400 萬噸/年蠟油加氫裂化裝置動態仿真

郭振剛，鄒利妮

(1 浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316200；2 圣泰工程軟件有限公司，北京 100125)

隨著煉油生產裝置及設備趨向于大型化、復雜化、連續化以及自動控制水平的提高，對生產操作人員的操作能力和技術水平提出了更高的要求，動態仿真培訓系統(Operator Training Simulation，OTS) 的在員工培訓、裝置操作分析和控制系統的研究起到了重要的作用[1]。OTS 仿真模擬技術包括 DCS 操作過程、控制邏輯、聯鎖邏輯的動態過程模擬，它基于精確的熱動力學方程和傳質動力學模型，可逼真地模擬工廠的開車、停車、正常運行和各種事故過程的現象和操作，加深員工對裝置操作規程的理解，使操作員系統的了解工藝流程和裝置，幫助員工積累操作經驗、熟悉工藝、提高操作 技能，是生產裝置操作工培訓和工藝方案研究的高效手段[2]，OTS 仿真模擬培訓在新建裝置開車前顯得尤為重要[3]。

1 工藝概述

浙江石油化工有限公司400萬噸/年蠟油加氫裂化裝置由反應部分、分餾部分、低分氣脫硫部分、脫異戊烷部分和公用工程部分組成，采用雙劑串聯一次通過加氫裂化工藝[4]，是我國目前規模最大的單段串聯一次通過工藝流程裝置。在反應部分原料蠟油和氫氣混合后經加熱后達到反應溫度，在反應器內催化劑上進行加氫精制和加氫裂化反應，完成蠟油裂化成輕質油[5]。在分餾部分反應產物在汽提塔中將溶解的硫化氫和干氣分離出來，生成油在分餾塔內進行氣液兩相充分接觸進行熱交換和質量的交換，側線產品有重石腦油、航煤、柴油。脫丁烷塔分離出C4及C4以下組分，石腦油分餾塔對輕、重石腦油進行有效分離，脫異戊烷塔脫除輕石腦油中異戊烷組分，為下游乙烯裂解裝置提高優質原料。裝置流程示意如圖1所示。

圖1 蠟油加氫裂化裝置流程示意

2 仿真培訓系統開發

2.1 Dynsim 基本動態模型的搭建

由裝置工藝流程知，要建立的數學模型涉及反應器、汽液分離器、換熱器、汽提塔、離心式壓縮機等，用流程模擬軟件Dynsim的模擬仿真，建立模擬需要輸入數據較詳細，主要的文檔包括：工藝流程描述、PFD圖、P&ID圖、物料平衡表、開停車操作規程、儀表控制邏輯、聯鎖控制邏輯、設備數據表等。根據 P&ID圖流程建立一個能滿足建模范圍和內容要求、能收斂的并達到穩態的Dynsim基本動態模型，如圖2、圖3所示。在Dynsim中建立整個裝置的動態模型，包括設備、管道、閥門，由于該裝置采用的大量的復雜控制系統，模型中都要予以體現，如簡單控制、串級控制、分程控制、復雜控制等，進行開停車、變負荷、事故處理等各種工況的研究。

圖2 Dynsim 模型部分流程

圖3 P&ID 圖部分流程

在Dynsim基本動態模型中搭建仿真SIS模塊(裝置安全儀表系統)，把聯鎖值從仿真裝置的實際測量值傳送至聯鎖邏輯源頭，通過仿真邏輯模塊實現聯鎖邏輯功能以后，計算出聯鎖模擬結果，再將這個結果返回值仿真設備，實現與實際裝置一樣的聯鎖效果。

2.2 仿真系統的搭建

400萬噸/年蠟油加氫裂化裝置OTS仿真系統從功能上設置教員機、現場站、DCS 學員站三大操作界面，具有開工、停工、事故處理、聯鎖系統(SIS)培訓四大培訓功能。仿真系統其硬件結構如圖 4所示，系統關系圖如圖 5所示。

圖4 OTS 仿真系統硬件構架

圖5 OTS 仿真系統關系

圖6 OTS 評分系統的啟用界面

教員機站可以在培訓系統中實現Dynsim模型運行、暫停、快門存儲、評分設置等培訓功能。現場站在模型中提供需要現場手動開關的閥門等供外操進行仿真操作。DCS學員站提供真實DCS界面，供內操進行仿真操作，同時聯鎖系統 (SIS)操作界面功能也分為教員機站和DCS學員站實現，共完成DCS操作畫面59幅，聯鎖畫面48幅。操作評分是教員在一定的評判標準下監測、評估和報告操作員在OTS培訓與考核中操作水平的一種手段。成績通過操作員控制正確的操作順序和操作參數控制在合理的范圍之內得到。如圖6所示，本評分系統作為OTS的獨立且重要的組成部分，以插件形式依附于Emulation系統。評分系統的運行與否，不會對DCS Emulation 的運行造成任何影響，可通過“導出評分結果”按鈕一鍵生成評分結果報表，如圖7所示，達到了仿真培訓的要求。

3 仿真結果驗證

動態模擬的一個基本前提是當動態模型運行到穩態時，其計算結果應和穩態是一致的，實現動態模型的穩態驗證。為衡量基本動態模型的準確性，通常需要將動態模型的穩態結果和設計數據或穩態模擬數據進行對比。模型穩態時DCS畫面中精制反應器R1001四個床層入口溫度仿真值分別為：365.6 ℃、364.9 ℃、364.6 ℃、364.3 ℃，出口溫度仿真值分別為386.1 ℃、387.1 ℃、385.8 ℃、385.9 ℃；R1002加氫裂化反應器三個床層入口溫度仿真值分別為：363.6 ℃、363.2 ℃、363.8 ℃，出口溫度仿真值分別為377.8 ℃、376.6 ℃、378.6 ℃。

如表1、表 2 所示，將反應系統R1001與R1002操作參數仿真值、分餾系統各側抽產品仿真值與設計操作參數對比，可以看出R1001、R1002 仿真參數與工藝設計值偏差均在3.5 ℃以內；分餾塔各側抽溫度與設計值偏差1.6 ℃以內、抽出量偏差1.9 t/h以內，系統運行至穩態時仿真數據達到了較好的精度。模型動態仿真參數穩定，加熱爐出口溫度做小幅度調整后，反應器出入口溫度也隨之響應，系統控制動態響應及時，從而驗證了動態模型的正確性、穩定性，實現裝置操作參數分析和控制系統研究。

表1 反應系統仿真值與設計值對比表

表2 分餾系統仿真值與設計值對比表

4 結 論

(1)針對浙石化400萬噸/年蠟油加氫裂化裝置，建立了Dynsim仿真數學模型，搭建動態仿真培訓系統，該系統的仿DCS系統與實際使用的DCS系統在畫面一致，設置具有開工、事故處理、聯鎖系統培訓等功能，員工培訓實操性強，加載評分系統后操作員仿真培訓效果良好；

(2)通過動態模型的穩態驗證，模型仿真參數穩定，系統控制動態響應及時，實現裝置操作參數分析和控制系統研究。