延迟焦化的操作特点

1 延迟焦化的操作特点延迟焦化的操作特点 1 1 前言前言 随着控制理论的发展 计算机性能的提高 一些复杂的高级控制方法 即先进控制技术 不断涌现 以解决时变性强 强耦合 非线性和大时滞等过程控制问题 在这些新型的控制技术中 最为突出的是 模型预估控制技术 模型预估控制 MPC 是用多变量线性模型来描述过程的动态特性 用模型预测过程 输出轨迹与希望轨迹的距离 作为控制质量指标 求得最优的控制策略 反馈校正 在线滚动优化 以 解决大时迟 强耦合的多变量过程控制问题 在多变量控制器中 一般被控变量多于操纵变量 用稳态 LP QP 技术 将过程推向约束的极限 利用先进控制技术满足装置安全平稳操作的要求 提高装置加工能力和高附加值产品收率 是国内 外炼化汽油普遍采用的技术手段 目前国内先进控制技术主要应用在常减压 催化裂化和聚丙烯等装置 由于延迟焦化是既结焦又不结焦 既连续又间歇的生产特点 目前国内尚无成功的焦化装置先进控制经 验 随着中石化股份公司 APC 推广应用项目的启动 福建炼化延迟焦化先进控制系统应运而生 2004 年 7 月该项目试启动 随后投入试运行 迄今为止 该项目运行性能良好 完全达到了预期的增强装置 的抗干扰能力 提高目的产品收率和减少能耗的控制效果 2 2 焦化装置概述焦化装置概述 2 12 1 生产工艺简介生产工艺简介 福建炼化公司 60 万吨 年延迟焦化装置 采用一炉双塔生产工艺 切换周期为 24 小时 除焦周期 进行冷焦 除焦 试压 预热和换塔等步骤操作 装置原料为减压渣油 补充部分催化油浆 主要产品 包括焦化干气 汽油 柴油 蜡油和石油焦 装置控制系统为 Honeywell 公司的 TPS 先控平台为 APP NODE 先进控制软件使用 Honeywell 公司的 RMPCT 2 2 延迟焦化的操作特点延迟焦化的操作特点 由于焦炭塔冷一热态周期性切换 物料和热量损失较大 该过程使进入分馏塔的物料和热能输入量明 显下降 分馏塔底 蒸发段温度随之下降 约 10 15 进而影响到产品的分布和馏出口质量 并使加 热炉热负荷 炉出口温度产生扰动 因此 进行焦炭塔周期性切换操作时 为减少扰动 保证操作平稳 和质量合格 应对操作过程进行调整 为了保证平稳操作 产品质量合格 在操作上必须做好每一步骤的工作 尽量减少这种周期性的波动 如新塔的预热和切换要缓慢 加热炉温度要烧高 调节分馏塔底和蒸发段的温度 适当降低产品出装置流 量等 在以 PID 控制为主的回路控制情况下 往往操作在偏离最优的保守状态 需要人工辅助操作 或 切为手动 凭经验调节 调节效能差 时间长 不能充分发挥装置的潜力 迫切需要实施先进控制 3 3 焦化装置焦化装置先进控制器控制策略先进控制器控制策略 多变量预估控制器是一个具有多变量 多目标的控制器 在正常生产过程中 该控制器可使多个受 控变量分别操作在其各自允许的范围内 始终处于受控状态 在建立焦化装置多变量预估控制器的过程 中 根据装置的特点 考虑到分馏上部对新鲜进料 分馏塔底部 加热炉 焦碳塔四大部分的影响较弱 因而在控制策略上把流程分为反应 分馏两部分 分别用两个控制器实现先进控制 反应部分包括原料 预热 加热炉 焦炭塔 分馏塔重蜡油集油箱以下部分 分馏部分包括分馏塔重蜡油集油箱以上部分 将响应时间常数较小的反应部分用一个控制器控制 而将响应时间常数较大的分馏部分用另一个控制器 控制 可加快加热炉控制器的响应速度 还减小了控制矩阵的维数 可得到较好的控制品质 以达到平 稳操作 着重于抵御焦炭塔切换带来的干扰 保证产品质量 降低质量波动 根据装置的原料供应情况 在不违背加热炉最高管壁金属温度和焦炭塔最终焦高约束的前提下 在提高装置处理量 提高馏份油收 率与提高轻油收率间进行优化 降低焦炭收率和降低装置能耗等主要目标 4 控制器主要模型的选取思路 控制器主要模型的选取思路 4 1 循环比循环比 2 改变对流进分馏塔上 下进料量的比例可改变联合循环比 联合循环比增加会明显降低装置的处理 能力 增加轻油 焦炭和气体收率 但总液收减少 因此 联合循环比是权衡装置处理能力和产品分布 的关键变量 焦炭塔塔切换会使联合循环比大幅度波动 造成人字塔板上方油汽温度的变化 给分馏塔 上部的操作带来扰动 也会造成下进料的流量和温度的波动 导致加热炉进口温度的波动 影响加热炉 的操作及处理能力 因此 在这个部位 APC 控制器的首要目标是在各种约束均能满足的前提下 将联 合循环比控制在合理的范围内 并加强 APC 控制器的抗干扰能力 特别是补偿塔切换扰动的能力 4 2 炉出口温度炉出口温度 炉出口温度是加热炉最主要的控制指标 对装置的焦炭产率和轻油收率有较大的影响 一般而言 提高炉出口温度 5 焦炭产量可下降 6 相对值 但炉管结焦的倾向增加 焦炭切割的困难度增加 加工高焦炭收率原料时 炉管结焦的倾向低 加热炉的负荷也低 提高加热炉出口温度后焦炭产量下降 的幅度大 因此 保证加热炉出口温度的稳定是相当重要的 而且采用调整炉出口温度的上限的操作策 略 根据原料性质及炉管的结焦倾向适度提高炉出口温度的上限以降低焦炭收率 因此 加热炉 APC 控 制器的最主要任务是平稳炉出口温度 使其更接近上下限 有利于降低焦炭产量或提高处理量 并兼顾 烟气氧含量 4 3 焦炭塔周期性操作焦炭塔周期性操作 克服周期性操作的干扰是对 APC 控制器的重要要求 焦炭塔的操作的干扰事件的幅度大 持续时间长 事件的模型的精度也十分有限 因此在设计控制器时必须抓住克服干扰的要点 着重克服热量变化造成 的干扰 适当兼顾物料平衡变化造成的干扰 焦炭塔的操作是一个周期性的过程 在暖塔 小吹汽和大 吹汽阶段 进入分馏塔过热段的热量和物料会发生较大变化 给系统的操作带来不同程度的扰动 由于 暖塔 改平衡的油气量和小吹汽的蒸汽量均没有测量 大吹汽时油气产物流量的下降也难以度量 因此 在 APC 控制器中 我们将这几个周期性的扰动定义为事件扰动 由新塔中某三个测温点温度变化的斜 率触发 焦炭塔切换的三个事件的扰动幅度 变化特性及持续时间都不相同 因此针对不同事件的特点 必须制定合理出相应的控制策略 4 3 1 预热预热 在预热暖塔阶段 老塔的操作状态并未改变 但因部分油气用于新塔预热 进入分馏塔的热量和物 料减少 形成扰动 按工艺特点可将该阶段划分为两个子阶段 在第一个子阶段内两个焦炭塔的压力未 达到平衡 最初 新塔内压力很低 在某一暖塔阀位下 会因压差大 产生很大的暖塔流量 随新塔压 力的增高 流量减少 直至两塔压力平衡 流量趋于稳定 这一子阶段中暖塔流量全部用于焦炭塔升温 升压 对分馏塔的扰动较大 时间大约持续 1 小时 有经验的操作员倾向于采用分阶段改变暖塔阀位的 策略 以减少物料变化的干扰 但调整阀位的频率和幅度均无统一的规范 使用 APC 控制器的抵御事 件干扰的最基本方法是将其假设为一个幅度按规律变化的扰动序列 作为控制器的前馈 而无统一的规 范的操作员干预是无法建模 无法处理的 因此 必须首先建立规范化的操作员干预程序 以达到实现 APC 控制器抗干扰功能的先决条件 在第二个子阶段中 暖塔流量已不再变化 但由于暖塔流体与塔壁 的传热温差减小 而散热所占的取热比例越来越大 对分馏塔的影响幅度迅速变小 但需经很长时间才 能趋于稳定 建立暖塔事件模型的首要任务是辨识操作员改变暖塔阀位所造成的扰动的初始幅度及终止 幅度 同时 在模型识别的过程中考察和建立规范化的操作员干预程序 4 3 2 切换塔切换塔 当新塔温度升至 360 后进行塔切换 原料进入新塔 并向老塔蒸汽 新塔和老塔顶部的油气同时 经油气线进分馏塔 这一阶段称为小吹汽 此时 新塔内液相存量很低 反应进行得不完全 渣油的转 化率低 裂化产率低 然而 老塔内的高温油品仍将继续反应 并被蒸汽汽提至分馏塔 分馏塔进料总 量得到一定的补偿 这一阶段也可分为两个子阶段 在第一子阶段 因蒸汽突然进入高温的焦炭塔 使 塔内烃分压陡然下降 轻质油品大量蒸发 在现场可观察到分馏塔人字挡板顶部温度降低 而塔顶压力 温度升高 说明进入分馏塔的重组分量减少 而轻组分量增加的幅度很大 因为 老塔内油品大量蒸发 导致焦炭塔内轻组分量减少 又由于无热量输入 蒸发导致温度下降 蒸发量渐渐减少 焦炭塔塔压和 3 塔顶温度开始回落 15 分钟左右恢复到正常值 在这一子阶段中 补偿干扰的方法与其它各阶段均有所 不同 前者着重增加塔上部的冷却负荷 后者着重增加塔下部的冷却负荷 在第二个子阶段 裂解反应 及产物蒸发消耗热量 致使老塔的温度下降 裂解反应及产物蒸发随之减少 持续时间约 30 45 分钟 我们对小吹汽阶段模式识别的要点是设法确定第一子阶段扰动的峰值及第二子阶段终止时的扰动幅度 4 3 3 大吹汽大吹汽 小吹汽结束后 关闭老塔油气线隔断阀 加大老塔的吹汽量 吹扫后的蒸汽去接触冷切塔 在大吹 汽期间由于新塔内液相料位低 裂解反应进行不充分 生成的油气产物少 故进入分馏塔的热量和物料 较小吹汽末期进一步减少 因此大吹汽期间出现了最大干扰 随着焦炭塔内液体料位不断增高 裂解反 应逐渐趋于充分 这一阶段要经过约 2 小时达到平稳 如果假设液体在焦炭塔内的转化与液位成正比 则在这一期间内 进料量和热量变化对分馏塔干扰的幅度可近似为与大吹汽持续时间成正比 因此 大 吹汽阶段模式识别主要是根据老塔压力下降幅度确定初期的扰动幅度并建立和测试触发事件的判据 4 4 焦高焦高 原料油经辐射段加热后 经四通阀进入焦碳塔底部 高温焦化油在焦炭塔内进一步进行裂解 缩合 等反应 生成焦炭和油气 随着焦炭塔累计进料量的增加 焦炭塔中料位及其上方的泡沫层不断增高 可能会出现冲塔事故 为避免该现象的发生 焦炭塔设有中子料位仪 提供焦位达到三个不同高度时的 时间 若中子料位仪出现焦位指示的时间过早 就可能会出现冲塔事故 需及时从塔顶注入消泡剂降低 泡沫层高度或减少进料量 但是 中子料位仪并不能随时反映焦炭累积的速率 在焦炭塔切换的初 中 期难以恰当地给定装置进料量 而需留有余地 往往最终焦高小于焦炭塔的实际容焦能力 APC 控制器 可实时地预测最终焦高 并用中子料位仪校正 以提高预测值的可靠性 为充分发挥焦炭塔的潜能提供 了前提 4 5 产品质量产品质量 装置以柴油干点和蜡油 10 点度量柴油与蜡油的分离效果 控制产品质量 改善这两种产品的切割 增产高价值的柴油是分馏塔的主要操作目标之一 但还需兼顾蒸汽的发生及原料的预热 所涉及的调节 手段有柴油回流 中段回流 蜡油循环的三个取热量以及柴油 蜡油产品抽出量等 具有明显的多变量 的特点 APC 控制器可更好地协调各调节变量的动作 实现质量卡边操作 焦化装置还需能抵御焦炭塔 切换所带来的对柴油 蜡油质量的重大扰动 因而 增强 APC 控制器克服扰动的能力对改善产品的质 量控制也很重要 5 主要变量的选取主要变量的选取 多变量预测控制器的输入 输出由三种变量组成 被控变量 CV 操纵变量 MV 和干扰变量 DV 以分馏控制器为例 我们在分馏系统控制器选择了 13 个操作变量作为控制目标 8 个受控变量 作为受控指标 5 个干扰变量作为计算和预估 分馏塔控制器的有关变量见表 1 至表 3 表 1 分馏塔控制器部分 CV 列表 位号描述 TI7202 PV 分馏塔顶温度 NAP90 PV 汽油 90 点 FIC7201 OP 顶循环回流流控阀位 LCO90 PV 柴油 90 点 TI7911 PV 柴油抽出温度 CGO10 PV 焦化蜡油馏程 10 TI7210 PV 焦化蜡油抽出温度 表 2 分馏塔控制器 MV 列表 位号描述 FIC7201 SP 分馏塔塔顶循环量 4 FIC7207 SP 贫柴油吸收剂流量 FIC7201 OP 顶循环回流流控阀位 LCO90 PV 柴油 90 点 TI7911 PV 柴油抽出温度 表 3 分馏塔控制器部分 DV 列表 位号描述 SW01ST 焦炭塔暖塔事件 SW011ST 焦炭塔改平衡事件 SW02ST 焦炭塔大吹汽事件 6 先控运行效果先控运行效果 反应系统控制器和分馏塔控制器分别于 2004 年 6 月 29 日和 7 月 15 日投入使用 经过一段时间的 运行 操作人员已经掌握了先进控制器的操作方法 通过给各个 CV MV 设定合理的上下限 先进控 制器就能够将 CV 控制在给定的范围内 MV 也约束在范围内 先进控制器投用后 不需要人工调节 就能够抵御焦炭塔切换带来的扰动 保证装置的平稳操作 因而深受操作人员的欢迎 通过对延迟焦化装置控制器投用期间和未投用期间的数据进行对比分析 我们可以对先进控制器的 投用效果得到一个初步的结果 6 1 反应系统控制器反应系统控制器 控制器投用后 加热炉各主要温度点的波动范围都有明显减少 见图 1 2 对加热炉数据进行整 理后结果见表 4 炉出口温度和炉氧含量的比投用前明显稳定 这样可使炉热效率提高 降低装置能耗 表 4 反应系统投用先控前后数据对比 项目投用前 平均值 标准偏差 投用后 平均值 标准偏差 变化幅 度 加热炉出 口温度 492 860 7877492 960 3298 58 4 炉氧含量 3 510 3502 2 920 2393 31 4 图1加热炉出口温度对比图 485 490 495 500 505 投用前投用后 加 热 炉 出 口 图2氧含量对比图 0 2 4 6 8 氧 含 量 投用后 投用前 5 6 2 分馏系统控制器分馏系统控制器 对于焦化装置来说 最大的扰动来自于焦炭塔的切换 先进控制器的首要任务就是充分利用其模型 预测和多变量协调的特点 抵御焦炭塔切换带来的扰动 保证装置的平稳操作 先进控制器投用后 各 重要 CV 的波动明显减小 即使在焦炭塔切换时也很少发生超限的情况 先进控制器投运后 分馏塔的 操作不需人工干预 几个分馏塔的主要控制参数明显较投运前平稳 见图 3 4 整理后数据如下表 5 表 5 分馏系统投用先控前后数据对比 项目投用前 平均值 标准偏差 投用后 平均值 标准偏差 变化幅 度 分馏塔底 温度 373 356 615373 633 755 43 2 分馏塔底 液位 52 683 94452 792 344 40 6 分馏塔顶 温度 99 783 913101 771 456 62 8 柴油抽出 温度 237 268 103233 823 104 61 7 蜡油抽出 温度 355 735 625358 183 903 30 6 图3分馏塔底温度对比图 355 365 375 385 395 分 馏 塔 底 投用前投用后 图4分馏塔底液位对比图 40 50 60 70 分 馏 塔 投用前投用后 6 3 提高产品质量提高产品质量 焦化汽油 柴油和蜡油都不是最终产品 还要进一步进行加工 因此对产品的质量控制没有其它装 置严格 APC 控制器中提供了汽油 90 点 柴油 90 点和蜡油的 10 点的工艺计算 并用实验室分析 数据校正 用作汽油与柴油及柴油与蜡油切割的工艺指标 实时地调整操作参数 以实现卡边操作 增 加高价值产品的收率 并通过控制油品的抽出温度来保证油品质量达标 从表 6 投用先控前后汽柴油质 量对比对比表和图 5 6 中可以看到 控制器投用以后 产品质量更接近指标上限 汽油和柴油干点的 波动明显降低 汽油干点和柴油干点的平均值分别提高了 2 54 和 1 17 增加了柴油的收率 表 6 投用先控前后汽柴油质量对比 项目投用前 平均值 标准偏差 投用后 平均值 标准偏差 变化幅 度 汽油干点 191 385 366193 925 243 43 2 汽油干点指标 195 195 柴油干点 356 204 155357 373 432 17 4 柴油干点指标 365 365 6 图5汽油干点对比图 170 190 210汽 油 干 点 投用前投用后 图6柴油干点对比图 330 340 350 360 370 柴 油 干 点 投用前投用后 6 4 提高装置处理量提高装置处理量 在满足加热炉能力约束的前提下 通过预测焦炭塔的最终生焦高度可及时调整装置的进料量 提高 焦炭塔的最终料位 从而提高装置的处理量 这里仅对提高装置处理量的优化操作进行了功能测试 测 试结果如下 项目优化功能前优化功能后前后对比 新鲜进料量66879 kg h68029 kg h1150 kg h 图7新鲜进料量对比 66000 67000 68000 69000 投用前 新 鲜 进 kg 投用后 以提高装置处理量为目标的优化功能投用后 新鲜进料量逐渐从 66879 kg h 提高到 680