長嶺煉化岳陽工程設(shè)計有限公司 邱崇軍

1.前言

自上世紀(jì)七十年代，基于模型預(yù)測控制為主的先進(jìn)過程控制技術(shù)不斷得到提高和完善。經(jīng)過近四十年的發(fā)展和應(yīng)用，應(yīng)用范圍也在不斷拓寬，從線性時不變系統(tǒng)，逐漸發(fā)展到非線性、時變系統(tǒng)的多種新的預(yù)測控制技術(shù)；工程設(shè)計與實(shí)施技術(shù)也趨于成熟。

從煉油化工裝置對象來看，現(xiàn)已涵蓋大部分的煉油和化工裝置(如：催化裂化、常減壓、催化重整、延遲焦化、氣分、聚丙烯、聚乙烯、合成氨等)。先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用于裝置生產(chǎn)過程中，已成為我國煉油和化工企業(yè)節(jié)能降耗、挖潛增效的重要手段。

2.常減壓節(jié)能措施概述

常減壓裝置是煉油廠最大的耗能裝置之一。通常，常減壓能耗占煉油總耗能的20%左右，因此降低該裝置的能耗對煉油廠的節(jié)能降耗具有極其重要的意義。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)常減壓裝置的最低能耗約為410.3MJ/t，而平均能耗則為518.3MJ/t，差距高達(dá)108MJ/t(最低能耗的26.3%)[1]，可見該裝置的節(jié)能尚有較大的挖掘潛力。目前，國內(nèi)各大煉油廠和科研機(jī)構(gòu)從設(shè)計改造、新工藝新設(shè)備的應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量研究，并取得了較好效果。

而作為在線優(yōu)化和控制層面的先進(jìn)控制技術(shù)，同樣發(fā)揮著不可替代的作用。實(shí)施先進(jìn)控制，是常減壓裝置節(jié)能降耗的重要途徑之一。

3.常減壓裝置先進(jìn)控制策略中的節(jié)能設(shè)計

根據(jù)裝置的不同特點(diǎn)，并結(jié)合裝置能耗分析，設(shè)計適合該裝置的先進(jìn)控制方案，是先進(jìn)控制在節(jié)能降耗方面發(fā)揮突出作用的前提。

從常減壓裝置的用能三環(huán)節(jié)：能量的傳輸和轉(zhuǎn)換、能量的工藝?yán)煤湍芰康幕厥绽媒嵌仍O(shè)計合理的先進(jìn)控制方案(控制器結(jié)構(gòu))，是降低常減壓裝置能耗的關(guān)鍵。

3.1 熱量傳輸和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的控制器設(shè)計方案

在熱量的傳輸和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，能量的利用率為86.9%。在直接損失的能量中，加熱爐的排煙熱損失占總供入能量的8.45%。為此，針對煙氣回收系統(tǒng)設(shè)計控制器，用于提高加熱爐的熱效率、降低排煙熱損失。除此以外，為減少原油各支路進(jìn)加熱爐最終混合后的熱損失，提高加熱爐的加熱原油的效率，針對原油加熱流程設(shè)計加熱爐支路平衡控制器。

3.1.1 加熱爐爐效率的先進(jìn)控制策略及運(yùn)行效果

加熱爐的爐效率先進(jìn)控制策略一般是通過自動調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)變頻、引風(fēng)機(jī)變頻、氧含量擋板開度、煙氣擋板開度來控制加熱爐的氧含量和爐膛負(fù)壓，盡可能降低入加熱爐的空氣量，減少加熱爐的熱損失。這種控制方案同樣適用于兩爐共用一個鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)。

圖1為控制器投用前后常壓爐煙氣氧含量(AIC1201)、減壓爐煙氣氧含量(AIC1301)對比曲線；表1為控制器投用前后常減壓爐的煙氣氧含量和爐膛負(fù)壓對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

通過圖1和表1可以看出先進(jìn)控制控制器投用后，煙氣氧含量波動明顯減小，波動方差降低30%左右，煙氣氧含量平均值之差達(dá)到0.7%左右，通過控制器的卡邊調(diào)節(jié)可進(jìn)一步降低煙氣氧含量，這樣便降低入加熱爐的空氣量，提高了加熱爐的熱效率。

表1 控制器投用前后煙氣氧含量和爐膛負(fù)壓對比統(tǒng)計

圖1 控制器投用前后AIC1201、AIC1301對比曲線

3.1.2 加熱爐進(jìn)料支路平衡先進(jìn)控制策略及運(yùn)行效果

加熱爐各進(jìn)料支管和爐底燒嘴雖然在爐內(nèi)按幾何對稱分布，但由于流量波動、壓力波動、各支管流量不均衡、各爐管分支結(jié)焦程度不同的影響，以及各燒嘴燃料流量、霧化蒸汽以及送風(fēng)量不均衡而造成偏火現(xiàn)象，從而造成各支管進(jìn)料不能均衡加熱，最終使加熱爐各支管出口溫度不平衡，會在一定程度上降低加熱爐的熱效率。

先進(jìn)控制實(shí)施中，設(shè)計加熱爐支路平衡控制器，以減小加熱爐各支路的溫度偏差，提高加熱爐的熱利用率。一般設(shè)計是：通過自動調(diào)節(jié)加熱爐各支路流量，實(shí)現(xiàn)對各支路流量和出口溫度的均衡控制。

表2 控制器投用前后常壓爐進(jìn)料各支路溫差對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖2 控制器投用前后常壓爐進(jìn)料各支路溫差對比曲線

圖2所示為控制器投用前后常壓爐進(jìn)料各支路與混合后溫差對比曲線；表2所示為控制器投用前后常壓爐進(jìn)料各支路與混合后溫差對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

由圖2和表2可以看出，先進(jìn)控制器投用后，常壓爐進(jìn)料各支路換熱更加均衡，支路之間的溫度偏差大幅減小。

3.2 熱量工藝?yán)煤突厥窄h(huán)節(jié)的控制器設(shè)計方案

在工藝?yán)煤湍芰炕厥绽铆h(huán)節(jié)中，裝置工藝總用能較高，大于1000MJ/t，且系統(tǒng)回收循環(huán)能較低，僅占36.1%，其它用能需要由裝置外界燃料、蒸汽和電力等進(jìn)行補(bǔ)充。

常減壓裝置的剩余熱量，主要是蒸餾塔塔頂回流和各中段回流取出的，熱流的溫位沿塔徑方向從上而下依次升高。因而為提高原油的最終換熱溫度，應(yīng)合理分配取熱，增加高溫位熱源熱量供給，進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)和常壓塔的優(yōu)化控制是重要的措施之一。

3.2.1 原油換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)施先進(jìn)控制，可以達(dá)到明顯的節(jié)能效果

一般情況下，由于原油性質(zhì)的變化、操作方案的改變以及設(shè)備約束等因素會使原油換熱各支路的熱供給量發(fā)生或大或小的變化，如果仍然保持各原油換熱支路的流量均衡，會使整個原油換熱網(wǎng)絡(luò)換熱效率下降，因而不是最優(yōu)操作。

基于以上考慮，利用先進(jìn)控制技術(shù)的在線優(yōu)化和實(shí)時控制功能，針對原油換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計先進(jìn)控制器用于減小各原油換熱支路的換熱溫差，進(jìn)而提高原油換熱效率。在工程實(shí)踐中，一般通過調(diào)節(jié)各原油換熱支路流量，來減小各支路的換熱溫差。

對于熱量供給比較充足的原油換熱支路，此種方案可通過提高被加熱物流量來提高該支路的熱交換量，最大限度地取熱，使換熱過程更加均衡，最終提高整個原油換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱效率。

表3 控制器投用前后電脫鹽前進(jìn)料各支路溫差對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 控制器投用前后電脫鹽前進(jìn)料各支路溫差對比曲線

圖3所示為控制器投用前后電脫鹽前原油進(jìn)料各支路與混合后溫差對比曲線；表3所示為控制器投用前后電脫鹽前原油進(jìn)料各支路與混合后溫差對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

由圖3和表3可以看出，先進(jìn)控制器投用后，原油進(jìn)料各支路換熱更加均衡，支路之間的溫度偏差大幅減小，提高了換熱網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。

3.2.2 常壓塔先進(jìn)控制器的節(jié)能設(shè)計考慮

常壓蒸餾塔是石油產(chǎn)品分離的核心設(shè)備，常壓塔先進(jìn)控制的主要目標(biāo)是質(zhì)量控制和產(chǎn)品優(yōu)化。但在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，優(yōu)化常壓塔的操作，同樣也可達(dá)到節(jié)能的效果。

通常，熱流溫位沿常壓塔的塔徑方向自上而下依次升高，因而在保證常壓塔汽液相分布均勻和產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，盡量提高二中和一中循環(huán)量，盡量降低冷回流量，最大限度的使高溫位熱源多換熱可提高熱量利用率。在具體實(shí)施過程，合理設(shè)置DMCplus的優(yōu)化參數(shù)可實(shí)現(xiàn)該功能。

為保證常壓塔精餾段最低側(cè)線以下塔板上有足夠的液相回流，原油進(jìn)常壓塔時一般設(shè)計2%～4%的過汽化率。然而研究證明，過汽化率每提高1%可使加熱爐的負(fù)荷增加2%，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，只要能夠保證側(cè)線產(chǎn)品的質(zhì)量，應(yīng)對現(xiàn)有操作進(jìn)行調(diào)整，使過汽化率降到最低，從而降低加熱爐出口溫度，節(jié)省燃料。

表4 某常減壓裝置先進(jìn)控制投用后的能耗變化表

4.常減壓裝置先進(jìn)控制在節(jié)能降耗方面的效益估算

先進(jìn)控制投入使用后，優(yōu)化了常壓爐的操作，降低燃料消耗；優(yōu)化了換熱網(wǎng)絡(luò)并提高了高溫?zé)崂们闆r，能量消耗變化主要體現(xiàn)在循環(huán)、蒸汽以及燃料使用量三個方面，綜合考慮，能耗改變數(shù)據(jù)列表如表4所示。

根據(jù)能耗數(shù)據(jù)可以看出先進(jìn)控制投用后，裝置循環(huán)水使用量有上升，蒸汽和燃料氣使用量降低，綜合能耗降幅達(dá)到了2.28%。

根據(jù)表3能耗變化，可知噸原油能耗降低：9.67-9.45=0.22千克標(biāo)油，按照裝置按一年運(yùn)行350天，日加工15000噸原油計，則每年可減少能耗15000*350*0.22/1000=1155噸標(biāo)油，標(biāo)油價格按照2300元/噸計算，則可增加效益1155*2300=2656500元，即265.65萬元。

5.先進(jìn)控制實(shí)施中遇到的主要問題

先進(jìn)控制技術(shù)在國內(nèi)常減壓裝置的推廣應(yīng)用已有十幾年的歷史，取得了不小的進(jìn)步。但是在先進(jìn)控制實(shí)施過程中也遇到了一些問題，這些問題通常隨著裝置的不同特點(diǎn)，最終表現(xiàn)出的應(yīng)用效果也不一樣。對于先進(jìn)控制技術(shù)在常減壓裝置實(shí)施應(yīng)用過程遇到的問題，筆者可以歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)硬件設(shè)備的可靠性有待提高。

電氣閥門定位器、控制閥的可靠性較低；流量、液位變送器時常失靈；加熱爐煙氣氧含量分析儀故障率很高；可以非常有效地指導(dǎo)加熱爐操作的煙氣中一氧化碳體積分?jǐn)?shù)在線分析儀根本無法長期正常投用；等等?；A(chǔ)控制條件極大地影響先進(jìn)控制的應(yīng)用。

這些問題會影響加熱爐的熱效率和原油換熱網(wǎng)絡(luò)及各系統(tǒng)的優(yōu)化控制。有些常減壓裝置甚至由于硬件設(shè)備不可靠而導(dǎo)致的先進(jìn)控制實(shí)施無法正常進(jìn)行下去，更別提應(yīng)用效果了。

(2)企業(yè)重視程度、操作人員對先進(jìn)控制的認(rèn)識，有待進(jìn)一步提高。

先進(jìn)控制的效益體現(xiàn)在持續(xù)的投用上，并且是慢慢積累起來的，因此只有企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、相關(guān)單位高度重視，同時，不斷提高操作人員對先進(jìn)控制的認(rèn)識和操作熟練程度，才能保證先進(jìn)控制有高的投用率，節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)效益才能實(shí)現(xiàn)。

(3)DCS控制技術(shù)素質(zhì)有待進(jìn)一步提高。

DCS所帶的高級控制功能大多沒有被使用，很多DCS僅僅被作為普通的PID控制器使用，甚至有些裝置的PID參數(shù)也很不合理。作為先進(jìn)控制下層的DCS基礎(chǔ)控制回路問題，同樣制約著先進(jìn)控制效果的發(fā)揮。

在先進(jìn)控制實(shí)施過程中遇到的有些特殊性問題，首先必須充分運(yùn)用DCS內(nèi)嵌的一些高級控制算法在DCS層上解決。實(shí)施先進(jìn)控制前最大限度發(fā)揮DCS的基礎(chǔ)控制功能，有利于提高先進(jìn)控制的投用效果。

6.結(jié)論與展望

先進(jìn)控制技術(shù)，本身已相當(dāng)成熟。該技術(shù)應(yīng)用于常減壓裝置，也不存在任何不可逾越的技術(shù)壁壘。

應(yīng)用效果的不同，大多取決于裝置的基礎(chǔ)性問題，是否得到很好的解決。例如原料性質(zhì)的頻繁變化，基礎(chǔ)硬件設(shè)備的故障、老化和可靠性低，企業(yè)重視程度，先進(jìn)控制專業(yè)維護(hù)人員配備，等。

隨著中國石化各企業(yè)越來越重視裝置的節(jié)能降耗、精細(xì)管理和精細(xì)操作，隨著中國石化加大投入、在各裝置上大力推廣新技術(shù)，先進(jìn)控制技術(shù)，將在其中扮演非常重要的角色。

隨著先進(jìn)控制在各煉化企業(yè)的逐步普及，先進(jìn)控制技術(shù)，必將成為裝置實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、精細(xì)操作不可獲缺的工具之一。

[1]侯祥麟.中國煉油技術(shù)(第2版)[M].北京:中國石化出版社,2001.