（控制理论与控制工程专业论文）炼油蒸馏工艺注剂参数的分配与优化.pdf

1 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o n t r o l t h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g l i i ii ll lll l l ll lll lllll 18 4 4 0 2 1 a s s i g n m e n ta n do p t i m i z a t i o no np r o c e s sp a r a m e t e r s o fi n je c t i o na g e n ti nr e f i n i n g b yt a ic h u a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h o uw e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 1 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：易翻 签字日期：夕力方2 矽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：专幻 导师签名：闾印 签字 e l 期：抄7 夕细签字日期：夕7 ? 如 。1 。1 。_ _ _ _ _ _ _ _ 一 、 东北大学硕士学位论文摘要 炼油蒸馏工艺注剂参数的分配与优化 摘要 随着我国国民经济的快速发展，对石油产品的需求量越来越大，国产原油已经不能满 足经济发展的需要。进口原油量不断加大，而原油品质差别较大，酸值及含硫量普遍较 高，使很多企业面临新的设备腐蚀问题。 在炼油企业中，常减压蒸馏装置作为原油的一次加工装置，在原油加工总流程中占 有重要作用。目前，常减压装置腐蚀防护分两大部分：( 1 ) 工艺防腐，即“一脱三注”( 原 油脱盐、注氨( 胺) 、注缓蚀剂、注水) ，主要控制或减缓塔顶系统的腐蚀；( 2 ) 耐腐蚀材 料防护，主要应用于高温系统的防护。对于工艺防腐，由于炼油工艺流程复杂、控制点 多，受介质及工况条件影响较大。其中蒸馏装置注剂系统，目前多停留在手动操作阶段。 注剂调节量的多少，调节周期的长短，注剂量大小与油品参数之间的关系，这些都是亟 待解决的问题。本文从理论与实践两个方面，通过对炼油蒸馏装置注剂系统工艺数据的 分配和优化，找出隐含在其中的注剂参数分配规律及注剂工艺数据的最优值。 针对目前炼油企业油品更换频繁，工艺数据变化较大的实际情况，利用简单的数据 统计分析方法已经不能客观体现工艺过程的变化趋势。为找出隐含在工艺数据内部的实 际规律，提出基于注剂输入、输出数据的模糊规则方法。该方法以模糊数学、模糊推理 等方法为基础，对蒸馏装置注剂数据进行模糊分类，建立模糊规则。为进一步分析及优 化数据提供有利的支持。 通过对模糊规则输出数据的分析及检验，利用b p 神经网络建立注剂工艺数据的函数 关系，使数据之间的分配关系清晰、准确。b p 网络的输出在宏观上能够反映注剂工艺过 程的一般规律，却不能给出注剂工艺数据的最优结果。为此，建立了注氨、注缓蚀剂的 0 1 整数规划模型。利用遗传算法求出模型输出的最优值。实践证明利用上述的参数优 化方法能够得到满意的结果。 关键词：炼油蒸馏工艺；注氨；注缓蚀剂；参数分配；参数优化 r；r_1r r - 一 ，- 1 - 、 i a s s i g n m e n ta n do p t i m i z a t i o no np r o c e s sp a r a m e t e r s o f i n je c t i o na g e n ti nr e f i n i n g a b s t r a c t w i t l lt h ec o n t i n u o u sg r o w t ho ft h en a t i o n a l e c o n o m y , c h i n a sd e m a n do fc r u d eo i l i n c r e a s e sd r a m a t i c a l l y d o m e s t i cc r u d eo i lc a l l a tm e e tt h en e e do fd e v e l o p m e n to fe c o n o m y b e c a u s eo ft h eq u a l i t yd i f f e r e n c eo ft h ei m p o r tc r u d eo i lc o m p a r e g r e a t l y , t h ec o n t e n to fs u l f u r a n da c i dv a l u ea r eh i g h e r e n t e r p r i s e sh a v et of a c en e w p r o b l e mo fe q u i p m e n tc o r r o s i o n i no i lr e f i n i n ge n t e r p r i s e s c r u d eo i li sp r o c e s s e di na t m o s p h e r i ca n dv a c u u m d i s t i l l a t i o n u i n t i th a so c c u p i e da ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h et o t a lt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s c o r r o s i o na n d p r o t e c t i o ni sd i v i d e di n t ot w op a r t si n u i n t ：p r o c e s sa n t i c o r r o s i o na n de q u i p m e n t a n t i 。c o r r o s i o n t h ef o r m e r , “d e s a l t i n ga n dt h r e ei n j e c t i o n s , i sa na v a i l a b l ew a yt o p r e v e n t c o r r o s i o na tt o p p i n gs y s t e mo fd i s t i l l a t i o nt o w e r si nt h ec r u d ed i s t i l l a t i o nu n i t ( c d u ) t h e l a t t e ri s ，t h ep r o t e c t i o nf o rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e m a t e r i a l s ，a p p l i e dt o h i g ht e m p e r a t u r e s y s t e m s w i t hc o m p l e xt e c h n i c a lp r o c e s so fr e f i n i n g ，m u l t i p o i n t sc o n t r o la n dc h a n g i n go f t h ew o r k i n gc o n d i t i o nc o n s t a n t l y , i n j e c t i o n sa g e n ts y s t e mi s s t a y e do nm a n u a lo p e r a t i o n a d j u s t m e n ta n dp e r i o do fi n j e c t i o n sa g e n ts y s t e m ，t h er e l a t i o nb e t w e e na d j u s t m e n ta n do i l p a r a m e t e r sm a yb ef u r t h e rd i s c o v e r e d t h ep a p e rd i s c u s s e sa s s i g n m e n ta n do p t i m i z a t i o no n p r o c e s sp a r a m e t e r so fi n j e c t i o na g e n ti nb o t ht h e o r ya n dp r a c t i c e a t t e m p tt of i n d c o n n o t a t i v er u l e sa n dt h eo p t i m u mo np r o c e s sp a r a m e t e r s a tp r e s e n t ，a c c o r d i n gt ot h ef r e q u e n tc h a n g eo fo i la n dp r o c e s s d a t a , s t a t i s t i c a la n a l y s i s m e t h o d sc a l l a tr e f l e c tt h et r e n do f c h a n g e i n p r o c e s so b j e c t i v e l y t h ep a p e rp u t s f o r w a r df u z z yr u l e sb a s e do np r o c e s si n p u ta n do u t p u td a t at of i n d i n gc o n n o t a t i v er u l e si n i t t h em e t h o di saf u z z yc l a s s i f i c a t i o nt h e o r yo f p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h eb a s i so ff u z z y m a t h e m a t i c sa n df u z z yr e a s o n i n g i tm a i n l y p r o v i d e ss u p p o r tf o ra n a l y s i s i n ga n do p t i m i z i n g p r o c e s sp a r a m e t e r sb ye s t a b l i s h i n gf u z z yr u l e sm o d e l u s i n gb p n e u r a ln e t w o r kb u i l df u n c t i o na m o n g p r o c e s sp a r a m e t e r sb yt h ea n a l y s i sa n d i n s p e c t i o no no u t p u tp a r a m e t e r so ff u z z yr u l e sm o d e l i tm a k e st h e r e l a t i o n s h i po f - i l l t 多，。 i l 一。 i 1 、。 蔓 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a r a m e t e r sd i s t i n c ta n da c c u r a c y t h eb pn e u r a ln e t w o r kc a nr e f l e c tg e n e r a ll a wo f p a r a m e t e r s ，b u ti tc a n n tg i v et h eo p t i m a lr e s u l t s w ep r o p o s e dt oe s t a b l i s h i n g0 - 1i n t e g e r p r o g r a m m i n gm o d e l t h e n ，t h eo u t p u to fm o d e li so p t i m i z e db yu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m s a n dw ea r ea b l et oo b t a i no p t i m a lv a l u eo fi n j e c t i o n sa g e n ts y s t e mu n d e rd i f f e r e n tw o r k c o n d i t i o n s p r a c t i c et e s tr e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t yb yu s i n ga r t i f i c i a li n t e l l i g e n c em e t h o d s k e y w o r d s ：r e f i n i n gd i s t i l l a t i o n ；a m m o n i ai n j e c t i o n ；i n h i b i t o r si n j e c t i o n ；p a r a m e t e r s a s s i g n m e n t ；p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ； 一i v j 。k ， 一f 0 。 位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t 。i i i 第一章绪论l 1 1 石油化工设备腐蚀的基本因素1 1 2 塔顶注剂减缓设备腐蚀的意义。3 1 3 国内外研究最新进展6 1 4 塔顶注剂工艺方法与问题6 1 5 本文的主要工作7 第二章炼油生产工艺简介8 2 1 炼油工艺流程8 2 2 注氨工艺l3 2 3 注缓蚀剂工艺1 4 2 4 仪表监测点的设置15 2 5 本章小结j 。：1 6 第三章注剂参数分配与优化的理论基础1 7 3 1 基于数据的模糊规则建立方法17 3 1 1 模糊规则的提取1 8 3 1 2 模糊规则的推理1 9 3 2 利用b p 神经网络建立数据关系模型2 0 3 2 1b p 网络算法原理及信号流向2 1 3 2 2b p 算法的程序实现方法2 3 3 3 基于遗传算法求解非连续可微分问题2 5 3 3 1 遗传算法的基本内容和步骤2 5 3 3 2 遗传算法求解非连续可微的o 1 整数规划问题2 7 3 4 本章小结2 9 第四章注剂原始数据的模糊分类3 0 4 1 注剂控制工艺数据的分析3 0 4 2 注剂控制工艺数据模糊规则提取3 4 4 3 注剂控制工艺数据模糊规则的检验3 6 一v 一 、；， 。 - i l j i 东北大学硕士学位论文 目录 4 4 本章小结3 7 第五章注剂工艺参数的神经网络模型3 8 5 1 注剂工艺参数与腐蚀指标的关系模型3 8 5 2 网络结构设计与训练3 9 5 3 网络结构的改进及检验4 0 5 4 本章小结4 4 第六章注剂工艺参数的0 1 整数规划4 5 6 1 优化模型的建立4 5 6 20 - 1 整数规划模型4 7 6 3 解空间的简化4 8 6 4 计算最优解及结果分析4 8 6 5 本章小结5 l 第七章结论与展望5 2 7 1 全文总结5 2 7 2 工作展望5 3 参考文献5 4 致 谢5 7 附录一三蒸馏注剂工艺数据( 部分) 一5 8 一v i 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 石油化工设备腐蚀的基本因素 石油化工设备是保证石化生产的物质条件，先进生产工艺必须通过优良的设备才能 实现，而设备在生产运行过程中最主要的危害就是腐蚀。当设备发生腐蚀破坏，会产生 跑、冒、滴、漏等现象，影响装置的安、稳、长、优运行，严重时还会引起火灾、甚至 发生爆炸等灾害性事故。此外由于设备腐蚀每年造成的经济损失也是巨大的，据资料介 绍每加工1 吨原油的腐蚀损失约为1 美元或略多一些，对企业的经济效益影响显著【1 1 。 通常，从石油化工原料及生产工艺角度来看，影响设备腐蚀【2 卅的基本因素有两类： 一种是低温轻油部位的腐蚀，主要腐蚀介质是有水存在的氯化氢和硫化氢，简称为 h c l h ，s h ，o 型腐蚀，一种是高温重油部位的腐蚀，主要腐蚀介质是元素硫、硫化 氢和环烷酸。从发生腐蚀作用的温度分布看，1 2 0 3 1 0 。c 温度区间主要的腐蚀介质是无 机氯盐，2 3 0 - - , 4 2 0 主要腐蚀介质是环烷酸，而含硫化合物发生腐蚀的温度区间则为 1 2 0 , - , 4 8 0 ，这些腐蚀介质不仅其产生腐蚀的温度区间多有交叉，且其腐蚀作用也常相 互促进。 低温腐蚀多发生在塔体内部、塔顶馏出线、冷凝冷却器及脱水罐等处，塔顶系统腐 蚀最严重的部位是水汽开始在设备表面冷凝的地方，这一区域称为初凝区，在该区域有 大量的h c l 溶解，初凝水的酸度可比后面冷却器内水的酸度高1 0 倍。因此，在该区域 的设备表面受到严重的腐蚀，一般出现局部坑点。高温腐蚀则多发生在加热炉辐射段出 口，炉出口转油线及塔底抽出线等高温部位处。 ( 1 ) 氯化物对设备的危害 原油中的无机盐类( m g c l 2 、c a c l 2 、n a c l ) 和低沸点氯代烃在一定温度下会发生 水解反应，能产生具有腐蚀作用的h c l ，造成常减压装置塔顶设备低温腐蚀。据资料介 绍m g c l 2 一般在1 2 0 。c 左右就开始水解，在环烷酸存在下，n a c l 在3 0 0 c 左右也开始 水解，水解反应可以在水溶液中进行，也可以靠自身的结晶水完成。 水解生成分h c l 在未遇到水之前是没有腐蚀性的，但遇水后即称为腐蚀性很强的 盐酸，发生以下反应，造成常减压装置的初馏塔、常压塔和减压塔顶部系统的腐蚀。 2 h c l + h 2 0 辛2 h c l h 2 0 ( 1 1 ) 2 h c l h2 0 + f e f e c l 2 h 2 0 + h 2 个 ( 1 2 ) 东北大学硕士学位论文第一章绪论 当加工含硫原油时，含硫化合物分散放出h 2 s ，h 2 s 与f e c l 2 发生互逆反应： f e c l 2 - i - h 2 s f e s + 2 h c l( 1 3 ) 在没有h 2 0 和h c l 存在时，h 2 s 与金属反应生成f e s ，f e s 自身具有保护作用，附 着在金属表面上形成一层保护膜，但当同时有h c l 存在时，h c l 会与f e s 反应破坏保 护层，放出h 2 s 进一步加重塔顶系统的腐蚀。 f e s + 2 h c l 专f e c l 2 + h 2 s( 1 4 ) 反应生成的f e c l 2 溶于水，能被溶液冲掉，失去保护膜的金属，可能再次被h 2 s 腐 蚀生成f e s 保护膜，f e s 保护膜又再次被h c l 分解失去防护作用，如此反复循环，就 极大地促进了碳钢的腐蚀。如在2 0 c 时，碳钢在含0 5 h c l 的h 2 s 饱和溶液中的腐蚀 率，是在同温度下纯饱和h 2 s 溶液中腐蚀速率的2 0 倍，由此看出，h c l 和h 2 s 有相互 促进腐蚀速度的作用。 ( 2 ) 硫的腐蚀特性 低温硫腐蚀发生在温度小于1 5 0 。c 的轻油部位，即初馏塔、常压塔和减压塔塔顶油 气挥发线及其后的冷凝冷却系统管道，在该部位对碳钢均产生腐蚀。这些部位的腐蚀也 称湿硫化氢或硫化氢水溶液状态下发生的腐蚀。随着温度的继续升高，水己完全汽化， 氯化氢和硫化氢在干态下，即使温度高至2 4 0 。c 对设备也不会产生明显的腐蚀。为了与 高温部位相呼应，有时把2 4 0 以下的部位泛称为低温部位。 常减压蒸馏装置塔顶系统的腐蚀主要是h ，s h c l h ，o 腐蚀体系，它是原油在加 工过程中由硫化物分解产生的h 2 s 和氯化物水解产生的h c l ，遇到凝结水后形成的腐 蚀体系。 其它非活性硫化物可以在一定温度条件下分解成活性硫而参与腐蚀反应，硫醚和二 化硫大约在1 3 0 1 6 0 开始分解，2 5 0 时其他硫化物开始分解，温度升高，分解加剧， 并且分解生成的元素硫、硫化氢和硫醇与金属的反应也加剧，在2 4 0 5 0 0 时高温硫腐 蚀严重。 ( 3 ) 环烷酸对装置设备的腐蚀特点 环烷酸腐蚀受石油加工过程、酸值、流速、流态、温度等多种因素影响。目前普遍 认为腐蚀机理为环烷酸分子在金属表面吸附、反应及离散，整个腐蚀过程在不同条件下 存在不同的控制步骤。环烷酸具有羧基，在高温条件下，与铁作用生成环烷酸铁。其反 应式为： 2 r c o o h + f e 专f e ( r c o o ) 2 + h 2 ( 1 5 ) 当环烷酸与硫化物共存时，一方面坏烷酸直接与金属发生反应生成油的环烷酸铁， 另一方面环烷酸还可与具有保护作用的f e s 膜发生反应，生成环烷酸铁和硫化氢，新生 9 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 成的硫化氢可再次参与高温下的腐蚀反应，其反应式为： 2 r c o o h + f e s 专f e ( r c o o ) ，+ h ，s 个 ( 1 6 ) 环烷酸铁具有油溶性，易被流动的介质冲走，而使金属露出新的表面不断受到腐蚀。 环烷酸的腐蚀作用受温度的影响，在2 2 0 * ( 2 以下几乎没有腐蚀作用，随着温度的升高， 腐蚀作用逐渐加强，在2 7 0 - 2 8 0 和3 5 0 - - 一4 0 0 。c ，油品酸值大于o 5 m g k o h g 和介质 流速大于3 7 r n s 时，环烷酸腐蚀最为严重，超过4 0 0 。c 后腐蚀作用也会减弱。 ( 4 ) 两种腐蚀介质的协同腐蚀作用 在一定的环境里，每一种腐蚀介质单独存在时都有一定的腐蚀速率，但当两种或两 种以上的腐蚀介质共同存在时，其腐蚀速率往往并不等于两种或两种以上腐蚀介质的腐 蚀速率之和，而常常是增加了若干倍，说明两种或两种以上腐蚀介质共存时具有协同腐 蚀作用。碳钢在含0 5 h c l 饱和h 2 s 溶液中的腐蚀速率，与不含h c l 的饱和h 2 s 溶液 中的腐蚀速率相比，在2 0 时约为2 0 ：1 ，在7 0 约为5 0 0 ：1 。不仅可以看出温度对腐蚀 速率的影响，而且可以看出h c l 少量存在，对h 2 s 饱和溶液的腐蚀速率有极大地促进 作用。表1 1 为含h 2 s 的h c l 溶液对碳钢腐蚀速率的影响。 t 表1 1h 2 s 在h c l 水溶液中对碳钢腐蚀速率的影响 t a b l e1 1c o r r o s i o nr a t e so fc a r b o ns t e e lw i t hh 2 si nw a t e rs o l u t i o no fh c l ( 5 ) 溶液p h 值的影响 p h 值表示溶液的酸碱性，p h 7 时溶 液为碱性。钢材的腐蚀速率与所接触的溶液的p h 值有很大关系。当p h 值在4 - 一1 0 以 内时，腐蚀速率大致一定，当p h 值在4 以下的强酸范围时，腐蚀速率急剧加快，p h 值 在1 0 以上的强碱范围时，腐蚀生成物很难溶解在溶液中，腐蚀速率降低。在常减压蒸 馏过程中，由于p h 值不同，同样介质对设备有不同的影响，也就是说同一原油介质在 不同的p h 值下有不同的腐蚀速率。因此，控制p h 值对控制设备腐蚀十分必要。 1 2 塔顶注剂减缓设备腐蚀的意义 盐酸是一种典型的非氧化性酸，钢铁在盐酸中的腐蚀特点是腐蚀速度随盐酸浓度的 增加而一直上升，图1 1 表明了常用的2 0 # 钢在盐酸中的腐蚀速度与盐酸浓度的关系。由 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 可见，2 0 # 钢在盐酸中的反应是氢去极化反应，盐酸浓度增加，氢离子浓度就增 加，p h 值降低，氢电极电位就越高，在铁电极电位一定的情况下，从热力学角度来讲，腐 蚀的驱动力就增大了，故腐蚀速度随盐酸浓度的增加而上升。因此，增加系统p h 值，就 可有效减缓腐蚀。图1 2 为p h 值与腐蚀速率关系。 二 争 芒 蜊 锻 髫 健 h c l 图1 1 盐酸浓度与2 0 # 钢腐蚀速度关系 f i g 1 1r e l a t i o nb e t w e e nc o r r o s i o nr a t eo f s 寒 糌 蟊 矮 廿 r 厂 髟 蚀 6 p h 值8 图1 2 p h 值与腐蚀速率关系 f i g 1 2r e l a t i o no fb e t w e e nc o r r o s i o nr a t e 2 0 # s t e e la n dc o n c e n t r a t i o no fh c l a n dp hv a l u e 现场采取注氨措施去中和系统中的盐酸，有效提高系统p h 。在实验室中，对不同p h 条件下的盐酸溶液进行了腐蚀挂片试验，试验数据见表1 2 ： 表1 2 不p p h 条件下挂片腐蚀速率 t a b l e1 2c o r r o s i o nr a t eo fc o u p o n su n d e rd i f f e r e n tp h 由表1 2 可见，利用注氨提高盐酸溶液的p h 值，有效降低了挂片的腐蚀速率，系统p h 值越低，注氨缓蚀效果越明显，随着p h 值的升高，其缓蚀率的提高趋于平缓。注氨对减轻 系统的腐蚀起了重要的作用，但无限提高系统p h 值意义不大。 表1 3 采取不同防护措施的腐蚀数据 t a b l e1 3c o r r o s i o nd a mu n d e rd i f f e r e n tp r o t e c t i o n 一4 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 由表1 3 数据可看出，高温下空白腐蚀速率是相当惊人的，年腐蚀速率超过1 0 0 m m a 。 注缓蚀剂虽有较高的缓蚀率，但其绝对腐蚀速率仍较高，大于4 m m a ，这对现场设备来说 仍是很危险的。表1 3 的数据还可以说明，用氨将p h 值调至3 9 1 后，其缓蚀率可达9 8 以上。 注氨与注缓蚀剂相结合可以最大限度减缓腐蚀。 下面列举两个因为腐蚀失效的例子【5 】： 国内某炼油厂1 5 0 万吨年常减压装置加工低硫高酸原油，采用混炼方式，平均酸值 为3 0 m g k o h g 。在2 0 0 6 年0 5 月检修时发现减压系统腐蚀严重，减压三线、减四线塔壁 材料2 0 r + 0 0 c r l 7 n i l 4 m 0 2 ( 3 1 6 l ) ，腐蚀检查发现塔体内壁有大面积麻点状腐蚀坑。具体 状态见图1 3 、1 4 所示。 图1 3 减三线塔内壁腐蚀坑 f i g 1 3c o r r o s i o np i t so fi n n e rs u r f a c e3 撑 图1 4 减四线塔内壁腐蚀坑 f i g 1 4c o r r o s i o np i t so fi n n e rs u r f a c e4 群 i nd e c o m p r e s s i o nt o w e r i nd e c o m p r e s s i o nt o w e r 国内某炼油厂3 5 0 万吨年常减压装置加工高硫高酸原油，原油硫含量o 8 1 0 ，酸值 1 叽1 3 m g k o h g ，在2 0 0 6 年1 0 月检修时发现减压系统腐蚀严重，填料和塔内部件材质为 0 c r l 9 n i 9 ，塔顶二段填料开始有冲刷塌陷。图1 5 为塔内壁填料腐蚀情况。 一 图1 5 塔内壁填料腐蚀情况 f i g 1 5c o r r o s i o ns t a t u so fi n n e rp a c k i n gi nt o w e r 一5 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 国内外研究最新进展 随着炼油工业的不断发展，自上世纪9 0 年代以来，重质原油、高硫、高酸值原油的 加工已成为各炼油厂面临的新问题，塔顶注氨虽然可以调节塔顶馏出系统冷凝水的p h 值，但也带来一些新问题，例如：注无机氨不能克服h c l 引起的露点腐蚀，美、日等国 普遍用有机胺代替无机氨，并配合使用油溶性或水溶性缓蚀剂达到了较好的效果； 美国n a l c o 公司推出的中和胺有5 1 9 2 ，5 1 9 6 ，5 1 5 3 等中和剂。在常减压装置中经常有 多种中和剂( 氨类) 和多种缓蚀剂并用【6 】。例! t l ：i n a l c o 公司在常减压塔顶和循环回流部位， 分别注入5 1 9 6 有机胺中和剂，在挥发线注入5 1 6 5 缓蚀剂，在进入空冷器前注入5 1 5 3 中和 胺。日本炼厂情况类似。日美炼厂在中和剂和缓蚀剂进行高投入，在中和剂、缓蚀剂注 ， 入方面均采用了自动控制。由于采用以上措施，以使装置1 0 年无事故。 此外，最近，美国、日本又提出“一脱二注”的新方法，停止注入有机胺，取而代 之的是注入最新研究的成膜缓蚀剂和水【丌，将原来的“一脱四注”，“一脱三注”进一步 发展为“一脱二注”。 1 4 塔顶注剂工艺方法与问题 目前，大多数企业采取“一脱三注”的工艺防腐方案，由于油品成份的复杂性、油 品加工周期的不确定等诸多因素的存在，各企业“一脱三! 芑”的效果差异很大，尤其在 塔顶注氨环节，问题更佳突出，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 由于注氨量的调整还停留在手动操作、经验操作阶段，导致注氨量的变化幅度 较大，注氨量不足，加速设备腐蚀；注氨过量，带来氨盐结垢的向题。n h 4 与h c l 作用 生成氯化铵。氯化铵是一种酸式盐，极易吸水，氯化铵吸水后布良好的粘结性，易粘附 在设备表面形成盐垢，不但影响设备的传热效率，还会引发垢下腐蚀问题，同时影响缓 蚀剂在设备金属表面的吸附。无法有效发挥缓蚀效果。而且前面提至i j h 2 s 在水中的溶解 度随p h 的升高而增加，不但使h 2 s 的腐蚀性增强，还促进了h 2 s 与盐酸的协同反应，引发 新一轮腐蚀，造成设备安全隐患。 ( 2 ) 常压蒸馏塔顶回流冷凝冷却系统是一个h c l h 2 s h 2 0 腐蚀体系，注氨对提高 整个系统p h 值，减轻腐蚀起了重要作用。但从系统初凝区局部来讲，存在h c i - - h 2 s - - n h 3 一h 2 0 腐蚀体系，局部腐蚀严重。在这个区域内，氨不但没有起到中和系统酸性物质，提 高系统p h 值的作用，反而促进了氯化氢在冷凝水中的溶解，降低了露点部位的p h 值，加 快了露点部位的局部腐蚀，因此从某种意义上来讲，氨在初凝区露点部位可被视为一种 特殊的腐蚀介质。 6 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 本文的主要工作 本文首先对石油化工设备腐蚀的基本因素加以介绍，通过实例及数据重点说明腐蚀 的类型及危害。针对炼油蒸馏工艺中塔顶注氨环节工艺特征并结合目前采用的控制方 法。深入研究注剂量与操作参数的内在关系，发现了其中的基本联系及目前注剂控制的 问题，提出了注剂工艺数据的优化方法，把模糊规则理论、神经网络理论引入注剂工艺 数据的规律分析中。在不同的油品加工方案中，采用不同的分析方法。使注剂控制方案 更加合理、可操作性强。在建立合理的注剂模型后，利用遗传算法对模型数据进行优化， 找到特定条件下注剂控制方案的最优解。 论文结构安排如下： 第一章：介绍了石油化工设备腐蚀的基本因素，针对本文研究的炼油蒸馏装置注剂 问题，详细阐述了注剂对减缓设备腐蚀的意义；通过分析国内外注剂方面的新技术、新 方向，总结出目前设备注剂方面存在的问题；最后阐述了本文研究工作。 第二章：介绍了炼油工艺流程，塔顶注氨、注缓蚀剂的工艺过程。根据塔顶注剂工 艺过程，提出仪表监测点的设置方法。 第三章：介绍了本文用到的一些基本理论，其中包括基于模糊规则的数据分类方法、 模糊规则的提取及推理；利用b p 神经网络建立工艺过程输入、输出数据的关系模型； 通过遗传算法求解非线性连续可微分问题的一般步骤及结果分析。 第四章：深入分析塔顶注剂工艺数据，利用模糊规则理论提取模糊注剂数据的规则； 第五章：对利用模糊规则分类的注剂数据，建立注剂工艺参数与腐蚀指标之间的b p 网络模型。其中包括网络的结构设计与训练；网络结构的改进及检验。 第六章：提出了注剂控制数据的0 1 整数规划模型，对模型的建立方法及依据作详 细的阐述，针对模型非连续可微分的特点。提出了利用遗传算法求解模型最优解的方法， 并对最优解进行分析； 第七章：给出了本文的结论，指出目前注剂控制研究中存在的主要问题以及下一步 的发展趋势。 一7 一 东北大学硕士学位论文 第二章炼油生产工艺简介 第二章炼油生产工艺简介 2 1 炼油工艺流程 原油本身是由烃类和非烃类组成的复杂混合物，组成石油的化合物的相对分子质量 从几十到几千，其分子结构多种多样，因此其直接利用价值较低，必须经过各种加工过 程，炼制成多种在质量上符合使用要求的石油产品。提到炼油工艺，原油蒸馏是原油加 工的第一道工序，在炼油厂中占有非常重要的地位。通常采用的原油蒸馏流程是双塔流 程和三塔流程。 双塔流程包括常压蒸馏和减压蒸馏，三塔流程包括原油初馏、常压蒸馏和减压蒸馏。 本文主要介绍三塔蒸馏流程。在原油蒸馏过程中，蒸馏塔是最重要的设备，除此之外， 还有原油的预处理设施、加热炉、换热器和冷凝冷却器等设备以及机泵、工艺管线、自 控仪表等，这些设备按一定的关系和次序组成一个有机的整体，形成常减压蒸馏装置的 工艺流程，工艺流程体现了原油的加工方案。图2 1 是典型的原油常减压蒸馏工艺流程 i 虱t 8 1 。 图2 1 原油常减压蒸馏+ 艺流程图 f i g 2 1p r o c e s sf l o wd i a g r a mo fa t m o s p h e r i c - v a c u u md i s t i l l a t i o nu n i tf o rc r u d eo i l 常减压蒸馏是炼油厂加工原油的第一个工序，在炼油厂加工总流程中有重要作用， 通过蒸馏的方法将原油分割成为不同沸点范围的组分，以适应产品和下游工艺装置对原 料的要求。一般来说，原油经常减压装置加工后，可得到石脑油、喷气燃料、灯用煤油、 一8 一 东北大学硕士学位论文 第二章炼油生产工艺简介 轻柴油、重柴油和燃料油等，某些富含胶质和沥青质的原油，经减压深拔后还可直接生 产出道路沥青。常减压装置的另一个主要作用是为下游二次加工装置和化工装置提供质 量较高的原料。例如，重整原料、生产乙烯的裂解原料、催化裂化、加氢裂化或润滑油 加工装置的原料、焦化、氧化沥青、溶剂脱沥青或减粘裂化装置的原料等。 首先，4 0 左右的原油由罐区进入装置，由原油泵升压后经过换热器换热至1 3 0 左右，进入电脱盐装置( 原油预处理设施) ，在电场、破乳剂等作用下进行脱盐脱水， 要求脱盐后原油含盐小于3 m g l ，含水小于0 5 ；脱盐后的原油再经过换热器换热至 2 0 0 - 2 4 0 进入初馏塔。由于原油的脱盐、脱水效果对三塔蒸馏影响很大。下面简单介 绍一下电脱盐、脱水原理及工艺流程： 各类原油中都含有相当数量水分、无机盐( n a c l 、c a c l 2 、m g c l 2 ) 、有机盐和其 他杂质，这些无机盐( n a c l 、c a c l 2 、m g c l 2 ) 大都溶解在水中形成盐水。虽然原油被 开采出来后在油田经过了初步的脱盐、脱水处理，但输送到常减压装置的原油中仍然含 一定量的盐和水。这些盐和水的存在，不仅影响着装置的平稳运行和能耗，而且还会给 设备腐蚀、产品质量及下游装置的生产优化带来严重的危害。 原油电脱盐是在适当的温度下，注入适量的新鲜水和破乳剂，某些生产装置还要注 入适量脱钙剂，进行充分的混合，加入新鲜水的目的是溶解残留在原油中的盐类，同时 使原有的盐水得到进一步稀释，加入破乳剂的目的，就是要破坏其乳化状态。在高压电 场和破乳剂的作用下，使微小水滴逐步聚结成大水滴，借助重力从油中沉降分离，由于 原油中的大部分盐类是溶解在水中，因此脱水的同时达到脱盐的目的。原理见图2 2 + ：甜 + k j 一八 + o + u 1 一水滴被极化：2 一被极化水滴碰撞；3 一水滴被沉降 图2 2 高压电场对油中水滴作用 f i g 2 2e f f e c to fh i g h v o l t a g ee l e c t r i cf i e l do nw a t e r a n do i l 交直流电脱盐技术是我国2 0 世纪9 0 年代自主开发的先进电脱盐技术，采用垂直电 极板，电极板平面与电脱盐罐轴向垂直，正、负电极板相问布置，垂直电极板之间为直 流强电场，电极板端部与油水界面之间形成交流弱电场，油水混合料、电脱盐切水及脱 后原油进出电脱盐罐的位置和方法与水平电极板电脱盐装置基本一致。交直流电脱盐技 术的电极板形式见图2 3 ，罐内结构示意图见图2 4 。 9 - + + 蜀一 东北大学硕士学位论文第二章炼油生产工艺简介 卜全阻抗防爆变压整流器：2 一整流器：3 一正极板：4 一负极板：5 一直流电场：6 一正、负极板对地形成的 交变电场：7 一含水原油进弱电场；8 一原油脱出水流方向；9 一低含水原油进入强电场；1 0 一脱后原油： 11 - 油水界面；1 2 - 水体；1 3 一含油污水 图2 3 交直流电脱盐电极板 f i g 2 3e l e c t r o d eb o a r do f a c a n dd c e l e c t r i c a ld e s a l t i n g 净化原油正负电极板 油水界面 油水混合料电脱盐切水 图2 4 交直流电脱盐装置罐内结构 。f i g 2 4i n n e rs t r u c t u r eo f a c a n dd c e l e c t r i c a ld e s a l t i n gt a n k 电极板垂直布置，采用直流电场，水滴间除发生偶极聚结外，电泳聚结起主导作用。 被极化的水滴在电场中处于平衡位置，或带有一定电荷的小滴在“泳动”过程中碰撞， 或“泳动”到极板上聚结，而油与水滴的运动是上下相对运动，有利于水滴的聚结分离， 与一般交流电场相比直流电场有较高的脱盐脱水效率。采用极板垂直