在線快速分析儀在實時優化系統中的應用

王銀銀

（南京金凌石化工程設計有限公司，江蘇南京 210042）

1 在線分析系統在智能化管控中的必要性

在線分析儀作為APC和RTO的基礎配套設施，無疑是煉油生產過程實現工藝過程先進控制和優化控制的有效手段。對于未配套在線分析儀的APC和RTO，主要依賴于離散的實驗室分析數據來反應進料物流和出料產品的信息，分析頻次低且嚴重滯后。當進料物流和出料產品的組分在采樣間隔內發生變化時，APC和RTO的優勢就無法充分發揮。

對于RTO而言，進料物性是RTO的前饋信息，是RTO模型的輸入信息，基于實時的進料物性和生產工況數據，RTO模型可以實時預估產品質量等，而產品質量在線檢測數據則作為反饋信息，以驗證RTO模型的預測效果即模型準確性。RTO的數據整定功能，是通過模型參數的整定，使RTO模型與觀察到的裝置生產數據（溫度、壓力、流量及側線產品質量等）更吻合，使設備性能參數如塔板效率等盡量貼近實際，即RTO模型越精確，則給出的優化建議越準確。因此進料物性和產品質量作為RTO模型的輸入信息和數據整定關鍵數據，其及時性、樣品對應性及準確性，直接影響RTO模型預測精度及整定效果，進而影響RTO給出的優化建議的準確性。

從實驗室獲取產品質量數據不能滿足RTO的需要。從時效性上來說實驗室化驗和在線分析存在著很大差異，不僅頻次低，且嚴重滯后，這樣的差異會導致整定的偏差及模型參數無法適用于優化時刻的工況，尤其是在兩次化驗間出現裝置進料原油物性變化較大或生產操作變化較大時，若不能實時獲得原油及產品質量數據則無法及時給出合理的優化結果。

對于APC而言，產品的質量數據主要作為APC的被控變量，RTO將被控變量的優化設定點下發給APC，由APC來逐步調整相關聯的參數，最終達到RTO的給定值，而產品質量的檢測數據則作為APC調整的反饋信息。若APC采用的產品質量數據嚴重滯后或與真實值差別較大，則可能會導致優化方向錯誤或優化調整的幅度不夠。

國外發達國家的煉油廠在裝置現場大量投用過程在線分析儀的基礎上，已普遍在DCS控制計算機上實現了APC先進控制。國內僅少數煉廠在進行此方面的工作，由于在線分析設備的投用跟不上，部分企業的APC未上在線儀表而采用軟測量技術，即利用易測過程變量，如溫度、流量等，依據易測變量和產品質量間的數學關系（數學經驗模型），實現產品質量的預估。一方面軟測量精度沒有在線分析儀高，另一方面軟測量模型對工況的依賴性較強，當油種切換、工況變化時，檢測偏離度高，需不斷維護，因此基于軟測量技術的APC即使已經投用，也很難發揮作用。

為了保障RTO和APC的投用效果，切實給企業節能降耗，帶來效益增長，配套建設在線分析儀對進料和產品的性質進行實時檢測，為RTO和APC提供及時、準確、匹配的數據是必要的。

2 在線分析技術介紹

近年來，在線分析系統也被廣泛應用于國內企業生產的各個環節，及時、準確地提供分析數據，為穩定生產、操作優化起到不可替代的作用，包括進行產品為質量卡邊操作，以獲得最大的經濟效益；對原料和生產的中間環節進行監測，以保證裝置的穩定生產和及時調整；對影響環保的排放口進行監控，以達到環保要求等。

在線分析技術可分為在線傳統分析技術和在線快速分析技術。在線傳統分析技術的代表性產品在線餾程分析儀、在線冰點分析儀等，該技術將傳統實驗室分析方法與自動化控制相結合，形成在線的檢測方式。而在線快速分析技術，主要包括在線近紅外分析技術和在線核磁分析技術。

在線傳統分析儀表大多由實驗室儀器改進而來，因測量原理有限，分析速度慢，一種儀表僅能測量一種參數，如需測量多種參數，則需要購置多臺分析儀，造成設備投資多大，儀器易損耗，維護量大，實際應用效果并不理想。

從20世紀90年代以來，出現了許多新型的光譜和波譜類過程分析儀器，如紅外、近紅外、拉曼以及核磁共振等，且大多具有以下特點：

1）可以對多路多組分連續測量，近紅外甚至可以實現多路的同時檢測。

2）測量速度相較于在線傳統分析儀更快，近紅外僅需1min，核磁需10min/流路。

3）采用化學計量學方法建立分析模型，模型需要維護。

4）不需要化學試劑或特殊制樣。

5）儀器易損件和消耗品少，維護量小，這些特點使其逐漸應用于多個領域的生產裝置中。

幾種可以用于煉油裝置RTO的典型在線分析儀器的對比見表1。

表1 幾種可以用于煉油裝置RTO的典型在線分析儀器的對比

相關裝置RTO在線分析建設不建議采用傳統方法在線分析手段（如在線餾程測定儀等）。原因主要包括以下幾方面：

1）RTO需要在線分析儀提供實時的餾程、密度、冰點、殘炭等性質的檢測，而傳統在線分析儀，例如餾程分析儀只能檢測餾程，冰點分析儀只能檢測冰點，RTO如果只有在線餾程分析儀的數據支持，優化時無法全面考慮，影響RTO投用的效果，若都配備，則成本會大幅提高。而在線快速分析能同時檢測餾程、密度、冰點、殘炭、PONA等多個性質，不僅為裝置的RTO提供了更多的現場質量數據，也可一定程度上為二次加工進料提供物性數據。

2）在線餾程分析儀雖是在線，但其檢測時間需30~50min/流路，一臺分析儀測完6個流路需3~5h，分析時間長且各側線不是同時檢測，而是一條側線檢測完再切換到另一條側線，這導致三條側線檢測的時間點是錯開的，檢測的性質并未對應相同的時間點，所以其通常是應用于操作控制回路，而不是面向全裝置模型的RTO優化控制。若一個檢測周期內工藝變化較大，將不對應的檢測數據輸入RTO模型進行數據和模型的整定，不僅會影響RTO的模型精度，也可能影響優化結果的準確性。

3）在線餾程分析儀將實驗室的技術照搬到了在線，由于有加熱、冷卻等過程，過程復雜故障率高，加熱過程存在風險，因此人工維護量大，主要是在硬件設備的維護上，且維護人員技能要求也非常高，一旦設備故障，停運維修時間長，將直接影響RTO的運行效果。

傳統在線分析儀雖精度略高于在線快速分析儀，但無論從穩定性、時效性、可檢測的性質、成本的投入等各方面來看，在線快速分析儀都更具優勢，更能滿足RTO的要求，因此建議采用在線快速分析技術，下文對兩種典型的在線快速分析技術進行介紹。

1）近紅外在線分析技術。近紅外光譜屬于分子振動光譜的倍頻和合頻區域，波長為 780~2 500nm。使用近紅外光照射樣品，其中，光子能量與化學基團躍遷能量相近時會產生光吸收，測量樣品對近紅外光的吸收得到近紅外光譜，它可在分子水平上反映樣品組成和結構變化的信息。采用化學計量學方法和計算機技術將近紅外光譜和被測性質關聯，可以建立定量和定性關系，從而用于樣品的組成含量以及物化性質的測量。如糧食或飼料的水分、蛋白、灰分、纖維以及詳細組分如各種氨基酸含量等，汽油辛烷值、蒸汽壓等。近紅外光譜測量時間很短（幾秒），通過1次光譜測量，同時完成樣品的多種性質測量，具有快速和高效的優點。

近紅外光子能量比中紅外高，可以穿透普通玻璃和用光纖傳輸，借此可以設計出很多類型儀器及附件，給儀器功能擴展帶來了很大方便，如測量光程較長，光程范圍在1~50mm。

多種光譜測量方式包括透射和漫反射及其組合，可以測量液體或固體樣品，不破壞樣品，光譜測量操作非常方便，廣泛用于化驗室、現場、車載和在線分析等多種用途，非常適合進行快速質量評價和過程控制分析用途。

近紅外光譜分析技術由光譜儀器、化學計量學軟件和校正（或定標）模型組成。儀器用于光譜測量，提供分析信息載體。化學計量學軟件關聯樣品光譜和性質（如組成濃度、物化性質），建立根據光譜測定性質的定量關系（或稱模型），或者根據光譜特征對樣品來源或真返回偽進行定性識別模型。儀器和軟件構成近紅外分析技術平臺。近紅外光譜分析平臺和校正模型組合起來才能用于具體分析。

2）核磁共振在線分析技術。核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）檢測分析原理于1946年被提出，研究和應用最多的是1H的核磁共振。氫的核磁共振譜圖提供了三類非常有用的信息，即化學位移、偶合常數和積分曲線，利用這些信息可以推測質子在碳鏈上的位置。同時，在NMR譜圖中，峰的高度和位置是分子結構的精確反映。由于外層電子對磁場的屏蔽效應不一致，導致分子中不同原子在NMR波譜上的化學位移也不同，這些特點中包含了大量的樣品組成和分子結構信息。

NMR分析時，樣品物流通過精確控制的磁場，其所有的質子在均勻磁場中排列，NMR向樣品物流發射57.2MHz的脈沖信號，使樣品中的氫原子發生偏轉，偏轉量和恢復的時間因物質的化學結構不同而變化，NMR接收并分析這些質子發射的射電信號，經過幾秒鐘的處理，把時域的脈沖信號轉化為頻域的頻譜信號，利用化學計量學，從譜圖信號中推導出不可直接測量的化學性質。

3 結束語

為滿足RTO需求，并盡可能使RTO的投用效果達到預期，在線分析系統的建設是必要的。目前國內外已有大量的重整裝置在投用在線分析儀來滿足裝置精細化管理和優化運行的需求，起到了很好的效果。在線分析技術經過多年的發展和完善，已日臻成熟。因其投資適中，投資回報期短，對現場裝置無改動要求（或很少的改動）等優勢，在國際上已得到了廣泛的應用。