催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化研究

黃明富 黃廣鵬

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國(guó)人民解放軍駐中國(guó)石油錦州石化公司代表室）

引言

催化裂化是石油煉制中非常重要的二次加工過(guò)程，其作用主要是將重質(zhì)油裂解為輕端產(chǎn)品，如汽油、柴油、液化氣，同時(shí)副產(chǎn)焦炭、油漿和干氣。隨著原油重質(zhì)化和劣質(zhì)化程度不斷加深，以及環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格，各類(lèi)催化裂化新工藝不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如渣油催化裂化RFCC 工藝，高苛刻度下行式HS-FCC 工藝和雙提升管FCC 工藝等[1]。另外，隨著丙烯需求的不斷增強(qiáng)，各類(lèi)增產(chǎn)丙烯的催化裂化工藝相繼出現(xiàn)，如大量生產(chǎn)液化石油氣和汽油的MGG/ARGG 工藝，最大量生產(chǎn)異構(gòu)烯烴的MIP 工藝等[2-3]。截至2014年，我國(guó)已有150 多套不同類(lèi)型的催化裂化裝置建成投產(chǎn)，處理量已接近150×106t/a[4]。

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)是催化裂化的后續(xù)分離部分，主要作用是將從催化主分餾塔塔頂來(lái)的富氣和粗汽油分離成干氣、液化氣和穩(wěn)定汽油，同時(shí)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)又是氣體分餾裝置的上游環(huán)節(jié)，其地位非常重要。催化裂化新工藝在不斷地涌現(xiàn)，但是吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝卻沒(méi)有太多的變化，操作與原有設(shè)計(jì)相差較大，能耗較高，干氣“不干”等現(xiàn)象較為普遍。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[5]，我國(guó)催化裂化干氣中C3+組分平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7.2%，體積分?jǐn)?shù)在2.87%，其中丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.5%。

國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究與探索[6-11]，也取得了一定的成效，但多數(shù)為局部改造或單參數(shù)優(yōu)化。對(duì)于吸收穩(wěn)定系統(tǒng)而言，使用單個(gè)操作參數(shù)優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)并非最優(yōu)，各個(gè)操作參數(shù)逐次進(jìn)行最優(yōu)得出的一組操作參數(shù)也并非整體最優(yōu)。因此，有必要對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，找出操作參數(shù)之間的最佳組合才能使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)操作[12]。

1 優(yōu)化策略

1.1 關(guān)鍵操作參數(shù)的選取

圖1 是催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程示意圖。操作參數(shù)是指可以通過(guò)人為操作進(jìn)行調(diào)整的參數(shù)，相互之間不受影響，如富氣壓縮機(jī)的出口壓力、吸收塔中段冷卻返塔溫度、補(bǔ)充吸收劑的流量、貧吸收油的流量、穩(wěn)定塔的壓力等，其中關(guān)鍵操作參數(shù)對(duì)吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的產(chǎn)品分配和能耗起到?jīng)Q定性作用。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的核心單元是吸收塔，在一定的流程和進(jìn)料條件下，吸收效果由吸收塔的操作壓力、溫度、補(bǔ)充吸收劑的流量等決定。吸收塔的操作壓力是由富氣壓縮機(jī)的出口壓力決定的，吸收塔的操作溫度是一個(gè)范圍，各塊塔板上也不一樣，可通過(guò)改變中段冷卻返塔溫度及凝縮油罐前冷卻器的冷后溫度等來(lái)調(diào)節(jié)，補(bǔ)充吸收劑的流量可通過(guò)穩(wěn)定汽油泵的流量控制來(lái)調(diào)節(jié)。富氣壓縮機(jī)出口壓力P 、吸收塔的中段循環(huán)冷后溫度T 和補(bǔ)充吸收劑的流量F ，不僅能決定吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的產(chǎn)品分配，同時(shí)對(duì)壓縮機(jī)、解吸塔再沸器、穩(wěn)定塔再沸器、產(chǎn)品冷卻和各機(jī)泵的能耗也有很大影響，因此，選擇上述3 個(gè)參數(shù)作為關(guān)鍵操作參數(shù)。

圖1 催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流程示意圖

1.2 優(yōu)化模型的建立

催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)是整體效益最大。在一定進(jìn)料和流程條件下，效益主要由關(guān)鍵操作參數(shù)決定，主要分為產(chǎn)品效益與能耗成本兩大部分。產(chǎn)品效益主要由干氣中跑損的液化氣量決定，能耗成本主要由富氣壓縮機(jī)、解吸塔與穩(wěn)定塔再沸器、各泵體、物料冷卻等費(fèi)用構(gòu)成。干氣中夾帶液化氣組分的效益損失用f(M)表示，解吸塔再沸器、穩(wěn)定塔的再沸器，富氣壓縮機(jī)、吸收塔冷卻，各 泵 的 能 耗 費(fèi) 用 分 別 用 f(Q1)、f(Q2)、f(p)、f(T)、f(F)表示，其他可看成常數(shù)。干氣中夾帶液化氣組分的效益損失和各類(lèi)能耗費(fèi)用之和最小即體現(xiàn)為吸收穩(wěn)定系統(tǒng)效益最大，優(yōu)化模型如下：

min f(X)=[f(Q1)+f(Q2)+f(M)+f(P)+f(T)+f(F)]

s.t.C(X)=0 （過(guò)程模擬方程組）

式中，a1、 a2、 a3分別為富氣壓縮機(jī)出口壓力P 、吸收塔中段循環(huán)冷后溫度T 、補(bǔ)充吸收劑流量F 的操作下限，b1、 b2、 b3分別為富氣壓縮機(jī)出口壓力P 、吸收塔中段循環(huán)冷后溫度T 、補(bǔ)充吸收劑流量F 的操作上限。

1.3 優(yōu)化求解策略

式（1）中的關(guān)鍵操作參數(shù)P、T、F ，可用Xo表示，狀態(tài)參數(shù)Q1、 Q2、 M 是關(guān)鍵操作參數(shù)的函數(shù)，可用XS表示。多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化采用圖2 所示的策略，首先根據(jù)建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型輸入獨(dú)立操作參數(shù)的初始值，利用流程模型等計(jì)算求取狀態(tài)參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)，然后利用尋優(yōu)等方法找到一組新的關(guān)鍵操作參數(shù)值，再利用流程模擬等計(jì)算求出狀態(tài)參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)前后兩次目標(biāo)函數(shù)的差值小于精度要求時(shí)可認(rèn)為計(jì)算收斂，否則返回求取關(guān)鍵操作參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)。

圖2 優(yōu)化求解策略過(guò)程示意圖

關(guān)鍵操作參數(shù)XO(i)利用一維搜索和廣義既約梯度得到。根據(jù)曲線f(X)在Xi點(diǎn)附近的信息構(gòu)造一個(gè)與 f(X)近似的拋物線p(λ)，在一定的條件下可以認(rèn)為p(λ) 的極小點(diǎn)接近于原曲線 f(X) 的極小點(diǎn)。由于拋物線p(λ) 比原曲線 f(X) 要簡(jiǎn)單得多，可以求出拋物線p(λ)的極小點(diǎn)，因此把拋物線p(λ)的極小點(diǎn)作為一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)是合理可行的，進(jìn)而通過(guò)縮短原來(lái)的搜索區(qū)間反復(fù)構(gòu)造拋物線來(lái)尋找最佳的點(diǎn)，見(jiàn)圖3。

圖3 拋物線一維搜索過(guò)程示意圖

原曲線f(X)可轉(zhuǎn)化為：

在此需要計(jì)算出修正方向?X(i)，搜索的過(guò)程是改變搜索的步長(zhǎng)λ 來(lái)尋找極小點(diǎn)的過(guò)程，故f 只是變量λ 的函數(shù)，即f(λ)。修正方向?X(i)利用廣義既約梯度法得到，因?yàn)榉仟?dú)立變量是獨(dú)立操作變量的函數(shù)，因而目標(biāo)函數(shù)f(X)可以轉(zhuǎn)為化Φ(XO)：

廣義既約梯度法把目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為獨(dú)立變量的函數(shù)，即目標(biāo)函數(shù)的自變量只包含獨(dú)立變量，通過(guò)求取目標(biāo)函數(shù)對(duì)獨(dú)立變量的梯度，就可以在獨(dú)立變量XO的空間內(nèi)搜索f(X)的極值，而非獨(dú)立變量XS總是做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來(lái)滿(mǎn)足約束條件，即通過(guò)過(guò)程模擬得到。

2 案例研究

以某煉油廠蠟油催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)為研究案例。通過(guò)設(shè)定各獨(dú)立變量的上下限和各類(lèi)價(jià)格 參 數(shù)，利 用 函 數(shù) 擬 合 得 到 f(Q1) 、 f(Q2) 、f(M)、 f(P)、 f(T)、 f(F)，略去常數(shù)項(xiàng)，整理得到如下優(yōu)化模型：

獨(dú)立操作變量的初始值P、T、F 分別為1220 kPa、25 ℃和20 t/h，目標(biāo)函數(shù)的初始值為16 612.2 元/h。利用1.3 節(jié)的優(yōu)化策略計(jì)算得目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化值為16 208.4 元/h，優(yōu)化后獨(dú)立操作變量P、T、F 分別為1292 kPa、20 ℃和10 t/h，初始工況與優(yōu)化工況的效益損失之差為403.8 元/h，裝置開(kāi)工時(shí)間按8400 h 計(jì)，則年效益為339.2 萬(wàn)元。

3 問(wèn)題探討

本文所建立的多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法，采用流程模擬技術(shù)與尋優(yōu)技術(shù)組合得到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值與關(guān)鍵操作參數(shù)的最佳組合，屬于可行性路徑法?？尚行月窂椒ㄏ燃僭O(shè)關(guān)鍵操作參數(shù)的初值，用穩(wěn)態(tài)模擬的方法求解出狀態(tài)變量，再用具體的目標(biāo)函數(shù)方程解出目標(biāo)函數(shù)，然后在外面套一層優(yōu)化迭代環(huán)，用來(lái)調(diào)整關(guān)鍵操作參數(shù)使目標(biāo)函數(shù)逐步達(dá)到最優(yōu)，并始終滿(mǎn)足各類(lèi)約束。對(duì)于優(yōu)化迭代時(shí)關(guān)鍵操作參數(shù)的每次取值均必須使模擬方程組有解，即每次迭代都在可行范圍內(nèi)進(jìn)行，求解效率很低，關(guān)鍵操作參數(shù)的個(gè)數(shù)一旦增加將很難進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

1）對(duì)于多操作參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，可采用過(guò)程模擬與尋優(yōu)技術(shù)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，即在過(guò)程模擬的基礎(chǔ)上套一層優(yōu)化迭代環(huán)使目標(biāo)函數(shù)逐步接近最優(yōu)值，并得到操作參數(shù)的最佳組合。

2）應(yīng)用建立的優(yōu)化方法，對(duì)某煉油廠一套90×104t/a 的蠟油催化裂化裝置進(jìn)行實(shí)例研究，結(jié)果表明關(guān)鍵操作參數(shù)即富氣壓縮機(jī)出口壓力、進(jìn)吸收塔物流溫度和補(bǔ)充吸收劑流量的最佳組合為1292 kPa、20 ℃、10 t/h，優(yōu)化后預(yù)測(cè)年效益為339.2 萬(wàn)元。

3）本文建立的優(yōu)化方法，同樣適應(yīng)于其他過(guò)程的關(guān)鍵操作參數(shù)協(xié)同優(yōu)化。

[1]伏勝軍,阮鈴清,胡建良.催化裂化反應(yīng)工藝技術(shù)進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2014(18):94-97.

[2]顧道斌.多產(chǎn)丙烯的催化裂化工藝進(jìn)展[J].石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2012,28(2):57-61.

[3]王巍.催化裂化生產(chǎn)丙烯技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].煉油技術(shù)與工程,2005,35(2):20-24.

[4]許友好.我國(guó)催化裂化工藝技術(shù)進(jìn)展[J].中國(guó)科學(xué):化學(xué),2014,44(1):13-24.

[5]官超.優(yōu)化催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)回收干氣中的丙烯[J].煉油技術(shù)與工程,2007,37(6):22-27.

[6]張建民,李松年.催化裂化裝置吸收解吸系統(tǒng)工藝參數(shù)全面分析及最佳工藝參數(shù)的確定[J].石油學(xué)報(bào),2001,17(2):30-37.

[7]支紅利,程光緒,楊永,等.催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)解吸塔雙股進(jìn)料的總體優(yōu)化[J].化學(xué)進(jìn)展,2004,23(1):91-94.

[8]周文娟,姜斌.催化裂化主分餾塔和吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝模擬和改進(jìn)研究[C].天津:天津大學(xué),2005.

[9]黃明富,李國(guó)慶,李亞軍,等.吸收穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定塔側(cè)線汽油做補(bǔ)充吸收劑[J].煉油技術(shù)與工程,2008,38(11):22-25.

[10]雷楊,張冰劍,魏志強(qiáng),等.基于流程模擬的催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)分析與操作優(yōu)化[J].石油煉制與化工,2012,43(1):94-100.

[11]李小軍,李陽(yáng),許曉斌.催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)模擬優(yōu)化[J].齊魯石油化工,2014,42(1):34-38.

[12]黃明富.催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)多變量操作優(yōu)化研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2009.