軟測量儀表在加氫裂化裝置中的應用

蔡飛云，康志北，張舟

(新疆獨山子煉油廠 儀表車間，新疆 獨山子 833600)

加氫裂化工藝是指通過加氫反應使一些原料油(煉廠各裝置來餾分油)中的10%和10%以上的分子加氫變小的工藝，在高溫、高壓、臨氫及催化劑存在的情況下，原料油進行加氫脫金屬(HDM)、脫硫(HDS)、脫氮(HDN)、脫氧(HDO)芳烴飽和、分子骨架結構重排及裂解等反應，以制取輕質燃料、乙烯料或高檔潤滑油基礎油的催化轉化過程[1]。

某廠加氫裂化工藝流程：原料進入裝置與氫氣混合，經加熱到一定溫度首先進入精制反應器，用床層冷氫控制合適的反應溫度，在保護劑和精制催化劑的作用下，發生一系列加氫反應，生成雜質很低的精制油；然后進入裂化反應器，用床層冷氫控制合適的反應溫度，在裂化催化劑和后精制催化劑作用下，發生加氫異構化和裂化(包括開環)反應及部分精制反應，獲得所需轉化率下產品分布的裂化氣。經初步降壓、降溫分離后，大部分氣相進入循環氣系統，小部分氣相經該裝置脫硫塔后，與重整氫一起做PSA原料；液相則先進入脫丁烷和脫乙烷塔，進一步氣液相分離，分離出液化氣、干氣和反應生成油，液化氣出裝置去堿洗，干氣經該裝置輕烴吸收塔后，出裝置去干氣脫硫裝置；生成油先進入常壓塔，分離出輕、重石腦油，航煤，柴油和尾油；輕、重石腦油，航煤，柴油分別出裝置，而尾油則進入減壓塔，經過減壓蒸餾，生產出乙烯料，輕、中、重潤滑油，分別出裝置。其中部分的尾油循環到原料過濾器的入口再次加氫裂化[2-3]。

軟測量儀表計算的目的：對上述產品利用可測變量(如溫度、壓力、流量)實時給出不可實測變量的數值，為操作提供指導，為先進控制與實時優化提供依據。例如：石油餾分產品的主要質量指標是恩氏蒸餾提供的沸點，如干點、90%點、10%點、初餾點等，其他質量指標，如閃點、傾點、凝固點、冰點等，均與沸點有關。目前，此類變量主要依據化驗分析，從采樣到得到結果，一般要1h以上，采用在線分析儀表也存在一定的滯后時間。在線計算的目的就是避免化驗或在線分析儀表的時間滯后，以利于操作和控制[4-6]。

1 軟測量儀表的特點及原理

1.1 軟測量儀表在線計算的特點

1)相對準確性。軟測量計算結果必須正確反映實際質量指標的變化，需建立質量指標和可測變量之間的關系。

2)實時性。操作和控制均要求在生產過程動態變化的過程中，及時給出計算結果，這就是實時性的要求。由于生產過程幾乎隨時處于動態變化之中，尤其是進行操作或控制時，反映生產過程狀態的變量總是隨時間變化的，要正確計算，不僅要有各變量之間的穩態關系(目前工藝設計和計算主要采用的模型)，而且還必須符合各變量隨時間變化的規律，且計算周期必須較短，才能達到在線計算的目的。

3)可計算性(可觀性)。需要哪些可測變量才能得到所需的計算結果，就是可計算性或可觀性問題。為此，需對生產過程的特性(動態數學模型)進行分析，才能合理地實現在線計算。針對石油分餾塔，各塔板上氣液相物流溫度差較大，需要采用基于傳質與傳熱速率的非平衡級動態數學模型計算(對每個塔段，需要設有氣相與液相的溫度測點)才能滿足可觀性條件。

1.2 軟測量儀表在線計算的原理

基于以上特點和要求，采用符合生產過程特性的機理動態模型在線實時計算，是最合理的方法。由于動態過程的特點，需采用狀態觀測器方法，才能使計算值收斂到真值。狀態觀測器是基于過程動態數學模型的，從原理上說，任何生產過程均可用線性系統觀測器、非線性系統的狀態觀測器描述其動態行為。

該項目采用非線性動態模型實現觀測計算，并根據過程實際結合了回歸統計的方法。非線性系統的狀態觀測器內容為

模型：

(1)

可觀性：必要條件為結構可觀。

偽線性觀測器：對式(1)離散化后，可采用下述“偽線性化”的描述：

X(k+1)=AX(k)+Fk[Xm(k)，u(k)]+Φk[Xm(k)，Xu(k)，u(k)，w(k)]

(2)

式中：Φk——不可測的，按線性系統構造對Xu和Φk(k)的觀測器，當函數Φk可逆且有確定解時，可由Φk計算[XuW]T[7-9]。

2 方案實施及效果

2.1 轉化率計算方法

轉化率指原料轉化為產品的百分率，是表示反應深度的指標。

轉化率 =(1-產品中大于350℃餾分/原料中大于

350℃餾分)×100%=

[(原料中大于350℃餾分-產品中大于

350℃餾分)/原料中大于350℃餾分]×100%

當有循環油存在時，轉化率有單程轉化率和總轉化率之分。單程轉化率計算時，原料油指新鮮原料和循環油之和；總轉化率計算時，原料油僅指新鮮原料。

1)計算方法1。在熱高壓分離器進料溫度控制平穩的情況下，熱低壓分離器和冷低壓分離器出料量的變化可以反映轉化率的變化，因而可用下式進行計算：

轉化率=a1(qm1+LV1)+a2(qm2+LV2)+b

(3)

式中：qm1，qm2——熱低壓分離器及冷低壓分離器流出流量；LV1，LV2——熱低壓分離器及冷低壓分離器液位補償；a1，a2，b——系數。

2)計算方法2。裝置的各種操作條件對轉化率都有影響，其中主要的有進料流量、裂化反應溫度T2、裂化反應溫升等，同時反應流出物的變化也反映了轉化率的變化，可用下式表示：

轉化率=a1(qm1+LV1)+a2(qm2+LV2)+a3T2+a4dT+a5qmall+b

(4)

式中：T2——裂化反應溫度；dT——裂化反應總溫升；qmall——總進料流量；a3，a4，a5——系數。

3)計算方法3。根據轉化率的定義，可近似認為產品中小于350℃餾分均在常壓塔各側線抽出(假設LPG量變化不大)，可用下式表示：

轉化率=(a1qm3+a2LV3-a3qm4-a4LV4)/qmall×100%+b

(5)

式中：qm3——常壓塔進料流量；qm4——減壓塔進料流量；LV3——常壓塔液位補償；LV4——減壓塔液位補償。

3種計算方法，可根據與實際化驗分析數據比對進行選擇，轉化率計算結果與化驗數據對比如圖1所示。符合考核指標情況，標定統計分析見表1所列。

圖1 轉化率計算結果與化驗值對比(采樣周期30s)

表1 轉化率標定統計分析

2.2 φC5計算方法

1)計算方法1。采用壓力補償溫度的方法來計算。主要根據靈敏板(或塔頂)溫度和塔頂壓力的變化來觀測塔頂組分體積分數的變化。

φC5=K1(Tcomp-Tb)+C50

(6)

2)計算方法2。脫丁烷塔的各種操作條件對液化氣中的φC5都有影響，其中主要的有塔頂溫度、塔頂壓力、塔頂回流量、塔底溫度、進料性質等，可用下式表示：

φC5=a1Tt+a2pt+a3qmre+a4Tb+b

(7)

式中：Tt——塔頂溫度；pt——塔頂壓力；qmre——塔頂回流量；Tb——塔底溫度。

對φC5，軟測量計算結果與化驗值對比情況如圖2所示，滿足考核指標情況見表2所列。

表2 φC5標定統計分析

2.3 航煤干點計算方法

影響航煤干點(KEP)的因素很多，包括進料性質、操作條件(溫度、壓力、流量)等。在常壓塔可得到的測點中，主要變量有塔頂溫度、塔頂壓力、塔頂回流量、常一線溫度、常二線溫度、中段回流、進料溫度等，可用下式表示：

KEP=a1qmfeed+a2pt+a3T1+a4qmre+a5Tre+a6T2+a7qmre2+a8Tre2+a9Tfeed+b

(8)

式中：qmfeed——常壓塔進料流量；pt——塔頂壓力；T1——常一線抽出溫度；qmre——塔頂回流流量；Tre——塔頂回流返塔溫度；T2——常二線抽出溫度；qmre2——中段回流流量；Tre2——中段回流返塔溫度；Tfeed——常壓塔進料溫度；a5，a6，a7，a8，a9——系數。

對航煤干點的軟測量計算結果與化驗值對比情況如圖3所示，滿足考核指標情況見表3所列。

圖3 KEP計算結果與化驗值對比(采樣周期30s)

表3 KEP標定統計分析

2.4 航煤閃點計算

影響航煤閃點(KFP)的因素很多，包括常壓塔和航煤汽提塔的操作條件(溫度、壓力、流量)等。在可得到的測點中，主要變量有常壓塔頂壓力、常二線溫度、航煤汽提塔再沸溫度、航煤汽提塔返塔溫度、航煤汽提塔塔底溫度等，可用下式表示：

KFP=a1pt+a2T2+a3Tt53+a4T5reb+a5T5reb2+a6T5b+a7×qmkero+b

(9)

式中：pt——塔頂壓力；T2——常二線抽出溫度；qmkero——航煤出裝置流量；Tt53——航煤汽提塔油氣進常壓塔溫度；T5reb——航煤汽提塔再沸溫度；T5reb2——航煤汽提塔再沸返塔溫度；T5b——航煤汽提塔塔底溫度。

對航煤閃點，軟測量計算結果與化驗值對比情況如圖4所示；滿足考核指標情況見表4所列。

圖4 KFP計算結果與化驗值對比(采樣周期30s)

表4 KFP標定統計分析

3 結束語

在線實時計算的目的是實時給出過程不可實測變量的數值，作為操作參考和先進控制的依據。軟測量系統的主要特點是基于生產過程的機理動態數學模型，利用現代控制理論中的狀態觀測器方法，并根據過程實際結合使用了回歸統計的方法，

可在生產過程動態變化的情況下，實時給出所需結果，其準確性和實時性滿足指導生產及在線控制的要求。從軟測量儀表的實施效果來看，較好地滿足了生產和控制要求。

參考文獻：

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