可以節(jié)省蒸汽使用量。

圖2 精餾塔靈敏板溫度卡邊操作

靈敏板溫度T(℃)關(guān)于塔釜蒸汽用量S(t/h)的穩(wěn)態(tài)增益G的計算式如下：

(1)

2 常減壓塔先進(jìn)控制效益計算

石油化工行業(yè)工藝眾多，不同的工藝流程，APC為裝置實現(xiàn)的效益點也不盡相同。比如對于乙烯裂解爐，主要通過減少裂解爐出口溫度的波動[2，4]實現(xiàn)裂解深度卡邊，從而獲得更多的高價值輕烴。因此，APC項目的效益分析應(yīng)結(jié)合具體流程展開。

常減壓裝置作為原油的一次加工工序，主要負(fù)責(zé)將原油“切割”成不同沸點和餾程的產(chǎn)品，供下游裝置使用。APC系統(tǒng)可以提高常減壓裝置的分離效率，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，盡可能提高輕質(zhì)餾分油的收率，從而使經(jīng)濟效益最大化[5～8]，常壓塔的工藝流程簡圖如圖3所示。

圖3 常壓塔工藝流程簡圖

2.1APC對產(chǎn)品質(zhì)量的改善

常減壓塔主要根據(jù)餾分油的初餾點和終餾點的不同對原料油進(jìn)行分割。各側(cè)線產(chǎn)品95%點的值直接影響該產(chǎn)品的收率[9]。某常減壓裝置常壓塔各側(cè)線產(chǎn)品95%點分析值統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1，可以看出，各側(cè)線產(chǎn)品95%點的平均值同實際產(chǎn)品質(zhì)量要求存在較大差值。應(yīng)用APC系統(tǒng)，可以有效減少側(cè)線產(chǎn)品95%點的波動，從而為質(zhì)量卡邊提供條件。

表1 常壓塔各側(cè)線產(chǎn)品95%點分析值統(tǒng)計數(shù)據(jù) ℃

注：Dv為質(zhì)量要求與平均值之差。

表2是標(biāo)準(zhǔn)偏差減少30%后，各側(cè)線95%點的變化情況。

表2 側(cè)線產(chǎn)品95%點的變化情況 ℃

注：Δ為各側(cè)線產(chǎn)品95%點的變化情況，其值為新平均值與原平均值之差。

2.2質(zhì)量卡邊對收率的影響

APC通過優(yōu)化控制各側(cè)線產(chǎn)品的切割點溫度T′(℃)(即95%點卡邊操作)，實現(xiàn)高價值的輕質(zhì)餾分油收率最大化。常規(guī)效益分析根據(jù)產(chǎn)品95%點關(guān)于側(cè)線采出量的穩(wěn)態(tài)增益G′，計算切割點變化對收率的影響。產(chǎn)品95%點關(guān)于側(cè)線采出量F(t/h)的穩(wěn)態(tài)增益G′的計算式如下：

(2)

然而，采出量變化不僅會對本側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量造成影響，也會影響相鄰側(cè)線的產(chǎn)品質(zhì)量。另外，產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)于采出率的增益G′無法反映全塔物料平衡的約束，故由該方法計算得到的收益存在較大誤差。因此，在評估切割點變化對于餾分油收率的影響時，應(yīng)結(jié)合原油恩氏蒸餾曲線進(jìn)行。以對石腦油收率影響為例，如圖4所示，當(dāng)石腦油產(chǎn)品95%點提高1.96℃后，產(chǎn)品增加收率為0.48wt%。

圖4 切割點變化對石腦油產(chǎn)品收率的影響

APC實現(xiàn)新切割點溫度后，各側(cè)線產(chǎn)品收率變化見表3。其中，切割點變化見表2；側(cè)線產(chǎn)品收率變化同時受到初餾點和終餾點的影響，計算時必須考慮相鄰輕質(zhì)餾分油的產(chǎn)率變化，如航煤側(cè)線產(chǎn)品收率變化Δ′=Δ1-Δ2，Δ1為終餾點提高3.90℃后航煤收率的增加；Δ2為石腦油收率增加后，航煤對應(yīng)減少的部分(兩者數(shù)值上相等)；常渣主要由常壓塔加熱爐出口溫度控制。

表3 切割點變化對產(chǎn)品收率的影響

由表3可知，APC實施后，提高了輕質(zhì)餾分油石腦油和航煤的收率，分別為0.48wt%和0.49wt%。

3 APC投用效果

常減壓裝置的APC系統(tǒng)上線后，投用效果如圖5所示。

a. 石腦油

b. 航煤

c. 柴油圖5 APC投用后效果

由圖5可以看出，APC投用后，減少了產(chǎn)品質(zhì)量波動，提高了相關(guān)產(chǎn)品95%點溫度，改善了側(cè)線產(chǎn)品的分布。該項目的性能測試試驗為期一周，其中3天APC在線，另外3天APC摘除，對比控制器投用或摘除時，各項生產(chǎn)參數(shù)改善情況，詳見表4。其中收率通過產(chǎn)品采出量和進(jìn)料量的比值計算。

表4 APC控制器投用前后數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)束語

常減壓是煉油加工系統(tǒng)的龍頭裝置，采用APC控制方案可以提高常減壓分離效率，實現(xiàn)更好的產(chǎn)品分布，獲得更多的輕質(zhì)餾分油。APC項目的效益評估，除了根據(jù)現(xiàn)場各變量的波動情況(標(biāo)準(zhǔn)偏差情況)和變量之間的穩(wěn)態(tài)增益關(guān)系外，更應(yīng)考慮整個系統(tǒng)的物料平衡。筆者結(jié)合進(jìn)料油蒸餾曲線，分析當(dāng)利用APC實現(xiàn)切割點變化時，對于各側(cè)線產(chǎn)品的收率影響。比照APC性能測試試驗數(shù)據(jù)，證實筆者設(shè)計的效益評估方法可以提供準(zhǔn)確可信的結(jié)果，為其他常減壓裝置開展APC項目和評價APC效益提供借鑒。

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1000-3932(2016)09-0994-04

2016-06-12(修改稿)