先進控制系統在DCC 裝置分餾和吸收穩定單元的應用

李貴

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

1 裝置概況

某石化公司2.2Mt/a 催化裂解(DCC) 裝置采用中國石化石油化工科學研究院研發的DCC-plus 專利技術[1-4]。裝置以常壓渣油餾分以及加氫尾油為新鮮原料，適合加工蠟油或常壓渣油。裝置自產的輕石腦油和碳四餾分作為進料進行回煉，其中輕石腦油回煉量為新鮮原料油量的3%～6%(質量分數)，C4 餾分回煉量為新鮮原料油量的5%～12%(質量分數)。裝置的主要產品是液化氣、碳五組分、裂解石腦油、碳十粗芳烴，同時副產干氣及油漿。裝置主要包括反應再生單元、分餾單元和吸收穩定單元，并配套煙氣脫硫脫硝和水處理系統。

分餾單元主要包括6 個中段回流，分別是：塔頂冷回流、頂循環回流、貧富吸收油循環回流、一中循環回流、二中循環回流和油漿循環回流。分餾單元的主要作用是將由反應沉降器來的高溫油氣通過精餾的原理分割為油漿、爐用燃料油、粗汽油和富氣。分餾單元的主要設備有分餾塔、柴油汽提塔、原料油罐、回煉油罐、換熱設備、油氣分離器、工藝機泵以及控制系統等組成。吸收穩定單元主要作用是將來自分餾單元的富氣和粗汽油，分割為干氣、液化氣、碳五和裂解石腦油。吸收穩定單元主要設備包括穩定塔、輕重汽油分離塔、吸收塔、再吸收塔、脫吸塔、冷換設備和工藝機泵等，分餾和吸收穩定單元工藝流程如圖1 所示。

圖1 DCC 裝置分餾和吸收穩定單元工藝流程

2 應用背景

DCC 裝置分餾和吸收穩定單元工藝流程復雜，換熱網絡交織，產品控制苛刻，單元間相互影響顯著。裝置調整操作的思路主要是采取操作員認真盯表、及時發現問題、勤調微調的方式，人的主觀作用對操作的影響較大，常常存在操作不及時、幅度不匹配等問題，而且操作員的勞動強度較大。再加上不同操作員的操作習慣和操作方法不一樣，往往出現同一個控制參數或產品指標反復波動的現象。因此，為解決DCC裝置分餾單元和吸收穩定單元的工藝參數波動大、高附加值產品收率低、產品質量過剩等問題，引進先進控制技術，實現裝置的精細化控制和“卡邊”操作，達到平穩生產、提高高附加值產品收率和節能降耗的目的。

3 先進控制系統簡介

采用模型預測控制、智能控制和軟測量技術構建催化裂解裝置分餾和吸收穩定單元動態控制模型，設計開發先進控制器，最終實現催化裂解裝置先進控制系統的應用。該系統可以處理裝置中存在的多變量、大純滯后、強耦合等復雜過程特性，并集成工藝工程師、操作人員長期的操作經驗，在工況變化時能夠保持良好的控制性能，充分挖掘催化裂解裝置和氣分裝置的生產潛力[5]。

4 先進控制方案設計

催化裂解裝置的先進控制系統方案設計包括分餾系統子控制器和吸收穩定系統子控制器。

4.1 分餾單元控制器

分餾單元設計6 個控制器，主要變量如表1 所示。

表1 分餾單元控制器主要變量

4.2 吸收穩定系統控制器

吸收穩定單元設計6 個控制器，主要變量如表2所示。

表2 吸收穩定單元控制器主要變量

通過設計以上控制器主要實現功能如下：

(1)實現關鍵控制點如溫度、產品質量等的平穩控制，提高裝置運行平穩性，降低勞動強度；

(2)實現產品質量的在線預測，結合化驗分析，提高產品質量控制的及時性；

(3)提高高附加值產品的收率；

(4)實現液位的平衡控制，降低出料波動，減少對后續裝置的影響。

4.3 控制策略創新

(1)創新應用空冷變頻自動控制策略。穩定塔頂8 臺空冷變頻電機的功率同時控制穩定塔頂冷后溫度，實現多個操作變量同時控制一個被控變量的目的。實現空冷冷后溫度平穩控制，對天氣溫度、氣候突變有較好的抗干擾作用，同時大幅減少操作員勞動強度。正常生產時，變頻電機保持在滿足工藝參數需求下的最低工作負荷狀態，節能效果良好。

(2)實現產品質量在線控制。傳統的操作方法，操作員只能根據化驗數據和操作經驗控制產品質量。由于化驗頻次一般8 h 或24 h 一次，信息嚴重滯后，對操作的指導意義不大，產品質量偶爾會超標，產品合格率較低。為了解決這一問題，先進控制系統在開發過程中創新采用軟測量儀表技術，實時計算關鍵產品的質量指標，對被控變量實現實時控制。此控制策略解決了傳統控制方法滯后性的問題，顯著提高了產品質量合格率。產品質量在線控制軟測量儀表包括粗汽油干點、爐用燃料油95% 點、干氣C3 含量和液化氣C5 含量。

(3)實現單元間的能量優化控制。DCC 裝置熱水利用裝置內的低溫位熱源加熱換熱水，作為氣分的熱源負荷存在過剩情況。一部分給氣分裝置精丙烯塔和脫乙烷塔底重沸器提供熱源，一部分通過空冷冷卻，存在能源浪費。通過實施先進控制，降低分餾塔一中和熱水取熱負荷，提高二中與穩定汽油取熱負荷，提高穩定塔底重沸器E-304A 熱負荷，最大程度降低另一臺重沸器E-304B 負荷，達到降低中壓蒸汽的目的。

5 應用效果

5.1 提高工藝平穩率

為了說明先進控制系統投用獲得的平穩率提升效果，選取了投運前與投用后期間主要工藝參數進行對比，相關的平穩性效果說明如下：

(1)分餾系統控制器。分餾塔系統APC 投用前后各控制器運行參數變化如表3 所示。從表3 可以看出，分餾塔頂溫度、柴油抽出溫度、粗汽油罐液位、油水分離器液位、人字擋板上部溫度和柴油汽提塔液位的標準偏差分別降低約為74.46%、57.28%、65.52%、50.45%、69.21%和49.47%。各參數的運行平穩性明顯提高。

表3 分餾系統APC 投用前后各控制器運行參數對比

(2) 吸收穩定系統控制器。吸收穩定系統APC投用前后各控制器運行參數變化如表4 所示。從表4 可以看出，穩定塔底溫度、穩定塔32 層溫度、穩定塔底液位、再吸收塔頂壓力、吸收塔頂溫度和脫吸塔底溫度的標準偏差分別降低約為77.25%、65.61%、62.79%、40.04%、57.69% 和41.14%。各參數的運行平穩性明顯提高。

表4 吸收穩定系統APC 投用前后各控制器運行參數對比

5.2 節能效果顯著

催化裂解裝置投用先進控制系統后，主要通過對分餾系統、吸收穩定系統的優化控制，“卡邊”操作和分餾穩定優化取熱等實現節能降耗。其中，穩定塔底第二重沸器中壓蒸汽節能效果明顯。穩定塔底設有兩臺重沸器，分別以分餾塔二中循環和中壓過熱蒸汽作為熱源。通過設計先進控制策略優先提高穩定塔二中重沸器取熱負荷，降低穩定塔中壓蒸汽重沸器的取熱負荷，達到節約中壓蒸汽的目的。在裝置負荷不變的情況下，先進控制系統投用前后中壓蒸汽耗量變化趨勢如圖2 所示。從圖2 可以看出：先進控制系統投用后穩定塔重沸器中壓蒸汽消耗明顯下降，由24.6 t/h下降到22.4 t/h。

圖2 APC 投用前后穩定塔重沸器消耗蒸汽量

5.3 提高產品質量合格率

先進控制投用前后產品質量合格率變化趨勢如圖3 所示。從圖3 可以看出，先進控制系統投用后，催化裂解裝置的產品質量合格率大概由99.15%提升至99.90%，提升幅度約0.75%。

圖3 APC 投用前后催化裂解裝置產品合格率變化趨勢

5.4 大幅降低操作工勞動強度

先進控制投運以后，線控投用率達到100%，裝置自動化程度明顯提高，操作員勞動強度顯著下降。APC投用前后DCS每日操作頻次變化趨勢如圖4所示。從圖4 可以看出，先控投用前每日平均操作頻次是4 721 次，先控投用后每日平均操作頻次是804 次，每日減少操作約3 917 次，勞動強度降低約83%。

圖4 APC 投用前后催化裂解裝置DCS 日平均操作頻次變化

5.5 提高目的產品收率

由于先進控制系統采用軟測量儀表技術和卡邊控制技術，實現了產品質量指標在線預測與實時控制，解決了傳統控制方法滯后性的問題，在保證產品卡邊合格的前提下，實現了高附加值產品的收率提高。液化氣和裂解石腦油收率變化如圖5 所示。從圖5 可以看出，APC 投用前液化氣和裂解石腦油收率分別約為44.12%、18.42%，APC 投用后收率分別約為46.49%、20.05%，收率分別增加2.37%、1.63%。

圖5 APC 投用前后液化氣和裂解石腦油收率變化

6 結論

(1)在催化裂解裝置分餾單元和吸收穩定單元實施先進控制系統，特別是軟測量儀表的使用，可實現對產品質量的“卡邊”控制，提高高附加值產品收率；

(2)裝置實施先進控制系統后，自動化程度明顯提高，工藝平穩率顯著提高，操作員勞動強度明顯下降；

(3)先進控制技術在多組變頻風機控制單一冷后溫度的應用策略，能較好地滿足工藝操作要求，且節能效果良好。