催化裂化裝置生產(chǎn)方案優(yōu)化控制研究

李晉萍(寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

催化裂化裝置生產(chǎn)方案優(yōu)化控制研究

李晉萍(寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

催化裂化裝置是煉油和石油化工生產(chǎn)過程的關(guān)鍵裝置,在煉油生產(chǎn)鏈中起著十分重要的作用,其運(yùn)行狀況影響整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益.本論文系統(tǒng)闡述了寧夏某石化公司重油催化裂化工藝特點(diǎn)、流程及生產(chǎn)現(xiàn)狀，并在穩(wěn)定總進(jìn)料并明確控制方案的前提下，研究提出了多產(chǎn)柴油、汽油、液態(tài)烴和最佳經(jīng)濟(jì)效益四種優(yōu)化方案，通過對裝置優(yōu)化控制的實(shí)踐證明，多產(chǎn)柴油、汽油、液態(tài)烴方案其收率較優(yōu)化前分別增加1.56%、2.99%、0.32%，最佳經(jīng)濟(jì)效益方案可增加經(jīng)濟(jì)效益56.92元/噸原料,實(shí)現(xiàn)了催化裂化裝置的平穩(wěn)控制,減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,改善了產(chǎn)品的收率并最終實(shí)現(xiàn)了提高經(jīng)濟(jì)效益的總目標(biāo)。

催化裂化;優(yōu)化控制;收率;經(jīng)濟(jì)效益

0 引言

石油不但是工業(yè)的血液而且被稱為全球的經(jīng)濟(jì)命脈，石油在2050年以前將一直都是全球的首要能源。催化裂化裝置不但是生產(chǎn)汽油、柴油和液態(tài)烴的重要生產(chǎn)裝置，同時(shí)也成為了煉油企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益來源的一個(gè)重要的部分。催化裂化對煉油工業(yè)的成長壯大和對全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有重要的意義。

催化裂化的操作控制方法有很多種，現(xiàn)使用的主要有：(1)再生滑閥自動(dòng)控制法：主控方向?yàn)樵偕y—反應(yīng)溫度(提升管出口溫度)；(2)沉降器自動(dòng)控制法：主控方向?yàn)榇y(從沉降器到再生器的催化劑管線上的控制閥)—沉降器；(3)在線微機(jī)監(jiān)控或優(yōu)化控制系統(tǒng)，例如多變量預(yù)測控制系統(tǒng)；(4)離線調(diào)優(yōu)系統(tǒng)。事實(shí)上，對于產(chǎn)品分布以及裝置的操作影響最大、最深的是催化裂化這一化學(xué)反應(yīng)過程的反應(yīng)深度，一般有很多種因素都會(huì)影響到反應(yīng)深度，但反應(yīng)深度并不能被反應(yīng)溫度所完全代表。我們?nèi)粝肴〉妹黠@的經(jīng)濟(jì)效益，且只需通過操作條件的改變就可以實(shí)現(xiàn)，使得生產(chǎn)過程操作得到優(yōu)化，而又不需要修改工藝、不增加生產(chǎn)設(shè)備。這種想法如果能夠成功，絕對是一種投資少、見效快的好方法，因此催化裂化的多方向優(yōu)化控制絕對有著重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

近年來，我國經(jīng)濟(jì)有了長足的發(fā)展，但是雖然歷經(jīng)幾代人不懈的努力，我國催化裂化技術(shù)已取得較大的發(fā)展，并且為世人所矚目，受投入不足、底子較薄、缺乏自主創(chuàng)新技術(shù)、使用的設(shè)備比較落后、管理機(jī)制跟不上去、勞動(dòng)生產(chǎn)率低等諸多因素的束縛，導(dǎo)致與國外先進(jìn)水平相比，我國催化裂化技術(shù)仍存在著較大差距。

本課題通過對寧夏某石化公司重油催化裂化裝置的流程和工藝原理的研究，結(jié)合優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件，提出了四種優(yōu)化方案，通過對各優(yōu)化方案中待優(yōu)化變量數(shù)值的調(diào)整，影響裝置實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)。使裝置在優(yōu)化方案投用后產(chǎn)品收率得到提高。具體內(nèi)容有以下幾個(gè)方面。

(1)對寧夏某石化公司現(xiàn)有重油催化裂化裝置進(jìn)行分析，確定優(yōu)化方向。(2)研究DCIO Express for FCC 3．0系統(tǒng)控制方案、控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件。(3)根據(jù)石化公司催化裂化裝置的產(chǎn)品及效益確定優(yōu)化方案；(4)在全面分析裝置的基礎(chǔ)上，確定優(yōu)化系統(tǒng)的原則，控制系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化變量、約束條件等；(5)根據(jù)確定的優(yōu)化方案、優(yōu)化變量、約束條件等對石化裝置實(shí)施優(yōu)化控制，利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證。

1 催化裂化裝置概況

本次研究的催化裂化裝置是由260萬噸/年重油催化裂化裝置及與此套裝置相配套的雙脫裝置組成，本套裝置由中國石化工程建設(shè)公司設(shè)計(jì)，裝置以加工常壓渣油原料為主，設(shè)計(jì)加工規(guī)模為年處理量260萬噸/年，操作彈性60%-110%。雙脫裝置(以下簡稱該裝置)與260 萬噸/年催化裂化裝置相配套，對催化裂化裝置生產(chǎn)的穩(wěn)定汽油、干氣及液化石油氣進(jìn)行脫硫精制，精制后的汽油硫醇硫含量不大于10ppm；液化氣硫化氫含量不大于10ppm；脫后干氣進(jìn)入高壓瓦斯管網(wǎng)，降低管網(wǎng)腐蝕，減少煙氣二氧化硫排放濃度。

2 260萬噸/年重油催化裂化裝置技術(shù)特點(diǎn)

(1) 重疊式兩段再生技術(shù)被運(yùn)用于再生系統(tǒng)，風(fēng)耗量較低，符合當(dāng)前節(jié)能降耗的環(huán)保型生產(chǎn)要求。

(2) 提升管選用VQS旋流快分、預(yù)汽提和多段汽提技術(shù)。采用VQS旋流快分、預(yù)汽提和多段汽提技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氣——固的快速分離，有效降低了焦炭和干氣產(chǎn)率，減緩沉降器內(nèi)部的結(jié)焦。

(3) 主風(fēng)機(jī)組由變頻啟動(dòng)的備用機(jī)組和主風(fēng)三機(jī)組組成。備機(jī)采用變頻啟動(dòng)對系統(tǒng)電網(wǎng)沖擊很小；主風(fēng)三機(jī)組由煙機(jī)——主風(fēng)機(jī)——電動(dòng)機(jī)組成，具有操作靈活，受系統(tǒng)電網(wǎng)影響小，并能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的無擾動(dòng)切換的特點(diǎn)。

(4)MDEA 胺吸收工藝被應(yīng)用于液化氣脫硫化氫以及干氣的催化。干氣催化后進(jìn)入的脫硫化氫塔的塔盤采用HAVTH塔盤，液化氣脫硫化氫塔采用FG 蜂窩格柵填料，屬于清華大學(xué)專利。

(5)液化氣脫硫醇采用兩級(jí)纖維液膜脫硫醇+纖維液膜水洗工藝，屬于甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司專利。

(6)汽油脫硫醇采用固定床脫硫化氫+固定床脫硫醇工藝，屬于石油大學(xué)(北京)專利。

(7)從氣液分離罐(D-806)頂出來的尾氣采用膜分離技術(shù)回收汽油組份，這項(xiàng)技術(shù)屬于大連歐科膜技術(shù)工程有限公司。

3 優(yōu)化控制方案的總體設(shè)計(jì)

在此次研究中，經(jīng)過改造的控制設(shè)備已更新為先進(jìn)可靠的I/A Series集散型控制系統(tǒng)，但是由于原有生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)的制約，傳統(tǒng)的儀表控制回路較多，因此在控制方案上仍舊依托原有儀表控制回路。如何優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)；改善產(chǎn)品分布、分配，使裝置效益最大化，能否從不斷改變操作條件入手；裝置效率、效益能通過何種方式實(shí)時(shí)回饋給現(xiàn)場操作工人，從而指導(dǎo)操作工人及時(shí)改變操作條件，提高裝置運(yùn)行效益；產(chǎn)品質(zhì)量如何能被工人實(shí)時(shí)了解，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整操作條件，改善產(chǎn)品質(zhì)量；以上課題解答所要求的基本條件，恰恰是DCS在線統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、優(yōu)化所能實(shí)現(xiàn)的功能。因此，在研究的過程中，在優(yōu)化控制系統(tǒng)上設(shè)計(jì)的幾種控制方案均以煉油廠現(xiàn)有催化裂化裝置為基礎(chǔ)。

對于一個(gè)優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先是優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該如何選取，其次是作為在線的優(yōu)化變量，哪些操作變量可以選取。

3.1 優(yōu)化控制系統(tǒng)

優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)在催化裂化裝置中可以有多種體現(xiàn)方式。本次研究采用的優(yōu)化方式為根據(jù)其加工方式不同而進(jìn)行的優(yōu)化組合方案，可以根據(jù)市場需求對需要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)任意切換。通過合理組合優(yōu)化變量和目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)出四組實(shí)時(shí)優(yōu)化控制方案：第一組目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為多產(chǎn)液態(tài)烴一個(gè)時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)品的平均收率；第二組目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為多產(chǎn)汽油的平均收率；第三組目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為多產(chǎn)柴油的平均收率；第四組目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為裝置的最佳經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)化控制器可根據(jù)需要在操作界面上通過按鈕選擇切換這四組方案。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大，變量進(jìn)行調(diào)優(yōu)可通過調(diào)整裝置的操作條件來完成。其中裝置的經(jīng)濟(jì)效益根據(jù)產(chǎn)品、原料和單價(jià)進(jìn)行計(jì)算，這些價(jià)格可通過工程師界面隨時(shí)修改和輸入。

優(yōu)化變量在選擇時(shí)，主要考慮的是那些重要同時(shí)又易于控制的反應(yīng)-再生部分中的工藝變量。因此，這四組優(yōu)化方案都以預(yù)提升干汽(或預(yù)提升蒸汽，可切換)流量、提升管出口溫度 、原料油預(yù)熱溫度 、回?zé)捰突責(zé)挶取皆取⒂蜐{回?zé)挶取⑼馀庞蜐{流量、新催化劑加料占寬比這8個(gè)變量為調(diào)優(yōu)變量，通過在線方式，使這些變量得到優(yōu)化，進(jìn)而令主要操作條件在催化裂化過程中被加以調(diào)整，最后達(dá)到裝置的經(jīng)濟(jì)效益和主產(chǎn)品的收率得到提高的效果。只有在裝置各項(xiàng)約束條件滿足的條件下，優(yōu)化控制才能得到完整的實(shí)施，此時(shí)才能保證裝置正常平穩(wěn)運(yùn)行。

優(yōu)化控制器在操作界面上進(jìn)行四個(gè)方案的選擇，由裝置操作員給定操作上下限，而自動(dòng)切換程序可由系統(tǒng)在操作員限定的區(qū)域內(nèi)完成切換，自動(dòng)優(yōu)化所切換方案的操作。優(yōu)化方法采用了相關(guān)積分法，以及計(jì)算機(jī)二級(jí)優(yōu)化控制模式。而優(yōu)化方法所必須具有的約束條件，則考慮了分餾塔的液位，產(chǎn)品分布情況，優(yōu)化變量的上下限等。

為了在各種操作情況下優(yōu)化控制系統(tǒng)都仍然能夠穩(wěn)定且正常地工作，需要改變原控制系統(tǒng)的反應(yīng)器總進(jìn)料控制，這樣才不會(huì)使各重要操作參數(shù)之間產(chǎn)生相互影響。修改以后形成的若干子回路組成了新的控制系統(tǒng)，主要有以下幾種系統(tǒng)：

(1) 反應(yīng)器進(jìn)料量對總的新鮮進(jìn)料量的控制系統(tǒng)

(2) 進(jìn)料摻渣比控制系統(tǒng)

(3) 回?zé)捰捅戎悼刂葡到y(tǒng)

(4) 回?zé)捰蜐{比值控制系統(tǒng)

保持相互獨(dú)立是以上各變量的優(yōu)點(diǎn)之一，其它變量能夠在任意變量發(fā)生改變時(shí)，仍然自動(dòng)保持恒定的原有數(shù)值。

4 優(yōu)化控制的實(shí)際應(yīng)用及標(biāo)定結(jié)果

想要得到一個(gè)運(yùn)行情況的分析結(jié)果，需要一個(gè)產(chǎn)品收率作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確、可靠、具有可比性，有較高準(zhǔn)確可靠性的各產(chǎn)品收率記錄只會(huì)出現(xiàn)在車間生產(chǎn)質(zhì)量記錄中，而且其可比性較高，因此采用了車間生產(chǎn)質(zhì)量記錄中的產(chǎn)品收率作為數(shù)據(jù)分析的依據(jù)。

在正常生產(chǎn)過程中，選取進(jìn)料量相對穩(wěn)定的生產(chǎn)時(shí)段，采集12日內(nèi)車間產(chǎn)品質(zhì)量及分析臺(tái)帳中各產(chǎn)品的收率，運(yùn)用過程中各種產(chǎn)品收率均有提高，高如果生產(chǎn)投運(yùn)時(shí)間能夠增長，取得的產(chǎn)品收率將會(huì)更高。

5 結(jié)語

針對能源緊張的局面，為充分提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)收率及效益最大化的原則，本課題主要利用DCIO Express for FCC 3．0軟件對寧夏某石化公司催化裂化裝置進(jìn)行優(yōu)化控制研究，結(jié)論如下：

(1)所使用的軟件系統(tǒng)以相關(guān)積分優(yōu)化方法為優(yōu)化引擎具有在線監(jiān)測功能 、可在線調(diào)整工藝參數(shù)，并附有智能自動(dòng)故障檢測，定位和處理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的在線優(yōu)化控制；

(2)為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，達(dá)到總進(jìn)料系統(tǒng)穩(wěn)定的生產(chǎn)運(yùn)行狀況，實(shí)施了對總的新鮮進(jìn)料量、進(jìn)料摻渣比、回?zé)捰捅戎怠⒒責(zé)捰蜐{比值進(jìn)行控制，實(shí)踐證明四個(gè)控制方案不但可行，而且是總進(jìn)料系統(tǒng)穩(wěn)定的有力保障；

(3)本課題研究提出的多產(chǎn)柴油、多產(chǎn)汽油、多產(chǎn)液態(tài)烴和最佳經(jīng)濟(jì)效益四種優(yōu)化方案，符合該石化公司燃料型煉廠的生產(chǎn)實(shí)際；

(4)研究確定的預(yù)提升干汽流量、提升管出口溫度 、原料油預(yù)熱溫度 、回?zé)捰突責(zé)挶取皆取⒂蜐{回?zé)挶取⑼馀庞蜐{流量、新催化劑加料占寬比這8個(gè)優(yōu)化變量及各優(yōu)化變量的19個(gè)上下限約束條件科學(xué)合理，符合煉廠實(shí)際并為優(yōu)化方案的實(shí)施創(chuàng)造了條件；

(5)通過對裝置優(yōu)化控制方案實(shí)施后的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的大量分析，證明了多產(chǎn)柴油、多產(chǎn)汽油、多產(chǎn)液態(tài)烴方案其產(chǎn)品收率較優(yōu)化前分別增加了1．56%、2．99%、0．32%，最佳經(jīng)濟(jì)效益方案可增加經(jīng)濟(jì)效益56．92元/噸原料，實(shí)現(xiàn)了催化裂化裝置的平穩(wěn)控制，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了產(chǎn)品的收率并最終實(shí)現(xiàn)了提高經(jīng)濟(jì)效益的總目標(biāo)。

[1]夏清,陳常貴主編.化工原理上冊.天津:天津大學(xué)出版社.2007.1.

[2]史瑞生,催化裂化在線工藝計(jì)算的特點(diǎn)[J],煉油設(shè)計(jì).2001.01 .

[3]葉慶國.分離工程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2009.1.

[4]敖晨虹,胡海蘭,周麗君.先進(jìn)控制與優(yōu)化控制在過程工業(yè)應(yīng)用中若干問題探討[J].石油化工自動(dòng)化.2002.05.

[5]盧煥章.石油化學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.1982.2.

李晉萍，女，陜西西安人，講師，碩士研究生，研究方向，煤化工。