常減壓裝置的動態(tài)模擬研究

劉守瑜，張建峰，喬志強，杜江暢，陶興文

(1. 中海石油中捷石化有限公司，河北 滄州 061108；2. 中海油信息科技有限公司，廣東 深圳 518052；3. 北京賽普泰克技術(shù)有限公司，北京 100012)

中國石油煉化行業(yè)正在經(jīng)歷從粗放式的快速產(chǎn)能擴(kuò)張階段到應(yīng)用先進(jìn)智能制造技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化管理、節(jié)能減排、大幅提高勞動生產(chǎn)率的轉(zhuǎn)型階段。常減壓裝置作為煉油廠原油煉化加工的第一道重要工序，裝置的運行情況，技術(shù)水平和操作人員技能的高低直接關(guān)系著后續(xù)裝置產(chǎn)品的質(zhì)量、收率以及經(jīng)濟(jì)效益[1]。未來，隨著煉油裝置結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，大型常減壓蒸餾裝置還將得到進(jìn)一步發(fā)展。針對裝置運行效率的提升，煉化企業(yè)一般主要關(guān)注工藝、設(shè)備、儀表的設(shè)計與優(yōu)化，而缺乏考慮對裝置運行狀況、操作人員操作水平的提升[2]。有些企業(yè)對于重點裝置也采用了仿真系統(tǒng)，但大多數(shù)停留在裝置簡化的數(shù)學(xué)建模、用于熟悉工藝流程的培訓(xùn)，而缺少對裝置運行深層次工藝原理、控制原理的探究，對于裝置工藝操作的優(yōu)化方法也缺少必要的實驗手段[3]。

根據(jù)國內(nèi)煉化企業(yè)生產(chǎn)裝置的建設(shè)與生產(chǎn)運行周期的需求，本文提出了煉油流程智能動態(tài)模型的技術(shù)應(yīng)用，并在某煉化廠常減壓裝置進(jìn)行了實踐，取得了良好的效果。

1 智能動態(tài)模擬功能

煉油流程具有復(fù)雜性、多面性的特點。為縮短開工時間，延長生產(chǎn)周期，減少生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的各種問題，節(jié)約生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效益，工廠應(yīng)該摸清裝置運行規(guī)律，對裝置運行過程中可能遇到的各種問題提前進(jìn)行預(yù)測并準(zhǔn)備相應(yīng)的應(yīng)對方案；對于在現(xiàn)有條件下如何提高裝置產(chǎn)能、改善產(chǎn)品質(zhì)量，探索出合理的調(diào)整方案[4]。為防止生產(chǎn)出現(xiàn)波動，應(yīng)盡量避免直接在裝置上進(jìn)行工藝調(diào)整實驗，而基于原料物性、工藝運行數(shù)據(jù)建立的智能動態(tài)模型，能夠模擬絕大多數(shù)情況下裝置的運行變化，為工藝人員調(diào)整工藝參數(shù)，改變生產(chǎn)方案提供有力的實驗基礎(chǔ)。

2 智能動態(tài)模型原理

智能動態(tài)模擬利用計算機的計算能力，采用基于機理的工藝模型及高精度數(shù)學(xué)模型、邏輯模型模擬生產(chǎn)裝置、控制系統(tǒng)，使生產(chǎn)裝置模型的動態(tài)響應(yīng)趨勢與操作均與實際過程一致[5]。其中，裝置工藝模型是以化學(xué)工程、自動控制、反應(yīng)動力學(xué)、化工熱力學(xué)等過程機理為基礎(chǔ)的機理模型，裝置控制系統(tǒng)模型是基于不同控制系統(tǒng)算法和邏輯的數(shù)學(xué)模型[6]。為便于操作人員使用，智能動態(tài)模擬包括兩個部分： 裝置工藝及控制系統(tǒng)模擬、人機控制畫面模擬。

2.1 裝置工藝及控制系統(tǒng)模擬

智能動態(tài)模型中所采用的工藝模型是基于熱力學(xué)和動力學(xué)的機理模型，即由狀態(tài)方程求解化學(xué)平衡及相平衡[7]。該方法適應(yīng)于多組分、多相變、有化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜體系，并具有很好的外延性。模型中對于控制系統(tǒng)的模擬，則是基于不同控制系統(tǒng)的DCS控制模型算法，結(jié)合過程工藝模型，使整個模型能夠比較真實地反映被模擬工藝對象的過程特性。

2.2 人機控制畫面模擬

為提高動態(tài)模型適用性，可以根據(jù)工廠實際操作控制畫面并結(jié)合完成的動態(tài)模型，建立模擬的人機操作響應(yīng)界面，并通過操作界面與動態(tài)模型的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)在操作界面上的便捷操作，控制畫面模擬包括： 圖形顯示、總貌顯示、控制組畫面顯示、調(diào)節(jié)面板顯示、趨勢顯示、報警總顯示，聲像功能、操作員功能、其他DCS顯示和功能。

2.3 動態(tài)模擬計算方法

動態(tài)模型的基本解算方法為構(gòu)建節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，對節(jié)點網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有流量與壓力聯(lián)立求解。數(shù)學(xué)模型簡要如下： 對于過程流動與壓力的計算均采用聯(lián)立方程網(wǎng)絡(luò)法求解，根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒的原則獲得整個網(wǎng)絡(luò)的流動與壓力之間的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系，可以保證整個模型流量和壓力計算的穩(wěn)定性，也能較真實地反映流動的實際狀態(tài)。同時，該模型是模型開發(fā)過程中數(shù)據(jù)校正、預(yù)測、工況變化研究等工作的基礎(chǔ)[8]。

節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的物流滿足質(zhì)量守恒方程。假設(shè)有m股流股，n個節(jié)點(m>n)，對于每個節(jié)點j來說，如式(1)所示：

(1)

式中：Aij——方向矩陣，其中每個元素根據(jù)物流的流向而分別取值為-1， 0或1；qmi——第i股物流的流量。

qmi又是壓力節(jié)點p1， …，pn的函數(shù)，可寫成式(2)所示：

(2)

式中：α——管道阻力的函數(shù)；ρi——流體密度；pi1，pi2——p1， …，pn中的2個節(jié)點壓力。對于任意2個節(jié)點，做能量衡算，根據(jù)流體穩(wěn)定流動時的機械能衡算式，如式(3)，式(4)所示：

(3)

(4)

式中：W——由機械所獲得的外加能量，J/kg；ΔZ——管道高度變化，m；V——節(jié)點體積，m3；hf——由摩擦等產(chǎn)生的機械能損失，J/kg；u——流體的線速度，m/s；l——管道長度，m；le——彎頭等折算管道長度，m；d——管徑；λ——摩擦系數(shù)。由式(3)～(4)可知，W，ΔZ，l，d為已知量，而λ與雷諾數(shù)Re和管壁相對粗糙度有關(guān)。

綜上所述，通過數(shù)學(xué)方法能建立流動與壓力節(jié)點網(wǎng)絡(luò)模型，流體壓力的網(wǎng)絡(luò)解法可以同時解出網(wǎng)絡(luò)中各點的壓力和流量的分布，完成對整套裝置范圍的模擬。

對于裝置流程中的各類設(shè)備，按照設(shè)備參數(shù)及尺寸進(jìn)行模擬，其中主要包括： 蒸餾塔、容器罐、泵、換熱器、燃燒爐、控制閥組等，每種設(shè)備按照相應(yīng)的機理建模，包括三相平衡計算、熱量平衡計算，并考慮氣液相累積，設(shè)備熱容等綜合影響[9]。

3 動態(tài)模型搭建及分析

3.1 常減壓裝置工藝

本文模擬的裝置為250 Mt/a常減壓原油處理裝置，工藝流程如圖1 所示。作為石油煉化的第一道工序，常減壓工藝流程包含電脫鹽脫水、初餾、常壓蒸餾和減壓蒸餾四部分。后三部分是蒸餾部分，是常減壓操作的主要部分；電脫鹽脫水部分是脫掉原油中的鹽和水分，可以減小對蒸餾過程中的沖擊，減小塔的負(fù)荷和加熱功率等。其主要設(shè)備為電脫鹽脫水部分、初餾塔、常壓爐、常壓塔、減壓爐、減壓塔。該裝置主要流程為： 原油經(jīng)過換熱后直接進(jìn)入電脫鹽脫水系統(tǒng)，將鹽和水脫掉，經(jīng)初餾爐換熱至216 ℃進(jìn)入初餾塔，其中一部分輕組分自初餾塔頂餾出，直接進(jìn)入塔頂冷卻系統(tǒng)進(jìn)入回流罐，初底油經(jīng)換熱至300 ℃進(jìn)入常壓爐，加熱至365 ℃進(jìn)入常壓塔進(jìn)料段，原油在常壓塔內(nèi)精餾，分別餾出塔頂石腦油、柴油。最后常壓塔底渣油經(jīng)減壓爐加熱至375 ℃進(jìn)入減壓塔，并利用蒸汽抽空器使減壓塔內(nèi)形成負(fù)壓，餾出柴油及蠟油組分。

圖1 常減壓工藝流程示意

3.2 工藝流程參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選取

常減壓裝置最重要設(shè)備初餾塔、常壓塔和減壓塔都是蒸餾塔，其主要工藝參數(shù)有塔頂溫度、壓降、抽出溫度、抽出流量及回流比等，閃蒸部分的壓力由塔頂壓力和塔板之上部分的壓降決定，搭建動態(tài)模型需參考上述參數(shù)[10]。動態(tài)模型工藝參數(shù)設(shè)計值見表1所列。

表1 動態(tài)模型工藝參數(shù)設(shè)計值

對于常減壓裝置主要設(shè)備，動態(tài)模擬需考慮各設(shè)備的主要參數(shù)，包括： 主要尺寸、質(zhì)量、塔板間距、操作工藝條件等，主要設(shè)備參數(shù)參考值見表2所列。

表2 主要設(shè)備參數(shù)參考值

3.3 動態(tài)模擬過程與結(jié)果

根據(jù)原料及部分產(chǎn)品的實沸點蒸餾曲線切割原油并產(chǎn)生相應(yīng)的虛擬組分，動態(tài)模型基于這些虛擬組分進(jìn)行搭建，針對常減壓裝置油品的模擬本次共生成24個虛擬組分。虛擬組分的主要性質(zhì)包括： 氣液相焓值、安托因系數(shù)、壓縮因子、相對分子質(zhì)量、密度等，利用理想狀態(tài)方程或PR狀態(tài)方程進(jìn)行求解，得到不同溫度壓力下的狀態(tài)，從而模擬其在不同設(shè)備中的變化情況。結(jié)合如甲烷、乙烷等已知組分，構(gòu)成動態(tài)模擬的基礎(chǔ)[11]。

針對該流程中各個設(shè)備的模擬，根據(jù)設(shè)備參考數(shù)據(jù)，得到其容量、熱容等，按照流股在不同溫度壓力下的狀態(tài)變化，計算其在經(jīng)過該設(shè)備后的效果。如針對換熱器，沿管長積分，考慮流動、相態(tài)、介質(zhì)特性對傳熱系數(shù)的影響，嚴(yán)格計算多流股換熱；針對蒸餾塔，考慮熱損失和金屬熱容的影響，進(jìn)行汽—液—液三相平衡過程模擬計算，逐板計算精餾過程；針對容器(罐)，考慮熱損失和金屬熱容的影響，計算液相的累積及液位變化，并考慮汽—液—液三相平衡過程。

3.3.1動態(tài)模擬結(jié)果

按照上述主要設(shè)備、工藝參數(shù)及虛擬組成搭建動態(tài)模型，搭建后的模型在正常負(fù)荷下模擬到穩(wěn)態(tài)得到的主要工藝參數(shù)值見表3所列。

表3 動態(tài)模型模擬數(shù)值

從表3可以看出流程的實時動態(tài)模擬，其誤差基本上控制在3%以內(nèi)，滿足工業(yè)裝置實時動態(tài)模擬的要求。其誤差的產(chǎn)生主要有以下幾個原因： 石油的組成比較復(fù)雜，切割實沸點曲線時選擇了24個虛擬組分，雖原油中確實存在這些組分，但這些組分仍不能完全代表原油的組成；在對蒸餾塔進(jìn)行模擬時選擇不同的狀態(tài)方程，也會得出不同的結(jié)果；針對各個設(shè)備的模擬雖然按照其主要設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，但對于各種設(shè)備而言，尤其是蒸餾塔，對其塔板狀態(tài)，塔不同段效率等模擬仍然存在誤差。

3.3.2動態(tài)模擬響應(yīng)

通過變更搭建完成的動態(tài)模型操作參數(shù)，可以檢驗其動態(tài)響應(yīng)結(jié)果。在模型模擬精度符合要求后，利用動態(tài)模型分析操作變量對工藝參數(shù)影響的程度，以及該變量對其他參量的影響，能夠?qū)嶋H裝置工藝變化后的狀態(tài)提前做出預(yù)測。結(jié)合工廠實踐經(jīng)驗，可以協(xié)助技術(shù)人員制定與工況相適合的控制方案。

本文針對初餾塔、常壓塔、常壓爐工藝操作改變，利用動態(tài)模型進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)測試。

對于初餾塔的控制，主要控制指標(biāo)是塔頂溫度、回流罐液位和塔釜液位等變量。需要分析的變量關(guān)系包括： 塔底出料量對塔釜液位的影響，塔頂回流量對塔頂溫度的影響等。由于塔釜液位與塔底出料量關(guān)系較為明晰，本文主要分析塔頂回流量對塔頂溫度的影響，動態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖2所示。

圖2 初餾塔頂回流量對頂溫影響示意

從圖2可以看出，塔頂溫度隨著塔頂回流量的增大而降低，裝置實際控制時一般選擇塔頂回流作為塔頂溫度控制的操作變量，可以根據(jù)動態(tài)模型響應(yīng)結(jié)果對裝置實際操作進(jìn)行指導(dǎo)。

對于常壓塔的控制，主要控制指標(biāo)是塔頂溫度，常一線、常二線抽出溫度，塔底油抽出溫度，回流罐液位和塔釜液位等變量。需要分析的變量關(guān)系包括： 塔頂回流量對塔頂溫度的影響，中段抽出(常一線、常二線)對塔操作的影響，塔底汽提蒸汽對塔操作的影響，塔中循環(huán)對塔操作的影響，塔底出料量對塔釜液位的影響等。本文主要分析塔頂回流量變化、塔底汽提蒸汽量變化及塔中段抽出量調(diào)節(jié)對塔溫的影響，動態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 常壓塔頂回流量對頂溫影響示意

圖4 常一線抽出量對塔溫的影響示意

圖5 汽提蒸汽量對塔溫的影響示意

從圖3～圖5可以看出，常壓塔頂溫度同樣隨著塔頂回流量的增大而降低；在不對塔進(jìn)行其他調(diào)整的情況下，常一線抽出量的增加會導(dǎo)致常頂、常一線、常二線抽出溫度的提高，這可能會導(dǎo)致各側(cè)線抽出產(chǎn)品重合度增加，使產(chǎn)品不符合質(zhì)量要求；而蒸汽量的增加會導(dǎo)致塔頂溫度的升高及常一線溫度的下降，同樣可能造成產(chǎn)品不合格情況出現(xiàn)。根據(jù)動態(tài)模型響應(yīng)結(jié)果可以對裝置實際操作指導(dǎo)，當(dāng)出現(xiàn)工藝調(diào)整時可以預(yù)先在動態(tài)模型上進(jìn)行測試，得到較好的工藝調(diào)整方案，再調(diào)整實際裝置。

對于常壓、減壓爐的控制，一般通過對燃料氣量的調(diào)節(jié)，調(diào)整原油爐出口溫度，其主要控制指標(biāo)即出口溫度及各爐管出口溫差，由于各爐管情況不一，本文主要針對爐出口平均溫度進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 燃料氣量對爐出口平均溫度的影響示意

從圖6可以看出，在燃料氣量發(fā)生變化時爐出口溫度變化趨勢，在經(jīng)過與實際裝置對比校正后，可用于指導(dǎo)燃料氣調(diào)整方案。

以上模擬的動態(tài)模型實時響應(yīng)結(jié)果可能與實際裝置存在一定誤差，誤差的產(chǎn)生主要原因包括： 動態(tài)模型的實時計算需要達(dá)到穩(wěn)態(tài)后才能將其用于統(tǒng)計，而達(dá)到穩(wěn)態(tài)后工藝條件的變化可能導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果產(chǎn)生變化；蒸餾塔的效率，塔板實際狀態(tài)可能與實際情況有所差別；原油的性質(zhì)以及燃料氣的熱值等可能與實際狀態(tài)存在差異；流股隨溫度壓力變化產(chǎn)生的性質(zhì)變化可能由于物性方法選取的原因與實際情況有偏差。

4 結(jié)束語

通過上述模型的運行測試，利用動態(tài)模擬技術(shù)開發(fā)的常減壓裝置動態(tài)模型，能夠比較準(zhǔn)確模擬裝置實際運行數(shù)據(jù)，并較為快速地反映出在裝置運行過程中，各項工藝參數(shù)的變化，從而為裝置工程師提供一個系統(tǒng)改造和升級的理想設(shè)計環(huán)境，可以使其在完全安全的環(huán)境中實現(xiàn)對操作參數(shù)調(diào)整后的工藝參數(shù)變化情況的預(yù)測，以及對工藝方案、控制方案的驗證，也可以為技術(shù)人員學(xué)習(xí)和理解裝置機理與控制理論提供平臺，加速生產(chǎn)優(yōu)化和裝置工藝改善。動態(tài)模擬技術(shù)在裝置生產(chǎn)運行階段的使用也可以為更進(jìn)一步的實現(xiàn)裝置自動化、智能化提供基礎(chǔ)，以便可以開展基于模型的在線應(yīng)用，如在線操作優(yōu)化，智能異常診斷，智能控制等。