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充分利用DCS功能提高催化裂化装置运行质量

充分利用DCS功能提高催化裂化装置运行质量

2008/5/5 14:44:00
摘要:本文主要探讨了通过利用DCS计算机功能,对催化裂化装置进行在线多方案优化、在线计量和汽油干点,柴油凝固点及汽油稀烃含量的软测量功能的开发与使用,提高装置运行水平的方法与效果。


关键词:催化裂化,DCS,优化控制。


一.前言

        随着我国经济的发展和世贸组织的加入,中国的石化行业与国际同行业之间的竞争日趋激烈,这种竞争不仅表现在行业间装置运行经济效益的对比上,也表现在同类产品质量的竞争上。在目前的经济环境下,原油的价格上升同时成品油价格不断下跌是石化行业利润空间不断缩水的主要原因之一,在这种形势下,如何降低装置运行成本,提高装置运行的效益已经成为石化行业最主要的研究课题。在环保要求不断提高的今天,如何提高石化行业主要的产品(汽油)的质量,尤其是如何降低汽油中烯烃的含量,业已成为石化企业以质量争取市场的重要手段之一。总之,通过提高装置运行的质量�包括运行的效益和产品的质量�来提高企业的竞争力,是石化企业发展的重要手段之一。催化裂化装置(FCCU)及其家族工艺(DCC、MGG、ARGG等)是石油加工中重要的二次加工装置,它的运行状态直接改变了各轻质油品的收率,从而影响到全厂的经济效益,因此,提高催化裂化装置的运行质量成了近年来国内石化行业的热门话题。

        近年来,为了提高装置效益,国内外都投入了大量的人力物力开发了各种催化裂化装置的先进控制系统。如DMC公司在FCCU上应用动态矩阵控制,HONEYWELL PROFIMATICS公司的鲁棒预测控制等,而国内也有许多这方面的研究,抚顺一厂的催化裂化装置优化工作,石化科学研究院的多变量模型预估控制技术,上海炼油厂的1号催化裂化的计算机优化控制就是例子,优化控制和先进控制系统的使用,提高了DCS运行的效率,使装置运行在平稳的基础上实现效益最优化,有效的提高了装置运行的效率和效益。此外,利用装置现有参数,预测产品质量的各种软测量系统相对于在线质量仪表来讲,不仅存在着投资少、维护工作量小的特点,还有着数据滞后时间短的优势,因此其研制工作的速度也在逐步加快。如洛阳石化工程公司的吸收稳定系统软仪表的开发,福建炼油厂的轻柴油365℃含量的软测量,高桥分公司炼油厂的#1催化装置和#3催化装置的干点、凝点软测量系统的使用,都使装置产品质量控制跃上了一个新台阶。而在线的计算、统计功能,#2催化装置在过去的DCS中也有成功的使用经验。

        中国石化股份有限公司高桥分公司炼油厂#2催化装置是由洛阳院设计、于88年9月建成投产的半同轴式外提升管催化裂化装置,其设计年处理量100万吨/年,掺炼20%(w)大庆减压渣油。汽油收率50%(w),轻柴油收率23%(w),液态烃收率约为13%(w)。该装置设计时采用了八十年代先进设计理念和大量的先进技术,在投产后,经各方面不断努力,使装置运行水平不断提高,尤其是在96年以后,随着市场经济的不断发展,在装置原料油性质不断变化、产品需求不断变化的情况下,装置依然开出了较高的水平。此外,为确保装置安全生产,#2催化装置也是国内最早应用ESD(紧急停车系统)及DCS(集散型控制系统)的装置之一。

        99年9月,为满足高桥分公司化工装置的原料需求,#2催化装置进行了ARGG(常压渣油裂化产生最大汽油和气体收率工艺)改造,装置改造由洛阳院负责设计,由石科院提供ARGG技术咨询。根据设计,装置年处理量为60万吨,掺渣比为50%(w),汽油收率应为45%(w),轻柴油收率17%(w),液态烃收率27.1%(w)。装置于99年9月23日顺利开工投产,2000年2月,装置全面达到设计指标,2000年3月装置进行了全面标定验收。#2催化装置在改造后第一次开工周期就达到13个月,创下国内同类装置运行最高纪录。

          #2催化装置在ARGG改造中控制设备虽然已更新为先进可靠的FOXBORO公司的I/A’S 51集散型控制系统,在装置DCS更新时虽然已经用上了如定时加料、报警逻辑、复杂控制和简单工艺计算等一系列高级功能。但是在控制方案上仍以传统的仪表控制回路为主,如果DCS只是用来控制仪表,其强大的功能显然只是使用了“冰山中的一角”。如何在操作中优化生产,不断改变操作条件来改善产品分布,从而使装置效益最大化;如何使现场操作工人能够实时了解他们的操作对装置效益的影响,从而及时改变操作手法,提高装置运行效益;如何使工人能够实时了解生产产品的质量,从而及时调整,改善产品质量;以上的问题,都是炼油装置一直在探索的现场课题。而上述的课题所要求的基本条件,正是DCS在线优化、统计和计算功能。显然,充分利用DCS功能,采用新的控制手段是提高装置的生产能力、生产效率、加工应变能力及提高产品质量的一条捷径。为此,我们在该装置上开发了多方案在线优化控制系统,装置工况的在线计量和计算,粗汽油干点和柴油凝固点的软测量,汽油稀烃含量的软测量等一系列工作,取得了良好的效果。



DCS各种功能的开发


反应�再生在线优化系统的开发:

高桥石化公司的支持下,催化车间为了提高控制水平,增加生产效益,与北京优化佳公司根据相关积分优化原理及装置操作现状,在#2催化装置研制开发反应�再生在线优化系统,下面我们将对此进行探讨。

(一)研制工作:

A、优化软件采用北京优化佳公司的相关积分优化器的FCCU专用版《DCI Optimizer Express For FCCU 3.0 (Foxboro I/A Series Version)》。 该软件以相关积分优化方法为优化引擎,附有智能自动故障检测,定位和处理系统,在线参数调整,优化器参数打印,应用程序接口(API)等功能。该优化软件有很高的可靠性,能极大地缩短系统研制的周期。其中的相关积分法已经在高桥分公司炼油厂的酮苯脱蜡装置,北京燕山石化炼油厂的酮苯脱蜡装置,和高桥分公司炼油厂#1催化裂化上得到应用,并历经加工油品的更换,设备的检修、更新和催化剂的更换,经过了长期实践考验,证明了其稳定性与较强的适应性。

相关积分优化器方法能够应用于大部分的连续生产过程,并具有以下的特点:


无需预先建立系统的动态或静态模型。由于催化裂化过程的复杂性,建立精确的模型进行在线优化时必须采用较为复杂的模型,在建立这种模型时,由于它的复杂性,数据的积累不仅数量多,时间也长,在工业装置上进行这样的工作相当困难。而且一旦装置的部件更换或加工原料,成品发生变化,采用的过程模型必需重新调整或更新。而采用相关积分优化器无需重复大量繁复的工作,在装置变化时可以通过对优化器进行少量的修改甚至无需修改就可以适应变化。


能很好地克服调优变量和目标函数中存在的特性未知的动态干扰。例如催化裂化加工原料性质的变化引起目标函数的波动,不会对调优过程产生大的影响。


强适应性。理论和实践表明,相关积分法对被优化系统的特性变化适应能力很强。例如由于设备更新使过程性质发生变化时,都能很好地工作。这几年来在高桥分公司和北京燕山几套装置的实际应用充分显示了该方法的这一优点。

B、优化控制方案

根据#2催化裂化装置目前操作的经验和情况,通过调节反应部分的主要可调变量,在满足装置生产约束的前提下,使当前的目标函数达到最大。

1)目标函数

由于目前市场需求变化频繁,使得装置在不同的时期有不同的加工目的:有时要求以产液态烃为主,有时却要求多产柴油,有时又要求装置以较高的效益运行。基于这些因素,在优化方案中我们将采用4种目标函数。

A)以多产液态烃为主的加工方案:

目标函数:8小时液态烃平均收率

产品约束条件为柴油收率不小于某给定值。

B)以多产汽油为主的加工方案:

目标函数:8小时汽油平均收率

产品约束条件为柴油收率不小于某给定值。

C)以多产柴油为主的加工方案:

目标函数:8小时柴油平均收率

产品约束条件为液态烃收率不小于某给定值。

D)以装置效益为主的加工方案:

目标函数:根据产品和原料8小时累计量和单价计算的装置效益。

各方案可通过操作界面上的按钮来选择。

2)调优变量和约束条件

调优变量是用来调整装置的操作条件而使目标函数达到最大。根据目前的加工流程和操作情况,可供调整的变量为:


提升管出口温度


预提升蒸汽流量(预提升干气流量)


原料油预热温度


掺渣比


回炼油回炼比


油浆回炼比


新催化剂加料占宽比

[新催化剂加料占宽比=(新催化剂加料时间/加料周期)*100%,加料周期=加料阀关闭时间+新催化剂加料时间。]

为了保证装置正常平稳运行,优化控制的实施必需满足装置的各项约束条件,对于上述7项操作变量,由装置操作员给定操作上限和下限,系统在操作员限定的区域内进行优化。

3)#2催化裂化优化控制与#1催化裂化优化控制相比的新增内容

虽然优化控制系统在高桥分公司#1催化装置已经有过成功的应用经历,但<
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