（电气工程专业论文）优化控制及近红外技术在汽油调合中应用的研究.pdf

垒呈曼! 垦垒曼! a b s t r a c t g a s o l i n eb l e n d i n gi so n eo ft h em a j o rm e a n sw h i c hp r o d u c e sh i g h - o c t a n ec l e a n g a s o l i n e c 1 i pc o n t r o la n do n - l i n ea d v a n c e dq u a l i t yc o n t r o la r ep u ti np r a c t i c ei nt h e b l e n d i n gp r o c e s s r e f i n e r i e sn o to n l yf u r t h e s tm a k eu s eo fam a s so fl o w - c o s ta n d l o w o c t a n eg a s o l i n e ，b u ta l s or a i s eo c t a n en u m b e ro ff i n a lg a s o l i n ea n dm e e te a c h q u a l i t ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd e m a n do ft h en a t i o n a ls t a n d a r da n dm a k et h e l o w e s tc o s ta n dm o s tb e n e f i tp r o d u c t i o n s t h i sp a p e rd i s c u s s e so n - l i n eo p t i m i z a t i o na n dc o n t r o lo f b l e n d i n gs y s t e ma n dt h e a p p l i c a t i o no fn e a ri n f r a r e ds p e c t r a la n a l y s i si nt h eb l e n d i n gi nd e p t h b a s e do nt h e i n t r o d u c t i o no ft h e s i g n i f i c a n c e ，a p p l i c a t i o n ，s y s t e m s o f t w a r ea n dh a r d w a r e c o m p o s i t i o na n dq u a l i t yi n d e xo fg a s o l i n eb l e n d i n g ，t h ep r i m a r yp r o b l e m si nt h e b l e n d i n gp r o c e s sa r ee x p o u n d e df r o mt h r e ea s p e c t s ： 1g a s o l i n eb l e n d i n gm o d e l ：i ti st h ef o u n d a t i o no ft h eb l e n d i n gs y s t e m ，a n d s h o w sg a s o l i n eb l e n d i n gp r o c e s sp r i n c i p l ea n dt h ei n t e r n a lr e l a t i o nb e t w e e nt h ei n d e x a n dt h ec o m p o s i t i o ns t r u c t u r e t h ep a p e rg i v e st h em a i nb l e n d i n gm o d e l so fo c t a n e n u m b e ra n dv a p o rp r e s s u r e ，a tt h es a m et i m et h ei n t e r r e l a t e dc o n t r a s t sa n de v a l u a t i o n s a r eg i v e n i tp o s s e s s e st h eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rt h er e s e a r c ho ft h e o r ya n d a p p l i e a t i o no f t h eb l e n d i n gm o d e l 2o p t i m i z a t i o na n dc o n t r o li nt h eg a s o l i n eb l e n d i n gp r o c e s s ：i ti sn o to n l yt h e s y s t e mc o r ea n dk e yb u ta l s oi si m p o r t a n tt ot h ea c t u a la p p l i c a t i o na n dr e a l i z a t i o no f a d v a n c e dq u a l i t yc o n t r 0 1 b a s e do nt h ed e c i s i o no nt h eg o a la n dr u l eo fo p t i m i z a t i o n a n dc o n t r o l ，t h eo p t i m i z a t i o na n dc o n t r o lt e c h n i q u ei ss t u d i e ds t e pb ys t e pi nt e r mo f t h el a y e rs t r u c t u r e ：o f f - l i n ea n ds c h e d u l i n go p t i m i z a t i o nl a y e lo n l i n eo p t i m i z a t i o n a n dc o n t r o ll a y e ra n dr o u t i n ec o n t r o ll a y e r t h eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u ei s m o s t l y c o n c e r n e di n l i n e a rp r o g r a m m i n g ，m i x e d i n t e g e rn o n l i n e a rp r o g r a m m i n ga n d r e a l t i m eo p t i m i z a t i o ne t c ，o fw h i c ht h er e a l t i m eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u ei n c l u d e s l i n e a r , n o n l i n e a rb i a su p d a t er e a l - t i m eo p t i m i z a t i o na n dt i m e - h o r i z o nb a s e dr e a l - t i m e o p t i m i z a t i o na n ds oo n ，m o r e o v e r , t h ec o n t r o lt e c h n i q u ei n c l u d e sa d v a n c e dq u a l i t y c o n t r o l ，o fw h i c hm o d e lp r e d i c t i o nc o n t r o la n dn e u r a li n t e m a lm o d e lo p t i m a lc o n t r o l a b s l k a c t a r er e p r e s e n t a t i v e ，a n dr o u t i n ec o n t r o l ，o f w h i c hr a t i oc o n t r o l ，b a t c hc o n t r o l ，s e q u e n c e c o n t r o l ，r a m pc o n t r o la n ds p l i tc o n t r o la r er e p r e s e n t a t i v e 3n e a ri r d a r e ds p e c t r a la n a l y s i sa p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ：n e a ri n f r a r e ds p e c t r a l a n a l y s i si st h ef u n d a m e n t a ld e t e c t i o nt e c h n i q u ea n df e e d b a c ke l e m e n ti nt h eg a s o l i n e b l e n d i n gs y s t e m t h ep a p e rb e g i n sw i t ht h ee l e m e n t a r yp h y s i c sa n dc h e m i s t r yt h e o r y o fn e a ri n f r a r e ds p e c t r a la n a l y s i sa n di n t r o d u c e sn e a ri n f r a r e ds p e c t r u ma c q u i s i t i o n ， t r a n s m i s s i o n ，p r e c o n d i t i o n i n g ，d e t e c t i o na n da n a l y s i st e c h n i q u e e s p e c i a l l yav a r i e t y o fa n a l y s i s ，m o d e l i n gp r o c e d u r e sa n dm e t h o d sa r ed i s c u s s e di nt h eq u a l i t a t i v ea n d q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，s u c ha skn e a rn e i g h b o r , s i m c aa n dm a h a l a n o b i sd i s t a n c ei n t h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dm u l t i - l i n e a rr e g r e s s i o n ，p r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o n a n dp a r t i a ll e a s ts q u a r er e g r e s s i o ni nt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s f i n a l l yn e a ri n f r a r e d s p e c t r a la n a l y s i sa p p l i c a t i o nm e t h o d si nt h eg a s o l i n ea r ee x p l a i n e dm o r ec o n c r e t e l y k e yw o r d s ：g a s o l i n eb l e n d i n g ，o c t a n en u m b e r , b l e n d i n gm o d e l ，o p t i m i z a t i o na n d c o n t r o l ，n e a ri n f r a r e ds p e c t r a a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生盘堂或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名：币孓毒饩寺签字日期：2 f 年2 = 2 - 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：佟衔亨 签字日期：2 厂年2 az 日 导师魏巧畸 签字日期：硝年- 月。1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽油调合的意义和重要性 随着现代汽车工业和石油化工产业的高速发展，汽油作为一种国家战略物 资，在国民经济发展中发挥着举足轻重的作用。石油资源的日益短缺与入类社 会发展对能源的大量需求已成为当今世界的主要矛盾之一，这也导致了国际原 油市场的动荡和油价的不断攀升，同时也使石油炼制企业面临一个共同的课题： 如何能够充分利用现有资源最大限度的降低成本，获得最佳的经济社会效益。 除提高工艺加工水平外，油品调合是解决该问题的有效手段之一。汽油作为炼 油厂最重要的产品，其产生的利润占一个典型炼油厂总利润的6 0 一7 0 。汽 油调合可以使燃油型炼油企业最大程度地利用石油炼制过程中产生的大量低成 本低标号汽油，与少量的高成本高标号汽油和添加剂等相调合，实施卡边控制， 以产生成本最低、效益最大的合格产品。这样不但能够减少低标号汽油的二次 加工费用，合理利用现有汽油组分，充分发挥各组分辛烷值的正调合效应，在 不增加成本的前提下提高成品汽油的辛烷值，同时可避免由于产品指标远高于 要求规格而造成的大量浪费。其次，汽油发动机性能的不断提高，也要求发动 机具有高速和高压缩比，以提高热效率，降低油耗和节约能源。对于高压缩比 的发动机，则要求使用抗爆性能更好的汽油，即高辛烷值汽油，它是一个国家 炼油工业水平和车辆设计水平的综合反映和标志之一。辛烷值是车用汽油的重 要质量指标之一，而汽油调合则是生产高辛烷值汽油的主要手段，它可以把炼 油过程中两种或鼯种以上的中间产品( 如直馏汽油、催化汽油、重整汽油等) 和添加剂按一定比例均匀混合成一种符合使用要求的高辛烷值汽油，可满足发 动机对汽油在燃烧时的抗爆震要求。 尤为重要的是，汽车尾气对大气的污染日益严重。并已成为城市的主要污 染源，严重威胁人类生存和社会发展。为保护和改善生态环境，治理尾气排放， 各国制定了越来越严格的环保法规和车用汽油质量标准，以实旃车用汽油的清 洁化进程。1 9 9 0 年美国国会通过了清洁空气法修正案( c a a a ) ，实施新配方汽油 ( r f g ) ，并于1 9 9 6 年1 月1 日全面禁止销售含铅汽油。欧洲1 9 9 8 年立法要求 2 0 0 0 年实施清洁汽油配方。1 9 9 8 年第三届世界石油大会上，美日欧等国家和地 第一章绪论 区联合发布了世界石油规范，提出了世界范围的汽柴油标准，将汽油分为三 个质量等级( 2 0 0 0 年又增加一个等级) 。我国也于1 9 9 8 年1 2 月颁布了“车用无 铅汽油”国家标准g b l 7 9 3 0 1 9 9 9 ，并于2 0 0 3 年1 月1 日在全国执行。中国石油 化工集团于2 0 0 0 年制定并颁布了城市车用汽油新标准q s h r 0 0 7 2 0 0 0 ，对 硫、烯烃、芳烃和苯的含量做了更严格的限制。 由于过去主要使用四乙基铅来提高汽油辛烷值。而汽车尾气中的铅对环境和 健康危害极大。同时为追求高辛烷值，汽油中往往含有较多的高辛烷值调合组 分，如烯烃、芳烃和挥发性较高的丁烷，并添加了少量的铅、锰化合物，但是 芳烃易加剧汽车气缸积碳，增加尾气排量，烯烃是一种不稳定物质，易在发动 机进油系统、喷嘴和气缸内产生胶质和沉淀，使发动机效率下降，含铅和锰的 汽油抗爆添加剂则有害于尾气转换催化荆，并对空气形成重金属污染。另外， 汽油中含有的硫、氮、氧等原子的化合物，燃烧产生s o x 、n o x ，不仅会污染大 气，并使汽车尾气转换器中的催化剂中毒并失去活性。汽油调合的意义在于， 可以通过实施先进的在线质量控制，在提高辛烷值的同时，使汽油的各项指标 满足国标中的各项要求，并实现经济效益和社会效益的最大化。 1 2 汽油调合在国内外的研究、发展和应用 早在五十年代，美国的几家石油公司就开始对汽油的调合过程予以重视， 对此做了各种有益的探索和研究，国内外学者也针对调合机理提出了一系列不 同的调合模型。在汽油质量指标方面，t 9 5 5 年n e l s o n 提出了调合汽油辛烷值的 线性组合模型，s c h o e n 和m r s t i k 基于两组分辛烷值和烯烃含量，导出了二元 图形关联法，用于预测二元体系的辛烷值“。；1 9 5 9 年s t e w a r t 在此基础上开发 了多组分调合模型，用于多组分汽油调合，获得了较为满意的效果”。；1 9 5 9 年 e t h y l 公司的h e a l y 等对调合汽油和各组分汽油的辛烷值水平与烃类类型的差异 进行了关联，提出了一个估算多元汽油调合辛烷值方程，此法长期占统治地位“。； 1 9 6 9 年a u c k l a n d 和c h a r n o c k 研究发现了一种线性调合的辛烷值指数法，由线 性调合指数得到调合辛烷值。”；i 9 7 5 年m o r r i s 等利用组分问的相互影响开发了 非线性关联参数调合模型，该模型是一个超越辛烷值的函数，有效关联了汽油 调合组分的辛烷值“”；1 9 8 1 年r u s i n 等提出了利用调合组分浓度及烯烃、芳烃 和烷烃含量预测汽油调合辛烷值的变换模型，该法采用三个变换，模型复杂程 度较高：1 9 9 2 年m u l l e r 提出了过量法，通过在线性组合模型后添加一个超出 2 第一章绪论 数预测调合辛烷值”。；1 9 9 3 年z a h e d 等根据试验数据，采用回归分析法得到了 一个具有五个独立变量的公式预测调合汽油的辛烷值”。；1 9 9 6 年t w u 等从烃类 混合物的混合机理出发，利用二元交互作用参数，提出了可用于多组分调合的 辛烷值模型，并于1 9 9 7 年提出了修正形式“”。；1 9 9 7 年国内陈新志基于溶液 混合过程中热力学性质的变化和局部组成的关系，建立了多元调合汽油的辛烷 值模型1 别。 在汽油经济效益和成本指标优化方面，一般主要采用了线性规划、非线性规 划、目标规划、多周期优化和实时优化等方法。 随着对汽油调合研究的不断深入以及科技的日新月异，汽油调合的发展也经 历了几个阶段。二十世纪七十年代中期，炼厂基本采用罐调合的方式，它通过 泵循环和机械搅拌方式将汽油组分按一定比例均匀混合成一种新的产品，缺点 是占用储罐数量多，调合时间长，油品损耗大，调合比例不准确。由于各组分 汽油间存在着复杂的调合效应，无法及时准确地确定调合产品辛烷值，从而导 致了重调次数增加，经济效益的下降。同时，为减少重调次数，传统罐调合一 般采用比较保守的配方，使调合后的成品油辛烷值指标远高于所要求的质量指 标，单位辛烷值的经济指标为每吨汽油6 _ - 7 美元，以5 0 0 万吨炼油厂为例，每 年都将损失数百万美元。 二十世纪七十年代后期，管道调合方法开始得到应用。但受当时的自动化 技术水平和计算机软硬件发展水平的限制，管道自动调合的应用状况并不理想： 调合的仪表控制系统较为简单，检测技术相对落后，无法及时精确地获得产品 指标并修正配方，单、双闭环的调合比例控制系统的精度有限。直到二十世纪 九十年代，随着计算机技术、检测技术和先进控制技术的迅速发展和大量应用， 尤其是化学计量学和近红外技术的成熟，以及先进控制优化软件的研发，使汽 油管道调合的在线优化和自动控制成为可能。1 9 9 0 年6 月英国林赛( l i n d s e y ) 炼油厂采用f o x b r o 公司的调合优化与监控系统( b o s s ) ，该系统的汽油调合优 化控制选用了i a s 系统，并与油罐计量系统相连，通过m i c r o v a x 机将d e s 与 炼厂信息网相连，同时使用了馏程、蒸汽压和辛烷值测定发动机等在线分析仪， 极大提高了控制精度。系统投用后，减少了质量偏差，降低了重调率，最大限 度地利用了廉价调合组分，极大地提高了经济效益，不到两年即收回全部投资 。西班牙r e p s o lp e t r o l e o 公司t a r r a g o n a 炼油厂于1 9 9 0 年完成了在线调合 多装置优化项目，特别适用于非线性特征的在线优化调合( 如燃料油和润滑油 的调合) 。利用d e s 实施调合比例控制，通过在线分析仪测定产品指标。法国 g e l s e nk i r o k e n 炼油厂也采用了类似的优化调合技术，实施了十七种调合组分 和九种指标的汽油调合优化。1 9 9 4 年英国b p 公司在法国的l a v e r a 炼油厂通过 3 第一章绪论 d c s 将在线近红外分析仪的实时测量值传递给多元控制软件，对汽油调合生产实 行闭环反馈优化控制，使成品油的辛烷值富余量从0 6 个单位下降至0 3 个单 位，年效益2 0 0 万美元。1 9 9 6 年波兰最大的燃料油生产厂p k no r l e n 建成了一 套汽油调合装置( g b u ) ，使用了一套较为复杂的自动调合与优化系统，每年节 约费用3 0 0 4 0 0 美元。“。1 9 9 7 年美国太阳石油公司位于加拿大的s a r n i a 炼油 厂投用了一套实时调合优化系统，该系统采用了a s p e n 技术公司的d 多变量 模型预估控制技术，对汽油调合的2 0 项产品指标中的8 项实行在线实时测定和 计算，整个调合优化系统的收益达到每立方米0 5 加元。2 0 0 1 年瑞典p r e e m 公司歌德堡炼油厂为提高油品调合操作水平和经济效益，满足欧洲日趋严格的 产品规格要求。投用了a b b 公司提供的先进调合控制系统( a b c ) ，该系统可实 现在线优化，降低了调合成本和生产时间，提高了调合效率，调合出2 0 多种1 0 0 个规格满足欧洲不同国家标准产品，以5 0 0 万吨年加工量计算，每年可节约开 支3 0 0 万美元以上“。目前，国外对汽油、柴油、润滑油的生产基本上已全部 实现管道调合，中间不设组分罐，由装置馏出口的在线仪表控制组分质量，直 接进入管道调合系统，通过在线分析组分、成品的各项主要指标，使用先进的 优化控制技术，使油品一次调合合格。 与国外相比，我国国内的汽油管道调合起步较晚，发展也较为落后。下面 对我国汽油调合的应用情况做简要回顾。1 9 8 7 年长岭炼油厂利用自己研制的 z x w 一1 1 型在线汽油辛烷值分析仪，与常规仪表及具有微处理器的p k m 智能调节 器，组成了质量、比值与数学模型相结合的汽油辛烷值管道自动调合系统，在 当时取得了良好的效果和经济效益。1 9 9 2 年大连西太平洋石油化工公司在国 内最早引进了在线近红外分析仪用于汽油调合系统，但由于缺乏配件和模型， 系统安装后长期未能启用。1 9 9 5 年原中石化兰州炼油化工总厂在汽油调合装置 启动了汽油在线调合项目，1 9 9 8 年完工。该管道调合系统选用了美国u o p 公司 的m o d e l 3 1 0 近红外分析仪和h o n e y w e l l 公司的s 9 1 0 0 e 控制器及其p c s 控制软 件包，自行开发了汽油在线调合优化控制系统，较好地解决了汽油在线调合过 程中的辛烷值控制及优化问题，在当时取得了较好的经济效益；辛烷值富余量 0 5 个单位，直馏组分用量由5 提高到2 1 “。1 9 9 3 年中石化镇海炼油化工 股份有限公司启动了在线汽油自动调合项目，1 9 9 5 年建成，投用并短期运行后 停用。2 0 0 2 年9 月重新起用至今。该系统是浙江大学工业控制技术研究所开发 的在国内第一套成功投用的汽油管道自动调合系统，主要由a s t m - c f r 发动机的 8 1 5 4 型在线辛烷值分析仪表、似l 集散控制系统、调节阀和常规检测控制仪表 组成。投用后，成品汽油辛烷值富余量不高于0 2 个单位，提高了一次调合成 功率和储罐利用率，经济效益显著。但8 1 5 4 型c f r 辛烷值分析仪投资和维护费 4 第一章绪论 用高，检测指标单一，无法在线分析烯烃、芳烃和苯含量，无法完全满足当前 汽油调合的质量指标要求“。中石油大连分公司于2 0 0 2 年6 月启动了汽油在线 调合及油品移动自动化项目，并于2 0 0 3 年1 2 月正式投用。该系统采用了 h o n e y w e l l 自动控制和优化技术，并选用近红外( n i r ) 分析仪和核磁共振( n m r ) 在线分析仪，一次调合成功率大于9 0 $ ，调合辛烷值偏差小于0 3 个单位。 中石化洛阳分公司和天津分公司于2 0 0 4 年建成了汽油在线调合优化控制系统， 汽油辛烷值富余量不大于0 3 个单位，经济效益显著”。 1 3 近红外( n ir ) 技术的发展及其在汽油在线调合中的应用 早在二十世纪初，人类就首次获得了有机化合物的近红外( n i r ) 光谱，并 对有关基团的光谱特征做出解释。五十年代以前，近红外光谱的研究仅限于实 验室中；五十年代中后期，随着简易型近红外光谱仪的出现，近红外光谱技术 才开始在实际中应用。但此后仅停留在农副产品等传统领域，直到八十年代后 期，随着化学计量学方法的广泛应用，近红外光谱分析技术才作为一门独立的 分析技术，得到迅速发展及推广，而两者与计算机技术的最新发展相结合，更 推动了近红外技术的长足发展，使用广泛而深入。 近红外光谱分析技术在石油化工领域的应用始于1 9 8 9 年，k e ll y 等人在短 波近红外区域采用偏最小二乘法测定汽油辛烷值，预测标准差为0 4 - 0 5 “”。 该法与a s t m 方法相比，具有分析速度快，操作方便和可同时测量汽油的多种参 数等优点。这些技术很快被应用于石油炼制工业中，而九十年代中期与光导纤 维的结合，则实现了石油加工过程的在线控制分析。近年来，国际国内主要大 型现代化石油炼制企业纷纷采用n i r 在线分析技术来监控炼油工艺，优化生产 过程，带来了巨大的经济效益。二十世纪九十年代以来，近红外在线分析技术 在汽油调合领域获得了成功的应用。1 9 9 4 年b p 石油公司在法国的l a v e r a 炼油 厂采用在线n i r 分析控制系统，通过多变量调合控制软件a n a m e l 实施闭环控制， 有效地解决了多组分新配方汽油的优化调合，实时测量7 种指标，测量间隔仅 为4 5 秒，辛烷值偏差仅为0 3 个单位，年效益2 0 0 多万美元。西班牙e s p a n o l a 石油公司( c e p s a ) 的计算机汽油调合系统，采用在线n i r 分析仪检测r o n 、m o n 、 r v p 和馏程，r o n 、m o n 的平均富余量降到0 1 和0 1 6 ，r v p 降到0 2 3 b a r ，取得 了较好的经济效益。美国a s l a n d 石油公司也成功地将n i r 分析仪用于s t p a u l p a r k 炼油厂的汽油调合闭环反馈控制，在线n i r 分析仪测量的辛烷值总误差小 第一章绪论 于0 2 个单位，大大低于在线爆震发动机系统的误差。1 9 9 6 年波兰p p s a 石化公 司建成了一套汽油调合装置，该汽油调合自动控制和优化系统使用的是a b b 公 司技术和设备，其在线n i r 分析仪实时检测8 种质量参数，每年节约3 0 0 4 0 0 万美元。韩国s k 公司有一个专门研究近红外技术用于石化过程控制小组，在s k 公司几乎所有的大型炼油和化工装置都配备了在线n i r 分析系统，与先进过程 控制( a p c ) 系统相结合，实现了装置的实时优化控制，r o n 富余量从0 5 降至 o 2 个单位，蒸汽压最大变化控制在4 k p a ，优化使用了各调合组分，节省了罐 容资源和化验室分析费用，年收益2 0 0 多万美元“。近红外技术在国内的应用 也在逐步扩大和深入。1 9 9 8 年原兰州炼油化工总厂选用了美国u o p 公司 m o d e l 3 1 0 型n i r 分析仪，用于汽油管道在线优化自动调合控制系统，投入运行 仅十几分钟，调合产品辛烷值就达到了目标辛烷值的o 5 个单位，获得了极佳 的经济效益“。1 9 9 7 年以来，中石化福建炼油化工有限公司与浙江大学工业控 制技术研究所合作，建立了汽油管道自动调合先进控制系统，该系统采用了美 国l t i n d u s t r i e s 公司的在线n i r 分析仪系统，分析精度达0 3 个辛烷值单位， 可实现多种性质地实时测量，有效地解决了多组分汽油的优化调合问题。2 0 0 3 年建成的中石油大连分公司的汽油在线调合及移动自动化系统，2 0 0 4 年建成的 中石化洛阳分公司和天津分公司的汽油在线优化调合控制系统，尽管选用了不 同厂家的控制系统和在线n i r 分析仪，但都获得了较为满意的调合效果和较好 的经济效益。 综上所述，采用近红外光谱分析技术，具有很大的优越性：1 分析滞后小， 检测速度快，同时测量多参数，一台近红外光谱分析仪可在几秒钟或卜2 分钟 内测定十几种质量参数( 如汽油的辛烷值、蒸汽压以及烯烃、芳烃、苯、硫等 含量) ；2 可连续测量，且不损耗样品，可替代大量化验室分析；3 易于实现在 线质量控制，可提高产品质量，降低化验费用，增加经济效益。 1 4 本文的研究内容与结构 本文主要研究了汽油调合系统的组成、建模及优化控制，并对近红外光谱分 析技术在汽油调合中的应用做了较为全面深入地介绍，最后以华北某炼油厂油 品罐区的一个实际的汽油调合系统为例作了迸一步的分析和阐述。 按研究内容，具体篇章结构如下：第一章绪论，介绍了汽油调合的意义、 重要性和其发展应用情况以及近红外技术在调合中的应用情况；第二章汽油调 6 第一章绪论 合的原理及其系统组成研究，着重研究了调合的物化原理和调合系统的软硬件 结构；第三章汽油调合系统的模型研究，着重介绍了调合中常用的辛烷值和蒸 汽压模型，并对验证模型精度的仿真方法做了简要说明；第四章汽油调合系统 的优化控制研究，按照调合系统的分层结构，着重研究了汽油调合中普遍应用 的离线和调度优化、在线实时优化和控制和常规控制原理和方法；第五章近红 外分析技术在汽油调合中的应用研究，介绍了近红外光谱分析的基本理论和主 要应用技术，并对其在汽油调合中的实际应用作了详细的研究；第六章汽油调 合的实例研究与总结，介绍和分析了一个汽油调合系统的应用实例，并对本文 作出总结和综述。 本文的最大特色就在于，不但全面研究了调合模型和调合中经常应用的主 流优化控制技术，而且将目前最新的检测技术一近红外光谱分析技术和化学计 量学方法与其紧密结合，对于推动先进优化和控制技术在汽油调合中应用的理 论研究具有现实的意义。 第二章汽油调合的原理及其系统组成研究 第二章汽油调合的原理及其系统组成研究 2 1 汽油调合的原理 2 1 1 汽油调合的基本概念及方式 在石油炼制生产过程中，把两种或两种以上基础组分油与各种添加剂按一 定比例均匀混合，而成为一种新产品的过程称为调合。油品调合主要是指汽油、 柴油、润滑油以及原油等的调合。 汽油调合是炼厂利用生产的各种汽油组分，按某种比例配方和添加剂均匀 混合，得到符合质量标准的汽油产品的过程。它是汽油成品出厂的最后一道工 序和炼厂生产成品油的最后一个环节，也是保证汽油质量指标满足环保和质量 规格要求的重要手段，调合效益在生产企业的经济效益中占有举足轻重的地位。 目前，汽油的调合方法按调合工艺划分，主要有罐式调合和管道调合两种。 其中，罐式调合可分为泵循环喷嘴罐调合和机械搅拌调合，管道调合则分为间 歇批量管道调合和连续管道调合。按控制方式来分，主要有离线调合和在线调 合两种方式。罐式调合是指把需要调合的各组分油、添加剂等按一定的调合比 例，分别送入调合罐内，再用泵循环、电动搅拌或风搅拌等方法，将它们均匀 混合成为一种产品。由于泵循环更适用于调合比例范围变化较大，批量较大和 中低粘度的油品调合，因此它是汽油罐式调合普遍采用的方式。 这种调合方法不但要大量占用昂贵的中间组分罐和调合罐，而且调合时间 长，油品损耗大，能源消耗多，调合比例不准，质量也无法得到保证。而由于 产品不合格进行重调或指标过于保守而产生的浪费，都将极大地增加调合成本， 降低企业的经济效益，损害企业的竞争力。 管道调合是二十世纪七十年代后期发展起来的一种较为先进的方法，它是 将参调的各组分和添加剂按一定的比例和质量指标，同时送入总管道，并经混 合器均匀混流，调合成满足质量要求的成品油。管道调合适用于大批量调合， 易于实现仪表自动化控制，因此通常采用自动调合方式，即利用自动化仪表控 制各参调组分的流量，采用先进的在线分析仪表控制成品油的质量指标，以达 到自动调合的目的。这种方法的特点是：适用于连续生产，油罐占用少，调合 8 第二章汽油调合的原理及其系统组成研究 时间短，油品损耗小，节约能源，调合比例精确，产品质量临界合格，提高了 一次调合合格率，减少了质量过剩，是目前广泛采用的汽油调合方式。其中， 间歇批量管道调合是将各组分油送入各组分罐，经化验分析合格后，按一定的 比例输入至调合管道，达到要求的调合量后停止调合。连续管道调合是将各装 置生产的组分油直接进入词合管道，混合均匀后进入成品油罐。 离线调合和在线调合是对汽油调合实施控制的两种主要方式。离线调合是 指通过化验采样分析各组分及成品油的性能指标，根据生产调度以及产品的质 量和效益指标，计算并确定参调组分的最佳流量和混合比，并通过人工给定调 合比例的手动操作，或半自动化操作对调合过程实施控制。在线优化是指采用 在线质量分析仪实时检测各项质量指标，并将分析结果送至调合控制器，调合 控制器根据预先设定的控制策略实时控制和优化各调合组分的配比，同时考虑 实际生产中各调合组分的产量和组分泵输出能力的限制，完全实现自动化操作， 在满足汽油质量指标的前提下，完成调合成本最低或效益最优的目标。这两种 方式的基本目标是一致的，即使调合效率最高，成本最低，质量最好且不过剩。 由于离线调合无法对由于上游工艺条件变化而引起的汽油质量指标的变化及时 地做出相应调整，而在线调合则具有实时性和自适应性，它比离线调合在解决 质量过剩最小，调合成本最低和提高一次调合成功率等方面拥有更大的优势， 也是汽油调合未来发展的主要趋势。 2 1 ，2 汽油主要的化学组成、质量性能指标及相应标准 汽油是一种重要的燃料油，主要用于汽化器式发动机或点燃式发动机( 即 汽油机) 。它主要是由不同的烃类化合物( c 5 - c 1 1 ) 构成，其中包括链烷烃、环 烷烃、烯烃和芳香烃等。此外，汽油中还含有硫、氮、氧和少量金属元素等非 烃化合物。汽油一般分为车用汽油和航空汽油。 车用汽油的主要质量性能指标和使用要求如下： 抗爆性 抗爆性是指汽油在发动机汽缸内燃烧时抵抗爆震的能力，它反映了汽油在汽 缸中的一种燃烧性能，是汽油的最重要性能指标之一。汽油发动机正常工作一 般要经过进气、压缩、点火和排气四个过程。当发动机的压缩比较高，而汽油 质量较低( 即抗爆性较差) 时，汽缸内的压力和温度都比压缩比低时要高，被 压缩的可燃性混合气体点火后，尚未燃烧的混合气受已燃烧气体的高温高压的 影响，生成过氧化物提前燃烧，形成高速气体冲击波撞击在活塞和气缸壁上， 发出金属敲击声，即形成了爆震现象。爆震燃烧不仅会缩短发动机寿命，还会 9 第二章汽油调合的原理及其系统组成研究 导致发动机功率下降和耗油量增大。 汽油的抗爆性一般用辛烷值( o n ) 来表示。汽油的辛烷值越高，其抗爆性 就越好。测定汽油抗爆性能的方法主要有马达法( m o n ) 和研究法( r 咪) 。马达 法辛烷值是表示发动机在高温( 1 4 9 ) 和高转速( 9 0 0 r m i n ) 下汽油的抗爆性 能，测定时遵循标准为g b t5 0 3 - 1 9 9 5 或a s t md 2 7 0 0 - 9 4 ；研究法辛烷值是发动 机在低温和低转速( 6 0 0 r m i n ) 下汽油的抗爆性能，测定时遵循g b t 5 4 8 7 - 1 9 9 5 或a s t md 2 6 9 9 9 2 。目前，我国常用的汽油牌号9 0 号、9 3 号、9 5 号、9 7 号和 9 8 号，是按照汽油研究法辛烷值来划分的。另外，也常常用抗爆指数p o n = ( m o n + r o n ) 2 和抗爆敏感性( r o n - m o n ) 来表示抗爆性，美国现行车用汽油标 准就采用抗爆指数来表示车用汽油牌号和抗爆性。 提高汽油辛烷值的途径主要有以下几种：工艺法、调合法和添加剂法。工 艺法就是提高和改善工艺加工水平，采用催化裂化、催化重整、烷基化和异构 化等改变汽油的化学组成，增加辛烷值较高的异构烷烃和芳香烃含量；调合法 是将不同辛烷值水平的组分油进行调合，以改善成品油的抗爆性能；添加剂法 是在成品油中加入少量抗爆剂来提高其辛烷值。 蒸发性( 汽化性) 馏程和蒸汽压是评价汽油蒸发性能的主要指标。它表示汽油在进入发动机汽 缸前，在汽化器中蒸发是否完全，与空气是否均匀混合，它直接决定了发动机 的工作稳定性和耗油量。 汽油馏程采用恩氏蒸馏法进行测定，遵循g b t6 5 3 6 标准。主要测定汽油 的初馏点，l0 9 6 、5 0 、9 0 馏出温度和干点或终馏点，各点温度与汽油的使用性 能关系密切。初馏点和1 0 馏出温度反映了发动机的加速性和平稳性，9 0 馏出 温度和干点表示汽油在汽缸中完全蒸发的程度。各点温度过高，都将对发动机 产生消极影响。 汽油的蒸汽压也称饱和蒸汽压，是指汽油在某一温度下形成饱和蒸汽所具 有的最高压力。常用雷氏蒸汽压( r v p ) 表示，按g b t8 0 1 7 标准进行测定。它 表示汽油的蒸发性能和在进油系统中形成气阻的可能性。汽油的蒸汽压过大， 说明汽油中轻组分含量过多，在输油管路中就会蒸发，形成气阻，中断供油， 使发动机停止工作。 安定性 汽油的安定性一般是指其化学安定性，它表明了汽油在储存中的抗氧化能 力。汽油的安定性与其化学组成有关，当汽油中含有大量的不饱和烃，特别是 二烯烃，在储存和使用过程中极易氧化，使汽油颜色变深，生成胶状沉淀( 胶 质) 。胶质在低温下会堵塞油路，高温下会变成积碳引起爆震，这些都会破坏发 1 0 第二章汽油调合的原理及其系统组成研究 动机的正常工作。 一般地，车用汽油的规格指标中用实际胶质和诱导期来评价汽油的安定性。 胶质是指在规定条件下测得的发动机燃料的蒸发残留物。诱导期是指在规定的 加速氧化条件下，油品处于稳定状态所经历的时间周期，它是评价汽油在储存 期间发生氧化和形成胶质倾向的一个重要指标。通常实际胶质含量越少，诱导 期越长，汽油的安定性就越好。改善汽油安定性的方法主要是在适当精制的基 础上添加抗氧化剂。 r 腐蚀性 汽油的腐蚀性表明了汽油对金属的腐蚀性。汽油的主要成分烃类，对金属 无腐蚀作用。但非烃类物质，如硫及含硫化合物、水溶性酸碱、有机酸等，都 对金属有腐蚀性作用。评价汽油腐蚀性的指标有酸度、硫含量、铜片腐蚀、水 溶性酸碱等。 我国车用汽油的规格变迁大致可概括为五个阶段：含铅、低铅、高标号、无 铅和清洁汽油。目前，我国车用汽油的标准主要有两种：1 质量技术标准：国 家质量技术监督局发布的g b1 7 9 3 0 - 1 9 9 9 车用无铅汽油国家标准和中石化集 团发布的q s h r0 0 7 2 0 0 0 城市车用汽油标准；2 环境保护标准：国家质量 技术监督局发布的g b1 4 7 6 1 - 1 9 9 9 汽车排放污染物限值及测试方法，国家环 保局发布的g w k b0 0 1 1 9 9 9 车用汽油有害物质控制标准和h j t 清洁生产 标准石油炼制行业。其中，车用无铅汽油国标针对汽油的各项质量性能指 标都做出了较为严格详细的规定，对于保护环境和指导生产具有重要的现实意 义，同时也是汽油调合整个过程所必须考虑和遵循的主要法规( 调合的各项质 量限制条件均源于此) ，具体指标如表2 一l 。 第二章汽油调合的原理及其系统组成研究 表2 - ig b1 7 9 3 0 1 9 9 9 车用无铅汽油技术要求2 3 1 壁量麴曼2 曼箜曼 ron90汹3两5 抗爆指数琊潲瑚 铅含量，g l 。 锄0 0 5 馏程， l o ，5 0 9 0 ，终馏点 残留鼍 蒸气压k p a - - 7 0 0(4-08) 3 求解方法 一般说来，离线优化只是在调合启动阶段给系统确定配方初始值，并以此 作为在线优化的基础，所以对调合指标的精确度要求并不高，采用线性质量模 型按线性规划问题求解即可，其精确度可由在线优化予以保证。对于线性规划 问题，一般采用单纯形法求解。其步骤如下： ( 1 ) 先将非标准形化为标准形，当目标函数为求极小值时，可令二= 呻， 则目标函数化为求极大值m a x z = 一c ，同时将等式或不等式右端都化为大 = 予零的项，再通过增加松弛变量将不等式化为等式； ( 2 ) 建立单纯形表，求初始基可行解； ( 3 ) 最优解检验； ( 4 ) 多次迭代求出最优解。 从单纯形表的最终结果中，既能得到最优调合方案，还可以进行灵敏度分 析，发现各变量对目标函数的影响。灵敏度反映了变量每增加一个单位，目标 函数所增减的数量。对于单纯