常減壓節能降耗在線分析系統的應用

李鳳義，李成相，陶 雪

（中國石油大港石化公司, 天津 300280）

大港石化常減壓裝置于1996年11月7日開工投產，裝置整體公稱設計能力為150×104t/a，2000年、2004年分別對裝置的管線和換熱器進行改造，改造后整體處理能力達到500×104t/a（常壓塔、常壓爐最大處理能力為450×104t/a），其中減壓裝置改造為325×104t/a。主要加工原油為大港高凝原油和進口原油，于2004年10月投產。

進入2008年后，裝置實際工況為：常減壓裝置面臨滿負荷生產，原油性質多變，設備進入疲勞使用期，換熱系統亟待優化，冷后系統能否滿足需要，加熱爐負荷情況、初、常塔塔頂負荷偏大，裝置能耗仍有潛力提高，能否滿足長周期生產要求等問題。

基于此大港石化分公司常減壓裝置節能降耗目標在線分析與操作指導項目得以開發。首先可以分析裝置操作、生產過程中出現的上述問題，為提高裝置處理量提供定量調節指導。第二，模擬裝置的運行情況及其對產品的影響，為裝置技術人員掌握裝置的最優生產方案，提供定性與定量指導。第三、通過裝置在線模擬對裝置能耗進行分析，并以節能能耗目標的操作優化功能對裝置節能降耗目標的工藝操作提供指導。第四，通過在線模擬，可以確定裝置的各種開停工情況，從而確定最優的方案［1］。最后，通過裝置的優化，給底層的先進控制提供優化目標，為已經實施的先進控制創造良好的運行條件。

1 技術背景及研發內容

1.1 技術背景

化工流程計算及模擬軟件在國外煉油、化工裝置的應用已相當普遍。已經成為煉化裝置工程師指揮生產運行、解決生產實際問題、優化生產操作條件、降低裝置生產成本、節能降耗、提高裝置經濟效益不可缺少的工具［2］。

新一代流程計算及模擬軟件在石油化工流程計算及模擬技術已經由穩態模擬發展為動態模擬，美國Honeywell公司的UniSim采用了當今流程計算及模擬的重大技術進步的研究成果COMThermo、MXL等技術，屬于新一代的動態模擬、仿真軟件。代表新一代流程動態模擬軟件，可以用于石油餾分，主要用于計算生產裝置的操作條件和控制方案以實現節能降耗，檢驗裝置的抗干擾能力，探討裝置的開停工方案，診斷裝置操作異常的原因及尋求解決問題的途徑。

在Honeywell公司的UniSim流程計算及模擬軟件中使得計算結果與實際生產裝置數據吻合得更好，形成完整可靠，適合大港石化公司煉油裝置特點的模擬軟件。

進行裝置的流程計算及模擬研究，首先可以分析裝置操作、生產過程中的瓶頸問題，分析裝置節能降耗潛力，為提高節能降耗的目標提供定量的指導［3］。第二，模擬裝置的運行情況及其對產品的影響，為裝置技術人員掌握裝置的最適宜的生產方案，提供定性與定量指導。第三，通過在線模擬，可以確定裝置的各種開停工情況，從而確定最佳的方案。

常減壓蒸餾裝置是石化公司的龍頭裝置，降低裝置能耗是工藝操作的重要任務。目前，該裝置能耗相對偏高，從實際裝置考慮，有必要實施節能降耗目標在線分析與操作指導，分析裝置的節能潛力與節能瓶頸，選擇適宜的操作條件，提高裝置能量利用率，減少整個裝置的能耗。

1.2 研發內容

采用國外 Honeywell公司的過程模型軟件UniSim，對常減壓裝置節能降耗目標在線分析與操作指導進行技術開發、工程應用與分析工作。

建立獨立于 DCS控制系統的可用于在線流程計算及模擬的計算機硬件軟件平臺，分析與購置項目所需的必要的軟、硬件，包括服務器、PC機、Windows 2000系統軟件、UniSim軟件。

建立了基于DCS系統的流程模擬實時數據庫。整個蒸餾流程模擬系統框架結構如圖1所示。

圖1 系統框架結構Fig.1 System framework

開發實時數據通訊接口軟件，從DCS計算機控制系統采集到當時的實時數據，實現模型計算的在線功能，真正為生產操作服務。開發在線/離線流程計算及模擬控制臺軟件，以實現Unisim軟件的在線/離線流程計算及模擬功能，使得常減壓裝置桌面系統具備完整的在線和離線應用功能。基于UniSim軟件，對大港石化常減壓裝置全流程進行模型組態和二次開發，將裝置流程、設備結構與尺寸、操作條件等全部在軟件上體現出來，然后對數學模型進行調校，形成針對性很強的一個在線常減壓裝置桌面系統［4］。

1.2 常減壓裝置流程模擬

（1）蒸餾塔的模擬采用中國石油大學自動化研究所技術，開發了初餾塔、常壓蒸餾塔、減壓蒸餾塔的Unisim流程模擬模塊，實現了這些設備單元的在線和離線流程模擬（圖2）。利用Unisim流程模擬軟件，開發的蒸餾裝置關鍵設備單元初餾塔、常壓蒸餾塔、減壓蒸餾塔的流程模擬模塊，這些模塊如實的體現了工藝流程、設備參數，實現了模擬計算的準確與可靠。Unisim精餾塔流程模擬模塊的計算結果包括初餾塔塔頂汽油干點、常壓蒸餾塔常一線干點、常二線干點、常三線95%點、減壓蒸餾塔減一線95%點，減二線粘度與閃點等產品質量指標，各蒸餾塔塔頂回流、中段回流換熱量、計算結果還包括各蒸餾塔塔板壓力分布、溫度分布、塔板汽液相流量等精餾塔水力學數據。

圖2 常壓塔流程模擬模塊Fig.2 Atmospheric tower process simulating module

此外，為了建立流程模擬系統數據庫和常、減壓蒸餾塔流程模擬模塊之間的數據通訊，實現流程模擬的在線模擬和離線模擬功能，編程開發了常、減壓蒸餾塔流程模擬控制臺軟件，該軟件不僅能夠實現數據庫與流程模擬模塊之間數據交換，還能夠對流程模擬模塊的調試功能。

（2）加熱爐的模擬

采用石油大學自動化研究所技術，開發了常壓加熱爐、減壓加熱爐的Excel VBA流程模擬模塊，開發了兩種典型的浮頭式換熱器的 Unisim流程模擬模塊，實現這些設備單元的在線和離線流程模擬。

利用 Excel VBA 編程開發了蒸餾裝置關鍵設備單元常、減壓加熱爐流程模擬模塊，利用Unisim流程模擬軟件，AES和BES兩大類典型管殼式浮頭換熱器的流程模擬模塊，這些模塊如實的體現了工藝流程、設備參數，實現了模擬計算的準確與可靠。與蒸餾塔模擬一樣，為了建立流程模擬系統數據庫和常、減壓加熱爐和換熱器流程模擬模塊之間的數據通訊，實現流程模擬的在線模擬和離線模擬功能［5］，編程開發了加熱爐與換熱器流程模擬控制臺軟件，該軟件不僅能夠實現數據庫與流程模擬模塊之間數據交換，還能夠對流程模擬模塊的調試功能。

以在線常減壓裝置桌面系統為依據，對常減壓蒸餾塔進行能耗分析，在線計算裝置能耗指標和節能潛力，并找出能耗制約點，得到以能耗更低的蒸餾塔優化可實現的操作條件和可長期努力的節能優化方向和目標。主要優化變量包括：常壓塔塔頂循環回流、各中段循環回流取熱分配比例、減壓塔各中段循環回流取熱分配比例等［6］。

以在線常減壓裝置桌面系統為依據，對常減壓加熱爐狀況進行分析，主要研究內容包括：(1)常減壓加熱爐輻射室、對流室加熱狀態在線計算；(2) 常減壓加熱爐熱效率在線計算。

以在線常減壓裝置桌面系統為依據，對生產裝置進行操作與設計分析，找出生產瓶頸，得到最適宜的操作條件。研究改變選擇的獨立變量值，對裝置操作條件及產品質量的影響，因此具有預測功能，工況研究主要包括：(1)改變原油進料量，預測操作條件的變化；(2)常壓塔側線餾出溫度變化，對各側線產品質量和收率的影響；(3)改變常壓塔中段回流量，預測各側線產品質量及收率變化；(4)改變常壓塔塔底蒸汽量，預測塔的操作條件及產品質量變化；(5)減壓塔側線餾出溫度變化，對各側線產品質量和收率的影響；(6)改變減壓塔中段循環回流，預測各側線產品質量及收率變化［6］。

實現裝置及單元設備的在線標定核算。單獨設備核算模型是將大的模型分成幾個部分，對單獨設備進行嚴格在線核算，使用戶可以研究某個單獨設備，其中包括：(1)重要換熱器的嚴格核算，計算結果包括換熱器的傳熱面積，總傳熱系數、污垢熱阻等，在此基礎上可完成換熱器污垢的趨勢分析以監測換熱器污垢情況及確定換熱器清洗時間；(2)進行常減壓裝置中初餾塔、常壓塔、減壓塔的溫度分布、塔板汽液相流量及水力學計算等。

常、減壓塔操作優化模塊無需操作員手動啟動，操作人員只需要運行優化通訊控制臺程序后，控制臺程序會自動調用相關的優化算法以及流程模擬模塊，自動連接PHD數據庫。

1.3 技術創新點

采用流程計算及模擬技術，開發適合常減壓裝置的桌面模擬系統，該系統應用后能實現節能降耗潛力與目標的在線分析，優化生產操作條件，提高裝置操作的平穩性，提高經濟效益。主要技術創新點如下：

實現節能降耗目標的流程模擬與操作優化技術,以常減壓裝置流程模擬為基礎［7］，以節能降耗為目標，實現操作優化；

系統離線與在線相結合的應用，利用 VB API編程結合流程模擬數據庫的技術，實現常減壓裝置流程模擬的在線模擬與離線模擬，并能夠在兩者自由切換；

流程模擬應用平臺與DCS控制系統間實時數據通訊接口（RDI）、以及流程模擬數據庫間結合應用。

2 技術應用情況

2.1 流程模擬系統模擬計算精度測試

常減壓蒸餾車間對流程模擬系統進行了常壓塔常三線95%點、減壓塔減一線95%點等產品質量指標的測試（表1）。

表1 餾程分析Table 1 Boiling range analysis

6月21日至6月25日，5天共23個樣次對比，平均誤差1.56 。

2.2 模擬產品收率和產品質量分析

常減壓蒸餾桌面系統能夠實現改變原油進料量、改變常壓塔頂回流量或中段循環回流流量、改變常壓塔塔底蒸汽量、改變減壓塔頂循環回流或中段循環回流流量、改變常壓爐出口溫度、改變減壓爐出口溫度等操作數據后，模擬計算完成后即可得到產品收率和產品質量分析。

以常壓塔如圖3。

常壓塔二中循環量提升后，各汽提塔進料側線溫度等有不同程度降低等工藝狀況變化［8］。

2.3 優化結果

常減壓蒸餾桌面系統能夠實現常壓塔取熱分配優化操作指導，從而優化常壓塔各循環回流流量；減壓塔取熱分配優化操作指導，從而優化減壓塔各循環回流流量。

常壓塔在上一次優化執行后，需要對常壓塔頂循流量、常一中流量、常二中流量分別進行提降量的操作，以實現能耗目標的優化操作。

在執行能耗目標優化的操作指導前后的6月16－6月25日，對能耗數據進行對比分析（表2,3）。

表2 優化前的能耗數據6月16-20日Table 2 Energy consumption data，June 16-20（before optimization）

表3 優化后的能耗數據6月21-25日Table 3 Energy consumption data，June 21-25（after optimization）

投用能耗目標優化操作指導前后對比，能耗降低1.45%（以上能耗數據裝置外輸熱按-0.5 kg EO/t折算能耗）。

常減壓蒸餾桌面系統測試的120 h期間，桌面系統保持穩定運行，滿足運行率的測試98%的指標。

3 結束語

大港石化分公司常減壓裝置節能降耗目標在線分析與操作指導項目以流程模擬為基礎，實現常減壓裝置的在線與離線模擬，并以流程模擬模型實現了節能降耗目標的操作優化，但由于現實條件與技術原因，在以下方面進行改進與完善：

（1） 流程模擬實施的必要基礎數據是常減壓裝置加工原油的評價數據，由于進料原油品種切換或摻煉比改變時，流程模擬模型缺乏必要的原油評價數據，因此流程模擬精度會受影響。雖然項目實施中已采取了必要措施，但這種影響仍然成為常減壓裝置流程模擬精度的制約因素，而解決這一問題的最有效途徑就是在進料原油品種切換或摻煉比改變時提供原油評價數據。

（2） 以流程模擬為基礎的節能降耗目標操作優化只能應用于常減壓裝置工藝處于穩態或擬穩態工況時，當工藝處于提降量、進料原油切換，工藝方案改變等動態特性狀態時，操作優化準確性大為降低，這需要在優化算法技術上進一步改進來克服。

（3） 項目中實現的節能降耗目標操作優化為離線優化，并以優化后的操作參數指導操作工進行工藝操作，這在一定程度上降低了優化效率。目前的離線優化、指導操作經過一段時間的使用后，可以改變為在線優化模式，以最大限度的提高優化效率，降低能耗。

［1］唐孟海 胡兆靈.常減壓蒸餾裝置技術問答[M]. 北京：中國石化出版社,2004.

［2］張錫鵬.煉油工藝[M]. 北京：石油化工出版社, 2004:52-53

［3］凌一群.常減壓蒸餾裝置生產運行的主要問題對策[J].石油煉制與化工,2002,3(3):12.

［4］葛玉林，沈勝強.原油常減壓蒸餾過程流程模擬[J].石油化工高等化學學報，2007，20(2)：124-127.

［5］王學軍，徐莉，汪培文.原油常減壓蒸餾裝置的模擬[J].化學工程師，2003(04-03)：41-42.

［6］高維平，劉謙，鄭緒光，趙霽春.常減壓換熱網絡的優化節能研究[J].化工科技，1999，7（2）:49-54.

［7］俞金壽.工業過程先進控制[M].北京：中國石化出版社，2002:207-246.

［8］黃德先,等.化工過程先進控制[M].北京：化學工業出版社,2006:57-87.