先进过程控制在上海石化延迟焦化装置的应用

1 前言

延迟焦化是重要的重油轻质化的手段，可以将减压渣油转化为粗汽油、柴油、蜡油等轻质油品，并副产大量的干气和焦炭。同时延迟焦化也是炼油装置中最难控制的装置之一。

图1所示的为上海石化年产100万吨一炉两塔延迟焦化装置的流程简图。减压渣油进入主分馏塔的下部与焦炭塔来的反应油气换热后，连同循环油一起从分馏塔底进人焦化炉，在焦化炉中加热到495℃左右，迅速转入焦炭塔进行焦化反应，反应生产的油气转入到主分馏塔中，在主分馏塔中分离成蜡油、柴油、粗汽油和富气；生成的焦炭停留在焦炭塔中，周期性地进行焦炭塔的除焦。由于焦炭塔周期性的预热、切换等操作，延迟焦化装置的生产处在半连续状态。上海石化延迟焦化装置每24小时焦炭塔切换一次，焦炭塔的切换过程使得进入主分馏塔的物料和热量平衡遭到破坏，造成主分馏塔的扰动，这些扰动使得延迟焦化装置的常规控制难度增大。另外，焦化炉热负荷不足是提高上海石化延迟焦化装置处理量的主要原因，处理量的提高时会造成炉管表面温度过高，对装置的安全生产造成威胁。特别是在焦炭塔的预热、切换过程中，由于进入主分馏塔的反应油气减少，使得焦化炉进料温度降低，进一步加大了焦化炉的热负荷。

为了实现延迟焦化装置的优化运行，上海石化决定在该装置实施AspenTech的DMCplus先进过程控制（APC）。APC可以有效地降低装置操作的波动，进而实现装置卡边操作，实现处理量的最大化，提高高附加值产品的产率和降低能耗。

图1 上海石化100万吨延迟焦化工艺流程简图

2 先进过程控制策略

针对上海石化延迟焦化装置的特点，项目组在实施过程中主要实现如下的控制策略：

n  实现新鲜进料的最大化。装置进料量的提高受到设备约束的限制，特别是焦化炉炉管表面温度。控制器要在保证满足设备约束的前提下实现新鲜进料的最大化。

n  实现焦化炉进料的支路平衡。在炉管结焦状况不同的情况下，自动对进料量的分配进行调整，保证最大的进料量和最低的炉管结焦。

n  实现烟气氧含量的自动控制，改善焦化炉的燃烧状况。现场空气流量计不能准确地测量空气的流量，无法对空气流量进行自动控制，同时每两组空气流量共用一台氧含量表，不能有效地对空气进料量进行分配。通过APC，我们很好的解决了以上的问题，实现了烟气氧含量的自动控制。

n  提高高附加值产品收率，特别是柴油的产率。通过优化反应温度和主分馏塔的切割温度，提高液体产品收率。另外，由于柴油抽出没有集油箱，抽出量的最大化受到柴油泵抽空的限制，控制器要在柴油泵不抽空的情况下实现柴油抽出量的最大化。

n  平稳焦炭塔预热、切换过程中装置的操作。

为了实现上述控制策略，项目组根据上海石化延迟焦化装置的特点开发了三个APC控制器：

（1） 支路平衡控制器

该控制器通过调节焦化炉辐射室的四路进料量和出口温度，实现新鲜进料的最大化和焦化炉进料的支路平衡。

表1 支路平衡控制器变量表

（2） 烟气氧含量控制器

该控制器实现了焦化炉氧含量的自动控制。

表2 烟气氧含量控制器变量表

（3） 主分馏塔控制器

在该控制器中，通过自动调节各回流的流量，缓解焦炭塔间歇操作对主分馏塔的影响，优化主分馏塔的操作，实现卡边控制。

表3 主分馏塔控制器变量表

3 实施过程

先进过程控制系统的实施大致分为下面的几个步骤，每个步骤的工作内容请参考下文。

（1） 开工会

开工会主要明确项目的实施内容，工作进度安排等事宜。

（2） 装置预测试

在装置预测试过程中，技术人员会对装置的PID回路进行检查和调整，使其能够适应先进过程控制的需要，并对装置存在的软硬件问题进行改进。

（3） 装置测试

装置测试是根据已经确定的控制方案给装置施加人为的干扰信号，并将这些干扰对被控变量的影响通过数采记录下来，以备进行控制器的建模。

（4） 控制器建模

装置测试完成并取得相应的数据后，通过DMCplus软件对这些数据进行数学分析、辨识，建立控制器的模型，并对建好的模型进行组态和仿真。

（5） 控制器投用

控制器组态、仿真完成后，将控制器在现场安装、调试，并最终投用。

4 控制效果

       该DMCplus先进过程控制系统于2007年5月在上海石化实施投用并获得成功，提高了装置的控制水平、操作水平和管理水平，给工厂带来了可观的经济效益。根据上海石化测算，年经济效益可达到人民币1186万元。

主要的控制效果表现在如下的几个方面：

3.1 装置处理量的提高

项目组人员对控制器在满足所有的工艺约束条件下提高装置处理量的能力进行了测试。操作人员放开装置焦化炉辐射进料总量目标值上限约束后，辐射进料量自动提高，经测试辐射进料量可提高到182t/h，折合新鲜渣油进料量3451.2t/d，与基准处理量3400t/d相比，控制器可以稳定地提高处理量1.5%左右：

图2 装置提高处理量测试过程中总辐射量的变化

3.2 优化烟气氧含量控制，降低能耗

从图4中可以看出，投用后控制器可以根据烟气氧含量的变化自动调整鼓风机出口的压力和各个支路空气挡板的开度，减小了烟气氧含量的波动，降低能耗。控制器能够有效地将烟气氧含量稳定地控制在2.5到3.0之间或更低，有效降低了能耗。表4给出了控制器投用前后，装置单位能耗的对比，在节能降耗方面APC控制器起到了显著作用。

表4 控制器投用前后延迟焦化装置能耗对比

（a）投用前

（b）投用后

图4 控制器投用前后烟气氧含量控制情况对比

3.3 提高装置液收

从表5的数据（三个月平均值）可以看出，控制器投用后由于中段回流量的减少使部分蜡油被拔到汽柴油中，同时控制器能够在保证装置安全的情况下及时地抽出柴油，装置高附加值产品汽柴油的收率都显著增加；控制器有效地提高了装置的总液体产品收率，并增加了柴油的产率。

表5 控制器投用前后延迟焦化装置液收对比

3.4 减小产品质量波动

从表6的数据（三个月平均值）可以看出，先进控制系统实施后，控制器能够根据软测量仪表提供的产品质量数据和主分馏塔的温度变化及时地进行调整主分馏塔的回流量，有效减少了产品质量的波动，有利于产品质量的卡边控制。

表6 控制器投用前后延迟焦化装置产品质量标准偏差对比

3.5 实现产品质量卡边控制

从表7的数据（三个月平均值）可以看出，随着先进控制项目的实施，装置控制水平不断提高，在控制器投用后，汽油终馏点、柴油95点和蜡油终馏点都得到了显著的提高，实现了产品质量的卡边控制。

表7 控制器投用前后延迟焦化装置产品质量对比

3.5 平稳焦炭塔预热、切换过程中装置的操作

从表8中焦炭塔预热、切换时的主分馏塔主要温度点的温降的变化可以看出，控制器中引入了预热和切换的事件变量，主分馏塔各部位的回流量能够控制器对温度变化的预测进行自动调整，有效地降低了焦炭塔间歇操作对主分馏塔的影响。

表8 焦炭塔预热、切换时主分馏塔主要温度点的温度变化对比

4 结论

上海石化100万吨延迟焦化装置DMCplus控制器一年多来投用以来，控制器运行情况良好，控制系统鲁棒性强、抗干扰能力强，三个控制器投用率均在95％以上。控制器的投用，有效减少了装置的波动，提高了装置的处理量1.5％，减低能耗2.65%，提高总液体产品收率0.57% ，实现了装置的卡边控制。

参考文献：

[1] Implementing Coker Advanced Process Control. Hydrocarbon Processing. June 2007, 99-103.

[2] 瞿国华主编，延迟焦化工艺与工程，（竺建敏、张斌 第十章 延迟焦化装置过程控制和先进过程控制），545-583,  北京，中国石化出版社，2007.

[3]曾凡球，曲德伟. 福建炼化公司延迟焦化装置的先进控制. 科技论坛，2005，2，30－31.

[4] 竺建敏，高级过程控制和闭环实时优化，石油炼制与化工，1995 (7).

Advanced Process Control for Delayed Coker Unit at Sinopec Shanghai Petrochemical Co.

Abstract:

The implementation of Advanced Process Control (APC) project on the delayed coker unit in Sinopec Shanghai Petrochemical Co Ltd. is introduced in this paper. The detailed control objectives, strategies, design and post audit economic benefits of DMCplus multivariable controllers are addressed. The APC project covers the whole delayed coker unit including coking furnace, coking drums and main fractionator.  The APC application results on the delayed coker unit indicate that increased production capacity 1.5%, reduced energy consumption 2.65% and increased liquid product yields 0.57% have been achieved through optimum constraint control with significant economic benefits.

Key words: Advanced Process Control, Delayed Coker Unit, Model Predictive Control,  DMCplus