FCCU反再系統(tǒng)異常工況的安全分析

靳滿滿，田文德，張俊梅

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042）

引 言

石油煉制工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，催化裂化工藝是將重質(zhì)油轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油的主要工藝之一，而反應(yīng)-再生系統(tǒng)是催化裂化工藝的核心部分。因反應(yīng)-再生系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備大、工藝復(fù)雜、原料多易燃易爆，所以對反應(yīng)-再生部分的安全分析是確保安全生產(chǎn)的有效途徑。一般安全分析方法給出的是模糊的、定性的分析結(jié)果，不能滿足安全生產(chǎn)的需要。本文利用動態(tài)機(jī)理模型開發(fā)的仿真環(huán)境來再現(xiàn)事故發(fā)生的過程[1-12]，以此鎖定事故發(fā)生的原因。JIT是一種工商管理模式，核心思想是及時(shí)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)零浪費(fèi)[13-16]，而在化工過程中，非線性、時(shí)變性等復(fù)雜特性制約著辨識模型的準(zhǔn)確程度，若能及時(shí)識別模型，將可以有效地辨識不同狀態(tài)下過程的運(yùn)行，保障數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和有效性，這對進(jìn)一步實(shí)施先進(jìn)控制以及過程優(yōu)化具有重要意義。本文將JIT理論應(yīng)用于動態(tài)系統(tǒng)的非線性分析，希望為動態(tài)系統(tǒng)的辨識提供新的思路，以開發(fā)的仿真環(huán)境為平臺再現(xiàn)了3種異常工況的動態(tài)模擬，建立了上述異常工況的JIT模型，實(shí)現(xiàn)了異常工況的及時(shí)識別。本研究具有一定的優(yōu)勢和可行性，可以為安全生產(chǎn)提供準(zhǔn)確、可靠的指導(dǎo)。

1 異常工況的動態(tài)模擬

1.1 再生催化劑失活

催化劑失活類型很多，比如化學(xué)的、熱的、機(jī)械的。催化劑在裂化反應(yīng)過程中由于積碳的發(fā)生，活性組分被覆蓋，導(dǎo)致活性降低。一般通過燒焦的方法來恢復(fù)催化劑的活性，但有時(shí)燒焦溫度控制失誤會使再生催化劑失活。再生催化劑活性降低會引起原油轉(zhuǎn)化率的下降，需及時(shí)恢復(fù)其活性，下面就再生催化劑失活引起的原油未轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)品收率的變化做詳細(xì)分析，具體見圖1。

圖1橫坐標(biāo)為再生催化劑失活反應(yīng)速率與正常反應(yīng)速率之比，可以看出當(dāng)再生催化劑活性降低時(shí)，原油的未轉(zhuǎn)化率升高，產(chǎn)品收率均呈下降趨勢，圖中模擬的點(diǎn)數(shù)據(jù)和工廠提供數(shù)據(jù)基本吻合。

1.2 再生器稀相尾燃

圖1 再生催化劑失活對原料及產(chǎn)品的影響 Fig.1 Deactivation of regenerated catalyst effects on raw materials and products

圖2 再生器稀相尾燃對氧含量及溫度的影響 Fig.2 Tail combustion of regenerator dilute phase effects on oxygen content and temperature

再生燒焦過程中由于碳的不完全燃燒會生成CO氣體，從再生器密相上升的煙氣中含有的CO 遇到高溫、空氣，會發(fā)生二次燃燒，容易造成設(shè)備內(nèi)構(gòu)件超溫?fù)p壞。本文在仿真環(huán)境上使用CO助燃劑來實(shí)現(xiàn)CO的完全燃燒，提高了操作的穩(wěn)定性，并且減少CO對環(huán)境的污染，其中助燃劑的加入位置為再生器密相部位。本文通過監(jiān)控?zé)构蕹隹谘鹾考俺隹跍囟葋矸从矯O助燃劑的影響，具體見圖2。

從圖2可以看出，當(dāng)再生器稀相尾燃時(shí)，燒焦罐出口氧含量大幅下降，而溫度大幅升高。由理論分析可知，當(dāng)再生器稀相尾燃時(shí)，CO充分燃燒消耗大量的氧氣，釋放大量的熱量，這和本文模擬的趨勢是一致的，說明本文開發(fā)的仿真環(huán)境具有一定的價(jià)值。

1.3 反應(yīng)器催化劑跑損

反應(yīng)器催化劑跑損，既造成催化劑損失，又嚴(yán)重影響原油裂化及異構(gòu)化等反應(yīng)。若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)催化劑跑損，將嚴(yán)重影響原油的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)品收率。本文為了模擬反應(yīng)器催化劑跑損這種異常工況，在提升管底部增加了催化劑跑損物流PSC002，下面就反應(yīng)器催化劑跑損對原油未轉(zhuǎn)化及產(chǎn)品收率的影響做詳細(xì)分析，具體見圖3。

圖3 反應(yīng)器催化劑跑損 Fig.3 Catalyst’s loss of reactor

圖3隨著反應(yīng)器催化劑跑損量的增加，原油的未轉(zhuǎn)化率升高，產(chǎn)品收率均下降，這和實(shí)際的生產(chǎn)情況是一致的，說明本文模擬的此種異常工況是真實(shí)可靠的。

2 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)分析

2.1 再生催化劑失活

① 由催化劑失活程度計(jì)算原油未轉(zhuǎn)化率。

擬合方程

② 由催化劑失活程度計(jì)算汽油收率

擬合方程

③ 由催化劑失活程度計(jì)算柴油收率

擬合方程

④ 由催化劑失活程度計(jì)算氣體收率

擬合方程

⑤ 由催化劑失活程度計(jì)算焦炭收率

擬合方程

例如，已知催化劑失活程度時(shí)，帶入擬合方程（1），可以算出此時(shí)的原油未轉(zhuǎn)化率。

2.2 再生器稀相尾燃

① 由助燃劑流量計(jì)算燒焦罐出口氧含量

擬合方程

② 由助燃劑流量計(jì)算燒焦罐出口溫度

擬合方程

例如，已知助燃劑流量時(shí)，帶入擬合方程（6），可以計(jì)算出燒焦罐出口氧含量。

2.3 反應(yīng)器催化劑跑損

① 由反應(yīng)器催化劑跑損量計(jì)算原油未轉(zhuǎn)化率 擬合方程

② 由反應(yīng)器催化劑跑損量計(jì)算汽油收率

擬合方程

③ 由反應(yīng)器催化劑跑損量計(jì)算柴油收率

擬合方程

④ 由反應(yīng)器催化劑跑損量計(jì)算氣體收率

擬合方程

⑤ 由反應(yīng)器催化劑跑損量計(jì)算焦炭收率

擬合方程

例如，已知反應(yīng)器催化劑跑損量時(shí)，帶入擬合方程（8），可以計(jì)算出此時(shí)的原油未轉(zhuǎn)化率。

3 JIT方法識別非線性數(shù)學(xué)模型

本文將JIT理論應(yīng)用于異常工況的安全分析，實(shí)現(xiàn)異常工況的及時(shí)識別，建立了JIT模型。JIT理論的另一點(diǎn)應(yīng)用是根據(jù)JIT模型推算的異常工況，決定處理這些異常工況的措施，把握處理措施的程度，避免人力、物力的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)“零浪費(fèi)”。下面就JIT理論的應(yīng)用做具體分析。

3.1 再生催化劑失活

① 由原油未轉(zhuǎn)化率推算再生催化劑失活程度。

JIT模型

② 由汽油收率推算再生催化劑失活程度。

JIT模型

③ 由柴油收率推算再生催化劑失活程度。

JIT模型

④ 由焦炭收率推算再生催化劑失活程度。JIT模型

⑤ 已知?dú)怏w收率推算再生催化劑失活程度。

JIT模型

以式（20）為例說明JIT的應(yīng)用，將柴油收率對催化劑失活程度影響曲線進(jìn)行分段處理，每一段對應(yīng)相應(yīng)的區(qū)間，那么已知柴油的收率可以根據(jù)對應(yīng)的公式計(jì)算出相應(yīng)的催化劑失活程度，根據(jù)催化劑失活程度采取相應(yīng)措施來恢復(fù)催化劑活性，避免了浪費(fèi)。

3.2 再生器稀相尾燃

①由燒焦罐出口氧含量推算助燃劑流量（kmol·h-1）。

JIT模型

②由燒焦罐出口溫度推算助燃劑流量（kmol·h-1）。

JIT模型

當(dāng)操作人員察覺燒焦罐出口氧含量或溫度發(fā)生大幅度波動時(shí)，可以根據(jù)對應(yīng)公式推算助燃劑流量，從而決定閥門開度，以控制助燃劑流量，在此也體現(xiàn)了JIT理論的優(yōu)越性。

3.3 反應(yīng)器催化劑跑損

① 由原油未轉(zhuǎn)化率求反應(yīng)器催化劑跑損量（kmol·h-1）

JIT模型

② 由汽油收率求反應(yīng)器催化劑跑損量（kmol·h-1）

JIT模型

③ 由柴油收率求反應(yīng)器催化劑跑損量（kmol·h-1）

JIT模型

④由氣體收率求反應(yīng)器催化劑跑損量（kmol·h-1）

JIT模型

⑤由焦炭收率求反應(yīng)器催化劑跑損量（kmol·h-1）

JIT模型

4 結(jié) 論

開發(fā)的FCCU反再部分的仿真環(huán)境真實(shí)地再現(xiàn)了3種異常工況，模擬的相關(guān)參數(shù)的影響趨勢和實(shí)際生產(chǎn)相符，并根據(jù)模擬數(shù)據(jù)建立了數(shù)學(xué)模型及JIT模型。本文將JIT理論應(yīng)用于識別非線性數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了異常工況的及時(shí)識別，希望為動態(tài)系統(tǒng)的辨識提供一種新思路，其廣泛應(yīng)用還需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。本研究具有一定的優(yōu)勢和可行性，可以為安全生產(chǎn)提供準(zhǔn)確、可靠的指導(dǎo)。

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