催化裂化裝置生產(chǎn)方案優(yōu)化控制研究

李晉萍(寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

催化裂化裝置生產(chǎn)方案優(yōu)化控制研究

李晉萍(寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

催化裂化裝置是煉油和石油化工生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵裝置,在煉油生產(chǎn)鏈中起著十分重要的作用,其運(yùn)行狀況影響整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益.本論文系統(tǒng)闡述了寧夏某石化公司重油催化裂化工藝特點(diǎn)、流程及生產(chǎn)現(xiàn)狀，并在穩(wěn)定總進(jìn)料并明確控制方案的前提下，研究提出了多產(chǎn)柴油、汽油、液態(tài)烴和最佳經(jīng)濟(jì)效益四種優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)裝置優(yōu)化控制的實(shí)踐證明，多產(chǎn)柴油、汽油、液態(tài)烴方案其收率較優(yōu)化前分別增加1.56%、2.99%、0.32%，最佳經(jīng)濟(jì)效益方案可增加經(jīng)濟(jì)效益56.92元/噸原料,實(shí)現(xiàn)了催化裂化裝置的平穩(wěn)控制,減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,改善了產(chǎn)品的收率并最終實(shí)現(xiàn)了提高經(jīng)濟(jì)效益的總目標(biāo)。

催化裂化;優(yōu)化控制;收率;經(jīng)濟(jì)效益

0 引言

石油不但是工業(yè)的血液而且被稱為全球的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)汽油、柴油和液態(tài)烴的重要生產(chǎn)裝置，同時(shí)也成為了煉油企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益來(lái)源的一個(gè)重要的部分。催化裂化對(duì)煉油工業(yè)的成長(zhǎng)壯大和對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(xiàn)使用的主要有：(1)再生滑閥自動(dòng)控制法：主控方向?yàn)樵偕y—反應(yīng)溫度(提升管出口溫度)；(2)沉降器自動(dòng)控制法：主控方向?yàn)榇y(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(jī)監(jiān)控或優(yōu)化控制系統(tǒng)，例如多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)；(4)離線調(diào)優(yōu)系統(tǒng)。事實(shí)上，對(duì)于產(chǎn)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(xué)反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)深度，一般有很多種因素都會(huì)影響到反應(yīng)深度，但反應(yīng)深度并不能被反應(yīng)溫度所完全代表。我們?nèi)粝肴〉妹黠@的經(jīng)濟(jì)效益，且只需通過(guò)操作條件的改變就可以實(shí)現(xiàn)，使得生產(chǎn)過(guò)程操作得到優(yōu)化，而又不需要修改工藝、不增加生產(chǎn)設(shè)備。這種想法如果能夠成功，絕對(duì)是一種投資少、見(jiàn)效快的好方法，因此催化裂化的多方向優(yōu)化控制絕對(duì)有著重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是雖然歷經(jīng)幾代人不懈的努力，我國(guó)催化裂化技術(shù)已取得較大的發(fā)展，并且為世人所矚目，受投入不足、底子較薄、缺乏自主創(chuàng)新技術(shù)、使用的設(shè)備比較落后、管理機(jī)制跟不上去、勞動(dòng)生產(chǎn)率低等諸多因素的束縛，導(dǎo)致與國(guó)外先進(jìn)水平相比，我國(guó)催化裂化技術(shù)仍存在著較大差距。

本課題通過(guò)對(duì)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(jié)合優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件，提出了四種優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)各優(yōu)化方案中待優(yōu)化變量數(shù)值的調(diào)整，影響裝置實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)。使裝置在優(yōu)化方案投用后產(chǎn)品收率得到提高。具體內(nèi)容有以下幾個(gè)方面。

(1)對(duì)寧夏某石化公司現(xiàn)有重油催化裂化裝置進(jìn)行分析，確定優(yōu)化方向。(2)研究DCIO Express for FCC 3．0系統(tǒng)控制方案、控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件。(3)根據(jù)石化公司催化裂化裝置的產(chǎn)品及效益確定優(yōu)化方案；(4)在全面分析裝置的基礎(chǔ)上，確定優(yōu)化系統(tǒng)的原則，控制系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化變量、約束條件等；(5)根據(jù)確定的優(yōu)化方案、優(yōu)化變量、約束條件等對(duì)石化裝置實(shí)施優(yōu)化控制，利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)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(wàn)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(guó)石化工程建設(shè)公司設(shè)計(jì)，裝置以加工常壓渣油原料為主，設(shè)計(jì)加工規(guī)模為年處理量260萬(wàn)噸/年，操作彈性60%-110%。雙脫裝置(以下簡(jiǎn)稱該裝置)與260 萬(wàn)噸/年催化裂化裝置相配套，對(duì)催化裂化裝置生產(chǎn)的穩(wěn)定汽油、干氣及液化石油氣進(jìn)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(jìn)入高壓瓦斯管網(wǎng)，降低管網(wǎng)腐蝕，減少煙氣二氧化硫排放濃度。

2 260萬(wàn)噸/年重油催化裂化裝置技術(shù)特點(diǎn)

(1) 重疊式兩段再生技術(shù)被運(yùn)用于再生系統(tǒng)，風(fēng)耗量較低，符合當(dāng)前節(jié)能降耗的環(huán)保型生產(chǎn)要求。

(2) 提升管選用VQS旋流快分、預(yù)汽提和多段汽提技術(shù)。采用VQS旋流快分、預(yù)汽提和多段汽提技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氣——固的快速分離，有效降低了焦炭和干氣產(chǎn)率，減緩沉降器內(nèi)部的結(jié)焦。

(3) 主風(fēng)機(jī)組由變頻啟動(dòng)的備用機(jī)組和主風(fēng)三機(jī)組組成。備機(jī)采用變頻啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)沖擊很??；主風(fēng)三機(jī)組由煙機(jī)——主風(fēng)機(jī)——電動(dòng)機(jī)組成，具有操作靈活，受系統(tǒng)電網(wǎng)影響小，并能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的無(wú)擾動(dòng)切換的特點(diǎn)。

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

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

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

3 優(yōu)化控制方案的總體設(shè)計(jì)

在此次研究中，經(jīng)過(guò)改造的控制設(shè)備已更新為先進(jìn)可靠的I/A Series集散型控制系統(tǒng)，但是由于原有生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)的制約，傳統(tǒng)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(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)；改善產(chǎn)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(guò)何種方式實(shí)時(shí)回饋給現(xiàn)場(chǎng)操作工人，從而指導(dǎo)操作工人及時(shí)改變操作條件，提高裝置運(yùn)行效益；產(chǎn)品質(zhì)量如何能被工人實(shí)時(shí)了解，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整操作條件，改善產(chǎn)品質(zhì)量；以上課題解答所要求的基本條件，恰恰是DCS在線統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、優(yōu)化所能實(shí)現(xiàn)的功能。因此，在研究的過(guò)程中，在優(yōu)化控制系統(tǒng)上設(shè)計(jì)的幾種控制方案均以煉油廠現(xiàn)有催化裂化裝置為基礎(chǔ)。

對(duì)于一個(gè)優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先是優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該如何選取，其次是作為在線的優(yōu)化變量，哪些操作變量可以選取。

3.1 優(yōu)化控制系統(tǒng)

優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)在催化裂化裝置中可以有多種體現(xiàn)方式。本次研究采用的優(yōu)化方式為根據(jù)其加工方式不同而進(jìn)行的優(yōu)化組合方案，可以根據(jù)市場(chǎng)需求對(duì)需要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)任意切換。通過(guò)合理組合優(yōu)化變量和目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)出四組實(shí)時(shí)優(yōu)化控制方案：第一組目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為多產(chǎn)液態(tài)烴一個(gè)時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)品的平均收率；第二組目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為多產(chǎn)汽油的平均收率；第三組目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為多產(chǎn)柴油的平均收率；第四組目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為裝置的最佳經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)化控制器可根據(jù)需要在操作界面上通過(guò)按鈕選擇切換這四組方案。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大，變量進(jìn)行調(diào)優(yōu)可通過(guò)調(diào)整裝置的操作條件來(lái)完成。其中裝置的經(jīng)濟(jì)效益根據(jù)產(chǎn)品、原料和單價(jià)進(jìn)行計(jì)算，這些價(jià)格可通過(guò)工程師界面隨時(shí)修改和輸入。

優(yōu)化變量在選擇時(shí)，主要考慮的是那些重要同時(shí)又易于控制的反應(yīng)-再生部分中的工藝變量。因此，這四組優(yōu)化方案都以預(yù)提升干汽(或預(yù)提升蒸汽，可切換)流量、提升管出口溫度 、原料油預(yù)熱溫度 、回?zé)捰突責(zé)挶?、摻渣比、油漿回?zé)挶?、外排油漿流量、新催化劑加料占寬比這8個(gè)變量為調(diào)優(yōu)變量，通過(guò)在線方式，使這些變量得到優(yōu)化，進(jìn)而令主要操作條件在催化裂化過(guò)程中被加以調(diào)整，最后達(dá)到裝置的經(jīng)濟(jì)效益和主產(chǎn)品的收率得到提高的效果。只有在裝置各項(xiàng)約束條件滿足的條件下，優(yōu)化控制才能得到完整的實(shí)施，此時(shí)才能保證裝置正常平穩(wěn)運(yùn)行。

優(yōu)化控制器在操作界面上進(jìn)行四個(gè)方案的選擇，由裝置操作員給定操作上下限，而自動(dòng)切換程序可由系統(tǒng)在操作員限定的區(qū)域內(nèi)完成切換，自動(dòng)優(yōu)化所切換方案的操作。優(yōu)化方法采用了相關(guān)積分法，以及計(jì)算機(jī)二級(jí)優(yōu)化控制模式。而優(yōu)化方法所必須具有的約束條件，則考慮了分餾塔的液位，產(chǎn)品分布情況，優(yōu)化變量的上下限等。

為了在各種操作情況下優(yōu)化控制系統(tǒng)都仍然能夠穩(wěn)定且正常地工作，需要改變?cè)刂葡到y(tǒng)的反應(yīng)器總進(jìn)料控制，這樣才不會(huì)使各重要操作參數(shù)之間產(chǎn)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(tǒng)，主要有以下幾種系統(tǒng)：

(1) 反應(yīng)器進(jìn)料量對(duì)總的新鮮進(jìn)料量的控制系統(tǒng)

(2) 進(jìn)料摻渣比控制系統(tǒng)

(3) 回?zé)捰捅戎悼刂葡到y(tǒng)

(4) 回?zé)捰蜐{比值控制系統(tǒng)

保持相互獨(dú)立是以上各變量的優(yōu)點(diǎn)之一，其它變量能夠在任意變量發(fā)生改變時(shí)，仍然自動(dòng)保持恒定的原有數(shù)值。

4 優(yōu)化控制的實(shí)際應(yīng)用及標(biāo)定結(jié)果

想要得到一個(gè)運(yùn)行情況的分析結(jié)果，需要一個(gè)產(chǎn)品收率作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確、可靠、具有可比性，有較高準(zhǔn)確可靠性的各產(chǎn)品收率記錄只會(huì)出現(xiàn)在車(chē)間生產(chǎn)質(zhì)量記錄中，而且其可比性較高，因此采用了車(chē)間生產(chǎn)質(zhì)量記錄中的產(chǎn)品收率作為數(shù)據(jù)分析的依據(jù)。

在正常生產(chǎn)過(guò)程中，選取進(jìn)料量相對(duì)穩(wěn)定的生產(chǎn)時(shí)段，采集12日內(nèi)車(chē)間產(chǎn)品質(zhì)量及分析臺(tái)帳中各產(chǎn)品的收率，運(yùn)用過(guò)程中各種產(chǎn)品收率均有提高，高如果生產(chǎn)投運(yùn)時(shí)間能夠增長(zhǎng)，取得的產(chǎn)品收率將會(huì)更高。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)能源緊張的局面，為充分提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)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(duì)寧夏某石化公司催化裂化裝置進(jìn)行優(yōu)化控制研究，結(jié)論如下：

(1)所使用的軟件系統(tǒng)以相關(guān)積分優(yōu)化方法為優(yōu)化引擎具有在線監(jiān)測(cè)功能 、可在線調(diào)整工藝參數(shù)，并附有智能自動(dòng)故障檢測(cè)，定位和處理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的在線優(yōu)化控制；

(2)為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，達(dá)到總進(jìn)料系統(tǒng)穩(wěn)定的生產(chǎn)運(yùn)行狀況，實(shí)施了對(duì)總的新鮮進(jìn)料量、進(jìn)料摻渣比、回?zé)捰捅戎?、回?zé)捰蜐{比值進(jìn)行控制，實(shí)踐證明四個(gè)控制方案不但可行，而且是總進(jìn)料系統(tǒng)穩(wěn)定的有力保障；

(3)本課題研究提出的多產(chǎn)柴油、多產(chǎn)汽油、多產(chǎn)液態(tài)烴和最佳經(jīng)濟(jì)效益四種優(yōu)化方案，符合該石化公司燃料型煉廠的生產(chǎn)實(shí)際；

(4)研究確定的預(yù)提升干汽流量、提升管出口溫度 、原料油預(yù)熱溫度 、回?zé)捰突責(zé)挶?、摻渣比、油漿回?zé)挶?、外排油漿流量、新催化劑加料占寬比這8個(gè)優(yōu)化變量及各優(yōu)化變量的19個(gè)上下限約束條件科學(xué)合理，符合煉廠實(shí)際并為優(yōu)化方案的實(shí)施創(chuàng)造了條件；

(5)通過(guò)對(duì)裝置優(yōu)化控制方案實(shí)施后的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的大量分析，證明了多產(chǎn)柴油、多產(chǎn)汽油、多產(chǎn)液態(tài)烴方案其產(chǎn)品收率較優(yōu)化前分別增加了1．56%、2．99%、0．32%，最佳經(jīng)濟(jì)效益方案可增加經(jīng)濟(jì)效益56．92元/噸原料，實(shí)現(xiàn)了催化裂化裝置的平穩(wěn)控制，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了產(chǎn)品的收率并最終實(shí)現(xiàn)了提高經(jīng)濟(jì)效益的總目標(biāo)。

[1]夏清,陳常貴主編.化工原理上冊(cè).天津:天津大學(xué)出版社.2007.1.

[2]史瑞生,催化裂化在線工藝計(jì)算的特點(diǎn)[J],煉油設(shè)計(jì).2001.01 .

[3]葉慶國(guó).分離工程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2009.1.

[4]敖晨虹,胡海蘭,周麗君.先進(jìn)控制與優(yōu)化控制在過(guò)程工業(yè)應(yīng)用中若干問(wèn)題探討[J].石油化工自動(dòng)化.2002.05.

[5]盧煥章.石油化學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)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。