于會泳，袁 泉

(中國石化北京燕山分公司煉油一廠，北京 102500)

常減壓蒸餾裝置噴氣燃料收率最大化前饋系統(tǒng)的開發(fā)與應用

于會泳，袁 泉

(中國石化北京燕山分公司煉油一廠，北京 102500)

為了優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高目標產(chǎn)品收率、實現(xiàn)裝置運行效益最大化，中國石化北京燕山分公司將在線分析儀器與先進過程控制系統(tǒng)集成應用，開發(fā)了常減壓蒸餾裝置噴氣燃料收率最大化前饋系統(tǒng)。應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)解決了常規(guī)操作控制模式對追求裝置目標產(chǎn)品收率所帶來的滯后問題，從傳統(tǒng)的單回路操作提升為擁有實時前饋的多變量的系統(tǒng)操作，提升了裝置的創(chuàng)效能力。

常減壓蒸餾 前饋 核磁共振 先進控制 噴氣燃料

石油加工技術(shù)發(fā)展的最基本的動力是如何利用具有一定性質(zhì)、組成的原油生產(chǎn)出能滿足不斷發(fā)展的質(zhì)量和數(shù)量要求的石油產(chǎn)品，以充分利用原油資源和提高經(jīng)濟效益。隨著石油煉制工業(yè)向精細化不斷發(fā)展，計算機技術(shù)、過程系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)、在線分析技術(shù)在煉油工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

原油加工環(huán)節(jié)的第一個加工裝置是常減壓蒸餾裝置，在該裝置中原油根據(jù)沸點的不同被分離成汽油、煤油、柴油等不同的餾分，不同的餾分在不同地域的煉油廠具有不同的價值。

針對常減壓蒸餾裝置原料品種多、性質(zhì)復雜、切換頻繁的特點，對原油、關(guān)鍵產(chǎn)品進行精確在線分析，再通過數(shù)據(jù)傳輸將分析結(jié)果實時提供給先進控制系統(tǒng)，實現(xiàn)集散控制系統(tǒng)(DCS)工藝參數(shù)的“前饋”控制，對優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高目標產(chǎn)品收率、實現(xiàn)裝置運行效益最大化，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 核磁共振(NMR)在線分析儀對石油及其產(chǎn)品分子結(jié)構(gòu)定量分析的技術(shù)優(yōu)勢

在NMR譜圖中，峰的高度和位置是分子結(jié)構(gòu)的精確反映。在對石油物理化學性質(zhì)的研究過程中發(fā)現(xiàn)：烴類分子中的各種結(jié)構(gòu)單元與烴類以及烴類混合物的物理化學常數(shù)之間存在著一定的關(guān)系，通過石油組成結(jié)構(gòu)單元能夠解析出烴的物性。同時，NMR信號與樣品的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成和物質(zhì)濃度存在著一一對應的關(guān)系，因此，通過訓練NMR波譜信號與物性參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即可建立穩(wěn)定可靠、適應性強的模型。NMR波譜的峰高包含了原子核濃度定量分析的所有信息，頻譜的位置則顯示了特殊結(jié)構(gòu)的分子和化合物。建立在NMR波譜信號基礎上的模型可以適應原油種類、原油產(chǎn)地的頻繁變化，不需要對模型進行頻繁的校正和升級。

2 核磁共振在線分析儀的工藝流程設計

NMR在線分析系統(tǒng)采樣部分設計采用樣品快速循環(huán)回路的方式，以保證用于NMR儀表分析的樣品與裝置中加工的樣品在時間上不存在滯后。

NMR分析系統(tǒng)可用于分析多個樣品物流，每個樣品物流都擁有獨立的快速回路，所有樣品快速回路的返回點都選在原油泵前，見圖1。工藝中所有物流的樣品出樣點與樣品返回點都有一個比較大的壓差，在不需要增加任何其它設備和投資的條件下，即可用NMR分析系統(tǒng)實現(xiàn)對物流的在線分析。

圖1 NMR在線快速評價系統(tǒng)工藝流程示意

在樣品處理系統(tǒng)內(nèi)，通過NMR的調(diào)度指令，實現(xiàn)對指定物流的調(diào)度和在線分析，并在分析完成后將信號通訊給DCS。沒有進入儀表分析的樣品，則在快速循環(huán)回路中保持持續(xù)流動，以便于在NMR在線分析系統(tǒng)調(diào)用時，用于分析的樣品與裝置中的樣品是同步的。

樣品進入NMR在線分析系統(tǒng)后，在系統(tǒng)內(nèi)部進行掃描操作并且得到掃描信號，信號在NMR在線分析系統(tǒng)內(nèi)處理完后，得到分析結(jié)果，并發(fā)送給DCS，先進過程控制系統(tǒng)通過多變量預估控制，把工藝操作點推向?qū)崟r優(yōu)化系統(tǒng)計算出的優(yōu)化操作點。

燕化公司NMR在線分析儀對原料的分析項目包括：原油的硫含量、酸值、API重度、水含量、15～160 ℃餾出量、140～240 ℃餾出量、220～320 ℃餾出量、350～540 ℃餾出量和540 ℃以上的餾出量。對產(chǎn)品的分析項目包括：常壓塔塔頂油的90%餾出點和終餾點溫度，噴氣燃料的冰點、閃點和終餾點溫度，常二線的凝點。

3 分析與先進過程控制相結(jié)合的前饋控制系統(tǒng)設計

3.1 在線分析與先進過程控制系統(tǒng)集成方案

NMR在線分析系統(tǒng)具備與DCS、先進過程控制(APC)和實時優(yōu)化系統(tǒng)相連接的能力。而且，單臺核心分析設備可順序分析多個物流的多個質(zhì)量指標，同時將實時分析的原料特性和產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，傳輸給先進過程控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用在線分析數(shù)據(jù)實時計算出裝置的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化目標，對生產(chǎn)控制進行有效的過程控制補償，避免生產(chǎn)的經(jīng)驗性和盲目性。NMR在線分析系統(tǒng)、DCS和APC系統(tǒng)總體集成方案的框架結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 NMR在線分析系統(tǒng)、DCS和APC系統(tǒng)總體集成方案

3.2 噴氣燃料收率最大化的延時響應

由于技術(shù)水平限制，APC軟測量技術(shù)無法對原油餾程等重要指標進行建模和預估，APC不能及時獲得原油性質(zhì)變化信息，這個重要的前饋變量無法參與APC的預估和優(yōu)化計算，降低了模型抗干擾能力，影響了控制器的投用效果。常減壓蒸餾裝置APC系統(tǒng)利用NMR原油140～240 ℃噴氣燃料餾程作為前饋變量，根據(jù)裝置加工負荷及固有的原油加工流程，確定噴氣燃料控制器延時響應時間。將NMR分析得到的噴氣燃料理論收率CALCU01作為常壓塔控制器控制變量(CV)。APC控制器根據(jù)原油在線分析數(shù)據(jù)自動修正對應噴氣燃料抽出量FIC1302。操作員結(jié)合NMR分析儀對噴氣燃料餾分的在線檢測結(jié)果，及時修改噴氣燃料操作變量的上、下限，為控制器提供足夠的調(diào)節(jié)自由度?？刂破鞲鶕?jù)可用的調(diào)節(jié)自由度，向各操作變量(MV)發(fā)送操作信息，自動協(xié)調(diào)汽提塔液位和閥位約束，調(diào)節(jié)側(cè)線氣相溫度等相關(guān)CV變量，減少組分重疊，在確保噴氣燃料質(zhì)量合格的前提下，將噴氣燃料抽出量推向最大。前饋系統(tǒng)先進控制器的主要操作變量見表1，前饋系統(tǒng)先進控制器的主要被控變量見表2。

表1 前饋系統(tǒng)先進控制器的主要操作變量

表2 前饋系統(tǒng)先進控制器的主要被控變量

3.3 原油及噴氣燃料在線分析的流程實現(xiàn)及操作條件

在原油泵出口流量控制閥后開孔，作為NMR在線分析系統(tǒng)的原油出樣點，實時取樣，用于NMR在線分析。原油樣品通過快速回路和NMR分析采樣管線返回原油泵入口。NMR分析后，得到原油的9項分析數(shù)據(jù)，通過MODBUS通訊直接傳送給DCS。

噴氣燃料餾分NMR在線分析的出樣點位置在系統(tǒng)流程換熱器出口，出樣后，通過快速回路和NMR分析采樣管線返回原油泵入口。NMR分析后，得到噴氣燃料餾分油的冰點、閃點和終餾點的分析數(shù)據(jù)，通過MODBUS通訊直接傳送給DCS。

在線分析儀器每28 min提供1組原油、噴氣燃料的質(zhì)量分析數(shù)據(jù)，前饋系統(tǒng)先進控制器根據(jù)此數(shù)據(jù)，調(diào)整優(yōu)化各主要操作參數(shù)(見表3)，使產(chǎn)品質(zhì)量逐步向指標靠近，以期達到提高產(chǎn)品收率的目的。

表3 關(guān)鍵操作條件

4 前饋控制系統(tǒng)應用效果分析

4.1 在線分析系統(tǒng)運行情況

前饋系統(tǒng)集成的NMR在線分析儀的現(xiàn)場工作性能非常穩(wěn)定，實驗室與NMR在線系統(tǒng)的對比分析結(jié)果見圖3～圖6。由圖3～圖6可知，NMR在線分析結(jié)果與實驗室分析結(jié)果的誤差很小，能夠滿足前饋控制系統(tǒng)實時調(diào)整優(yōu)化的需求。

4.2 關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量控制

利用實時的在線分析數(shù)據(jù)，前饋系統(tǒng)實現(xiàn)實時調(diào)整，噴氣燃料關(guān)鍵質(zhì)量指標逐漸接近指標值(冰點不大于-48 ℃，終餾點不大于250 ℃，閃點不小于40 ℃)，減少了質(zhì)量過剩，收率也得到較大的提升，從而在產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下盡可能將噴氣燃料抽出量推向最大，詳細的產(chǎn)品質(zhì)量分析統(tǒng)計結(jié)果見圖7～圖9。

圖3 原油的實沸點蒸餾140～240 ℃餾出量分析結(jié)果■—實驗室分析；■—在線分析；▲—偏差量。 圖4～圖6同

圖4 噴氣燃料的樣品冰點分析結(jié)果

圖5 噴氣燃料的閃點分析結(jié)果

圖6 噴氣燃料的終餾點分析結(jié)果

圖7 噴氣燃料的冰點分析數(shù)據(jù)

圖8 噴氣燃料的終餾點分析數(shù)據(jù)

圖9 噴氣燃料的閃點分析數(shù)據(jù)

4.3 噴氣燃料產(chǎn)品收率變化情況

2011年4月之前噴氣燃料餾分的平均收率為9.47%，2011年4月裝置及系統(tǒng)運行平穩(wěn)后，噴氣燃料餾分的平均收率為10.26%。系統(tǒng)投用前、后噴氣燃料產(chǎn)品收率變化情況見圖10。由圖10可見，前饋系統(tǒng)上線運行后，通過不斷地優(yōu)化，噴氣燃料收率明顯上升。前饋系統(tǒng)成功投用后，產(chǎn)品噴氣燃料的質(zhì)量實現(xiàn)了卡邊操作，在原油品種變化不大的情況下，噴氣燃料收率提高了0.79百分點，且常壓塔各餾出口抽出溫度波動小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，實現(xiàn)了目的產(chǎn)品收率最大的目標。

圖10 噴氣燃料的收率統(tǒng)計結(jié)果

5 結(jié)束語

常減壓蒸餾裝置噴氣燃料收率最大化前饋系統(tǒng)的成功開發(fā)，實現(xiàn)了在線分析與先進控制系統(tǒng)集成。在線分析選用核磁共振技術(shù)，在常減壓蒸餾工藝上尚屬首次。在線分析結(jié)果直接傳輸給先進控制系統(tǒng)作為前饋信號，系統(tǒng)自動優(yōu)化調(diào)整，及時修改目標產(chǎn)品的相應控制指標，在確保質(zhì)量合格的前提下，自動將噴氣燃料抽出量推向最大。

通過應用前饋系統(tǒng)，常減壓蒸餾裝置從傳統(tǒng)的單回路操作提升為擁有實時前饋的多變量的系統(tǒng)操作，提高了裝置的操作平穩(wěn)性，降低了操作人員的勞動強度，進一步降低了能耗，提升了裝置的創(chuàng)效能力。在先進過程控制技術(shù)工業(yè)化與信息化的深度融合等方面，找到了與石油化工生產(chǎn)實際的契合點。

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF FEEDFORWARD SYSTEM IN ATMOSPHERIC AND VACUUM DISTILLATION UNIT FOR MAXIMIZING JET FUEL YIELD

Yu Huiyong，Yuan Quan

(No.1RefineryofYanshanCompany，SINOPEC，Beijing102500)

A feedforward system for maximizing jet fuel yield in 8 Mta atmospheric and vacuum distillation unit has been developed based on integration application of on-line analytic instruments and advanced process control system.The application indicates that the system has solved the lag issue brought by routine operation control mode which is in pursuit of target product yield of the unit.The original conventional single loop operation is upgraded to a multivariable system operation with a real time feedforward and the efficient creating capacity of the unit is thus increased.

atmospheric and vacuum distillation；feedforward；nuclear magnetic resonance；advanced control；jet fuel

2013-06-09；修改稿收到日期：2013-10-15。

于會泳，高級工程師。1998年畢業(yè)于中國石油大學(華東)化學工程專業(yè)，現(xiàn)在中國石化北京燕山分公司煉油一廠從事工藝技術(shù)管理工作。

于會泳，E-mail：yuhuiyong.yssh@sinopec.com。