（控制理论与控制工程专业论文）石化装置仿真培训系统的开发及质量软测量研究.pdf

石化装置仿真培训系统的开发及质量软测量研究 黄国勇( 控制理论与控制工程) 指导教师：田学民教授 摘要 近年来，计算机仿真培训系统在各个行业得到了迅速的发展，在化 工领域尤为突出。溶剂脱沥青及减粘裂化装置是华北油田公司的新建项 目，该类装置在国内数量不多。新装置、工艺复杂、操作难度大、要求 高，因此开发一套仿真培训系统对确保生产装置的成功开车和平稳高效 运行具有重要的意义。通过仿真培训软件，学员可以在培训中得到动手 锻炼的机会，而且还能体验到难得的开停工及事故处理的操作过程。在 前人工作的基础上，应用化工动态学原理，建立了溶剂脱沥青及减粘裂 化装置的机理模型，并针对仿真培训系统的需要进行必要的合理简化、 扩展及完善，使得正常工况下的模型能适应开工、停工等大范围非线性 过程的仿真培训系统要求。为了能增强系统的可维护性、可复用性及可 理解性，对仿真培训系统采用软件工程学中面向对象的设计方法，并引 入u m l 来辅助设计开发。 针对实际生产过程中难以测量的重要过程变量( 租汽油干点) 展开 质量软测量建模研究。分别采取了机理建模预测关键辅助变量然后结合 神经网络建立粗汽油干点软测量模型：利用主元分析( p c a ) 降低数据 维数后结合b p 神经网络建立粗汽油干点软测量模型：利用多神经网络 的动态特性尝试建立粗汽油干点软测量的动态模型。利用实际生产数据 建模结果显示三种方法都具有一定的可行性。建模结果显示，多神经网 络的建模方法具有较好的效果。 关键词：仿真培训动态模型软测量建模神经网络 i i t r a i n i n gs i m u l a t o r o fp e t r o c h e m i c a lp l a n ta n d s o f ts e n s i n gm o d e l i n gf o rp r o d u c tq u a l i t y h u a n g g u o y o n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le 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 rt i a nx u e - m i n a b s t r a e t c o m p u t e rs i m u l a t i n gt r a i n i n gs y s t e mh a sd e v e l o p e df a s t i ni n d u s t r y ， e s p e c i a l l yi nc h e m i c a le n g i n e e r i n g s o l v e n td e a s p h a l f i n ga n dv i s b r e a k i n g u n i t sa r en e wp r o j e c t so fh u a b e io i l f i e l dc o m p a n y t h eo p e r a t i o n sa r es o c o m p l e xa n d d i f f i c u l tt h a ti ti s g r e a ts i g n i f i c a n t t o d e v e l o pc o m p u t e r s i m u l a t i n gt r a i n i n gs y s t e m ，m i l c hc a ne n s u r es u c c e s s f u ls t a r t u pa n ds t a b l e h i g he f f i c i e n c yo p e r a t i o n b ys i m u l a t i n gt r a i n i n gs y s t e m ，t r a i n e ec o u l dh a v e t h ec h a n c et oe x p e r i e n c en o r m a la sw e l la sa b n o r m a lo p e r a t i o np r o c e s s ，s u c h a ss t a r t u p s h u t d o w na n da c c i d e n t a lt r e a t m e n t m e c h a n i s mm o d e lo fs o l v e n t d e a s p h a l t i n ga n dv i s b r e a k i n gu n i t si se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fc h e m i c a l p r o c e s sd y n a m i c s p r i n c i p l e s ，s i m p l i f i e da n di m p r o v e dt os a t i s f yl a r g es c a l e n o n l i n e a rp r o c e s ss u c ha ss t a r t u pa n ds h u t d o w n i no r d e rt oi m p r o v es y s t e m m a i n t a i n a b i l i t y ，r e u s a b i l i t y a n di n t e l l i g i b i l i t y , s i m u l a t i n gt r a i m n gs y s t e m i n t e g r a t e so b j e c t o f i e n t a t i o np r o g r a md e s i g na n du m l f o ri m p o r t a n tp r o d u c tq u a l i t yv a r i a b l e ，s u c ha sn a p h t h a sd r yp o i n t ， w h i c hi sd i f f i c u l tt om e a s u r ei nr e a lp l a n t ，s o f ts e n s i n gm o d e l i n gi ss t u d i e d t h r e em e t h o d sa r ec a r r i e do u t ，o n em o d e li se s t a b l i s h e db yi n t e g r a t i n gn e u r a l n e t w o r ka f t e rm e c h a n i s mm o d e li su s e dt op r e d i c tm a i ns e c o n d a r yv a r i a b l e s ， i i l t h es e c o n dm o d e li se s t a b l i s h e d b yi n t e g r a t i n g n e u r a ln e t w o r kw i t h p r i n c i p a lc o m p o n e ma n a l y s i s ( p c a ) w h i c hi sat e c h n i q u et h a t c a nb e u s e dt os i m p lif yad a t a s e t ，t h et h i r dm o d e lm a k eu s eo f m u l t i n e p a l n e t w o r k s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e s u l t ss h o wt h a tm u l t i n e u r a l n e t w o r km o d e l i n gh a sg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：s i m u l a t i o nt r a i n i n g ，d y n a m i cm o d e l ，s o f ts e n o rm o d e l i n g , n e u r a ln e “v o “( 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 文中不包含其他人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：茎亟氨伽p 莎年f 月纠日 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) 学生签名：董盈重，印6 年f 月训日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 石油炼化生产日趋高度集中化、复杂化；自动化程度越来越高；装 置高度复杂且昂贵。而另一方面，在保证安全生产的前提下，改善操作 控制以获得经济效益是每个企业的强烈愿望。这一切都向现场操作人员、 仪表工人、管理人员和工艺技术人员提出了更高的要求。操作失误带来 的损失将是十分惨重的。因此，人员培训一直是企业生产活动的重要环 节。传统作法是直接在生产装置上进行培训，这种现场培训方式存在许 多无法克服的缺点。而仿真培训系统，以其通过提供近似于真实的操作 环境和操作工况，模拟不经常出现且又至关重要的开工、停工、故障等 非稳态过程，克服了工人在生产现场动手机会少的缺陷，有利于培养操 作人员技术素质；同时可用于探索新装置开车方案、事故分析、生产优 化可行性分析、工艺及自控技术改造方案研究等。近年来，采用仿真培 训软件对员工进行全方位的培训，越来越受到企业的重视。 仿真培训软件的设计开发是一个复杂的系统工程，传统的面向过程 的软件设计方法把数据与功能函数分离，在模块划分上有较大随意性， 设计开发过程的可重用性差。面向对象编程，是继过程化编程( p r o c e d u r a l p r o g r a m m i n g ) 之后，软件技术发展的一大里程碑，利用它，可以把庞大 而复杂的软件系统抽象分解成若干个易于重用的对象部件。在系统方面， 面向对象的体系结构可以从更高的角度，清楚地描述系统中相互关联的 部件。将软件工程学中的组件设计思想引入其中，以便在系统的设计与 开发中实现软件的复用，从实质上提高同类系统开发的效率。组件的设 计与开发便是其核心和关键。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 华北油田公司8 0 万吨溶剂脱沥青及4 0 万吨减粘裂化装置，因其工 艺流程复杂、操作条件苛刻而且该企业初次上马此类装置，企业急需建 立一套本装置的d c s 仿真培训系统，提高操作人员的素质与技能。 本论文是针对这一需求，开发了华北油田公司8 0 万吨溶剂脱沥青及 4 0 万吨减粘裂化装置的d c s 仿真培训系统。主要针对溶剂脱沥青装置 及减粘裂化装置动态数学模型的算法和技术、同类软件系统的可重用性 的研究。 在保证产品质量的前提下，追求最高产率是生产的主要i t 标。目前 许多大型石油化工企业将先进控制和优化控制应用于生产过程中，首先 遇到的难题就是产品质量的在线估计。在多元精馏塔先进控制系统中， 产品质量控制需要将各产品质量指标( 如汽油干点、柴油凝点、倾点等) 作为被控变量加以测量控制。为了实现质量闭环控制，质量反馈信号是 必不可少的。且前国内普遍采用的离线化验分析因其采样周期长( 4 8 小时) ，实时性差，无法直接实现质量闭环控制。在线质量分析仪表虽 然运行稳定、精度较高，但由于其价格昂贵、测量滞后大、在线维护保 养困难，因此也很少用于闭环控制。近年来，随着微处理机的出现和计 算技术的发展，出现了软测量技术，并得到了迅速的发展。以软件的方 式构造“软”传感器实现产品质量的在线检测与控制已经为企业带来的 可观的经济效益。 基于以上目的本文在化工装置仿真培训系统的设计与开发，粗汽油 千点的软测量建模方面展开了研究，各章节内容安排如下： 第一章介绍石化仿真培训系统开发的且的意义及背景：介绍质量软 测量技术的研究意义。 第二章对石化仿真培训系统的开发研究情况作一介绍。概述质量软 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 测量技术，重点介绍神经网络技术在软测量中的应用。 第三章介绍溶剂脱沥青及减粘裂化生产的装置及工艺流程，针对溶 剂脱沥青及减粘裂化生产过程采用动态机理结合经验进行建模。 第四章介绍f c c u 主分馏塔工艺，针对f c c u 主分馏塔租汽油干 点进行软测量建模，并就利用神经网络建模问题进行探讨。 第五章针对如何有效提高同类系统开发的效率，引入了软件工程学 中的设计思想，探讨用u m l 辅助仿真培训系统的设计与开发。最后介 绍了仿真培训系统的开发情况。 第六章结论。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章石化仿真培训系统和软测量概述 第2 章石化仿真培训系统和软测量概述 2 1 石化仿真培训的研究概述 从2 0 世纪4 0 年代开始，美国最先把仿真技术应用到航空航天和军 事领域的人员培训方面，随后仿真技术逐步开始应用于过程工业领域。 七十年代以来，随着科学技术日新月异的发展，在西方工业发达国家中， 针对电力、石油化工等过程工业的仿真培训器的研制和开发逐步进入成 熟期。我国的石化仿真技术研究始于8 0 年代，最先由中国石化总公司有 关部门开始下力着手仿真培训系统的应用，一方面从国外引进成套仿真 培训系统，另一方面，投资进行开发。8 0 年代以前我国还不能自行研发 化工过程仿真培训器，在1 9 8 7 年北京化工学院与中国石化燕山公司联合 研制开发出国内第一套基于微机的仿真培训系统后，中国石化领域的仿 真技术应用开始进入自己研制开发的新局面。1 9 9 2 年开始石化仿真培训 系统真正得到广泛的应用。 石化仿真培训系统的操作环境早先是仿模拟仪表盘，近年来随着国 内外石油化工领域集散控制系统( d c s ) 的大量投用，石化仿真培训系 统的操作环境又转向仿d c s 操作站，从目前的文献来看，仿模拟仪表盘 操作环境的系统近年来鲜有报道。仿真系统的软件结构也逐渐工程化， 发展为通用型环境结构【6 0 1 ，根据应用比较成功的系统结构特点，可将仿 真系统分为操作环境子系统、教师指令功能子系统和工艺数学模型子系 统。而仿真规模逐步由单纯的单元设备向全流程方向发展，近年来开发 的石化仿真系统几乎都有真实的工业背景，工艺流程、设备结构和自控 方案都来源于实际。从文献及实际来看，目前操作环境子系统和教师指 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石化仿真培训系统和软测量概述 令功能子系统已有不少成功的开发平台，这主要是因为这两部分的功能 相对比较固定，较容易实现平台化开发；但是，工艺数学模型子系统的 研制大都停留在按具体任务开发的水平上，目前还鲜有成功的仿真建模 开发平台的产品1 6 0 。对于工艺数学模型子系统的研制具有较大的灵活性， 开发难度较大，对系统的抽象也较困难，因此研制过程大多依靠人工建 模，然后通过传统编程来实现，这样就势必造成重复开发相近的模型， 工作量大，开发周期长，开发费用增加了，而且随着系统开发规模及数 量的增加，系统的维护使用也变的极不方便。虽然目前各种化工仿真培 训系统的开发平台也繁多，但即使是同一家开发单位也没有一套统一的 可组态的开发系统软件，不利于推广应用，不适合当今技术发展潮流。 要形成大规模的开发，统一的可组态的平台化开发技术是关键，本文正 是在这方面开展工作，做了一些探索。 2 2 软测量技术概述 7 0 年代，b r o s i l l o w 提出了软测量的基本思想和方法 6 】，根据比较容 易测量的过程辅助变量，通过数学模型运算，得到所需的不易直接测量 的过程主要变量，并估计和克服不可测扰动对其的影响。8 0 年代中后期， 软测量技术作为一个概括性科学术语被提出。软测量技术也称为软仪表 ( s o f ts e n s o r ) 技术，所谓软测量技术就是通过建立易测量的过程变量 ( 如：温度、压力、流量等) 与难以直接测量的主要过程变量( 如：粗 汽油干点、柴油凝点、产品收率等) 之间的数学关系一软测量模型( s o f t s e n s o rm o d e l ) ，然后利用易测量的过程变量，通过模型运算等方法获得 难以直接测量的主要过程变量，就相当于一种软件传感器。通过软测量 技术能实时获取生产过程中的难以直接获取但又非常重要的过程变量， 为优化控制与决策提供可能，而且可靠的软仪表可以避免昂贵的设备费 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石化仿真培训系统和软测量概述 用。在大型企业中，将软测量技术融合在现代化的生产管理中对提高企 业的生产效率和市场竞争力非常有意义。目前在世界范围内已经掀起了 软测量技术的研究热潮。 软测量技术主要包括辅助变量选取、输入数据预处理、软测量模型 建立和在线校正等技术。其中软测量模型的建立方法是软测量技术研究 的核心。 在许多工程师提出的设计方法基础上，总结得出以下设计步骤1 8 】， 以便系统实现软测量。 ( 1 ) 机理分析、选择辅助变量。 ( 2 ) 数据采集和预处理。 ( 3 ) 建立软测量模型。 ( 4 ) 设计校正模块。 ( 5 ) 在装置上实现软测量。 ( 6 ) 评价软测量。评价该软测量模型是否满足工艺要求。如果不 满足，分析原因后重复以上步骤，重新设计软测量。 此外，近年来国外的一些公司以商品化软件的形式推出了不少软测 量仪表，已经广泛应用于实际生产过程。但这些软件价格昂贵，国内引 进不多。因此，进行软测量仪表的研究具有很强的实际意义。 2 3 软测量建模方法 目前，软测量技术建模的方法主要包括：机理分析方法、回归分析 方法、状态估计方法、模式识别方法、人工神经网络方法和模糊数学方 法等【7 ，8 一。对于f c c u 分馏塔粗汽油干点建模多数采用基于数据进行辨 识的方法，该法只要求建模者具备简单的工艺机理、建模简单、快速， 在具备大量翔实的工业数据时，才能保证其模型是较为可靠的、准确的。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石化仿真培训系统和软测量概述 但是这类模型的抗干扰能力及模型适应性较差，因为工艺上可能不允许 操作条件作大幅度变化，当装置的非线性较强，而选择建模数据的变化 区域过窄，不仅所得模型的适用范围不宽，而且测量误差亦相对上升， 模型精度成问题。还有模型对数据的依赖性较强，数据采样与产品分析 必须同步进行。在基于数据辨识分析方法中，基于神经网络的软测量是 近年来研究最多、发展很快和应用范围很广的一种软测量技术，它属于 非线性辨识方法，可以任意逼近非线性，可以在不具备对象先验知识的 条件下，根据过程的输入输出数据直接建模。但是这类模型也有其缺点： ( 1 ) 在优化过程中有可能陷入局部极值，对训练质量无保证； ( 2 ) 隐节点数目只凭经验，没有理论依据； ( 3 ) 神经网络训练的收敛，缺乏理论指导。 近年来，在使用神经网络对租汽油干点建模的过程中大多采用被认 为在石油化工领域普遍适用的多层前向网络结构和b p 算法。 在大多的建模方法中，机理建模是最理想的方法，它揭示了工艺过 程的内部规律，符合人们所掌握的基本化工原理和理化知识。机理建立 动态模型通常是在对工业对象的物理过程、化学过程、设备性能有了全 面清晰认识的基础上用偏微分方程或微( 差) 分方程建立过程的各种平 衡方程。对于工艺机理较为清楚的过程对象。该方法能构造出性能较好 的软仪表。但对于较为复杂，机理尚不清楚的过程，难于利用此方法建 立软测量模型。 2 3 1 机理模型方法 在对工业对象的物理化学过程获得了全面清晰的认识之后，通过列 写对象的平衡方程和反映流体传质传热等基本规律的动力学方程等，确 定不可测主导变量和可测辅助变量的数学关系，建立估计主导变量的精 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章石化仿真培训系统和软测量概述 确数学模型。 从理论上来说，机理模型是最精确的模型。但是它要求对被测对象 的内部特性完全了解。由于实际工业过程的复杂性，尤其是化工过程存 在着严重的非线性和不确定性，单独采用机理方法获得对象的机理模型 是非常困难的。通常需要和其它方法相结合，事实上机理分析对于其它 任何一种方法也是必要的。 2 3 2 基于状态估计的方法 假定已知对象的状态空间模型为： x = a x 4 - b u 十e v y 。“ 0 = c o x + g o ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中，x 是状态变量，y 和0 分别表示主导变量和辅助变量，v 和( - 0 表示白噪声。基于状态估计的软测量就是建立以上生产过程的动态数学 模型，将不可测主导变量y 看作状态变量，把可测的辅助变量口看作输 出变量，这样对主导变量的软测量就转化成为控制理论中典型的状态观 测或状态估计命题，进而可以采用l u e n b e r g e r 滤波器和k a l m a n 滤波器 等方法得到状态的估计值。 k a l m a n 滤波器虽然是处理含噪声过程数据的有效工具，但是它需要 事先知道过程噪声和测量噪声的协方差矩阵，这对于许多实际的工业过 程来说难以实现。而且采用这种方法，基于系统工作在操作点附近时可 以使用线性模型近似表示的假设，对于非线性严重的对象会产生很大的 估计偏差，甚至出现算法发散的现象。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石化仿真培i i i 系统和软测量概述 2 3 3 基于人工神经网络的方法 人工神经网络( 6 n n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) 是利用计算机模拟 人脑的结构和功能的一门新学科，它具备优良的信息处理特性：应用 a n n 无需具备的先验知识，面根据对象的输入输出数据直接建模；独特 的非传统的表达方式和固有的学习能力，使之在解决高度非线性和严重 不确定性系统控制方面具有巨大的潜力。 但是对于一个大规模的复杂过程，只用一个网络来映射全部的初始 样本空间，必然导致网络神经元数目较大，网络的运算和学习速度变慢， 给模型的在线运行带来不利的影响。 2 3 4 基于回归分析的方法 回归分析方法是一种经典的建模方法，不需要建立复杂的数学模型， 只要收集大量过程参数和质量分析数据，运用统计方法将这些数据中隐 含的对象信息进行浓缩和提取，从而建立主导变量和辅助变量之间的数 学模型。 根据采用的数学方法不同，可将回归分析方法分为线性回归和非线 性回归。线性回归中最为经典的方法是最小= 乘，在此基础上又发展了 主元回归法和偏最小二乘法，后面两种方法特别适合辅助变量多且变量 问相关性强的系统，尤其p l s 近年来得到了长足的发展。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 本章主要介绍溶剂脱沥青及减粘裂化装置的生产工艺，以及主要设 备数学模型的开发。 3 1 溶剂脱沥青及减粘裂化生产工艺简述 自减压装置来的渣油经流量控制阀进入原料缓冲罐。从原料缓冲罐 底出来的渣油经过原料油泵增压到4 6 m p a ( a ) 分成两路，分别首先与 循环胶质一起进入抽提料一级混合器，进行充分混合以改善传质抽提特 性，再与占总溶剂量1 0 的稀释溶剂进入抽提进料二级混合器进行混合， 以降低原料粘度。经稀释后的原料油再与占总溶剂量8 0 的主溶剂进入 抽提进料三级混合器，使原料油与溶剂充分混合后进入抽提器。 由于溶剂对不同烃类的溶解能力不同，较易溶解的饱和烃大部分溶 解于溶剂中，在抽提器内形成密度较小的轻相，而大部分胶质及沥青质 则不溶于溶剂，形成密度较大的重相。轻重两相在抽提器内分别向上下 流动，进行液液分离。为使抽提进行更彻底，在抽提器的下部打入占总 溶剂量1 0 的副溶剂。副溶剂与不断下降的沥青楣在塔盘上进一步抽提， 溶解回收其中的饱和烃等，以提高油、胶质与沥青质的分离程度。这样 一来沥青( 包括少量溶剂) 沉至抽提器底部，溶解有抽出物的大部分溶 剂从抽提器顶排出。 从抽提器顶排出的溶剂与脱沥青油相，经溶剂一抽提油一次换热器 与溶剂换热到1 1 0 左右进入胶质沉降器。由于温度的提高，溶剂对胶 质的溶解能力下降，使得脱沥青油中的胶质在胶质沉降器中沉降至底部。 胶质溶液自胶质沉降器底部经胶质泵抽出，送至抽提部分进行原料 l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 预稀释。胶质沉降器顶排出的溶剂与脱沥青油相用抽提油泵抽出，经溶 剂一抽提油二次换热器与来自溶剂分离器的高压溶剂换热到1 8 5 左右 后，与脱沥青油相加热炉出口的脱沥青油相( 2 9 5 ) 混合，达到溶剂的 超临界回收条件后进入溶剂分离器。在超临界条件下，溶剂基本丧失了 对油的溶剂能力，脱沥青油下沉与溶剂分离，达到油剂分离和回收溶剂 的目的。从分离器底部出来的脱沥青油相分两路；一路经过脱沥青油循 环泵增压，送至脱沥青油相加热炉加热至2 9 5 c ，与从溶剂一抽提油二 次换热器来的脱沥青油相混合：另一路经过液位控制阀降压后去脱沥青 油汽提塔回收油中的残余溶剂。大部分溶剂与脱沥青油分离后，从溶剂 分离器顶部排出，经过换热器换热，再到溶剂热媒水换热器换热后循环 使用，同时回收低温热。 抽提器底部出来的沥青相溶液进入沥青相加热炉加热到2 9 0 c ，并 经过压控阀减压后，进入沥青汽提塔回收溶剂。汽提后的沥青质经沥青 泵加压后，送至减粘裂化装置。 脱沥青油汽提塔底排出的脱沥青油经脱沥青油泵抽出加压后，送至 催化装置。 自脱沥青油汽提塔顶排出的溶剂，先与溶剂热媒水换热器换热，回 收其中的热量，再进入脱沥青汽提塔顶空冷器冷至5 l ，进入溶剂储罐 进行溶剂和水的分离。溶剂经溶剂泵加压后，与高压溶剂混合，循环使 用。 该装置使用的溶剂为c 4 混合溶剂，主要为异丁烷和正丁烷。设计溶 剂比为4 ：1 ( 质量) 。 从溶脱装置来的脱油沥青与催化油浆混合原料油( t = 2 8 9 ， p = 2 6 m p a ) 经脱油沥青一减粘重油换热器换热到3 2 5 c 左右后进加热炉。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 原料油在加热炉被加热到3 9 0 c 左右后自底部进入反应塔进行减粘裂化 反应( 反应平均温度约3 8 0 c 。反应压力0 4 m p a ，热油停留时间约3 0 - 6 0 分钟) 。反应塔顶设压力控制阀控制反应塔的压力。 加热炉炉管中注入脱氧水，以增大炉管内的流速，减少炉管结焦。 自反应器顶部出来的裂化反应产物在进入分馏塔闪蒸之前，注入被 换热后的减粘重油急冷到3 5 0 以下，以终止裂化反应。裂化反应产物 进入分馏塔，闪蒸后的液体进入塔的下部，同时塔底通入汽提蒸汽，汽提 出减粘重油中的轻组分，改善减粘重油的闪点。减粘重油从塔底分离出 来后，先经过减粘重油过滤器滤掉夹带的焦粒，再经减粘重油泵加压后， 通过与原料油换热到3 2 0 c 后至常减压装置。减粘重油在常减压装置内 换热到2 7 5 c 后分为两路：一路返回本装置作为急冷油打入进分馏塔前 的裂化反应产物中去中止减粘裂化反应；一路仍在常减压装置换热，至 1 6 4 c 后返回到减粘裂化装置，与减粘柴油进行调和。注入减粘柴油的减 粘重油分为两路：一路作为整个第四联合装置的加热炉燃料油；另一路 经过减粘重油冷却器冷却至9 0 。c 后作为产品出装置。 减粘柴油从分馏塔的第九块塔板抽出，进入柴油汽提塔汽提。汽提 后的柴油通过减粘柴油泵抽出，再注入到减粘重油( 1 6 4 * c ) 中，以降低 减粘重油的粘度。汽提气返回分馏塔的第八块塔板上。 分馏塔顶排出的油气经裂化油气空冷器、裂化油气后冷器冷凝冷却 至4 0 c 后进入油气分离罐，在此进行气、油、水的三相分离。油气分离 罐排出的汽油通过汽油泵抽出后分两路：一路作为顶回流返塔；一路作 为产品送出装置。油气分离罐排出的含硫污水送至常减压装置的减顶水 泵入口。油气分离罐排出的裂化气去催化装置。 溶剂脱沥青装置的原则流程图如图3 1 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 减粘裂化装置的原则流程图如图3 2 所示。 图3 1 溶剂脱沥青装置的原则流程图 图3 2 减粘裂化装置的原则流程图 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 3 2 化工过程仿真培训用数学模型的特点 建立化工过程仿真培训软件的主要目的就是给化工企业的生产操作 相关人员使用，通过培训使操作人员在仿真系统上训练几个星期就可以 经历开车、停车和各种事故等正常生产过程中很难遇到的工况，并使其 熟练掌握生产过程中相应的处理方法等，学员通过对各种工况的反复操 作，反复训练，即可以在短期内积累丰富的操作经验，迅速提高操作技 能和对事故的应变能力。由此可知化工过程仿真培训软件对数学模型的 要求是：满足模型仿真的真实性；同实际对象比较要有良好的逼真度： 数学模型要适应大范围工况的模拟要求而且具有良好的稳定性。由此可 见，化工过程仿真培训采用的数学模型需要以下几点特点【5 】： 1 、以集中参数模型为主。虽然实际化工装置运行过程中，化工设备 的参数都是分布式的，但分布参数动态数学模型需要用偏微分方程描述， 而复杂的偏微分方程数值算法耗时较多，很难协调化工仿真培训软件对 于实时性的要求，所以分布参数设备一般采用集中化数学模型来描述。 2 、适应于全工况的模型。在实际化工生产过程中，化工装置主要的 操作是开、停车过程和异常事故处理，而日常的生产操作是比较简单的， 因此对操作人员的培训重点是装置的开、停车和异常事故的处理。这就 要求数学仿真模型能适用于正常生产之外，还能适用于开、停工和异常 事故的处理。 3 、模型具有设定指定故障的能力。化工仿真培训软件的一个重要功 能是培训和考验操作工对异常事故的处理应变能力。异常故障在实际生 产过程中极力避免的，一般是不会出现的，也不可能人为在装置上设置 故障。而仿真软件可以为我们提供这种难得的培训机会，因此，模型在 开发的过程中要特别注意引入那些在实际生产过程中通常不会出现的情 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 况，给操作工提供意外故障的处理培训。 4 、模型要具有模块化和可扩充的能力。实际的化工装置在例行的几 年一次的大修过程中，往往需要根据外部情况的需要和科学技术的进步， 对装置进行技术改进。所以，模块化和可扩充的设计能使模型随着实际 生产装置的改进而改进，使培训系统始终和实际生产装置一致。 3 3 主要设备模型 4 1 3 3 1 抽提器数学模型 抽提就是一种液液萃取，也称溶剂萃取。在液态混合物( 溶液) 中 加入与其不完全混溶的液体为溶剂，造成第二液相；利用溶液( 第一液 相) 中各组分之间的不同分配关系，可按相际问传递过程把它们分离开 来。溶质经充分传质后从原溶剂( 稀释剂) 中转移至萃取剂中，分层后， 其中以萃取剂为主的液层称萃取相， 秽于溶剂脱沥青的抽提器来说， 以原溶剂为主的液层为萃余相。 主要发生的是单级萃取和多级逆流 萃取，为简化模型，我们取主要发生传质过程的物理萃取，并假设两相 在萃取中达到平衡。 图3 - 3 单级萃取模型图 l 、单级萃取 单级萃取的原理模型图如图3 3 ，为了简化动态数学模型，我们做如 下假设： ( 1 ) 溶剂只发生组分变化，原溶剂与萃取剂不互溶； 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 ( 2 ) 两液相的体积和相内扩散率不变； ( 3 ) 忽略各组分的收缩，传质中不影响质量流率； ( 4 ) 整个萃取过程中温度不变； ( 5 ) 满足亨利定律( x 2 膜理论) ； ( 6 ) c 2 。u t = k c l 。u t ( k 为分配系数) 。 组分衡算方程( 由于只考虑传质，模型中只含对流项和相问扩散) 萃余相 马c 。一e c l 。一艘c ，= k 鲁 ( 3 1 ) 萃取相 b 2 c 2 。一岛c 2 。+ 脾c l = 百d c 2 ( 3 2 ) 设萃取前后每个混合单元都完全互溶，则有 c 1 = c 1 。，c 2 = c 2 。 ( 3 3 ) 对纯净的萃取剂 c 2 = 0 ( 3 4 ) 由上述条件，联立式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) ，则 b j c 旷b 1 c 1 。一飒。= k 譬+ k 争( 3 s ) 由假设条件( 6 ) 蜀c l 。一( 马+ 墁) c 1 。= ( 巧+ t k ) ! 争 ( 3 6 ) 2 、多级逆流萃取 多级萃取的原理模型图如图3 - 4 ，所取假设条件与单级的相同，示意 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 图如下： 誊墓鬻瓣薹 图3 4 多皲逆流军职模型幽 对第i 级萃取，组分衡算方程， 萃余相 b , c ，- i ) c i ( h ) 一b i 。c l j 一脾g = 百d e l l ( 3 7 ) 萃取相 。 b ：( 。) c 2 c i + i ) - b ，c 2 。+ 声q c t = ，皇争 ( 3 8 ) 结合上两式，得 b w - i ) c 。( f 。) 一b i ，c z l + b 2 ( i + d c 2 ( t + d - 岛岛，= k ，百d e l i + 皇( 3 9 ) 由相平衡假设条件，并令 马( p 1 ) = 旦，= = 蜀 等慧尊 k ( 1 1 ) = k ，= = k k ( i 1 】= ，= = 哆 上式化为 b l c i ( 。) 一日q ，+ 船：c i ( 。) 一k b ：c i ，= ( k + j i ) d e f l i ( 3 1 1 ) 对同一物系，分配系数k 是温度和溶质组成的函数。用式3 1 2 来表 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 不a k = f ( t ，溶质组成) ( 3 1 2 ) 以上为溶剂脱沥青的物料组分衡算动态模型方程，对于能量平衡方 程，可以采用液液( 互不相溶) 混合过程的集中参数动态数学模型来描 述。以单级萃取过程来列写能量平衡方程，多级萃取过程类似。这里假 定混合器内物料密度p 为常数，忽略混合热效应，同时也不考虑位能和 动能的变化，基准温度为o k 。 单级萃取过程的能量平衡方程： a ( p ( v , 广+ v o c p t ) = p l b , c p , t , + p 2 8 2 c v 2 t 2 - p ( b l o u t + b 2 0 , ) c p t ( 3 1 3 ) 多级萃取过程第i 级能量平衡方程： 坐甓迎矾l b l ( | 鼎1 ) t l ( i - o + p , + , b 2 0 + , ) c p 2 0 + o t 2 ( 。，( 3 1 4 ) 一只( b 1 + b 2 ) c 。t c 上述式子中，b 为液相体积流率，m 3 s ；c 为溶质的摩尔分率，m o l m 3 5 p 为溶剂的选择性系数；v 为抽提器中液相总量，一；t 为温度，； p 为密度，k g m 3c 。为质量比热容，k e a l k g ；下标l 表示萃余相；下标 2 表示萃取相。 上述给出了萃取的动态模型，下面结合溶剂脱沥青的原理来获取丁 烷脱沥青的简化动态模型并检验。 s o i 在一定温度下，c 3 、c 4 或c 5 等溶 剂对烷烃、环烷烃和单环芳烃等溶解能力强，对多环及稠环芳烃溶解能 力弱，对胶质溶解能力更弱，对沥青质基本上不溶解。利用这一性质可 将渣油中的沥青及有害物质除去，而得到高粘度、高粘度指数、低残炭、 低金属含量的优质润滑油组分，或低残炭、低金属含量的催化裂化原料 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 或加氢裂化原料。 溶剂脱沥青装置抽提器的工艺结构图如图3 5 ： 图3 - 5 抽提器工艺结构图 丁烷脱沥青的主要影响因素有【5 0 】： ( 1 ) 溶剂比 在一定温度及压力下，液体丁烷对渣油的溶解能力与溶剂比有很大 关系。当溶剂比很小时，丁烷对渣油全部溶解，其原因是渣油中的油分 对胶质和沥青的溶解起了主要作用。当溶剂比增加到一定值时，渣油中 的油分浓度已降低到不足以溶解渣油中胶质和沥青质，于是胶质和沥青 质从渣油中分离出来。溶液中出现两相，上层为油相、下层为沥青相。 再继续增加溶剂比，沥青等物质从油中继续分离出来，当溶剂比增大到 一定值以后，胶质和沥青质不会继续分离出来，反而会使油的质量变坏。 在抽提温度为1 0 0 。c 、压力为4 o m p a 的条件下，溶剂比( 质量比) 由3 8 减少到3 4 2 然后再减少到3 0 5 时，抽提器从塔顶抽出的萃取液的含油分 百分率的动态变化趋势如图3 - 6 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 图3 - 6 溶剂含油分率随溶剂比变化图 ( 2 ) 抽提温度 在原料及溶剂比不变的情况下，当抽提器顶温度升高时，抽提器顶 部的溶剂对渣油中的油分的溶解能力减弱，分子量最大的烃类首先从溶 剂中分离出来，当温度继续升高时，分子量小的烃类也相继分离出来。 当溶液温度接近丁烷的临界温度( 1 5 2 o l ) 时，则丁烷中完全不含渣 油成分。在停工时，利用这一特性使溶剂与渣油分离，即停工操作中的 高温脱重，以回收溶剂。由模型计算给出的图3 7 示意了系统的动态响 应，在压力为4 0 m p a 、溶剂比为3 8 ( 质量比) 的条件下，进料温度由 1 0 0 提高到1 1 0 然后再提高到1 2 0 时，抽提器塔顶温度及从塔顶抽出的 萃取液的含油分百分率的动态变化趋势，可以看出正好符合溶剂抽提温 度与溶剂溶解力关系的规律。 图3 7 溶剂含油分率随抽提温度变化图 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 以上是正常工况时的情况，下面将针对开工工况和停工工况来修正 模型。正常工况时，引入了抽提温度不变的条件，在此条件下才能将分 配系数k 近似为常数。而实际上，对于同一物系，分配系数k 是温度和 溶质组成的函数，而对于开停工过程，抽提器的温度变化幅度较大，假 定抽提温度不变的条件已经不成立。鉴于此，我们将分配系数k 作为温 度和溶质组成的函数( 式3 1 2 ) ，然后结合溶解度概念用分段线性化方 法根据数据拟合出函数关系。使正常工况下的模型能扩展适应开停工过 程的要求。对于抽提器，开工过程简述如下：首先将抽提器收满溶剂， 并将压力和温度升到正常操作值或接近正常值，然后缓慢引入渣油，逐 步建立起抽提器的界位。这就要求模型能适应溶剂比从无穷大到正常生 产范围的情况。开始时，溶剂比很大，渣油几乎全部溶于溶剂中，从抽 提塔顶抽出的萃取液中的油分含量逐渐增加，但这时的溶液没有两相， 抽提器底部不会出现界位，当渣油迸料继续增加，抽提器内的油分含量 开始过饱和，溶液开始出现两相，抽提器底部开始缓慢建立起界位。这 一过程的系统动态响应如图3 8 。 图3 - 8 开工时缓慢引入渣油进料，抽提器中油分含量的变化及界位的建立 对于抽提器的停工主要过程简述如下： 正常操作时，抽提器渣油进料约5 5 t h ，抽提器进料温度为1 0 0 c 。 ( 1 ) 降量切断进料 以l o t h 的速度减少抽提器的渣油进料。同时增大补充溶剂量，维持 2 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 压力稳定抽提器渣油进料量降为2 5 t h 。 ( 2 ) 切断进料，降量循环 切断抽提器的渣油进料，抽提器进料温度提到1 3 5 。升温脱重若 干小时后，进料温度按2 h 降到1 0 8 。c 。高压溶剂系统维持热循环2 4 小时。 ( 3 ) 溶剂降温，退溶剂 依据上述停工过程，经过合理扩展、修正后的抽提器模型在停工条 件下的动态响应如图3 - 9 。 芭 蕾 錾 n 量 图3 - 9 停工条件下抽提器动态响应曲线 3 3 2 减粘裂化反应器模型 【4 9 1 减粘裂化( v i s b r e a k i n g ) 是一种以渣油为原料的浅度热裂化过程， 也可简称为减粘过程。纯烃的热裂化反应符合一级反应动力学规律。渣 油是复杂的混合物，随着反应深度的加深，反应进程逐渐偏离一级反应 动力学规律。渣油减粘裂化反应的转化率不太高，其反应进程可以粗略 地用一级反应动力学来表述。 上流式减粘裂化反应塔的原则工艺图如图3 1 0 ： 口拿茸封g一 葚*隶甩糟坤壁妊地爵 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章脱沥青及减粘装置仿真模型开发 反 应 塔 图3 1 0 上流式减粘裂化反应塔原则工艺图 对于开工过程，进反应器的渣油从常温开始升温至正常生产的裂化 反应温度，从工艺上我们可知，在渣油温度小于一定温度时渣油的裂化 反应是几乎没有的，随着温度的升高，反应裂化反应发生并逐渐加剧， 这主要是由于在不同温度反应具有不同的动力学模型。 5 7 1 考虑到渣油化 ，学组成及结构的复杂性，采用单一的动力学模型难以描述其热转化过程。 因此，我们采用分段的两个一级动力学模型来分别针对开工升温过程的 裂化反应过程和温度达到正常生产范围的裂化过程，而且当温度低于一 定值时我们将忽略渣油的裂化反应。 雌0 1 大量研究表明，裂化反应的活化能比缩合反应要小4 0 - 8 0 k j t o o l 。 从动力学观点来看，较低的反应温度有利于活化能较小的反应方向，较 高的反应温度有利于活化能较高的反应方向。而且，实验证明，随着反 应温度的提高，缩合反应速度增长的幅度远大于裂化反应，并且逐渐起 到主导作用。我们采取近似用一个分段的非等温反应的c s t r 模型，然 后根据减粘裂化反应的原理结合实际装置引入一个校正因式来修正非等 温反应的c s t