先進控制系統(tǒng)在DCC 裝置分餾和吸收穩(wěn)定單元的應(yīng)用

李貴

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

1 裝置概況

某石化公司2.2Mt/a 催化裂解(DCC) 裝置采用中國石化石油化工科學研究院研發(fā)的DCC-plus 專利技術(shù)[1-4]。裝置以常壓渣油餾分以及加氫尾油為新鮮原料，適合加工蠟油或常壓渣油。裝置自產(chǎn)的輕石腦油和碳四餾分作為進料進行回煉，其中輕石腦油回煉量為新鮮原料油量的3%～6%(質(zhì)量分數(shù))，C4 餾分回煉量為新鮮原料油量的5%～12%(質(zhì)量分數(shù))。裝置的主要產(chǎn)品是液化氣、碳五組分、裂解石腦油、碳十粗芳烴，同時副產(chǎn)干氣及油漿。裝置主要包括反應(yīng)再生單元、分餾單元和吸收穩(wěn)定單元，并配套煙氣脫硫脫硝和水處理系統(tǒng)。

分餾單元主要包括6 個中段回流，分別是：塔頂冷回流、頂循環(huán)回流、貧富吸收油循環(huán)回流、一中循環(huán)回流、二中循環(huán)回流和油漿循環(huán)回流。分餾單元的主要作用是將由反應(yīng)沉降器來的高溫油氣通過精餾的原理分割為油漿、爐用燃料油、粗汽油和富氣。分餾單元的主要設(shè)備有分餾塔、柴油汽提塔、原料油罐、回煉油罐、換熱設(shè)備、油氣分離器、工藝機泵以及控制系統(tǒng)等組成。吸收穩(wěn)定單元主要作用是將來自分餾單元的富氣和粗汽油，分割為干氣、液化氣、碳五和裂解石腦油。吸收穩(wěn)定單元主要設(shè)備包括穩(wěn)定塔、輕重汽油分離塔、吸收塔、再吸收塔、脫吸塔、冷換設(shè)備和工藝機泵等，分餾和吸收穩(wěn)定單元工藝流程如圖1 所示。

圖1 DCC 裝置分餾和吸收穩(wěn)定單元工藝流程

2 應(yīng)用背景

DCC 裝置分餾和吸收穩(wěn)定單元工藝流程復(fù)雜，換熱網(wǎng)絡(luò)交織，產(chǎn)品控制苛刻，單元間相互影響顯著。裝置調(diào)整操作的思路主要是采取操作員認真盯表、及時發(fā)現(xiàn)問題、勤調(diào)微調(diào)的方式，人的主觀作用對操作的影響較大，常常存在操作不及時、幅度不匹配等問題，而且操作員的勞動強度較大。再加上不同操作員的操作習慣和操作方法不一樣，往往出現(xiàn)同一個控制參數(shù)或產(chǎn)品指標反復(fù)波動的現(xiàn)象。因此，為解決DCC裝置分餾單元和吸收穩(wěn)定單元的工藝參數(shù)波動大、高附加值產(chǎn)品收率低、產(chǎn)品質(zhì)量過剩等問題，引進先進控制技術(shù)，實現(xiàn)裝置的精細化控制和“卡邊”操作，達到平穩(wěn)生產(chǎn)、提高高附加值產(chǎn)品收率和節(jié)能降耗的目的。

3 先進控制系統(tǒng)簡介

采用模型預(yù)測控制、智能控制和軟測量技術(shù)構(gòu)建催化裂解裝置分餾和吸收穩(wěn)定單元動態(tài)控制模型，設(shè)計開發(fā)先進控制器，最終實現(xiàn)催化裂解裝置先進控制系統(tǒng)的應(yīng)用。該系統(tǒng)可以處理裝置中存在的多變量、大純滯后、強耦合等復(fù)雜過程特性，并集成工藝工程師、操作人員長期的操作經(jīng)驗，在工況變化時能夠保持良好的控制性能，充分挖掘催化裂解裝置和氣分裝置的生產(chǎn)潛力[5]。

4 先進控制方案設(shè)計

催化裂解裝置的先進控制系統(tǒng)方案設(shè)計包括分餾系統(tǒng)子控制器和吸收穩(wěn)定系統(tǒng)子控制器。

4.1 分餾單元控制器

分餾單元設(shè)計6 個控制器，主要變量如表1 所示。

表1 分餾單元控制器主要變量

4.2 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)控制器

吸收穩(wěn)定單元設(shè)計6 個控制器，主要變量如表2所示。

表2 吸收穩(wěn)定單元控制器主要變量

通過設(shè)計以上控制器主要實現(xiàn)功能如下：

(1)實現(xiàn)關(guān)鍵控制點如溫度、產(chǎn)品質(zhì)量等的平穩(wěn)控制，提高裝置運行平穩(wěn)性，降低勞動強度；

(2)實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的在線預(yù)測，結(jié)合化驗分析，提高產(chǎn)品質(zhì)量控制的及時性；

(3)提高高附加值產(chǎn)品的收率；

(4)實現(xiàn)液位的平衡控制，降低出料波動，減少對后續(xù)裝置的影響。

4.3 控制策略創(chuàng)新

(1)創(chuàng)新應(yīng)用空冷變頻自動控制策略。穩(wěn)定塔頂8 臺空冷變頻電機的功率同時控制穩(wěn)定塔頂冷后溫度，實現(xiàn)多個操作變量同時控制一個被控變量的目的。實現(xiàn)空冷冷后溫度平穩(wěn)控制，對天氣溫度、氣候突變有較好的抗干擾作用，同時大幅減少操作員勞動強度。正常生產(chǎn)時，變頻電機保持在滿足工藝參數(shù)需求下的最低工作負荷狀態(tài)，節(jié)能效果良好。

(2)實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量在線控制。傳統(tǒng)的操作方法，操作員只能根據(jù)化驗數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗控制產(chǎn)品質(zhì)量。由于化驗頻次一般8 h 或24 h 一次，信息嚴重滯后，對操作的指導(dǎo)意義不大，產(chǎn)品質(zhì)量偶爾會超標，產(chǎn)品合格率較低。為了解決這一問題，先進控制系統(tǒng)在開發(fā)過程中創(chuàng)新采用軟測量儀表技術(shù)，實時計算關(guān)鍵產(chǎn)品的質(zhì)量指標，對被控變量實現(xiàn)實時控制。此控制策略解決了傳統(tǒng)控制方法滯后性的問題，顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量合格率。產(chǎn)品質(zhì)量在線控制軟測量儀表包括粗汽油干點、爐用燃料油95% 點、干氣C3 含量和液化氣C5 含量。

(3)實現(xiàn)單元間的能量優(yōu)化控制。DCC 裝置熱水利用裝置內(nèi)的低溫位熱源加熱換熱水，作為氣分的熱源負荷存在過剩情況。一部分給氣分裝置精丙烯塔和脫乙烷塔底重沸器提供熱源，一部分通過空冷冷卻，存在能源浪費。通過實施先進控制，降低分餾塔一中和熱水取熱負荷，提高二中與穩(wěn)定汽油取熱負荷，提高穩(wěn)定塔底重沸器E-304A 熱負荷，最大程度降低另一臺重沸器E-304B 負荷，達到降低中壓蒸汽的目的。

5 應(yīng)用效果

5.1 提高工藝平穩(wěn)率

為了說明先進控制系統(tǒng)投用獲得的平穩(wěn)率提升效果，選取了投運前與投用后期間主要工藝參數(shù)進行對比，相關(guān)的平穩(wěn)性效果說明如下：

(1)分餾系統(tǒng)控制器。分餾塔系統(tǒng)APC 投用前后各控制器運行參數(shù)變化如表3 所示。從表3 可以看出，分餾塔頂溫度、柴油抽出溫度、粗汽油罐液位、油水分離器液位、人字擋板上部溫度和柴油汽提塔液位的標準偏差分別降低約為74.46%、57.28%、65.52%、50.45%、69.21%和49.47%。各參數(shù)的運行平穩(wěn)性明顯提高。

表3 分餾系統(tǒng)APC 投用前后各控制器運行參數(shù)對比

(2) 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)控制器。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)APC投用前后各控制器運行參數(shù)變化如表4 所示。從表4 可以看出，穩(wěn)定塔底溫度、穩(wěn)定塔32 層溫度、穩(wěn)定塔底液位、再吸收塔頂壓力、吸收塔頂溫度和脫吸塔底溫度的標準偏差分別降低約為77.25%、65.61%、62.79%、40.04%、57.69% 和41.14%。各參數(shù)的運行平穩(wěn)性明顯提高。

表4 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)APC 投用前后各控制器運行參數(shù)對比

5.2 節(jié)能效果顯著

催化裂解裝置投用先進控制系統(tǒng)后，主要通過對分餾系統(tǒng)、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的優(yōu)化控制，“卡邊”操作和分餾穩(wěn)定優(yōu)化取熱等實現(xiàn)節(jié)能降耗。其中，穩(wěn)定塔底第二重沸器中壓蒸汽節(jié)能效果明顯。穩(wěn)定塔底設(shè)有兩臺重沸器，分別以分餾塔二中循環(huán)和中壓過熱蒸汽作為熱源。通過設(shè)計先進控制策略優(yōu)先提高穩(wěn)定塔二中重沸器取熱負荷，降低穩(wěn)定塔中壓蒸汽重沸器的取熱負荷，達到節(jié)約中壓蒸汽的目的。在裝置負荷不變的情況下，先進控制系統(tǒng)投用前后中壓蒸汽耗量變化趨勢如圖2 所示。從圖2 可以看出：先進控制系統(tǒng)投用后穩(wěn)定塔重沸器中壓蒸汽消耗明顯下降，由24.6 t/h下降到22.4 t/h。

圖2 APC 投用前后穩(wěn)定塔重沸器消耗蒸汽量

5.3 提高產(chǎn)品質(zhì)量合格率

先進控制投用前后產(chǎn)品質(zhì)量合格率變化趨勢如圖3 所示。從圖3 可以看出，先進控制系統(tǒng)投用后，催化裂解裝置的產(chǎn)品質(zhì)量合格率大概由99.15%提升至99.90%，提升幅度約0.75%。

圖3 APC 投用前后催化裂解裝置產(chǎn)品合格率變化趨勢

5.4 大幅降低操作工勞動強度

先進控制投運以后，線控投用率達到100%，裝置自動化程度明顯提高，操作員勞動強度顯著下降。APC投用前后DCS每日操作頻次變化趨勢如圖4所示。從圖4 可以看出，先控投用前每日平均操作頻次是4 721 次，先控投用后每日平均操作頻次是804 次，每日減少操作約3 917 次，勞動強度降低約83%。

圖4 APC 投用前后催化裂解裝置DCS 日平均操作頻次變化

5.5 提高目的產(chǎn)品收率

由于先進控制系統(tǒng)采用軟測量儀表技術(shù)和卡邊控制技術(shù)，實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量指標在線預(yù)測與實時控制，解決了傳統(tǒng)控制方法滯后性的問題，在保證產(chǎn)品卡邊合格的前提下，實現(xiàn)了高附加值產(chǎn)品的收率提高。液化氣和裂解石腦油收率變化如圖5 所示。從圖5 可以看出，APC 投用前液化氣和裂解石腦油收率分別約為44.12%、18.42%，APC 投用后收率分別約為46.49%、20.05%，收率分別增加2.37%、1.63%。

圖5 APC 投用前后液化氣和裂解石腦油收率變化

6 結(jié)論

(1)在催化裂解裝置分餾單元和吸收穩(wěn)定單元實施先進控制系統(tǒng)，特別是軟測量儀表的使用，可實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的“卡邊”控制，提高高附加值產(chǎn)品收率；

(2)裝置實施先進控制系統(tǒng)后，自動化程度明顯提高，工藝平穩(wěn)率顯著提高，操作員勞動強度明顯下降；

(3)先進控制技術(shù)在多組變頻風機控制單一冷后溫度的應(yīng)用策略，能較好地滿足工藝操作要求，且節(jié)能效果良好。