（化学工程专业论文）油品在线调合工艺流程优化研究.pdf

油品在线调合工艺流程优化研究 关海若( 化学工程) 指导老师：李发永教授 金有海教授 摘要 介绍了油品在线调合的意义、发展和控制原理，深入研究了油品在 线调合工艺方案的选择原则及优化方法。油品在线调合工艺方案着重研 究了连续调合和批量调合两种调合方式。连续调合研究了两种方案：第 一种是组分油先进入缓冲罐，然后再经过调合泵打入调合头，经静态混 合器混合后，进入成品罐的调合方案。第二种是大部分调合组分油直接 进入调合头，小部分过剩调合组分先进入过剩组分罐，再经过调合泵打 入调合头，与装置直接进入调合头的组分，一起经过静态混合器混合后， 最后进入成品罐的调合方案。并分别以大连石化汽油和柴油在线调合为 例，讨论了两种方案的选择原因、具体工艺流程和适用条件。批量调合 也研究了两种调合方案：第一种是调合成品直接出厂的调合方案，第二 种是调合成品进入成品罐的调合方案。最后综合考虑了质量法规、炼厂 储存能力、炼厂扩建计划、投资、质量过剩、系统调合稳定性和调合能 耗及油品损耗等诸多因素，通过矩阵的形式，为炼厂选择最优的油品在 线调合工艺方案提供了依据。 关键词：汽油在线调合，柴油在线调合，在线调合，调合 i i r e s e a r c ho fp r o c e s so p t i m i z a t i o n f o r o i lb l e n da u t o m a t i o n g u a nh a i - m o ( c h e m i c a l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl if a - y o n g p r o f e s $ o rj i ny o u h a i a b s t r a c t t h i sp a p e rr e c o m m e n d st h es i g n i f i c a t i o n , d e v e l o p m e n ta n dc o n t r o l t h e o r yo fo i lb l e n da u t o m a t i o n , a n dd e e p l yr e s e a r c ht h ep r i n c i p a la n d o p t i m i z a t i o nm e t h o df o rt h eo i lb l e n da u t o m a t i o np r o c e s ss e l e c t i o n f o ro i l b l e n da u t o m a t i o np r o c e s s ，w ed e e p l yr e s e a r c ht w os t y l e s ，o n ei sc o n t i n u o u s b l e n d ，t h eo t h e ri sb a t c hb l e n d a n dw er e s e a r c ht w oc a s e sf o rc o n t i n u o u s b l e n d ：o n ei st h ec o m p o n e n t sf i r s t l yg o e si n t ot h ec o m p o n e n tt a n k s ，t h e n p u m pi n t ot h eb l e n d e r , a n dm i x e db yt h es t a t i cm i x e r , f i n a l l yb l e n di n t ot h e p r o d u c tt a n k s t h eo t h e r i sm o s t l yc o m p o n e n t sf r o mt h eu n i t sb l e n di n t ot h e b l e n d e rd i r e c t l y , a n dal i t t l es u r p l u sc o m p o n e n tg o e si n t ob u f f e rt a n k ，t h e n p u m pb a c ki n t ob l e n d e r , a n dm i x e dw i t ht h er u n d o w nc o m p o n e n t st o g e t h e r b ym es t a t i cm i x e r , f i n a l l yb l e n di n t op r o d u c tt a n k s a n dw et a k eg a s o l i n e b l e n da u t o m a t i o na n dd i e s e lb l e n da u t o m a t i o nu s e di nd a l i a nr e f i n e r yf o ra e x a m p l e ，d i s c u s st h er e a s o nf o rt h et w oc a s es e l e c t i o n ，t h ep r o c e s sd e t a i la n d t h e i ra p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s f o rb a t c hb l e n dw ea l s or e s e a r c ht w oc a s e ：o n e i sb l e n di n t os h i pd i r e c t l y , t h eo t h e ri sb l e n di n t op r o d u c tt a n k f i n a l l yt h e p a p e rt h o r o u g h l yt h i n ko v e rt h ep r o p e r t yl a w , r e f i n e r yt a n kc a p a b i l i t y , r e f i n e r yd e v e l o pp l a n , i n v e s t m e n t ，p r o p e r t yg i v e a w a y , s y s t e ms t a b i l i t ya n d i i i b l e n de n e r g ye x p e n d ，o i le x p a n de t c ，a n db u i l dm a t r i xf o rr e f i n e r yt os e l e c ta o i lb l e n da u t o m a t i o np r o c e s s ，t h a tw i l lb e o p t i m i z a t i o no n e k e yw o r d s ：g a s o l i n eb l e n da u t o m a t i o n ，d i e s e lb l e n da u t o m a t i o n ，b l e n d 彻l i n e ，b l e n da u t o m a t i o n b l e n d i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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 了谢意。 签名：盗堕蔓伽年6 月f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生虢丞堡墨卅年5 月堂目 导师签名： 铉矗鱼易p 7 年 月r r 中国7 i 油大学( 华东) 硕十论文第l 章前言 第1 章前言 1 1 课题目的、意义及来源 现代化的炼油厂面临同益复杂的生产操作和频繁的变化，产品规格 越来越多，产品质量要求越来越高，新的规章制度、调合组分越来越多。 使得世界上很多炼油厂，在油品调合时，存在质量过剩、重复调合等问 题，造成很大损失，直接影响到炼厂的生产利润。这就需要一套完整、 统一且灵活的解决方案来解决油品调台问题，油品在线调合系统就是在 这一条件下产生的。目前国内油品在线调合技术采用较少，工艺方案方 面的经验也很少，而软件供应商主要提供软件技术，工艺流程必须由炼 厂自己设计，所以研究油品在线调合工艺方案，解决工艺难题，为油品 在线调合设计提供依据是非常有价值，也是非常迫切的一项研究工作。 大连石化公司的汽油和柴油在线调合项目是中国石油股份公司重点 科技开发项目，也是国内第一套汽油和柴油在线调合装置，该项目在引 进先进技术的同时，也带来了先进的储运系统管理理念，为提升我国炼 厂储运技术和管理水平起到重要作用。 1 2 油品调合研究与应用现状 1 2 1 离线调合模型的研究与应用 早在二十世纪5 0 年代，国外几家石油公司就开始研究油品调合，经 过几十年的发展，取得了很多的研究成果，由于汽油和柴油是炼油厂最 主要的两类产品，且对调合技术的要求最高，因此绝大部分的研究都是 中国石油大学( 华东) 硕+ 论文第1 章前言 围绕着这两类产品，至今这方面的研究方兴未艾。 早期油品调合研究应用的方向主要是寻求估算更准确的离线调合模 型，用以指导油品调合。这些研究成果的发展大致可以分为两个阶段： ( 1 ) 第一阶段研究的主要方向是油品调合质量指标的数学计算，主要 是依据调合机理研究油品特性、调合配比及油品调合质量指标的 数学关系，目的是在满足油品质量的前提下为获取最大的经济效 益提供一个基础参考模型。 对于汽油调合中的辛烷值计算，1 9 5 5 年n e l s o n 提出了线性 组和模型”，1 9 5 8 年由s c o t t 等在总结烃类辛烷值数据规律的基 础上获得了非线性模型3 以及1 9 6 2 年b r o w n 1 等对此的修正。这 些模型过于简单，难以满足多元组分调合和高精度的需要。1 9 5 9 年，e t h y l 公司的h e a l y 等提出了一个估算多元汽油地辛烷值方 程1 。但是，该方程除了计算复杂外，还要求预先知道各调合组 分的研究法辛烷值和马达法辛烷值以及芳烃和烯烃的组成数据。 对于千变万化的调合汽油组分，实际上该模型是难以使用的，精 确度就更难保证了。国内也有些科研机构致力于汽油调合的研究， 吴钦佩的汽油调合快速计算法，虽然由简单、快速的优点，但难 以使调合过程在最优的状况下操作。沈杉松等研究了m t b e 对汽油 辛烷值的影响”1 ，彭朴和陆婉珍探讨了辛烷值与烃类组成之间的 关系”，这种关系适用性较好，但作为汽油的最优调合尚认为精 度不够。浙江大学的陈新志提出的计算模型较好的反映了汽油调 合过程中的加和效应的影响，但美中不足的是这一模型效果具有 很大的局部性，即，在某些情况下，适用性较好，但对于其它情 况，则效果不理想，偏差很大。估算汽油的辛烷值还有其它的方 2 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 法，如从汽油组成来估计，从汽油的其它量化指标计算，由毛细 管色谱法计算及核磁共振数据计算等。这些方法或缺少应用的普 遍性或需要较先进的仪器设备，所以很难在调合过程中发挥作用。 在柴油调合中，目前应用较多的是用统计回归数学方法建立 的柴油调合模型，但由于各自使用数据不同，回归方法不同，各 自的调合数学方程也不同，具体有大庆石油化工总厂研究院关秉 振提出凝点指数模型。”、调合系数模型”1 ，石油科学研究院李家 栋提出凝点换算因子模型1 、c h e v r o n 公司的调合指数模型。“、 n o v e - h u s k y 调合模型及改进1 。采用数学统计回归法建立柴油调 合模型，但这种方法需要事先对调合过程机理有一定的认识，并 要给定模型的解析表达式。在具体建模过程中，据情况还要人为 地不断调整这种表达式。很显然，这种建模方法难以适应实时优 化控制。 ( 2 ) 在调合质量数学计算的基础上，以获取最佳经济效益为目标进行 调合配方优化方案的计算。较早的成品油调合优化模型形式是线 性规划。由于在成品油调合过程中存在着非线性调合关系，故按 照线性规划建立的调合优化模型存在精度不高的问题。这也是某 些炼油厂更愿意采用实验法来寻找最优调合方案的原因。但是， 实验法又存在时间长，成本高，且一旦参与调合的某一组分油的 性质发生变化，则需重新做实验等缺点。近年来，不少学者针对 某些重要的成品油质量指标( 如汽油辛烷值、柴油凝点和冷滤点 等) 的非线性调合关系进行了大量的研究，提出了各种各样的预 测估计模型。 3 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 1 2 2 油品在线调合的研究与应用 随着油品调合模型的不断更新发展，模型的求解方法也不断更新， 尤其是线性规划优化方法和近红外分析仪技术的引入，为油品在线调合 提供了理论依据，使在线调合技术得以工业化。国外一些公司针对炼油 行业的特点，纷纷开发了一些油品调合软件，与近红外分析仪配合使用， 开始了油品在线调合技术的研究与应用。这类软件的商品化为石化企业 的资源优化、产品决策提供了有效的工具，在国外炼油工业得到了大量 的应用，为炼油厂创造了巨大经济效益。 油品在线调合技术于二十世纪八十年代由s h e l l 公司首先开发成功并 投入应用，在八十年代末九十年代初，开始在世界各大炼油厂大规模实 施。目前国外油品在线调合方面的软件主要有h o n e y w e l l 的优化调合软 件包b p c ，h i s 公司的产品调合调度软件，h b o s sa s p e n t e c h 公司的o r i o n 软件等。其中h o n e y w e l l 是油品调合方面的领导者，在全世界1 4 0 个炼油 厂得到应用。h o n e y w e l l 的优化调合软件包( b p c ) 是专为在线优化调合而 设计的。它通过优化调合过程，有效地调合各种组分油，使产品满足要求。 通过与h o n e y w e l l 的b r c 模块之间的接口，将基本组分的比率控制和质量 的优化控制完全集成在一起。 相对于国外的发展程度，国内在油品在线调合方面的投入还比较少， 大部分公司只是代理国外公司的产品，也有专为某个炼油企业开发的系 统，但缺乏通用性，不能作为一个成熟的商品化软件进行推广，这是国 内炼油行业急需重视的问题。 由于引进国外先进的油品在线调合技术成本较高，国内炼厂油品调合 工艺基础又较差，而且国内业界人士对油品调合、储运重视程度不够， 4 中国石油人学( 华东) 硕十论文第1 章前言 所以在2 0 0 3 年以前的很长一段时间内，油品在线调合技术在我国一直处 于空白状叁，大多数炼厂所采用的调合方法都是油罐内调合的方法。随 着国内各大炼厂不断扩大生产规模，产品品种不断增多，产品质量要求 不断提高，油品调合出现了许多生产瓶颈限制，使大家认识到油品自动 化调合的重要性。许多炼厂也都通过与国内相关科研机构联合的方式进 行油品自动化调合技术的尝试，但由于开发时间短，技术实力不够雄厚， 所以调合往往只停留在人工控制、在线反馈的水平上，根本达不到优化 的要求。 2 0 0 2 年6 月中国石油大连石化公司首先在这方面作了尝试，他们引进 h o n e y w e l l 公司的优化调合软件，自己开发调合工艺流程，并于2 0 0 3 年 1 1 月份在国内率先完成了汽油在线调合的改造，其调合技术已达到国际 先进水平。目前国内其他大的炼厂也开始进行改造的调研准备工作了， 部分炼厂如兰州石化、锦州石化等也都先后引进了汽油在线调合技术， 但这些炼厂仅引进了调合的最基本的模块，没有采用罐区移动自动化系 统相配合，使调合系统的操作和安全性没有充分发挥出来，的确有一些 遗憾。 大连石化公司继汽油在线调合成功投产后，又着手进行了柴油在线调 合的改造工作，1 7 前该项目的各项设计工作已经完成，项目正在建设中。 油品在线调合技术虽然在不断发展，但关于油品在线调合工艺流程方 面的研究还比较少，国内大多关于油品在线调合应用技术的文章都是关 于炼厂内部调合组分优化技术方面的文章。“。所以，关于油品在线 调合具体工艺流程方面的研究是一个比较新的课题，同时随着目前自动 化控制及调合软件的不断发展，在线调合工艺的研究也需要不断进步， 对油品在线调合技术的深入研究对于在线调合技术的发展和炼厂应用都 5 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 有很高的应用和参考价值。 油品在线调合技术作为油品调合技术的发展方向，在不久的将来应当 是每个炼厂必备的技术，预计在未来几年内将在国内各大炼厂普及应用。 1 3 油品在线调合机理 1 3 1 油品调合机理 各种油品的调合，除个别的添加剂调合以外，大部分为液一液相系 互相溶解的均相调合，是分子扩散、涡流扩散( 或称湍流扩散) 和主体 对流扩散这三种扩散机理的综合作用。分子扩散由分子的相对运动所引 起的物质传递，是在分子尺度的空间内进行的。涡流扩散为当机械能传 递给液体物料时，处于高速流体与低速流体分界面上的流体受到强烈的 剪切作用，产生大量漩涡，造成对流扩散，是在局部范围的涡旋尺度空 间内进行的。主体对流扩散包括一切不属于分子运动或涡流运动而使大 范围的全部液体循环流动所引起的物质传递，是在大尺度空间内进行的。 油品调合后的特性表现在与调合组分问的线性和非线性关系上，即 表现在组分问有无加和效应的关系上。某一特征等于其中每个组分按其 浓度比例叠加的称为线性调合，反之称为非线性调合。调合后的数值高 于线性估测值的叫正偏差，低于线性估测值的叫负偏差。之所以出现这 种偏差，一般与油品的化学组成有很大关系。油品的组成十分复杂， 因此一般在调合中大多属于非线性调合。 对于车用汽油，在多个组分调合后，它们燃烧的中间产物可能产生 相互作用并可能改变原来的燃烧反应历程，中间产物既可能作为活化剂 使预燃反应加速，也可能作为抑制剂使预燃反应变慢，结果车用汽油的 6 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 调合辛烷值不再和其中所含组分的辛烷值成线性关系。这种在燃烧过程 中相互作用的效应，一般和其敏感性有关，烷烃和环烷烃的敏感性基本 上为零，在调合时没有明显的相互作用，基本上是线性调合，而烯烃和 芳烃则相反，表现为非线性调合。因而直馏汽油、烷基化汽油、催化裂 化汽油与重整汽油，它们之间相互调合的组分改变，它们的调合辛烷值 亦随之改变，即调合效应随之改变。但在多组分的调合下，各种正负效 应起互相抵消的作用，因而仍可按线性关系大致估计某辛烷值组分的调 合比例或调合汽油的辛烷值，但精确度不高。 柴油的燃烧性能是采用十六烷值的高低来加以评定的。烷烃的十六 烷值最高，分子越不对称，十六烷值越低；环烷烃和烯烃次之，有侧链 的比无侧链的低；芳香烃最低，环数越多，十六烷值越低。由于柴油的 生产工艺不同，组成和沸点范围也各有差异，在调合中偏离线性关系是 普遍存在的。线性关系的偏离有时也会带来奇特的增效作用，使调合油 的凝点比各个组分油的凝点都低很多。 ( 1 ) 线形调合模型 最简单的油品调合关系就是线性体积调合规则，即假定油品是理想 溶液，此时，函数的具体形式如下： p = x ap a + x bp b + x cp c 其中： x a 、x b 、x c ：每种调合组分在油品中的体积分率( 摩尔分率) ； p a 、p b 、p c ：三种调合组分的性质； p ：成品油的性质。 ( 2 ) e t h y lr t 一7 0 模型 该模型是由乙基公司丌发的，模型认为调合辛烷值与组份的敏感性 7 中国彳i 油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 以及芳烃含量、烯烃含量有关，模型的具体型式如下： 露d d = f + n 1 ( 衍一f 砷十。2 ( 西i 一护) + ( 万一署) 村。一蛳删圳万- 0 2 ) + a 6 础2 其中： r ：表示r o n ； m ：表示m o n ： s ：表示调合敏感度( r o n m o n ) ； 0 ：是烯烃含量( 体积) ； a ：是芳烃含量( 体积) ； a a 6 ：为相应的回归系数。 可见该模型包括六个待定系数，为了确定这些系数需要各组份的辛 烷值、烯烃含量、芳烃含量以及调合辛烷值。该模型的一个重要优势在 于可以根据需要添加其他因素对调合的影响( 例如硫等) 。 1 3 2 油品在线调合机理 油品在线调合是通过对调合规律的深入研究，建立调合模型，并引 进先进的油品在线调合软件，借助在线分析和自动控制系统，实现油品 调合和质量分析的自动、在线运行，通过实时调整各组分的加入量，保 证经过调合头后的产品质量合格的油品调合工艺技术。 以汽油马达法辛烷值为例，实践表明汽油并不是理想溶液，其某些 性质实际调合值会偏离调合模型的计算值。图卜1 以f c c 汽油和烷基化油 为例说明辛烷值的调合非理想性。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 图卜1 汽油m o n 与汽油组成的关系 图卜1 横坐标为烷基化油组分在汽油中所占的比例，纵坐标是m o n ， 虚线是按理想线性体积调合规则假设所计算出调合曲线，而实线则是实 测的m o n 调合曲线，它是根据不同比例混合后实际测量的汽油m o n 绘制 而得的。由图可见，线性调合规则与实际调合测量的结果是有一定差距， 其它的调合模型也都存在一定的偏差。 为了解决调合模型计算值与实际值偏差大的问题，产生了油品在线 调合技术，通过近红外分析仪的分析结果不断的去修正调合模型，使调 合模型的计算结果不断的逼近真实值。 以辛烷值线性体积调合模型为例，经近红外分析仪修正的调合模型 如下： p = x ap a + x bp b + x cp c + e o ( t ) 其中： x a 、x b 、x c ：每种调合组分在油品中的体积分率( 摩尔分率) ； p a 、p b 、p c ：三种调合组分的性质： 9 中国7 i 油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 p ：成品油的性质； e o ( t ) ：计算值与分析仪分析值的累积偏差。 这样调合模型通过近红外分析仪实时的修正，就可以更加准确的反 映出调合的真实值情况。 油品在线调合的工艺原理一般是各调合组分先输送到调合头，经过 静态混合器混合，直接生产出合格成品的过程。在整个调合过程中，在 线分析仪对进入调合头i ；i 的调合组分，以及经过调合头混合后的成品质 量进行实时跟踪分析，流量计对各组分及成品的流量进行实时跟踪，并 将现场质量和流量数据传递给调合控制模块来控制各组分油的调合比 例，达到控制产品质量的目的。同时数据还会传递给调合优化模块，进 行三级优化，使各组分的调合比例更优化合理，达到产品的质量过剩最 小，调合成本最小的目标。为保证炼厂生产的灵活性，油品在线调合通 常采用两条以上调合线，其调合原则流程图如图l 一2 。 图卜2 油品在线调合原则流程图 1 0 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章油品在线调合控制方案 第2 章油品在线调合控制方案 如果要深入探讨油品在线调合的工艺流程的优化，首先要了解油品 在线调合的控制原理，即调合软件的工作原理及功能，通过深入了解控 制原理，掌握调合系统都能完成一些什么样的功能和任务，调合系统从 控制上都有一些什么缺陷，然后再进行工艺方案的设计，既要充分发挥 调合控制系统的能力，又要通过工艺流程来弥补调合软件在控制上的一 些不足，只有这样才能够设计出能够与调合软件匹配，与工厂实际相符 合的合理的调合工艺方案。 2 1 油品在线调合的控制和优化模式 2 1 1 调合控制、优化模块的控制方案 油品在线调合是一种预测控制模式，首先需要设定最终调合产品的 目标质量上下限( 这里指的最终调合产品的目标质量，可以是调合后油 罐内的产品质量，即考虑了罐底油补偿后的累计值，也可以是调合头后 调合出的产品质量的瞬时值。) ，作为优化运算的目标值，再设定影响调 合的限制因素，作为优化运算的限制条件。在作好这些运算条件的设定 后，开始进入调合优化控制阶段，调合优化控制过程是分解成一个个周 期来完成的，在每个周期里调合优化模块根据先前设定的运算条件和分 析仪在线反馈的各调合组分的质量值，利用调合规则，优化计算出调合 各组分的配方，再将配方下载到执行级控制模块，控制现场设备按配方 进行调合，最终使调合产品的质量达到设定的调合目标质量值。 在上面的描述中我们并没有提到调合后产品在线分析值的作用，那 么调合后产品在线分析值的作用到底是什么呢? 许多人认为它应当传递 中国彳i 油大学( 华东) 硕十论文第2 章油品在线调合控制方案 给调合优化控制模块，并与设定的调合目标质量值进行比较，通过两者 的差异来调整调合比例，使调合后的产品质量值与设定的目标质量值不 断接近，从而形成一个有设定值、有反馈值的闭环的油品在线调合控制 系统。其实这种理解是完全错误的，调合后产品在线分析值的真正作用 是对我们上面提到的调合规则进行修订。 那么调合后产品在线分析值是如何对调合规则进行修订的呢? 在整 个调合优化控制过程中，现场分析仪一直对调合后的油品进行在线检测， 得到调合后油品的真实质量值，同时调合优化模块根据各组分的分析成 绩和现场实际调合比例，利用调合规则预测出调合头后油品的估计质量 值( 这里所说的调合头后油品的估计质量值，是指调合头后调合出的产 品质量的瞬时值。) ，然后用分析仪得到的油品质量值与调合优化模块估 计的油品质量值进行比较，通过数学处理得到一个估计偏差，再将该偏 差值回代到调合规则里去修正调合规则，使修正后的调合规则估算的油 品质量不断接近分析仪的分析值，即修正调合规则更加准确。只有调合 规则准确了才能保证调合优化模块计算的调合配方准确，从而正确地指 导油品在线调合。我们注意到在这个过程中，调合规则是动态校正的， 校正后调合规则的准确性决定了我们最终调合产品的质量与设定的目标 质量值接近的程度。调合规则的准确性是由分析仪反馈值的准确性来保 证的，即分析仪准确，则修正后的调合规则就准确，分析仪不准确，则 调合规则就不准确，可见分析仪在这里起到举足轻重的作用。 通过上面的描述我们可以作这样一个形象的比喻，调合优化模块就 象人的大脑，质量分析仪表就象人的眼睛，调合控制模块和现场设备就 象人的四肢，调合是通过大脑下达调合指令给四肢，四肢进行调合，同 时通过眼睛的监测来指导大脑，使调合更准确。 1 2 中国行油大学( 华东) 硕十论文第2 章油品在线调合控制方案 调合优化控制是通过多个调合周期完成的，我们可以用如下流程图 ( 见图2 - 1 ) 来表示油品在线调合系统的优化控制工作流程： 图2 - 1 油品在线调合优化控制工作流程图 调合规则的修订是在每个调合周期进行一次，但修正调合规则的累 计偏差计算是在每个质量计算周期内进行一次的，一般调合周期时间都 大于质量计算周期，且调合周期时间是质量计算周期时间的整数倍。质 量计算周期内累计偏差的计算工作流程如下( 见图2 2 ) 所示： 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章油品在线调合控制方案 图2 2 累计偏差计算工作流程图 2 1 2 质量控制模式 2 1 2 1 质量控制模式分类 油品调合的质量控制模式主要分两类：一类是质量瞬时合格控制模 式；另一类是质量累计合格控制模式。 质量瞬时合格控制模式是指调合优化模块通过优化调合配方，对现 场设备进行控制，改变油品调合质量，从而使调合头后面经过静态混合 器后的成品油的瞬时质量，不断接近设定的目标质量上下限的控制方式。 一般质量瞬时合格控制模式主要应用在油品通过调合后直接出厂装船的 情况。该模式为确保出厂产品合格，由于不考虑累计质量补偿，一般有 一定的质量过剩。但该方法较调合至成品罐再出厂的方案，可以减少一 1 4 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章油品在线调合控制方案 次油品的移动，这样可以大大减少油品因移动而产生的移动损耗和能耗， 对于一个年产成品油百万吨以上的企业，效益是非常可观的。但该方案 受到各国质量法规的限制，一般在西方发达国家的炼厂采用较多。目前 在我国，法律法规还不允许未经分析合格的油品直接调合出厂。 质量累计合格控制模式是指调合优化控制模块通过优化调合配方， 对现场设备进行控制，改变油品调合质量，从而使调合到成品罐内的成 品油的累计质量，不断接近设定的目标质量上下限的控制方式。一般质 量累计合格控制模式主要应用在油品向成品罐调合的情况。该控制模式 既考虑了罐底油质量补偿，同时在调合时，也考虑了调合累计补偿问题， 所以一般质量过剩小。该方法一般适用于象我国这种质量法规定成品油 必须经过检验合格后方可出厂的情况。该控制方案可以将质量过剩控制 在最小的范围内，最大限度的降低油品组成成本。 2 1 2 2 质量控制计算( 调合规则) 产品质量预估及调合配方优化计算都是通过调合规则来计算的。调 合规则一般分为两种，一种是线性调合规则，另一种是非线性调合规则， 这两种调合规则在实际应用中，都经过系统计算产生的估计偏差进行了 修定。 ( 1 ) 线性调合规则 控制质量累计合格的线性质量计算公式，相关因素间的关系式可简 单表示为： p e ( i ) = f ( m o d e l ，a r r ，o f f s e t ) * t p c v + a p ( i ) ( b v + h v ) ( t p c v 十b v + h v ) 字母意义： b v ：调合油体积： 1 5 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章油品在线调合控制方案 h v ：罐底油体积； a r r ：各组分的比例： o f f s e t ：模型偏差； t p c ，：罐质量控制体积； a p ( i ) ：罐平均质量。 控制质量瞬时合格的线性质量计算公式，只需去掉罐底油相关计算 项就可以了。 ( 2 ) 非线性调合规则 控制质量累计合格的非线性质量计算公式，相关因素间的关系式可 简单表示为： p ea ( i ) = f ( b v ，a r r t ，h p ，a h t ) + a o t 字母意义： b v ：调合值； a r r t ：罐内各组分的比例； h p ：初始罐底质量； a h t ：罐底体积比例； a o t ：平均偏差。 控制质量瞬时合格的非线性质量计算公式，只需去掉罐底油相关计 算项就可以了。 2 2 优化方案组合 2 ，2 1 油品调合优化方案 油品调合的优化方案一般有以下五种： 1 6 中国彳i 油大学( 华东) 硕十论文第2 章油品在线调合控制方案 成本最小( c o m p c o s t ) 质量过剩最t b ( g i v e a w a y ) 成本最小质量过剩最小 质量过剩最小成本最小 偏差最，b ( m i nd i s t a n c e ) 这五种优化方案可根据各炼厂的实际情况，通过工程师组态来进行 调整，以达到油品调合效益最大化的目标。 2 2 2 优化的层次 油品调合优化可以是两级优化也可以是三级优化，具体优化层次如 下图( 见图2 3 ) 所示： 图2 - 3 油品在线调合优化控制模式图 我们以“控制质量过剩最小成本最小”的三级优化为例， 来介绍一下各优化层次之间的关系。 第一级：质量控制级。该级别最高，如果调合出现不合格，调合优 化控制模块首要控制的是使质量合格，在确保质量合格的前提下，再进 1 7 中国彳i 油大学( 华东) 硕十论文第2 章油品在线调合控制方案 行下一级优化。 第二级：优化质量过剩最小。根据操作员设定的质量上下限，优化 软件优化各组分的比例，使调合的成品油质量尽量接近设定的目标限值， 从而实现优化产品质量过剩最小的目标。 第三级：优化成本最小。根据操作员设定的各组分的权重，优化软 件优化各组分的比例，使调合的成品油各组分的权重值之和达到最小值， 从而实现优化产品调合成本最小的目标。 三级优化的第一级质量控制级是固定的，后两级的先后优化次序， 因组态而定。从严格意义上来讲，第一级只是控制级，没有更多的优化 在里面，从第二级开始才是真正意义上的优化。由于质量优化控制的三 级优化，既需要优化产品合格，又需要优化质量过剩最小和成本最小， 所以我们不禁要问，整个优化过程是一个多目标、多限制条件的线性优 化呢? 还是一个单目标、多限制条件的线性优化呢? 从表面上来看我们 有三个优化目标，多个优化条件，似乎是多目标多限制条件的线性优化。 其实由于我们这里讲的优化是分级进行的，优化是从第一级到第三级逐 级进行的，各级优化不是同时发生的，在每一级中，优化都是单目标多 限制条件的线性优化，同时前一级优化计算的结果又作为下一级优化计 算的一个限制条件传递到下一级优化，从而达到优化结果传递的目的。 所以油品调合的整个优化过程，是一个逐级的单目标、多限制条件的线 性优化过程。 其他的多级优化过程也都相同。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油品在线调合控制方案 2 3 优化方案计算 2 3 1 优化计算限制条件 油品调合优化计算的限制条件一般包括设备限制、组分油体积限制、 配方限制和配方变化率限制等。将各限制条件重叠在一起，找出交集， 作为最终优化的定义域。我们可以用下图( 见图2 4 ) 简单的表达限制条 件之间的相互作用关系。 图2 - 4 油品在线调合限制条件关系示意图 2 3 2 优化计算公式 2 3 2 1 控制产品质量合格( 控制级优化) ： m i n f ( p c ( i ) ，p e ( i ) ，l i m i t ，r r ( i ) ，r r a ( i ) 字母意义： p c ( i ) ：质量成本： p e ( i ) ：预估质量； l i m i t ：质量限函数： r r ( i ) ：当前各组分配方； 1 9 中国7 i 油大学( 华东) 硕士论文第2 章油品在线调合控制方案 r r a ( i ) ：最近的上一次各组分配方。 约束条件： 组分油配方限制：配方低限r r ( i ) 配方高限 质量限制：质量低限p e ( i ) 质量高限 设备限n - 设备流量低限r r ( i ) t 目标流量设备流量高限 2 3 2 2 质量过剩最小优化： m i n f ( p c ( i ) ，p e ( i ) ，l i m i t ，r r ( i ) ，r r a ( i ) 字母意义： p c ( i ) ：质量成本； p e ( i ) ：预估质量； l i m i t ：质量限函数； r r ( i ) ：当前各组分配方； r r a ( i ) ：最近的上一次各组分配方。 约束条件： 组分油配方限制：配方低限r r ( i ) 配方高限 质量限制：质量低限p e ( i ) 质量高限 ( 或从控制级传过来的质量限制，它是通过控制各组分配方范 围来实现控制的。) 调合头质量限制：( 分析仪上下限设定的允许偏差) 设备限制：设备流量低限r r ( i ) 目标流量设备流量高限 成本最小质量过剩最小限制：如果组态为成本最小质 量过剩最小，则从成本最小优化会传递过来各组分配 方范围限制。 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章油品在线调合控制方案 2 3 2 3 成本最小优化： m i n f ( c c ( i ) ，r r ( i ) ，r r a ( i ) 字母意义： c c ( i ) ：各组分油的成本； r r ( i ) ：当前各组分配方； r r a ( i ) ：最近的上一次各组分配方。 约束条件： 组分油配方限制：配方低限r r ( i ) 配方高限 质量限制：从控制级传过来的质量限制，它是通过控制各组分 配方范围来实现控制的。 设备限制：设备流量低限r r ( i ) + 目标流量设备流量高限 质量过剩最小成本最小限制：如果组态为质量过剩最小 成本最小则从质量过剩最小会传递过来各组分 配方范围限制。 2 3 2 4 偏差最小优化： m i n f ( c c ( i ) ，r r ( i ) ，r r a ( i ) ，r r o ( i ) 字母意义： c c ( i ) ：各组分油的成本； r r ( i ) ：当| i i 各组分配方： r r a ( i ) ：最近的上一次各组分配方； r r o ( i 1 ：原始配方。 约束条件： 组分油配方限制：配方低限r r ( i ) 配方高限 2 1 中国f i 油大学( 华东) 硕十论文第2 章油品在线调合控制方案 质量限制：从控制级传过来的质量限制，它是通过控制各组分 配方范围来实现控制的。 调合头质量限制：( 分析仪上下限设定的允许偏差) 设备限制：设备流量低限 r r ( i ) + 目标流量设备流量高限 2 4 油品在线调合控制技术小结 了解油品调合的控制原理，对于油品在线调合系统的初期设计、实 际操作和处理操作过程中出现的问题，都具有很强的指导作用，是工艺 工程师必须掌握的知识。这里提到的控制过程只是控制过程的主干，在 实际生产中油品调合系统同时还会进行其他许多相关的计算，我们可以 通过系统随机带来的资料中查阅到。油品在线调合控制系统，是油品调 合技术的一次飞跃，它改变了传统的离线调合方式，使油品调合技术从 经验型向技术型和科学型转变。它为罐区管理和储运生产技术指出了发 展方向，在不久的将来必将在世界范围内推广应用。 中国彳j 油大学( 华东) 硕十论文第3 章油品在线调合t 艺方案 第3 章油品在线调合工艺方案 油品在线调合通常分为连续调合和批量调合两种工艺。下面从两种 工艺流程的原理、优缺点及适用范围等方面做一下研究。 3 1 连续调合 3 1 1 连续调合原则工艺流程介绍 连续调合是指整个油品在线调合系统不问断地将装置生产出的调合 组分进行连续调合的一种油品在线调合方式。连续调合的调合头能力要 求与生产装罨生产调合组分的产量相匹配，并留有一定的余量，以达到 连续调合的目的。 连续调合的工艺，通常采用以下两种形式： 3 1 2 方案1 ：调合组分油经过缓冲罐的连续调合方案 调合组分经过缓冲罐的连续调合方案是将所有的组分油先收到组分 罐里，然后再经过调合泵打入调合头，进行连续调合的一种调合方案， 原则流程见图3 - 1 。该方案系统稳定，调合精度高。 图3 - 1调合组分油经过缓冲罐调合方案示意图 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章油品在线调合工艺方案 大连石化公司汽油在线调合采用的就是这种调合工艺方案，即催化 装置送出的催化汽油和其他装置生产的高辛烷值组分油先收入缓冲罐， 再根据调合配方优化的比例，通过调合泵调入调合头的调合方式。 下面以大连石化汽油在线调合为例对调合组分经过缓冲罐的调合方 案进行研究。 3 1 2 1 采用方案1 的原因 ( 1 ) 大连石化汽油在线调合是全国首例油品在线调合装置，由于在国 内没有成功的经验，所以在调合工艺上考虑使用最稳妥的调合工 艺方案。各调合组分通过缓冲罐后，进行调合的工艺方案由于对 装置没有影响，调合随时可以停下来，调合量更加容易控制，调 合系统稳定，调合精度更高。 ( 2 ) 汽油调合的精度要求相对较高，比如辛烷值过剩值要求控制到0 2 个单位以内，烯烃过剩值要求控制到2 到3 个单位以内等，调合 组分量的波动对调合目标值影响较大，所以汽油调合要求调合比 例控制要精确些，该方案可以满足这些精度的要求。 ( 3 ) 大连石化调合的汽油品种较多，每一种牌号汽油在调合时对各组 分需求量变化较大，如果采用装置馏出油直接调合，就会出现调 合某个牌号汽油时，某个组分严重不足，另一个组分大量过剩的 情况，使系统出现设备限制，而不能正常运行，所以采用有缓冲 罐的调合方案，优化一下组分库存更合理。 ( 4 ) 该方案主要缺点是多了缓冲罐这个环节，多一次油品移动，增加 了能耗和油品损耗。大连石化公司汽油年产量在2 6 0 万吨左右， 在炼厂成品油构成中量不是很大，比较增加的能耗和油品损耗与 没有缓冲罐可能对装置产生的影响，和可能产生的质量过剩，还 2 4 中国z i 油大学( 华东) 硕十论文第3 章油品在线调合下艺方案 是采用有缓冲罐的方案更为稳妥。 3 1 2 2 基础数据 ( 1 ) 调合组分及中间罐 大连石化公司汽油调合的组分共有5 种： 一催化汽油 一重整生成油 一m t b e 一重整非芳 一烷基化油 组分罐分配情况是催化汽油罐使用3 个5 0 0 0 立方米的缓冲罐：重整 生成油使用1 个5 0 0 0 立方米的缓冲罐；m t b e 使用2 个5 0 0 0 立方米和1 个2 0 0 0 立方米的缓冲罐，m t b e 缓冲罐较多，主要考虑到m t b e 还有出厂 任务，需要配备更多的出厂罐；重整非芳使用1 个5 0 0 0 立方米的缓冲罐； 烷基化油使用1 个1 0 0 0 0 立方米的缓冲罐，由于罐区没有更小的油罐可 以分配给烷基化油使用了。 ( 2 ) 成品罐 罐区共有成品油罐8 座，均为2 0 0 0 0 立方米油罐，成品油罐均为利 旧油罐。 ( 3 ) 汽油牌号 大连石化汽油调合品种主要有： 一9 0 # 车用汽油 一9 3 # 车用汽油 一9 7 # 车用汽油 一9 0 9 车用乙醇汽油调合组分油 2 5 中国7 i 油大学( 华东) 硕+ 论文第3 章油品在线调合亡艺方案 一9 3 # 车用乙醇汽油调合组分油 一9 7 # 车用乙醇汽油调合组分油 一9 0 # 出口无铅汽油 一9 1 t t 出口无铅汽油 一9 2 # 出口无铅汽油 一9 5 # 出口无铅汽油 共1 0 个牌号。 考虑到大连石化汽油调合品种较多，所以设计两个调合头，具备两 个品种同时调合的功能。 3 1 2 3 工艺流程 汽油在线调合的具体工艺流程见附录a 流程图。 ( 1 ) 工艺方案说明： 大连石化汽油在线调合共设有2 个调合头，每个调合头的最大调合 能力为5 0 0 m 3 h ，参与调合的各种组分包括：催化汽油、重整生成油、m t b e 、 烷基化油、非芳烃、安改剂、清净剂各组分按比例进入调合头，经过静 态混合器后进入汽油成品罐，在罐内分析合格后装火车、装汽车、装船 外送。在线分析仪共设7 个测点，分别为：调合头后成品汽油2 个测点、 调合头前混合后催化汽油2