先進控制系統在催化裂化裝置上的應用

董 超

（大慶煉化公司信息中心，黑龍江 大慶 163411）

0 引言

隨著計算機應用、自動控制以及人工智能技術的不斷發展，基于模型預測控制為主的先進控制技術不斷得到提高和完善。先進控制技術應用于裝置生產過程中，已成為我國煉油和化工企業節能降耗、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計，于1993 年7 月建成投產的原60×104t／a 重油催化裂化裝置基礎上改擴建而成的（仍由洛陽石油化工工程公司設計），于2002 年12 月份破土動工，2003 年6 月份正式改建，9 月18日正式投產后一次開車成功。裝置重油提升管反應器的原料為大慶常壓渣油，其規模為100×104t／a，汽油提升管反應器的原料是裝置外來的180×104t／a ARGG 裝置的36×104t／a 的穩定汽油（過渡期采用了180×104t／a ARGG 裝置的45×104t／a 的FCC 穩定汽油回煉）。按年開工時數8000 小時計算裝置物料平衡，裝置設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）的質量標準。同時，也可增產丙烯，保證即將建成投產的30×104t／a 聚丙烯裝置的丙烯原料供應。另外，裝置還可根據市場變化情況隨時調整生產方案，增產柴油，或者最大化追求輕質油收率等不同的生產方案，以增加裝置的靈活性，更好地適應市場變化。裝置的主要產品為液態烴、低烯烴汽油和輕柴油，副產品為干氣和油漿。

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。反應部分采用深度催化轉化工藝（ARGG）和靈活多效FDFCC 技術。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、CSC 預汽提等10 余項國內先進技術。

裝置占地面積為12 878 平方米，包括反應再生、分餾、吸收穩定、熱工、產品精制、主風機組、氣壓機部分。

1.2 技術特點

催化裂化是煉油工業中重要的二次加工過程，是重油輕質化的重要手段。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、異構化、氫轉移、芳構化、縮合等一系列化學反應，原料油轉化成氣體、汽油、柴油等主要產品及油漿、焦炭的生產過程。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油收率高、汽油辛烷值較高、產品中烯烴含量高等特點。

催化裂化的生產過程包括以下幾個部分。

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

分餾部分：主要任務是根據反應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、回煉油、油漿，并保證汽油干點、輕柴油凝固點和閃點合格。

吸收穩定部分：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、穩定汽油的蒸氣壓。

2 橫河先進控制技術介紹及先進控制策略

2.1 橫河先進控制技術介紹

橫河電機（YOKOGAWA）和殼牌公司（Shell Global Solutions）于1999年在先進控制技術（APC）領域進行結盟，共同進行APC 技術的發展。

APC 技術經實踐證明，是一項卓越的控制與優化技術，能夠為石油化工裝置帶來可持續的、可測量的經濟效益。它能夠提高裝置的產量，節省裝置的能源消耗。PACE 是由橫河電機與殼牌公司聯合開發的APC 組件。它將多變量控制、質量預估、復雜計算、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。這能夠顯著地節約APC 項目開發的時間，減少控制器維護的復雜程度，提高控制器的魯棒性。PACE由離線設計工具和在線運行工具共同組成。

離線設計工具為數據管理、數據預處理、動態模型創建、控制器及其他應用的開發、進程管理和仿真場景設定提供一個統一的工作界面。

在線運行工具提供了一個內嵌的高速實時數據庫，并且提供一個友好的人機交互界面和強大的執行引擎。

根據裝置特點及橫河電機在同類裝置的實施經驗，該裝置先進控制包括3 個控制器，裝置控制器結構如圖1 所示。

圖1 控制器結構

2.2 先進控制策略

催化裂化裝置先進控制系統主要實現如下的控制功能：

（1）反應-再生單元先進控制：建立反應轉化率和主要產品產率的軟測量模型，建立反應-再生系統的約束控制、熱平衡控制、產品質量控制和氧平衡控制，實現反應深度、產率分布和裝置處理量的優化。

（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，建立主分餾塔產品質量控制和物料平衡控制，以實現改善產品質量、提高目標產品收率和降低能耗。

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

3 控制效果

催化裂化裝置先進控制系統投運后，取得了如下的控制效果：

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

（2）實現了反應轉化率和主要產品產率和質量的及時、準確軟測量計算，為產品質量控制提供了有力支撐。在此基礎上，實現了裝置處理量和摻渣量的優化。催化裂化裝置先進控制系統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果對比圖

4 效益分析

根據裝置標定，通過對比先進控制系統投運前后的裝置標定和統計數據，催化裂化裝置先進控制系統取得如下的應用效果：

（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、穩定操作的目的，為裝置優化奠定了基礎。

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

（3）催化裂化裝置的渣油摻煉量提高了0.52%，同時降低了產品損失。

5 結語

綜上，根據項目標定時的測算，催化裂化裝置先進控制系統投運后，可產生的直接經濟效益超過400 萬元。