汽、柴油精餾塔全流程模擬及故障分析

＊樊茂飛 段安琪 曾俊逸 陳曦 王華軍

（1.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華南分公司 廣東 510000 2.華中科技大學(xué) 人工智能與自動(dòng)化學(xué)院 湖北 430074 3.華中科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 湖北 430074）

精餾是最重要的化工分離單元操作之一，在原油組分的分離以及汽、柴油等燃料油品的提純中有廣泛的應(yīng)用[1-3]。精餾分離的主要設(shè)備是精餾塔，輔助設(shè)備主要有塔頂冷凝器、塔底再沸器或重沸爐、塔頂產(chǎn)品罐、塔釜產(chǎn)品罐、回流罐、進(jìn)出料泵、換熱器及輸送管道等。精餾過(guò)程操作變量多，且變量間多為非線性關(guān)系，這些都增加了過(guò)程操作及控制的難度。在精餾塔的操作過(guò)程中，由于設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行，也容易出現(xiàn)一些難以預(yù)知的故障，如進(jìn)料泵運(yùn)行故障，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確進(jìn)料，或者冷凝液冷凝效果故障，導(dǎo)致塔壓突然升高等。這些故障對(duì)精餾塔的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了重要威脅，有時(shí)甚至?xí)鹬卮蟀踩鹿蔥4]?；み^(guò)程所使用的大量易燃、易爆的化學(xué)品往往采用高溫、高壓或低溫真空的操作方式，使得裝置必然存在著火災(zāi)、爆炸以及中毒的危險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于儀表失靈、設(shè)備問(wèn)題和過(guò)程參數(shù)變化等造成的故障未能得到及時(shí)和正確的處理，美國(guó)石油化工工業(yè)每年的損失達(dá)到了200億美元[5-6]。

Aspen Plus軟件是功能強(qiáng)大的流程模擬軟件之一，可對(duì)各種化工工藝流程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬、條件優(yōu)化、工藝設(shè)計(jì)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等[1,7-8]。Aspen Dynamics是專業(yè)的動(dòng)態(tài)模擬軟件，可以對(duì)流程進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模擬分析，考察在各種故障發(fā)生時(shí)，控制策略的有效性，也可以幫助設(shè)計(jì)有效的控制回路等[7-10]。孔錄等[8]采用Aspen Dynamics軟件對(duì)乙烯脫輕塔精餾過(guò)程進(jìn)行了控制方案設(shè)計(jì)和安全事故動(dòng)態(tài)模擬。盧妍嘉等[9]則采用Aspen Dynamics軟件對(duì)冷凝器泄漏的精餾塔動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。

在石化公司進(jìn)行汽、柴油管道輸送過(guò)程中，常常會(huì)采用同一股管道輸送不同的油品，這樣就會(huì)導(dǎo)致部分汽油和柴油在管道中的混合。由于汽油和柴油沸點(diǎn)相差較大，可采用精餾操作實(shí)現(xiàn)二者的分離。本文以某企業(yè)6萬(wàn)噸/年處理能力的汽、柴油精餾塔系統(tǒng)為研究對(duì)象，在穩(wěn)態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，采用Aspen Dynamics軟件，對(duì)精餾裝置全流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和故障分析，考察在各種故障發(fā)生時(shí)，裝置現(xiàn)有控制系統(tǒng)的可靠性，為混油精餾裝置及其它類似裝置的安全運(yùn)行提供參考。

1.過(guò)程描述及穩(wěn)態(tài)模擬

圖1是采用Aspen Plus軟件繪制的汽、柴油精餾塔流程圖。整個(gè)裝置的核心設(shè)備是精餾塔T1001。該塔為填料和塔板復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，塔上部裝填PALL填料，高度為3m，直徑1m，每米填料相當(dāng)于4塊理論塔板（即填料等板高度（HETP）是0.25m）。塔下部為篩板塔結(jié)構(gòu)，其分離能力相當(dāng)于6塊理論板。全塔共有18塊理論板，混油從第13塊板上方進(jìn)料，也就是從填料段下部進(jìn)料。輔助設(shè)備包括泵四臺(tái)，分別是進(jìn)料泵P1001、塔頂液回流泵P1002、塔釜出料及循環(huán)油泵P1003、燃油泵P1004；換熱器4臺(tái)，包括進(jìn)料換熱器E1004、E1001、塔頂冷凝器E1002、塔釜產(chǎn)品冷卻器E1003；還包括塔頂回流罐V1001、燃料油罐V1003和重沸爐F1001等。進(jìn)料物流101經(jīng)過(guò)泵P1001加壓后經(jīng)與E1004和E1001換熱器換熱兩次后進(jìn)入精餾塔T1001。塔頂物流經(jīng)換熱器E1004與進(jìn)料物流換熱降溫后，經(jīng)塔頂冷凝器E1002進(jìn)一步水冷降溫，進(jìn)入回流罐V1001?；亓鞴蕹隽辖?jīng)泵P1002加壓后部分作為回流液回流入塔，部分作為汽油產(chǎn)品采出。塔底物料經(jīng)泵P1003加壓后部分經(jīng)重沸爐加熱后作為塔釜蒸汽進(jìn)入塔下部，另一部分在E1001與進(jìn)料換熱降溫后分出一小股進(jìn)入燃料油罐，大部分經(jīng)E1003進(jìn)一步水冷降溫后采出，作為塔釜柴油產(chǎn)品。燃料油罐內(nèi)的燃油（主要是柴油）經(jīng)燃油泵P1004輸送，一部分進(jìn)入重沸爐，作為燃料燃燒，使塔釜循環(huán)油管內(nèi)柴油汽化，一部分回流至燃料油罐?？梢?jiàn)，雖然整個(gè)精餾裝置只有一股進(jìn)料，兩股出料，屬于簡(jiǎn)單塔系統(tǒng)，但是輔助設(shè)備較多，且所處理物料是易燃易爆的汽、柴油產(chǎn)品，所以，裝置操作危險(xiǎn)高，控制難度大。

圖1 汽、柴油精餾塔流程圖

首先在Aspen Plus環(huán)境進(jìn)行全流程穩(wěn)態(tài)模擬。穩(wěn)態(tài)模擬首先需要解決的問(wèn)題是如何定義汽、柴油組分。由于汽、柴油屬于混合物，組分十分復(fù)雜，幾乎不可能準(zhǔn)確知道各種成分及其含量，所以，本文采用虛擬組分的方法，即采用Aspen Plus自帶的石油虛擬組分ASTM D86代表汽、柴油組分。穩(wěn)態(tài)模擬采用嚴(yán)格精餾計(jì)算模塊Radfrac，物性方法采用CHAO-SEA。另外，由于Aspen Plus不能模擬重沸爐內(nèi)燃油燃燒過(guò)程，所以，本文將重沸爐的熱源改為與燃油燃燒爐火等溫的高溫空氣流，利用高溫空氣物流加熱循環(huán)油，產(chǎn)生精餾所需的蒸汽（見(jiàn)圖1中F1001所示）。模擬時(shí)，進(jìn)料物流中汽油和柴油的組成和流量按照實(shí)際汽油和柴油的參數(shù)定。進(jìn)料狀態(tài)設(shè)定為常溫、常壓。下表1給出了穩(wěn)態(tài)模擬的相關(guān)操作參數(shù)，表2給出了精餾塔穩(wěn)態(tài)模擬優(yōu)化結(jié)果。

表1 精餾塔穩(wěn)態(tài)模擬相關(guān)操作參數(shù)

表2 精餾塔穩(wěn)態(tài)模擬優(yōu)化結(jié)果

2.過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬及故障分析

(1)動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程

在穩(wěn)態(tài)模擬基礎(chǔ)上，設(shè)置塔板和填料水力學(xué)條件、板間距、塔徑等數(shù)據(jù)，設(shè)置回流罐尺寸和塔底罐尺寸，重新運(yùn)行流程，并把流程導(dǎo)入Aspen Dynamics動(dòng)態(tài)模擬環(huán)境。在動(dòng)態(tài)模擬環(huán)境，按照實(shí)際裝置控制方案添加控制器。圖1中給出了各控制器的位置，表3給出了所添加的控制器的控制變量及控制器參數(shù)，其中FC2、FC3、FC4為串級(jí)控制器?？紤]到溫度控制器的滯后性，本文在TC2控制器設(shè)置一死區(qū)時(shí)間元件ΔT模塊，滯后時(shí)間設(shè)定為1min，并采用繼電-反饋測(cè)試，確定了控制器TC2的控制參數(shù)。設(shè)置好控制器參數(shù)后，初始化流程，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，考察在故障或擾動(dòng)發(fā)生情況下，控制器的控制效果。

表3 汽柴油精餾塔裝置控制器

(2)進(jìn)料流量擾動(dòng)的影響

混油由進(jìn)料泵輸入精餾塔，在進(jìn)料泵故障、電壓波動(dòng)或管道泄漏的情況下，可能導(dǎo)致進(jìn)料流量發(fā)生變動(dòng)，所以有必要考察在進(jìn)料流量發(fā)生波動(dòng)的情況下控制器的控制效果。進(jìn)料流量擾動(dòng)的添加方法是，先穩(wěn)定運(yùn)行流程2h，然后將進(jìn)料流量增加10%或降低10%，繼續(xù)運(yùn)行流程，考察各流程變量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖2～圖5分別給出了進(jìn)料流量擾動(dòng)對(duì)塔釜柴油產(chǎn)品流量、塔頂汽油產(chǎn)品流量、塔頂溫度及塔頂壓力的影響。由圖2可見(jiàn)，擾動(dòng)發(fā)生后，塔釜產(chǎn)品流量均瞬時(shí)發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)方向與擾動(dòng)方向一致，即進(jìn)料流量增大，柴油產(chǎn)量也增大，反之亦然，并在2h內(nèi)達(dá)到新的定態(tài)。相對(duì)于增加10%的擾動(dòng)，進(jìn)料流量減小10%對(duì)塔釜產(chǎn)品的流量影響更大。由圖3可見(jiàn)，塔頂汽油產(chǎn)品流量在進(jìn)料流量增加10%后很快達(dá)到新的定態(tài)。但是，塔頂產(chǎn)品流量在進(jìn)料流量減小10%的擾動(dòng)下，先瞬時(shí)下降到3000kg/h以下，之后緩慢升高，直到18h時(shí)刻仍未能達(dá)到新的定態(tài)。以上說(shuō)明不同方向的擾動(dòng)對(duì)產(chǎn)品流量的影響是不同的。由圖4可見(jiàn)，在擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，塔頂溫度瞬時(shí)朝與擾動(dòng)相反的方向變化，之后迅速恢復(fù)到原定態(tài)值，且不再波動(dòng)，說(shuō)明塔頂溫度控制器有很好的控制效果。由圖5可見(jiàn)，隨著進(jìn)料量增加10%，塔頂壓力瞬時(shí)減小，但減小幅度不大；之后，塔頂壓力緩慢增加，并逐漸趨于定值。同時(shí)，在進(jìn)料流量減小10%的情況下，塔頂壓力先瞬時(shí)增大，而后隨時(shí)間逐漸減小，但直到18h時(shí)刻仍未達(dá)到定值。由以上結(jié)果可見(jiàn)，進(jìn)料擾動(dòng)對(duì)精餾塔運(yùn)行有較大的影響，其中進(jìn)料流量減小擾動(dòng)的影響強(qiáng)于進(jìn)料流量增加的影響，說(shuō)明各控制器對(duì)不同方向擾動(dòng)的控制能力是不同的。相對(duì)而言，溫度控制器有較強(qiáng)的控制能力，而壓力控制器控制效果較差，特別是進(jìn)料減小的情況下。不過(guò)壓力減小一般不會(huì)對(duì)精餾塔的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖2 進(jìn)料流量擾動(dòng)對(duì)塔釜柴油產(chǎn)品出料流量的影響

圖3 進(jìn)料流量擾動(dòng)對(duì)塔頂汽油產(chǎn)品出料流量的影響

圖4 進(jìn)料流量擾動(dòng)對(duì)精餾塔塔頂溫度的影響

圖5 進(jìn)料流量擾動(dòng)對(duì)精餾塔塔頂壓力的影響

(3)冷凝器故障的影響

冷凝器的故障主要是冷卻介質(zhì)泄漏或流量不足導(dǎo)致冷凝器負(fù)荷不夠，冷凝效果變差。本文采用降低冷凝器負(fù)荷的方法模擬冷凝器故障。故障的添加方式是，精餾塔穩(wěn)定運(yùn)行2h，然后瞬時(shí)將冷凝器E1002負(fù)荷減小85%（即降為原負(fù)荷的15%），考察在故障工況下，精餾塔的運(yùn)行情況。圖6～圖8分別給出了故障下塔頂產(chǎn)品流量、塔底產(chǎn)品流量、塔溫及塔壓隨時(shí)間的變化情況。由圖6可見(jiàn)，冷凝器負(fù)荷減小時(shí)，塔頂汽油產(chǎn)品流量瞬時(shí)減小，并在1h內(nèi)趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)態(tài)值低于初始值。柴油產(chǎn)品流量的變化趨勢(shì)與汽油產(chǎn)品類似，冷凝器負(fù)荷減小時(shí)，柴油產(chǎn)品流量瞬時(shí)減小，而后迅速上升，并在1h內(nèi)趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)態(tài)值高于初始值。以上結(jié)果說(shuō)明流量控制器有較好的控制效果。由圖7可見(jiàn)，冷凝器負(fù)荷減小時(shí)，塔頂溫度和塔釜溫度均瞬時(shí)下降，但下降幅度不大，而后迅速上升并趨于穩(wěn)定，最后穩(wěn)態(tài)值和初值接近，說(shuō)明TC1和TC2溫度控制器也有很強(qiáng)的控制能力。由圖8可見(jiàn)，隨冷凝器負(fù)荷減小，塔壓迅速增加，且直到7h還未見(jiàn)穩(wěn)定跡象，說(shuō)明壓力控制器還不能較好的控制塔壓。

圖6 冷凝器負(fù)荷減小85%時(shí)對(duì)塔底產(chǎn)品和塔頂產(chǎn)品流量的影響

圖7 冷凝器負(fù)荷降低85%對(duì)塔底和塔頂溫度的影響

圖8 冷凝器負(fù)荷降低85%對(duì)塔頂壓力的影響

為了分析冷凝器負(fù)荷減少時(shí)塔壓升高的原因，進(jìn)一步考察冷凝器負(fù)荷降低時(shí)回流罐及回流液溫度和壓力的變化，發(fā)現(xiàn)冷凝器負(fù)荷降低時(shí)，由于大部分蒸汽未被冷凝，所以回流罐及回流液的壓力和溫度均升高。正是由于回流液壓力的升高，導(dǎo)致了塔壓的升高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著冷凝器負(fù)荷的突然降低，PC2控制器控制變量閥門的開(kāi)度瞬時(shí)開(kāi)到最大以降低回流罐壓力，然而，即使閥門開(kāi)度已達(dá)到100%，仍然不能將回流罐壓力控制在設(shè)定值。因此，回流罐壓力控制器PC2控制性能較差是回流罐壓力升高的主要原因?；亓鞴迚毫ι?，導(dǎo)致回流液壓力和溫度升高，進(jìn)一步導(dǎo)致精餾塔壓力升高。塔壓迅速增加，使精餾塔處于危險(xiǎn)工況，不僅可能使產(chǎn)品不合格，還可能出現(xiàn)爆炸等極危險(xiǎn)情況。

(4)重沸爐負(fù)荷擾動(dòng)的影響

重沸爐是精餾塔熱量的來(lái)源，是全塔溫度最高的設(shè)備，也是最危險(xiǎn)的設(shè)備之一。重沸爐負(fù)荷減小是很常見(jiàn)的故障，重沸爐爐火由于某種原因突然熄滅引起或者由于燃油泵故障使燃油供應(yīng)不足引起。所以，本文重點(diǎn)考察重沸爐負(fù)荷降低時(shí)各變量的變化情況。重沸爐故障的添加方法是，首先精餾塔穩(wěn)定運(yùn)行2h，然后，將重沸爐熱源流量減小90%，考察精餾塔的運(yùn)行情況。

圖9～圖12分別給出了塔頂塔底產(chǎn)品流量、塔內(nèi)液位、塔頂塔底溫度及塔壓隨時(shí)間的變化情況。由圖9可見(jiàn)，故障發(fā)生時(shí)，塔頂汽油產(chǎn)量先以較快的速度下降，運(yùn)行4h后，仍然呈下降趨勢(shì)，但下降速度減慢。塔底柴油的產(chǎn)量變化則更為復(fù)雜。隨著重沸爐負(fù)荷降低，柴油產(chǎn)量瞬時(shí)減小，而后又瞬時(shí)上升；之后，又持續(xù)減小，在運(yùn)行4h左右時(shí)其流量幾乎降為0；接著，柴油流量很快上升并在5h左右達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，新的穩(wěn)態(tài)流量高于原穩(wěn)態(tài)值。由于重沸爐負(fù)荷降低，循環(huán)油溫度降低，上升的蒸汽量必然減少，塔頂冷凝量也減少，回流罐液位下降，所以汽油產(chǎn)品流量持續(xù)降低。進(jìn)料量不變的情況下，上升蒸汽減少，使得塔釜柴油循環(huán)量增加，塔內(nèi)液位增加，最終使得柴油流量增加。由于塔釜柴油流量受相連諸多管線流量的制約，所以在重沸爐負(fù)荷突然降低時(shí)，在達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)前柴油流量呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的變化趨勢(shì)。圖10給出了重沸爐負(fù)荷降低時(shí)塔內(nèi)液位的變化。由圖10可見(jiàn)，在重沸爐故障發(fā)生5h內(nèi)，塔內(nèi)液位變化與柴油產(chǎn)品的變化趨勢(shì)基本一致；5h后，柴油產(chǎn)品流量基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)，而塔內(nèi)液位繼續(xù)上升，在10h左右接近4.5m以上。塔釜液位持續(xù)上升，也使精餾塔處于危險(xiǎn)工況，可能導(dǎo)致物料溢出塔等事故的發(fā)生。

圖9 重沸爐負(fù)荷降低90%時(shí)對(duì)塔底和塔頂產(chǎn)品流量的影響

圖10 重沸爐負(fù)荷降低90%時(shí)對(duì)塔內(nèi)液位的影響

圖11給出了重沸爐負(fù)荷降低90%時(shí)塔頂塔釜溫度的變化。塔頂塔釜溫度均隨著重沸爐負(fù)荷的下降而下降。圖12給出了重沸爐負(fù)荷降低90%時(shí)塔頂塔釜壓力的變化。可見(jiàn)塔頂塔釜壓力也隨著重沸爐負(fù)荷的下降而下降。重沸爐負(fù)荷降低90%時(shí)，塔底循環(huán)油溫度下降，柴油汽化量顯著減少，所以，全塔溫度、壓力必然都下降。溫度、壓力下降并不會(huì)對(duì)混油塔的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，但其也會(huì)導(dǎo)致所得產(chǎn)品不合格，所以也要盡可能避免。

圖11 重沸爐負(fù)荷降低90%時(shí)對(duì)塔底和塔頂溫度的影響

圖12 重沸爐負(fù)荷降低90%時(shí)對(duì)塔底和塔頂壓力的影響

(5)混油精餾塔控制系統(tǒng)評(píng)價(jià)及全塔故障分析

本文所研究的汽、柴油混油精餾塔控制方案屬于按精餾段指標(biāo)的間接物料平衡控制方案。在該方案中，取塔頂溫度為被控變量，其對(duì)應(yīng)的操縱變量為回流流量（見(jiàn)控制器TC1）；對(duì)塔釜，則取蒸汽溫度為被控變量，其對(duì)應(yīng)的操縱變量為加熱介質(zhì)流量（即閥門開(kāi)度）。另外，由液位控制器LC1及LC2分別控制塔頂汽油產(chǎn)品和塔底柴油產(chǎn)品的流量。全塔壓力則通過(guò)調(diào)節(jié)回流罐不凝性氣體排出流量來(lái)調(diào)節(jié)（見(jiàn)PC2）。這種控制方案比較適合原油的常、減壓精餾塔的控制。從上面的分析也可以看出，這個(gè)控制系統(tǒng)也適合汽、柴油混油的精餾塔的控制。具體來(lái)說(shuō)，全塔溫度控制器控制效果較好，對(duì)進(jìn)料流量擾動(dòng)、冷凝器故障都有很好的控制效果。流量控制器也有較好的控制效果，在各種故障發(fā)生時(shí)，都能較快的將控制變量控制在新的穩(wěn)定值。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，壓力控制器不能很好的對(duì)全塔壓力進(jìn)行控制，特別是在冷凝器負(fù)荷減小時(shí)，塔壓持續(xù)上升，使精餾塔處于危險(xiǎn)操作狀態(tài)。另外，液位控制器LC1也不能很好地控制塔底液位，在重沸爐負(fù)荷減小時(shí)，液位持續(xù)上升。所以，該混油精餾塔（包括原油常、減壓塔）要特別注意監(jiān)控冷凝器故障和重沸爐故障的發(fā)生，以確保運(yùn)行安全。

通過(guò)對(duì)精餾塔事故的分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)，排除人為操作因素，精餾裝置事故主要由物料因素和設(shè)備因素引起[11-14]。汽油和柴油都是易燃易爆的物料，都是極度危險(xiǎn)的物質(zhì)。同時(shí)，在混油精餾塔中，除重沸爐和換熱器（冷凝器）外，泵及控制儀表，如液位計(jì)、壓力表、流量計(jì)、安全閥等都可能發(fā)生故障，而使精餾塔處于危險(xiǎn)工況[15-18]。比如：

①液位過(guò)高，可能發(fā)生液體沖出塔體，遇火星而燃燒爆炸；

②塔壓力過(guò)高，可能直接導(dǎo)致設(shè)備爆裂；

③塔溫度過(guò)高，導(dǎo)致燃油自燃，爆炸；

④流量不穩(wěn)，也可能導(dǎo)致物料溫度過(guò)高，出現(xiàn)危險(xiǎn)；

⑤安全閥失效，設(shè)備壓力過(guò)高，可能發(fā)生爆炸。

所以，應(yīng)加強(qiáng)物料和各設(shè)備的監(jiān)控，做好故障分析和安全事故情景演練，以確保裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

3.結(jié)論

Aspen Dynamics軟件能夠?qū)?shí)際汽、柴油精餾塔進(jìn)行很好的動(dòng)態(tài)模擬?；煊途s塔裝置現(xiàn)有控制方案還不能對(duì)全塔所有變量實(shí)現(xiàn)很好的控制。全塔溫度控制器對(duì)進(jìn)料流量擾動(dòng)、冷凝器故障都有很好的控制效果。在各種故障發(fā)生時(shí)，流量控制器也能較快的將控制變量控制在新的穩(wěn)定值。但是，壓力控制器不能很好的對(duì)全塔壓力進(jìn)行控制，在冷凝器負(fù)荷減小時(shí)，塔壓持續(xù)上升；同時(shí)，塔內(nèi)液位也在重沸爐負(fù)荷降低時(shí)，持續(xù)上升，這些都使精餾塔處于危險(xiǎn)工況。所以，混油精餾塔要特別注意監(jiān)控冷凝器介質(zhì)泄漏和重沸爐故障的發(fā)生，加強(qiáng)物料和各設(shè)備的監(jiān)控，以確保運(yùn)行安全。