化工仿真實(shí)訓(xùn)的過程控制研究-以常減壓煉油開車為例

鐘國玉，傅小波，許書瑞，廖文波，徐勇軍，何運(yùn)兵

(東莞理工學(xué)院 化學(xué)工程與能源技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808)

1 化工仿真實(shí)訓(xùn)簡介

化工生產(chǎn)具有物料危險(xiǎn)性大，工藝過程復(fù)雜，工藝條件苛刻和生產(chǎn)規(guī)模大等特點(diǎn)?；どa(chǎn)的特殊性使得化工實(shí)踐教學(xué)難以開展，即使是化工廠的實(shí)地實(shí)習(xí)教學(xué)也很難讓學(xué)生實(shí)操。為了解決這一點(diǎn)，化工仿真實(shí)訓(xùn)應(yīng)運(yùn)而生?；し抡鎸?shí)訓(xùn)是以軟件為平臺(tái)，以真實(shí)的工廠單元及工段為背景，以仿真機(jī)為工具，用實(shí)時(shí)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型來模擬了真實(shí)的帶有控制點(diǎn)的設(shè)備和工藝流程實(shí)際操作[1-2]。化工仿真一方面可以通模擬離心泵、熱管式交換器、液位控制、固定床、流化床等一系列可獨(dú)立運(yùn)行的單元操作；另一方面可以模擬大型的合成氨、常減壓蒸餾、催化裂化反應(yīng)再生等化工生產(chǎn)過程的開車、運(yùn)行、停車以及事故處理等操作過程[3-4]。通過仿真實(shí)訓(xùn)，學(xué)生能夠身臨其境地深入了解化工過程的工藝和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,提高對(duì)復(fù)雜化工過程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的分析和決策能力 ,試驗(yàn)和提出最優(yōu)操作方案，提高他們的理論水平和工程能力[5-6]。

化工仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)是對(duì)化工生產(chǎn)過程的協(xié)調(diào)控制，這一過程學(xué)習(xí)不僅有利于提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜化工過程的分析和決策能力，更能培養(yǎng)學(xué)生建立連續(xù)穩(wěn)定的工程意識(shí)觀。目前，化工仿真軟件主要通過設(shè)定質(zhì)量控制步驟的方式來實(shí)現(xiàn)該教學(xué)過程[7-8]。所謂質(zhì)量控制步驟，是化工仿真軟件針對(duì)特定的工藝流程，選擇關(guān)鍵的、受多方控制的生產(chǎn)步驟；對(duì)該步驟中的流量、溫度、液位或組分等一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定要求值；實(shí)訓(xùn)操作值越接近要求值則質(zhì)量控制步驟得分越高。學(xué)生通過控制閥門開度、流量大小、溫度高低成前置操作過程，提高質(zhì)量分的過程，即是一個(gè)過程優(yōu)化與控制的研究過程。但在實(shí)際教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，化工仿真軟件并未對(duì)質(zhì)量控制步驟的操作提供相關(guān)指導(dǎo)；同時(shí)由于化工生產(chǎn)過程復(fù)雜，質(zhì)量控制步驟不是簡單的參照工藝流程就能簡單實(shí)現(xiàn)；最后，質(zhì)量控制步驟影響因素多，一些錯(cuò)誤操作可能導(dǎo)致工藝流程出錯(cuò)、重啟。這一系列問題導(dǎo)致了學(xué)生很難在質(zhì)量控制步驟取得高分，也不能深入的學(xué)習(xí)化工過程控制與優(yōu)化，降低了化工仿真實(shí)訓(xùn)的學(xué)習(xí)效果與效率?；诖耍疚囊詵|方仿真軟件的常減壓煉油開車為例，以開車過程中的質(zhì)量控制步驟為研究對(duì)象，對(duì)影響質(zhì)量控制步驟的關(guān)鍵因素，特別是原油進(jìn)料量進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為化工仿真中的工藝過程的優(yōu)化、控制和相關(guān)教學(xué)提供一定的理論指導(dǎo)。

2 常減壓煉油工藝簡介與開車流程

本文研究裝置為東方仿真軟件的石油常減壓蒸餾裝置，原油經(jīng)原油泵抽送到換熱器，換熱至110 ℃左右，加入一定量的破乳劑和洗滌水，充分混合后進(jìn)入一級(jí)電脫鹽罐。同時(shí)，在高壓電場(chǎng)的作用下，使油水分離。脫水后的原油從一級(jí)電脫鹽罐頂部集合管流出，再注入破乳劑和洗滌水，充分混合后進(jìn)入二級(jí)電脫鹽罐，同樣在高壓電場(chǎng)作用下，進(jìn)一步油水分離，達(dá)到原油電脫鹽的目的。然后再經(jīng)過換熱器加熱到200℃左右后，進(jìn)入蒸發(fā)塔，在蒸發(fā)塔撥出一部分輕組分。撥頭油再用泵抽送到換熱器繼續(xù)加熱到280 ℃以上，然后去常壓爐升溫到356 ℃進(jìn)入常壓塔。在常壓塔撥出重柴油以前組分，高沸點(diǎn)重組分再用泵抽送到減壓爐升溫到386 ℃進(jìn)減壓塔，在減壓塔撥出潤滑油料，塔低重油經(jīng)泵抽送到換熱器冷卻后出裝置。

常減壓煉油工段模型的建立需要做一定的冷態(tài)開車的前工作，首先是裝油的過程，開啟原油泵之后，按照系統(tǒng)指示要求開啟相關(guān)的閥門，與此同時(shí)還要控制好液位LIC1103、LIC1105、LIC1201在35%～75%，方便后續(xù)研究質(zhì)量分的影響因素。接下來是冷循環(huán)過程，只需要開啟系統(tǒng)要求指示的塔頂閥和汽相入口閥即可。熱循環(huán)所需要做的步驟就比較繁瑣，首先開啟常一線、常二線、常三線、減一線、減二線、減三線、減四線的冷卻器的給水閥，然后根據(jù)步驟依次打開爐F101和F102的風(fēng)門、壓力調(diào)節(jié)閥、自然現(xiàn)場(chǎng)閥、點(diǎn)火棒、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、過熱蒸汽調(diào)節(jié)閥、煙道擋板，接著開啟新的泵P103，常一線、常二線、常三線的氣提油出口閥，液位調(diào)節(jié)閥，之后開啟回流控制閥熱循環(huán)就完成了。在這之后的“常壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)”，“減壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)”，“投入一脫三注”，"調(diào)節(jié)至平衡"等等都只需要對(duì)要求的閥門和冷卻器等等進(jìn)行開啟，不需要調(diào)節(jié)前后的閥門開度去改變相關(guān)參數(shù)。

3 常減壓煉油開車過程中原油進(jìn)料量對(duì)關(guān)鍵質(zhì)量控制步驟的影響

常減壓煉油開車過程中的關(guān)鍵質(zhì)量控制步驟有：(1)將加熱爐F103的過熱蒸汽溫度控制在380～450 ℃；(2)原油電脫鹽罐溫度TI1102控制在120～130 ℃；(3)將常壓塔T102塔頂溫度TIC1106控制在125 ℃。影響質(zhì)量控制步驟的因素很多，包括進(jìn)料量、出料量、進(jìn)料溫度、出料溫度、液面、壓力等。本文主要考察整套設(shè)備的原油進(jìn)料量對(duì)上述質(zhì)量質(zhì)控步驟的影響，結(jié)果如圖1所示。加熱爐F103的過熱蒸汽溫度受原油進(jìn)料量影響較大，原油進(jìn)料量越大加熱爐過熱蒸汽溫度越高；原油進(jìn)料量控制在100 t/h時(shí)，過熱蒸汽溫度420 ℃左右，質(zhì)量得分較高。這一變化規(guī)律主要是由于加熱爐F103的瓦斯氣來源于原油常減壓精餾后的瓦斯；原油進(jìn)料量大，產(chǎn)生的瓦斯氣多，加熱爐溫度高。原油電脫鹽罐溫度同樣受到原油進(jìn)料量影響較大，進(jìn)料量越大，脫鹽罐溫度越低，最適宜的進(jìn)料量在80～100 t/h。常壓塔塔頂溫度則受原油進(jìn)料量影響較小，原油進(jìn)料量從20 t/h變化到120 t/h，塔頂溫度都在127 ℃左右。這主要是由于塔頂溫度主要受物料的組分影響，物料組分不變的情況下，氣液分離溫度變化不大。通過以上分析可見，對(duì)原油進(jìn)料量的控制調(diào)節(jié)，能夠有效調(diào)控常減壓煉油中的質(zhì)量控制步驟。

圖1 原油進(jìn)料量與各質(zhì)量控制步驟的關(guān)系

4 小結(jié)

通過虛擬仿真軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，特別是對(duì)質(zhì)量控制步驟的學(xué)習(xí)，能夠讓學(xué)生了解和掌握化工專業(yè)知識(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用方法，將所學(xué)專業(yè)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，掌握仿真模擬訓(xùn)練的各裝置的生產(chǎn)工藝流程和反應(yīng)原理。其次，仿真模擬訓(xùn)練能夠培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、求實(shí)的工作作風(fēng)。最后，學(xué)生在仿真模擬訓(xùn)練中總結(jié)生產(chǎn)操作的經(jīng)驗(yàn)，吸取失敗的教訓(xùn)，為畢業(yè)后走上生產(chǎn)崗位打下基礎(chǔ)。