催化裂化裝置生產方案優化控制研究

李晉萍(寧夏工商職業技術學院，寧夏 銀川 750021)

催化裂化裝置生產方案優化控制研究

李晉萍(寧夏工商職業技術學院，寧夏 銀川 750021)

催化裂化裝置是煉油和石油化工生產過程的關鍵裝置,在煉油生產鏈中起著十分重要的作用,其運行狀況影響整個企業的生產及經濟效益.本論文系統闡述了寧夏某石化公司重油催化裂化工藝特點、流程及生產現狀，并在穩定總進料并明確控制方案的前提下，研究提出了多產柴油、汽油、液態烴和最佳經濟效益四種優化方案，通過對裝置優化控制的實踐證明，多產柴油、汽油、液態烴方案其收率較優化前分別增加1.56%、2.99%、0.32%，最佳經濟效益方案可增加經濟效益56.92元/噸原料,實現了催化裂化裝置的平穩控制,減輕了操作人員的勞動強度,改善了產品的收率并最終實現了提高經濟效益的總目標。

催化裂化;優化控制;收率;經濟效益

0 引言

石油不但是工業的血液而且被稱為全球的經濟命脈，石油在2050年以前將一直都是全球的首要能源。催化裂化裝置不但是生產汽油、柴油和液態烴的重要生產裝置，同時也成為了煉油企業經濟效益來源的一個重要的部分。催化裂化對煉油工業的成長壯大和對全球經濟的發展都具有重要的意義。

催化裂化的操作控制方法有很多種，現使用的主要有：(1)再生滑閥自動控制法：主控方向為再生滑閥—反應溫度(提升管出口溫度)；(2)沉降器自動控制法：主控方向為待生滑閥(從沉降器到再生器的催化劑管線上的控制閥)—沉降器；(3)在線微機監控或優化控制系統，例如多變量預測控制系統；(4)離線調優系統。事實上，對于產品分布以及裝置的操作影響最大、最深的是催化裂化這一化學反應過程的反應深度，一般有很多種因素都會影響到反應深度，但反應深度并不能被反應溫度所完全代表。我們若想取得明顯的經濟效益，且只需通過操作條件的改變就可以實現，使得生產過程操作得到優化，而又不需要修改工藝、不增加生產設備。這種想法如果能夠成功，絕對是一種投資少、見效快的好方法，因此催化裂化的多方向優化控制絕對有著重要的研究和應用價值。

近年來，我國經濟有了長足的發展，但是雖然歷經幾代人不懈的努力，我國催化裂化技術已取得較大的發展，并且為世人所矚目，受投入不足、底子較薄、缺乏自主創新技術、使用的設備比較落后、管理機制跟不上去、勞動生產率低等諸多因素的束縛，導致與國外先進水平相比，我國催化裂化技術仍存在著較大差距。

本課題通過對寧夏某石化公司重油催化裂化裝置的流程和工藝原理的研究，結合優化控制系統應用軟件，提出了四種優化方案，通過對各優化方案中待優化變量數值的調整，影響裝置實際生產運行狀態。使裝置在優化方案投用后產品收率得到提高。具體內容有以下幾個方面。

(1)對寧夏某石化公司現有重油催化裂化裝置進行分析，確定優化方向。(2)研究DCIO Express for FCC 3．0系統控制方案、控制結構和系統軟件。(3)根據石化公司催化裂化裝置的產品及效益確定優化方案；(4)在全面分析裝置的基礎上，確定優化系統的原則，控制系統的目標函數、優化變量、約束條件等；(5)根據確定的優化方案、優化變量、約束條件等對石化裝置實施優化控制，利用生產數據分析驗證。

1 催化裂化裝置概況

本次研究的催化裂化裝置是由260萬噸/年重油催化裂化裝置及與此套裝置相配套的雙脫裝置組成，本套裝置由中國石化工程建設公司設計，裝置以加工常壓渣油原料為主，設計加工規模為年處理量260萬噸/年，操作彈性60%-110%。雙脫裝置(以下簡稱該裝置)與260 萬噸/年催化裂化裝置相配套，對催化裂化裝置生產的穩定汽油、干氣及液化石油氣進行脫硫精制，精制后的汽油硫醇硫含量不大于10ppm；液化氣硫化氫含量不大于10ppm；脫后干氣進入高壓瓦斯管網，降低管網腐蝕，減少煙氣二氧化硫排放濃度。

2 260萬噸/年重油催化裂化裝置技術特點

(1) 重疊式兩段再生技術被運用于再生系統，風耗量較低，符合當前節能降耗的環保型生產要求。

(2) 提升管選用VQS旋流快分、預汽提和多段汽提技術。采用VQS旋流快分、預汽提和多段汽提技術可實現氣——固的快速分離，有效降低了焦炭和干氣產率，減緩沉降器內部的結焦。

(3) 主風機組由變頻啟動的備用機組和主風三機組組成。備機采用變頻啟動對系統電網沖擊很小；主風三機組由煙機——主風機——電動機組成，具有操作靈活，受系統電網影響小，并能實現電網的無擾動切換的特點。

(4)MDEA 胺吸收工藝被應用于液化氣脫硫化氫以及干氣的催化。干氣催化后進入的脫硫化氫塔的塔盤采用HAVTH塔盤，液化氣脫硫化氫塔采用FG 蜂窩格柵填料，屬于清華大學專利。

(5)液化氣脫硫醇采用兩級纖維液膜脫硫醇+纖維液膜水洗工藝，屬于甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司專利。

(6)汽油脫硫醇采用固定床脫硫化氫+固定床脫硫醇工藝，屬于石油大學(北京)專利。

(7)從氣液分離罐(D-806)頂出來的尾氣采用膜分離技術回收汽油組份，這項技術屬于大連歐科膜技術工程有限公司。

3 優化控制方案的總體設計

在此次研究中，經過改造的控制設備已更新為先進可靠的I/A Series集散型控制系統，但是由于原有生產裝置設計的制約，傳統的儀表控制回路較多，因此在控制方案上仍舊依托原有儀表控制回路。如何優化生產結構；改善產品分布、分配，使裝置效益最大化，能否從不斷改變操作條件入手；裝置效率、效益能通過何種方式實時回饋給現場操作工人，從而指導操作工人及時改變操作條件，提高裝置運行效益；產品質量如何能被工人實時了解，進而及時調整操作條件，改善產品質量；以上課題解答所要求的基本條件，恰恰是DCS在線統計、計算、優化所能實現的功能。因此，在研究的過程中，在優化控制系統上設計的幾種控制方案均以煉油廠現有催化裂化裝置為基礎。

對于一個優化控制系統的設計，首先是優化的目標函數應該如何選取，其次是作為在線的優化變量，哪些操作變量可以選取。

3.1 優化控制系統

優化的目標函數在催化裂化裝置中可以有多種體現方式。本次研究采用的優化方式為根據其加工方式不同而進行的優化組合方案，可以根據市場需求對需要優化的目標函數任意切換。通過合理組合優化變量和目標函數，設計出四組實時優化控制方案：第一組目標函數設定為多產液態烴一個時間段內產品的平均收率；第二組目標函數設定為多產汽油的平均收率；第三組目標函數設定為多產柴油的平均收率；第四組目標函數設定為裝置的最佳經濟效益。優化控制器可根據需要在操作界面上通過按鈕選擇切換這四組方案。實現目標函數達到最大，變量進行調優可通過調整裝置的操作條件來完成。其中裝置的經濟效益根據產品、原料和單價進行計算，這些價格可通過工程師界面隨時修改和輸入。

優化變量在選擇時，主要考慮的是那些重要同時又易于控制的反應-再生部分中的工藝變量。因此，這四組優化方案都以預提升干汽(或預提升蒸汽，可切換)流量、提升管出口溫度 、原料油預熱溫度 、回煉油回煉比、摻渣比、油漿回煉比、外排油漿流量、新催化劑加料占寬比這8個變量為調優變量，通過在線方式，使這些變量得到優化，進而令主要操作條件在催化裂化過程中被加以調整，最后達到裝置的經濟效益和主產品的收率得到提高的效果。只有在裝置各項約束條件滿足的條件下，優化控制才能得到完整的實施，此時才能保證裝置正常平穩運行。

優化控制器在操作界面上進行四個方案的選擇，由裝置操作員給定操作上下限，而自動切換程序可由系統在操作員限定的區域內完成切換，自動優化所切換方案的操作。優化方法采用了相關積分法，以及計算機二級優化控制模式。而優化方法所必須具有的約束條件，則考慮了分餾塔的液位，產品分布情況，優化變量的上下限等。

為了在各種操作情況下優化控制系統都仍然能夠穩定且正常地工作，需要改變原控制系統的反應器總進料控制，這樣才不會使各重要操作參數之間產生相互影響。修改以后形成的若干子回路組成了新的控制系統，主要有以下幾種系統：

(1) 反應器進料量對總的新鮮進料量的控制系統

(2) 進料摻渣比控制系統

(3) 回煉油比值控制系統

(4) 回煉油漿比值控制系統

保持相互獨立是以上各變量的優點之一，其它變量能夠在任意變量發生改變時，仍然自動保持恒定的原有數值。

4 優化控制的實際應用及標定結果

想要得到一個運行情況的分析結果，需要一個產品收率作為統計數據，這個數據必須準確、可靠、具有可比性，有較高準確可靠性的各產品收率記錄只會出現在車間生產質量記錄中，而且其可比性較高，因此采用了車間生產質量記錄中的產品收率作為數據分析的依據。

在正常生產過程中，選取進料量相對穩定的生產時段，采集12日內車間產品質量及分析臺帳中各產品的收率，運用過程中各種產品收率均有提高，高如果生產投運時間能夠增長，取得的產品收率將會更高。

5 結語

針對能源緊張的局面，為充分提高能源利用效率，實現收率及效益最大化的原則，本課題主要利用DCIO Express for FCC 3．0軟件對寧夏某石化公司催化裂化裝置進行優化控制研究，結論如下：

(1)所使用的軟件系統以相關積分優化方法為優化引擎具有在線監測功能 、可在線調整工藝參數，并附有智能自動故障檢測，定位和處理系統，可實現對生產過程的在線優化控制；

(2)為實現優化控制，達到總進料系統穩定的生產運行狀況，實施了對總的新鮮進料量、進料摻渣比、回煉油比值、回煉油漿比值進行控制，實踐證明四個控制方案不但可行，而且是總進料系統穩定的有力保障；

(3)本課題研究提出的多產柴油、多產汽油、多產液態烴和最佳經濟效益四種優化方案，符合該石化公司燃料型煉廠的生產實際；

(4)研究確定的預提升干汽流量、提升管出口溫度 、原料油預熱溫度 、回煉油回煉比、摻渣比、油漿回煉比、外排油漿流量、新催化劑加料占寬比這8個優化變量及各優化變量的19個上下限約束條件科學合理，符合煉廠實際并為優化方案的實施創造了條件；

(5)通過對裝置優化控制方案實施后的實際生產數據的大量分析，證明了多產柴油、多產汽油、多產液態烴方案其產品收率較優化前分別增加了1．56%、2．99%、0．32%，最佳經濟效益方案可增加經濟效益56．92元/噸原料，實現了催化裂化裝置的平穩控制，減輕了操作人員的勞動強度，改善了產品的收率并最終實現了提高經濟效益的總目標。

[1]夏清,陳常貴主編.化工原理上冊.天津:天津大學出版社.2007.1.

[2]史瑞生,催化裂化在線工藝計算的特點[J],煉油設計.2001.01 .

[3]葉慶國.分離工程.北京:化學工業出版社.2009.1.

[4]敖晨虹,胡海蘭,周麗君.先進控制與優化控制在過程工業應用中若干問題探討[J].石油化工自動化.2002.05.

[5]盧煥章.石油化學基礎數據手冊.北京:化學工業出版社.1982.2.

李晉萍，女，陜西西安人，講師，碩士研究生，研究方向，煤化工。