在線分析儀在提升煉油裝置油品質量中的應用

馮衛(wèi)東，王 翔，禹華飛

（中國石油天然氣股份有限公司 獨山子石化公司 信息網(wǎng)絡公司，新疆維吾爾自治區(qū) 獨山子 833699）

0 引言

某石化公司歷來重視重要生產裝置在線分析儀的應用工作。早在2003 年就引進美國當時技術最為先進的核磁共振在線分析儀，并在重要催化裂化裝置投入應用。后來，又一次性購入國產6 臺全餾程在線分析儀和一臺傾點及一臺閃點共8 臺在線分析儀，分別用在：1000 萬噸/年常減壓裝置常三線和減一線全餾程及常一線閃點，200 萬噸/年加氫聯(lián)合裝置全餾程，300 萬噸/年加氫聯(lián)合裝置全餾程和傾點，120 萬噸/年加氫裂化裝置相關的航煤、柴油等裝置餾出口上的在線分析檢測。

通過這些在線分析儀的投用，提高了主要生產裝置的產品質量控制要求，保障餾出口產品質量的合格率。同時，減少了離線化驗分析頻次，部分實現(xiàn)了APC 先進優(yōu)化控制，實現(xiàn)了產品質量的卡邊生產，提高了經濟效益。

近年來，隨著原油性質的不斷重質化、劣質化，加工難度越來越大，要求越來越高。與此同時，對在線分析儀現(xiàn)場應用的難度也越來越大，有些過去運行還可以的在線分析儀，面對不斷重質化、劣質化的油品，也出現(xiàn)難以長周期正常運行的情況。急切需要對已經在用的在線分析儀進行技術改造或技術升級，以適應業(yè)已惡化的被分析油樣。再則，目前化驗室人員越來越少，餾出口的分析頻次也逐步在降低，原來每8 個小時分析一次的化驗分析頻次，目前很多都降為24h 做一次。這樣以來，就更加削弱工藝操作室對餾出口產品的監(jiān)測力度，餾出口產品質量的受控度大幅度降低，產品不合格的情況將不可避免地加大。

上述情況是目前擺在某公司各主要生產裝置、各類在線分析儀應用方面的情況要點，當今智能化工廠，信息化智能化等新技術正不斷滲入生產工藝及裝置的各個角落，而在線分析儀作為重要質量信息的捕獲終端，首當其沖扮演著重要的角色。某石化企業(yè)作為中石油旗下排名前列的煉化企業(yè)，不能在這一過程中落后，而是要率先做好，并要成為樣板。

1 幾處重要裝置幾年來的應用配置及運行情況

1.1 1300萬噸加氫聯(lián)合裝置在線分析儀應用

2011 年，某公司在煉油廠300 萬噸加氫聯(lián)合裝置上分別安裝一臺柴油全餾程在線分析儀和一臺傾點在線分析儀。連續(xù)運行多年，初期調試投用幾個月內，由于油品組分比重較重，長三線含蠟重對溫度要求比較高，重柴油中含雜質和焦質成分十分嚴重，分析儀采樣管線、過濾器堵塞，分析儀因進樣量不足無法正確運行。通過技術人員和廠家針對現(xiàn)場實際情況對癥下藥，對管線增加伴熱，在預處理單元安裝多級過濾和脫雜脫水裝置，并對相關部分進行改進。此后，分析儀運行可靠、分析數(shù)據(jù)能及時跟蹤油品的餾分變化和生產波動趨勢，大大減少了人工化驗的工作量。同時，工藝操作人員以該分析儀數(shù)據(jù)為依據(jù)，隨時對相關工藝參數(shù)進行調整，提高了產品質量及合格率，增加了輕質油收率。

1.2 1000萬噸/年常減壓裝置在線分析儀的應用

圖1 300萬噸加氫聯(lián)合裝置柴油全餾程和傾點在線分析儀工藝流程示意圖Fig.1 Process flow diagram of full distillation range and pour point on-line analyzer for 3 million ton hydrogenation unit

某公司在煉油廠常減壓裝置上共投用了3 臺在線分析儀，分別為常三線柴油餾程分析儀、減一線柴油餾程分析儀和常一線柴油閃點分析儀，并于2012 年3 月正式投用。通過儀表技術人員攻關改造，大大降低該分析儀故障，提高了準確性，餾程分析儀初餾點、50%點、95%點及終餾點的重復性接近±0.95℃，遠優(yōu)于人工化驗±2℃的水平。工藝操作人員參考其數(shù)據(jù)，可對柴油的95%點進行精確控制，對工藝操作進行優(yōu)化控制生產，進而使這段時期柴油的收率取得了最大化，創(chuàng)造了可觀的經濟效益。

1.3 200萬噸/年加氫裝置在線分析儀的應用

2012 年，某公司在煉油廠200 萬噸/年加氫聯(lián)合裝置上投用了一臺柴油全餾程在線分析儀，對柴油餾出口的質量進行監(jiān)測。使用餾程分析儀來分析油品數(shù)據(jù)后，經過前期在線與離線數(shù)據(jù)比對調試后，提高了在線分析儀數(shù)據(jù)準確性及可靠性。通過485 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到DCS 進行監(jiān)控，MES 自動提取DCS 數(shù)據(jù)與離線進行比對，工藝操作人員依據(jù)DCS 提供的柴油95%點溫度事實數(shù)據(jù)指導，進行工藝操作調整，使生產過程中的質量參數(shù)得到了很大程度的改善。

1.4 60萬噸/年加氫裂化裝置餾程分析儀的應用

某公司煉油廠60 萬噸/年加氫裂化裝置的航煤、柴油全餾程在線分析儀項目已完成開工，并開始進行調試工作。該全餾程在線分析儀的應用為加氫裂化裝置實現(xiàn)生產過程在線質量監(jiān)測、全塔優(yōu)化控制，為提高經濟效益和社會效益提供了有利的手段。航煤/柴油全餾程在線分析儀的實時分析數(shù)據(jù)，通過RS485 通訊接口傳至DCS 系統(tǒng)上輸出顯示，同時可作為裝置先進控制系統(tǒng)的參數(shù)輸入，能實時監(jiān)測生產過程餾分質量參數(shù)的動態(tài)變化。先進控制系統(tǒng)接收在線分析儀的實時數(shù)據(jù)后，會根據(jù)產品質量的控制要求和各種參數(shù)的變化選擇最優(yōu)化的方案進行操作調整，在保證質量合格的情況下提高高附加值產品的收率，從而帶來更多的經濟效益。近幾年因該裝置停運，分析儀也隨之沒有投運[1]。

1.5 催化裂化裝置核磁共振分析儀的應用

2003 年，某公司斥巨資引進美國當時技術最為先進的核磁共振在線分析儀，并在重要催化裂化裝置中投入應用。NMR（核磁共振）是通過前期建模，不斷補充模型，使模型數(shù)量足夠多，能夠包含油品變化全過程，降低界外樣的發(fā)生；通過原油、汽油、柴油、煤油對光吸收特性產出譜圖不同進行分析二次計算，反映了目前在線分析儀的最新技術。投用初期，花費了大量的時間和人力，采用人工化驗分析進行比對，對該分析儀進行建模。該分析儀對原油的性質及工藝參數(shù)的變化比較敏感，一旦更換原油或者工藝參數(shù)有較大波動，分析儀的算法模型要隨著變化經常性地進行更改。因此，盡管技術先進，核磁共振分析儀所測分析數(shù)據(jù)并未完全取代人工化驗分析，導致后期系統(tǒng)軟件維護量大。

2 加氫裂化全餾程在線分析儀數(shù)據(jù)與人工化驗分析數(shù)據(jù)比對

2.1 分析儀工作原理

分析過程符合《GB6536-2010 石油產品常壓蒸餾特性測定法》或《ASTM D86 大氣壓力下石油產品蒸餾標準試驗方法》相關標準，因此分析數(shù)據(jù)與人工化驗分析數(shù)據(jù)能夠較高程度地吻合。其分析步驟為：被測油樣經預處理系統(tǒng)冷卻和多級過濾等處理后，被控制器準確定量注入分餾器。待溫度壓力等條件滿足規(guī)定要求后，分析儀對樣品進行加熱程序，計數(shù)器將記錄第一滴蒸餾出來的胡油品為初餾點，在進行分餾器點，最終到終餾點進行一次完整分析，分析儀顯示器立刻分析結果，并通過4mA ～20mA 或者RS485通訊接口傳至所配遠程專用發(fā)送器[2]。

2.2 主要技術指標

測量精度：符合《GB/T6536-2010 石油產品常壓蒸餾特性測定法》的準確度標準

重復性：±1.5℃

輸出信號：4mA DC ～20mA DC、RS232/RS485（modbus協(xié)議）

測量范圍：0℃～410℃

分析周期：20min ～40min

防爆等級：Exd ⅡCT4

2.3 對比情況分析

以航煤全餾程在線分析儀為例，自投用以來，其在線分析數(shù)據(jù)和化驗分析數(shù)據(jù)的同步對比分析如圖2、圖3 所示。

從圖2、圖3 中可以看出：航煤全餾程在線分析儀和化驗分析數(shù)據(jù)的吻合較好，最大數(shù)據(jù)偏差在4℃以內，平均偏差不到2℃，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，可作為指導操作調節(jié)、優(yōu)化操作參數(shù)的依據(jù)。

圖2 航煤全餾程在線分析儀初餾點數(shù)據(jù)和化驗分析數(shù)據(jù)同步分析圖Fig.2 Synchronous analysis chart of initial boiling point data and test analysis data of aviation kerosene full distillation range online analyzer

圖3 航煤全餾程在線分析儀干點數(shù)據(jù)和化驗分析數(shù)據(jù)同步分析圖Fig.3 Synchronous analysis chart of dry point data and test analysis data of aviation kerosene full distillation range online analyzer

3 重要關鍵裝置餾出口的在線分析及要求

3.1 現(xiàn)有幾處已投用點在線分析儀的完善改進及性能提升

針對已經投用的餾程分析儀應加大維護力度，對于由各種原因導致目前停運的在線分析儀，要著手制定恢復運行的方案措施。對技術上明顯已經落后的在線分析儀，要有針對性地進行技術性能提升和改造，加強與分析儀制造商的溝通，及時將與投用分析儀相關的最新技術手段應用于現(xiàn)場分析儀上，確保分析儀長期穩(wěn)定準確地運行。

3.2 空白餾出口線上，要積極盡早實施在線化

在應用在線分析儀方面，某石化目前已經積累一定的經驗，尤其是對目前國產分析儀運行的穩(wěn)定性、準確性等，通過多年的使用有了深入地了解，而投用在線分析儀能更好地指導工藝生產。因此，建議在其他餾出口上推廣使用餾程分析儀等在線分析儀。如常減壓裝置初頂石腦油、航煤、常頂汽油，催化裝置粗汽油、穩(wěn)定汽油、柴油，焦化裝置柴油餾出口線均可投用餾程分析儀，對餾出口質量進行全面監(jiān)測，提高產品質量。

3.3 加大蠟油、潤滑油及渣油等重質油品的在線化監(jiān)測力度

對這種難度大，又是某石化的特色產品，且目前在線化技術存在一定難度的課題，需要組織相關部門、科研單位或專業(yè)廠商進行聯(lián)合技術攻關，力爭早日對這些油品實現(xiàn)在線化。

4 在線化過程及后期的幾點期望

4.1 高度重視應用中的安全及環(huán)保問題

據(jù)石化內部的交流了解到，除某石化外，其他石化煉油廠也出現(xiàn)過與分析儀配套的樣品回收系統(tǒng)故障，或因工藝管線中壓力波動較大，導致回樣管線中的油樣倒灌回樣品回收系統(tǒng)的問題。一旦發(fā)生倒灌回流，造成油品泄漏，容易引發(fā)安全事故。而回收系統(tǒng)的放空口與大氣相通，回收罐中的油氣揮發(fā)到大氣中，明顯與國家環(huán)保治理的政策相悖。在與分析儀制造商武漢華天通力科技有限公司的技術人員溝通了解到，已推出了全新密閉樣品回收系統(tǒng)。該回收系統(tǒng)采用單向閥和切斷電磁閥雙保險措施，能有效防止回油管線中的油樣倒灌。密閉回收系統(tǒng)的放空口與相關低壓容器相連，不外排大氣，滿足環(huán)保治理的要求。

4.2 科學處理好在線分析儀投用后，人工化驗分析的關系

現(xiàn)階段衡量油品質量的標準是基于人工化驗分析方法，而人工化驗分析方法及分析設備需嚴格依據(jù)國家或國際標準化組織所規(guī)定的石油產品分析標準的規(guī)定，即每一項人工化驗分析方法或過程都有一項標準與其相對應。而在此需要人們注意的是，這些現(xiàn)行的標準方法，絕大多數(shù)都是一些條件試驗，也就是在規(guī)定的條件、步驟下完成的一系列過程，最后得到分析數(shù)據(jù)，并沒有十分嚴格的理論方法或數(shù)學推導做依托。如：石油產品的恩式蒸餾方法，就是在規(guī)定大小的燒瓶、規(guī)定的冷卻水浴、規(guī)定的加熱升溫及分餾速度、規(guī)定的樣品回收體積等條件下所得出的數(shù)據(jù)即分析結果。其它，如凝固點、冰點、閃點、粘度等也都是規(guī)定條件下的人工試驗數(shù)據(jù)。而近紅外及核磁共振則不同，其技術的核心是從碳氫化合物C 和H 的分子結構入手，通過核磁共振所產生的波或近紅外光波對碳氫化合物對波的吸收程度，判斷被測樣品的碳含量或數(shù)量、碳氫含量的數(shù)量或比例，再通過適當?shù)臄?shù)學公式或模型的計算，最終獲得某試樣的各個質量數(shù)據(jù)。從這里能夠看到，現(xiàn)行的國家標準（即化驗分析標準）與近紅外及核磁共振分析數(shù)據(jù)所依據(jù)的方法不同，即：一個是條件試驗，另一個是嚴格的理論推導計算，要想讓兩者對同一油樣所分析出的數(shù)據(jù)在大的測量范圍及寬的約束條件下做到很好的吻合，其難度可以說是非常之大。

圖4 目前分析數(shù)據(jù)的應用方式Fig.4 Application mode of current analysis data

圖5 應推廣的分析數(shù)據(jù)應用方式Fig.5 Application mode of analysis data that should be popularized

因此，不斷了解在線分析儀在各領域中的應用，必須從根本上解決好上述標定、工況及地域不同等問題，為今后普及應用鋪平道路。實際應用中，應使生產裝置操作室采用現(xiàn)場在線分析儀的數(shù)據(jù)來進行生產，而人工化驗分析僅用做對在線分析儀進行校對，以確保生產裝置得到的分析數(shù)據(jù)是準確可靠的。

4.3 配套互聯(lián)網(wǎng)技術的應用

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，信息化時代已經來臨。計算機互聯(lián)網(wǎng)技術應用于工業(yè)領域已經是十分普遍的現(xiàn)象。將分析儀采集的各項檢測數(shù)據(jù)，包括歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，與工業(yè)計算機相結合，利用生產裝置的自動化系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)將機器、人、系統(tǒng)充分連接，在數(shù)據(jù)流動和集成技術上充分分析、建模，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能化生產，形成新的模式和業(yè)態(tài)。

5 結束語

通過某石化10 多年在線分析儀在現(xiàn)場的應用實踐說明，在線分析儀有其自身的技術要求和特點，相對于常規(guī)儀表而言較為復雜，應用條件要求多且苛刻，維護維修難度大，對分析儀生產廠商的依賴程度高，能夠真正用好現(xiàn)場投用的在線分析儀，是一件有難度且有挑戰(zhàn)性的事情。對于國外進口的在線分析儀，如：某公司投用的核磁共振在線分析儀，技術先進、集成度高，一臺分析儀能夠同時分析十幾個指標。但是，對于原油性質的改變、工藝條件的變化很敏感，每次改變都要重新完善數(shù)據(jù)庫，需要與人工化驗分析做大量的數(shù)據(jù)比對，這與國內各煉廠原油多元化的情況相矛盾。此外，分析方法與國標差別大，分析數(shù)據(jù)要達到與人工化驗分析數(shù)據(jù)很好地吻合，十分困難。

對于國產的在線分析儀，如：某公司投用的一批全餾程在線分析儀，可以說投用是成功的，分析數(shù)據(jù)與人工化驗分析數(shù)據(jù)對比吻合度較高。如果分析儀能夠長期穩(wěn)定運行，完全可以取代人工化驗，并且對APC 先進控制和RTO實時優(yōu)化都會產生很大的幫助。目前，這批全餾程在線分析儀有一部分在運行，還有一些由于預處理系統(tǒng)對目前油樣含水、含雜等越來越高的情況較難適應，現(xiàn)正在與生產廠商對預處理系統(tǒng)采用最新的高分子和納米材料技術進行技術升級，相信經過技術升級后能夠滿足目前現(xiàn)場的運行條件，為相關裝置提供穩(wěn)定可靠的在線分析數(shù)據(jù)，精確指導工藝生產，提高產品質量，增加經濟效益。