李鳳義，李成相，陶 雪

（中國石油大港石化公司, 天津 300280）

大港石化常減壓裝置于1996年11月7日開工投產(chǎn)，裝置整體公稱設(shè)計能力為150×104t/a，2000年、2004年分別對裝置的管線和換熱器進(jìn)行改造，改造后整體處理能力達(dá)到500×104t/a（常壓塔、常壓爐最大處理能力為450×104t/a），其中減壓裝置改造為325×104t/a。主要加工原油為大港高凝原油和進(jìn)口原油，于2004年10月投產(chǎn)。

進(jìn)入2008年后，裝置實(shí)際工況為：常減壓裝置面臨滿負(fù)荷生產(chǎn)，原油性質(zhì)多變，設(shè)備進(jìn)入疲勞使用期，換熱系統(tǒng)亟待優(yōu)化，冷后系統(tǒng)能否滿足需要，加熱爐負(fù)荷情況、初、常塔塔頂負(fù)荷偏大，裝置能耗仍有潛力提高，能否滿足長周期生產(chǎn)要求等問題。

基于此大港石化分公司常減壓裝置節(jié)能降耗目標(biāo)在線分析與操作指導(dǎo)項目得以開發(fā)。首先可以分析裝置操作、生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的上述問題，為提高裝置處理量提供定量調(diào)節(jié)指導(dǎo)。第二，模擬裝置的運(yùn)行情況及其對產(chǎn)品的影響，為裝置技術(shù)人員掌握裝置的最優(yōu)生產(chǎn)方案，提供定性與定量指導(dǎo)。第三、通過裝置在線模擬對裝置能耗進(jìn)行分析，并以節(jié)能能耗目標(biāo)的操作優(yōu)化功能對裝置節(jié)能降耗目標(biāo)的工藝操作提供指導(dǎo)。第四，通過在線模擬，可以確定裝置的各種開停工情況，從而確定最優(yōu)的方案［1］。最后，通過裝置的優(yōu)化，給底層的先進(jìn)控制提供優(yōu)化目標(biāo)，為已經(jīng)實(shí)施的先進(jìn)控制創(chuàng)造良好的運(yùn)行條件。

1 技術(shù)背景及研發(fā)內(nèi)容

1.1 技術(shù)背景

化工流程計算及模擬軟件在國外煉油、化工裝置的應(yīng)用已相當(dāng)普遍。已經(jīng)成為煉化裝置工程師指揮生產(chǎn)運(yùn)行、解決生產(chǎn)實(shí)際問題、優(yōu)化生產(chǎn)操作條件、降低裝置生產(chǎn)成本、節(jié)能降耗、提高裝置經(jīng)濟(jì)效益不可缺少的工具［2］。

新一代流程計算及模擬軟件在石油化工流程計算及模擬技術(shù)已經(jīng)由穩(wěn)態(tài)模擬發(fā)展為動態(tài)模擬，美國Honeywell公司的UniSim采用了當(dāng)今流程計算及模擬的重大技術(shù)進(jìn)步的研究成果COMThermo、MXL等技術(shù)，屬于新一代的動態(tài)模擬、仿真軟件。代表新一代流程動態(tài)模擬軟件，可以用于石油餾分，主要用于計算生產(chǎn)裝置的操作條件和控制方案以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，檢驗裝置的抗干擾能力，探討裝置的開停工方案，診斷裝置操作異常的原因及尋求解決問題的途徑。

在Honeywell公司的UniSim流程計算及模擬軟件中使得計算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)裝置數(shù)據(jù)吻合得更好，形成完整可靠，適合大港石化公司煉油裝置特點(diǎn)的模擬軟件。

進(jìn)行裝置的流程計算及模擬研究，首先可以分析裝置操作、生產(chǎn)過程中的瓶頸問題，分析裝置節(jié)能降耗潛力，為提高節(jié)能降耗的目標(biāo)提供定量的指導(dǎo)［3］。第二，模擬裝置的運(yùn)行情況及其對產(chǎn)品的影響，為裝置技術(shù)人員掌握裝置的最適宜的生產(chǎn)方案，提供定性與定量指導(dǎo)。第三，通過在線模擬，可以確定裝置的各種開停工情況，從而確定最佳的方案。

常減壓蒸餾裝置是石化公司的龍頭裝置，降低裝置能耗是工藝操作的重要任務(wù)。目前，該裝置能耗相對偏高，從實(shí)際裝置考慮，有必要實(shí)施節(jié)能降耗目標(biāo)在線分析與操作指導(dǎo)，分析裝置的節(jié)能潛力與節(jié)能瓶頸，選擇適宜的操作條件，提高裝置能量利用率，減少整個裝置的能耗。

1.2 研發(fā)內(nèi)容

采用國外 Honeywell公司的過程模型軟件UniSim，對常減壓裝置節(jié)能降耗目標(biāo)在線分析與操作指導(dǎo)進(jìn)行技術(shù)開發(fā)、工程應(yīng)用與分析工作。

建立獨(dú)立于 DCS控制系統(tǒng)的可用于在線流程計算及模擬的計算機(jī)硬件軟件平臺，分析與購置項目所需的必要的軟、硬件，包括服務(wù)器、PC機(jī)、Windows 2000系統(tǒng)軟件、UniSim軟件。

建立了基于DCS系統(tǒng)的流程模擬實(shí)時數(shù)據(jù)庫。整個蒸餾流程模擬系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)Fig.1 System framework

開發(fā)實(shí)時數(shù)據(jù)通訊接口軟件，從DCS計算機(jī)控制系統(tǒng)采集到當(dāng)時的實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模型計算的在線功能，真正為生產(chǎn)操作服務(wù)。開發(fā)在線/離線流程計算及模擬控制臺軟件，以實(shí)現(xiàn)Unisim軟件的在線/離線流程計算及模擬功能，使得常減壓裝置桌面系統(tǒng)具備完整的在線和離線應(yīng)用功能?；赨niSim軟件，對大港石化常減壓裝置全流程進(jìn)行模型組態(tài)和二次開發(fā)，將裝置流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)與尺寸、操作條件等全部在軟件上體現(xiàn)出來，然后對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行調(diào)校，形成針對性很強(qiáng)的一個在線常減壓裝置桌面系統(tǒng)［4］。

1.2 常減壓裝置流程模擬

（1）蒸餾塔的模擬采用中國石油大學(xué)自動化研究所技術(shù)，開發(fā)了初餾塔、常壓蒸餾塔、減壓蒸餾塔的Unisim流程模擬模塊，實(shí)現(xiàn)了這些設(shè)備單元的在線和離線流程模擬（圖2）。利用Unisim流程模擬軟件，開發(fā)的蒸餾裝置關(guān)鍵設(shè)備單元初餾塔、常壓蒸餾塔、減壓蒸餾塔的流程模擬模塊，這些模塊如實(shí)的體現(xiàn)了工藝流程、設(shè)備參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了模擬計算的準(zhǔn)確與可靠。Unisim精餾塔流程模擬模塊的計算結(jié)果包括初餾塔塔頂汽油干點(diǎn)、常壓蒸餾塔常一線干點(diǎn)、常二線干點(diǎn)、常三線95%點(diǎn)、減壓蒸餾塔減一線95%點(diǎn)，減二線粘度與閃點(diǎn)等產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，各蒸餾塔塔頂回流、中段回流換熱量、計算結(jié)果還包括各蒸餾塔塔板壓力分布、溫度分布、塔板汽液相流量等精餾塔水力學(xué)數(shù)據(jù)。

圖2 常壓塔流程模擬模塊Fig.2 Atmospheric tower process simulating module

此外，為了建立流程模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和常、減壓蒸餾塔流程模擬模塊之間的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)流程模擬的在線模擬和離線模擬功能，編程開發(fā)了常、減壓蒸餾塔流程模擬控制臺軟件，該軟件不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫與流程模擬模塊之間數(shù)據(jù)交換，還能夠?qū)α鞒棠M模塊的調(diào)試功能。

（2）加熱爐的模擬

采用石油大學(xué)自動化研究所技術(shù)，開發(fā)了常壓加熱爐、減壓加熱爐的Excel VBA流程模擬模塊，開發(fā)了兩種典型的浮頭式換熱器的 Unisim流程模擬模塊，實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備單元的在線和離線流程模擬。

利用 Excel VBA 編程開發(fā)了蒸餾裝置關(guān)鍵設(shè)備單元常、減壓加熱爐流程模擬模塊，利用Unisim流程模擬軟件，AES和BES兩大類典型管殼式浮頭換熱器的流程模擬模塊，這些模塊如實(shí)的體現(xiàn)了工藝流程、設(shè)備參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了模擬計算的準(zhǔn)確與可靠。與蒸餾塔模擬一樣，為了建立流程模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和常、減壓加熱爐和換熱器流程模擬模塊之間的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)流程模擬的在線模擬和離線模擬功能［5］，編程開發(fā)了加熱爐與換熱器流程模擬控制臺軟件，該軟件不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫與流程模擬模塊之間數(shù)據(jù)交換，還能夠?qū)α鞒棠M模塊的調(diào)試功能。

以在線常減壓裝置桌面系統(tǒng)為依據(jù)，對常減壓蒸餾塔進(jìn)行能耗分析，在線計算裝置能耗指標(biāo)和節(jié)能潛力，并找出能耗制約點(diǎn)，得到以能耗更低的蒸餾塔優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)的操作條件和可長期努力的節(jié)能優(yōu)化方向和目標(biāo)。主要優(yōu)化變量包括：常壓塔塔頂循環(huán)回流、各中段循環(huán)回流取熱分配比例、減壓塔各中段循環(huán)回流取熱分配比例等［6］。

以在線常減壓裝置桌面系統(tǒng)為依據(jù)，對常減壓加熱爐狀況進(jìn)行分析，主要研究內(nèi)容包括：(1)常減壓加熱爐輻射室、對流室加熱狀態(tài)在線計算；(2) 常減壓加熱爐熱效率在線計算。

以在線常減壓裝置桌面系統(tǒng)為依據(jù)，對生產(chǎn)裝置進(jìn)行操作與設(shè)計分析，找出生產(chǎn)瓶頸，得到最適宜的操作條件。研究改變選擇的獨(dú)立變量值，對裝置操作條件及產(chǎn)品質(zhì)量的影響，因此具有預(yù)測功能，工況研究主要包括：(1)改變原油進(jìn)料量，預(yù)測操作條件的變化；(2)常壓塔側(cè)線餾出溫度變化，對各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量和收率的影響；(3)改變常壓塔中段回流量，預(yù)測各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量及收率變化；(4)改變常壓塔塔底蒸汽量，預(yù)測塔的操作條件及產(chǎn)品質(zhì)量變化；(5)減壓塔側(cè)線餾出溫度變化，對各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量和收率的影響；(6)改變減壓塔中段循環(huán)回流，預(yù)測各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量及收率變化［6］。

實(shí)現(xiàn)裝置及單元設(shè)備的在線標(biāo)定核算。單獨(dú)設(shè)備核算模型是將大的模型分成幾個部分，對單獨(dú)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格在線核算，使用戶可以研究某個單獨(dú)設(shè)備，其中包括：(1)重要換熱器的嚴(yán)格核算，計算結(jié)果包括換熱器的傳熱面積，總傳熱系數(shù)、污垢熱阻等，在此基礎(chǔ)上可完成換熱器污垢的趨勢分析以監(jiān)測換熱器污垢情況及確定換熱器清洗時間；(2)進(jìn)行常減壓裝置中初餾塔、常壓塔、減壓塔的溫度分布、塔板汽液相流量及水力學(xué)計算等。

常、減壓塔操作優(yōu)化模塊無需操作員手動啟動，操作人員只需要運(yùn)行優(yōu)化通訊控制臺程序后，控制臺程序會自動調(diào)用相關(guān)的優(yōu)化算法以及流程模擬模塊，自動連接PHD數(shù)據(jù)庫。

1.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

采用流程計算及模擬技術(shù)，開發(fā)適合常減壓裝置的桌面模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用后能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗潛力與目標(biāo)的在線分析，優(yōu)化生產(chǎn)操作條件，提高裝置操作的平穩(wěn)性，提高經(jīng)濟(jì)效益。主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)的流程模擬與操作優(yōu)化技術(shù),以常減壓裝置流程模擬為基礎(chǔ)［7］，以節(jié)能降耗為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)操作優(yōu)化；

系統(tǒng)離線與在線相結(jié)合的應(yīng)用，利用 VB API編程結(jié)合流程模擬數(shù)據(jù)庫的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)常減壓裝置流程模擬的在線模擬與離線模擬，并能夠在兩者自由切換；

流程模擬應(yīng)用平臺與DCS控制系統(tǒng)間實(shí)時數(shù)據(jù)通訊接口（RDI）、以及流程模擬數(shù)據(jù)庫間結(jié)合應(yīng)用。

2 技術(shù)應(yīng)用情況

2.1 流程模擬系統(tǒng)模擬計算精度測試

常減壓蒸餾車間對流程模擬系統(tǒng)進(jìn)行了常壓塔常三線95%點(diǎn)、減壓塔減一線95%點(diǎn)等產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的測試（表1）。

表1 餾程分析Table 1 Boiling range analysis

6月21日至6月25日，5天共23個樣次對比，平均誤差1.56 。

2.2 模擬產(chǎn)品收率和產(chǎn)品質(zhì)量分析

常減壓蒸餾桌面系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)改變原油進(jìn)料量、改變常壓塔頂回流量或中段循環(huán)回流流量、改變常壓塔塔底蒸汽量、改變減壓塔頂循環(huán)回流或中段循環(huán)回流流量、改變常壓爐出口溫度、改變減壓爐出口溫度等操作數(shù)據(jù)后，模擬計算完成后即可得到產(chǎn)品收率和產(chǎn)品質(zhì)量分析。

以常壓塔如圖3。

常壓塔二中循環(huán)量提升后，各汽提塔進(jìn)料側(cè)線溫度等有不同程度降低等工藝狀況變化［8］。

2.3 優(yōu)化結(jié)果

常減壓蒸餾桌面系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)常壓塔取熱分配優(yōu)化操作指導(dǎo)，從而優(yōu)化常壓塔各循環(huán)回流流量；減壓塔取熱分配優(yōu)化操作指導(dǎo)，從而優(yōu)化減壓塔各循環(huán)回流流量。

常壓塔在上一次優(yōu)化執(zhí)行后，需要對常壓塔頂循流量、常一中流量、常二中流量分別進(jìn)行提降量的操作，以實(shí)現(xiàn)能耗目標(biāo)的優(yōu)化操作。

在執(zhí)行能耗目標(biāo)優(yōu)化的操作指導(dǎo)前后的6月16－6月25日，對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析（表2,3）。

表2 優(yōu)化前的能耗數(shù)據(jù)6月16-20日Table 2 Energy consumption data，June 16-20（before optimization）

表3 優(yōu)化后的能耗數(shù)據(jù)6月21-25日Table 3 Energy consumption data，June 21-25（after optimization）

投用能耗目標(biāo)優(yōu)化操作指導(dǎo)前后對比，能耗降低1.45%（以上能耗數(shù)據(jù)裝置外輸熱按-0.5 kg EO/t折算能耗）。

常減壓蒸餾桌面系統(tǒng)測試的120 h期間，桌面系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行，滿足運(yùn)行率的測試98%的指標(biāo)。

3 結(jié)束語

大港石化分公司常減壓裝置節(jié)能降耗目標(biāo)在線分析與操作指導(dǎo)項目以流程模擬為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)常減壓裝置的在線與離線模擬，并以流程模擬模型實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗目標(biāo)的操作優(yōu)化，但由于現(xiàn)實(shí)條件與技術(shù)原因，在以下方面進(jìn)行改進(jìn)與完善：

（1） 流程模擬實(shí)施的必要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是常減壓裝置加工原油的評價數(shù)據(jù)，由于進(jìn)料原油品種切換或摻煉比改變時，流程模擬模型缺乏必要的原油評價數(shù)據(jù)，因此流程模擬精度會受影響。雖然項目實(shí)施中已采取了必要措施，但這種影響仍然成為常減壓裝置流程模擬精度的制約因素，而解決這一問題的最有效途徑就是在進(jìn)料原油品種切換或摻煉比改變時提供原油評價數(shù)據(jù)。

（2） 以流程模擬為基礎(chǔ)的節(jié)能降耗目標(biāo)操作優(yōu)化只能應(yīng)用于常減壓裝置工藝處于穩(wěn)態(tài)或擬穩(wěn)態(tài)工況時，當(dāng)工藝處于提降量、進(jìn)料原油切換，工藝方案改變等動態(tài)特性狀態(tài)時，操作優(yōu)化準(zhǔn)確性大為降低，這需要在優(yōu)化算法技術(shù)上進(jìn)一步改進(jìn)來克服。

（3） 項目中實(shí)現(xiàn)的節(jié)能降耗目標(biāo)操作優(yōu)化為離線優(yōu)化，并以優(yōu)化后的操作參數(shù)指導(dǎo)操作工進(jìn)行工藝操作，這在一定程度上降低了優(yōu)化效率。目前的離線優(yōu)化、指導(dǎo)操作經(jīng)過一段時間的使用后，可以改變?yōu)樵诰€優(yōu)化模式，以最大限度的提高優(yōu)化效率，降低能耗。

［1］唐孟海 胡兆靈.常減壓蒸餾裝置技術(shù)問答[M]. 北京：中國石化出版社,2004.

［2］張錫鵬.煉油工藝[M]. 北京：石油化工出版社, 2004:52-53

［3］凌一群.常減壓蒸餾裝置生產(chǎn)運(yùn)行的主要問題對策[J].石油煉制與化工,2002,3(3):12.

［4］葛玉林，沈勝強(qiáng).原油常減壓蒸餾過程流程模擬[J].石油化工高等化學(xué)學(xué)報，2007，20(2)：124-127.

［5］王學(xué)軍，徐莉，汪培文.原油常減壓蒸餾裝置的模擬[J].化學(xué)工程師，2003(04-03)：41-42.

［6］高維平，劉謙，鄭緒光，趙霽春.常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化節(jié)能研究[J].化工科技，1999，7（2）:49-54.

［7］俞金壽.工業(yè)過程先進(jìn)控制[M].北京：中國石化出版社，2002:207-246.

［8］黃德先,等.化工過程先進(jìn)控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006:57-87.