汽油调和优化与自动控制工艺技术是我国炼厂.doc

汽油调和优化与自动控制工艺技术主要由优化与控制软件,在线质量分析仪和管道调和与仪表控制等系统组成.典型的汽油自动调和工艺流程如图2所示.*汽油调和优化与自动控制工艺技术是我国炼厂目前挖潜增效的一种重要途径袁洪福，陆婉珍2003-12-12中国石化股份有限公司石油化工科学研究院，北京，100083随着我国轿车数量迅速增加，对高标号汽油的需求量越来越大，我国许多地区也相继出现了燃料油脱销局面1-3。大量生产高标号汽油则需要大量汽油辛烷值资源，而我国汽油辛烷值资源是严重短缺的。其原因是，我国的主要汽油调和组分为催化裂化汽油，在实际生产操作控制中，国产催化汽油干点的控制比国外催化汽油的更高，其辛烷值也相对偏低，一般在90左右。为满足清洁汽油标准对烯烃和硫含量的限制要求，通常需要对催化汽油进行加氢处理，降低其烯烃和硫含量，而降低烯烃与增加辛烷值则是相矛盾的，所以我国的辛烷值资源呈严重匮乏局面。依靠增加重整汽油或其它高辛烷值组分的生产能力也是改善汽油辛烷值资源短缺的重要途径之一，但受增加装置需要巨额投资所限，在未来较长时间内还难以改变这一状况。在这样的形势下，如何充分利用现有的辛烷值紧缺资源，对炼厂汽油生产和经济效益具有重要意义。目前我国汽油生产主要依靠人工调和，即罐调和生产方式。汽油生产质量控制依靠化验室提供辛烷值（RON，MON），烯烃，苯，蒸汽压和馏程等数据。由于化验室目前采用的有关标准分析方法，分析速度慢，如辛烷值测量需要1个小时，实际上需要4个小时左右，因此，现有化验室分析方法不能及时指导炼厂汽油生产的质量控制。为了保证成品汽油辛烷值合格，避免重调或退货造成较大的经济损失，多数炼厂采取使成品汽油在辛烷值指标控制上留有一定余地，如2002年5月，国家石油产品质量监督检验中心发布了对1998-2001年间近500批次汽油样品检验结果4，如在1998年、1999年、2000年和2001年，93#汽油的研究法辛烷值分别为94.7、95.4、94.9和94.7。90号汽油研究法辛烷值平均值为91.7。90号汽油和93号汽油的抗爆指数规格分别为85和88，实际测量的平均值分别为86.1和88.7。这说明目前人工调和生产方式使我国成品汽油研究法辛烷值比规格多1.5个辛烷值单位左右，显然对炼厂汽油辛烷值资源是严重的浪费，按照1美元/辛烷值计算是保守的，可以推算出我国炼厂由此产生经济损失是巨大的。另外成品汽油硫（GB规定0.1%），苯（GB规定2.5%），芳烃（GB规定40%）和氧（GB规定2.5%）平均值分别为0.032%，0.90%，20.4%和1.08%。蒸汽压（冬季，GB规定88，夏季，GB规定74）平均值分别为67.0和56.0kPa。因此，成品汽油的这些指标也有富余。环保部门对燃油排放指标限制也越来越严格，除辛烷值要求外，对烯烃，苯和硫含量都有严格限制，这要求汽油调和优化运算时，对寻优解的约束条件增加了组成限制，这使得汽油调和工艺的优化生产更加复杂。而且，我国炼厂所加工的原油种类变化及频率都比较大，催化裂化稳定汽油的组成如烯烃和辛烷值变化也相对较大。由于没有快速的在线质量分析仪，只能通过十几个小时之前的实验室数据进行调和，不能在线监测苯、芳烃、烯烃、含氧化合物等清洁汽油指标，从而不能实现不同汽油调和组分的最合理调配；一次调和成功率低，重调浪费严重，且出厂量与罐资源间的矛盾日趋尖锐。显然，目前我国大多数炼厂所依靠的人工调和方式已经远不能满足现代汽油生产的技术要求。国际上，从90年代初开始研究结合在线近红外分析技术和汽油调和优化技术实现汽油的全自动调和工艺，如ABB，SK，YOKOGAWA，和INVENS等都开发了在功能上类似的全自动汽油调和工艺技术。在工业发达国家与地区的炼厂大多采用了这些先进的汽油自动调和技术，并由此获得了巨大经济效益5-12。早在1994年，BP公司Lavera炼厂(法国)，采用在线近红外分析仪， 对16种调和组分和3种成品汽油，即M98 无铅汽油(98 RON, 88 MON), M95无铅汽油(95 RON, 85 MON), and M97 加铅汽油 (97 RON 含铅 0.13 g/l)，实时测量RON，MON，Rvp，密度，蒸汽压和馏程性质，测量间隔为45sec.，通过DCS将数据传输给多元控制软件，即Anamel，对汽油调和生产进行优化和控制，使成品汽油MON辛烷值富余量（giveaway）从0.6下降至0.3。对辛烷值约束成本为$5/m3 ($0.79/bbl),每年增加经济效益200万美元，由于在线近红外分析替代了大量传统分析，如爆震引擎试验，蒸汽压，蒸馏与胶值等，每年节省了30万美元分析费用 10。波兰PKN ORLEN是波兰最大的燃料油生产厂，1996年建成了一套新汽油调和装置（Gasoline Blending Unit，GBU），项目包括罐区与设施的现代化，新增管道，马达驱动阀门，23个组分泵，一个新的在线调和刹车系统（in-line Blender Skid），2套染料和添加剂注入刹车，一套在线近红外光谱分析仪，实时测量8个性质：RON, MON, RVP, E70,E100, E180, FBP, 和密度，和一套复杂的自动调和控制与优化系统。自动调和控制与优化系统（ABC）提供了一整套全自动调和操作的管理，即从生成调和任务单（blending orders）（日期/时间，配方，储罐，和数量）到计划器（planner），自动将定单转化为可执行的调和任务，自动进行现场设备路线选择，自动组合管道（line-up），自动开车，控制与监测，停车和出调合报告。这套自动调和系统具有以下优点：最大限度地利用罐区设备（如罐，调和器，泵，管道和泊位等），实际上不增加补充投资情况下，就可以增加炼厂产量；使罐容和用于罐容的投资最小化；减少产品的不合格率；减少产品质量指标过高造成的浪费；使产品转移差错最小化；降低产品的损失；通过早期问题检测和采取避免措施减少设备的损坏；降低离线和化验室工作负荷；容易实现政府关于安全与汇报的要求；通过网络将化验室与炼厂信息系统连接起来；寿命周期成本最低。这套GBU生产能力为1000m3/hr和质量控制（-0，+0.25RON，置信度95%）。每年生产400万吨汽油，包括94#普通汽油、98#普通汽油，95#欧洲优质汽油和98#欧洲优质汽油。这套工艺为该炼厂每年节约300400万美元8。图1 SK公司GASOLINEplus控制流程示意图韩国SK公司有1个专门研究近红外分析技术用于石油化工过程控制的小组，该小组熟悉近红外分析和化学计量学方法，在SK公司几乎所有大型炼油或化工装置上都装备了在线近红外分析系统，与APC系统连用实现了装置的优化与实时控制。由于该小组的出色工作，使得SK公司从APC方面获得了巨大的经济效益，目前，该小组不仅服务于SK，还将该技术大量输出到其他国家炼厂。他们自1992年开始关于近红外用于汽油调和的可行性研究，1993年在管道调和系统上安装了在线近红外分析仪，1994至1995年，与先进过程控制（APC）连接进行试验，1995年实现了汽油调和直接装船目标，SK称这套工艺技术为GASOLINplus。这套系统集由在线近红外分析仪，计划与调度软件（霍尼韦尔的G-spare）和属性控制软件（霍尼韦尔的Anamel），和比例调和控制（横河的Centum-CS）等组成。整个工艺控制流程如图1所示。应用该技术避免了成品汽油质量指标过高，使汽油研究法辛烷值（RON）从富余0.5降至富余0.2；蒸汽压最大变化控制在0.04 ；优化使用汽油调和组分，如少用了0.3%的重整油，多用了70%的抽余液组分，多用了14%的丁烷；还可连续进行汽油质量的确认，节省罐容资源，和节省大量的化验室分析费用。按照每天7万标准桶的生产量计算，每年可为SK公司节省200万美元费用6。汽油自动调和工艺也是我国炼油行业几代人一直追求的梦想，多少年来没有停止过对该技术应用的探索。例如我国北方某大型炼厂油品车间，现在闲置着1套在近二十年前建造的汽油管道调和系统，由于当时缺乏在线油品质量分析仪而使这套系统不能应用，现如今它已被锈蚀为一堆废铁。1992年左右，西太平洋炼厂国内最早引进在线近红外分析仪用于汽油调和的先进技术，其投资为几千万人民币。由于缺乏配件和模型等，在自安装之后很长时间内一直未能启用，以后也见其应用情况的报道；1995年，兰州炼厂启动了汽油在线自动调和工艺项目，管道调和系统包括：在线近红外分析仪（光栅扫描式），调和软件（兰炼自动化院开发）和管道设备及控制仪表系统组成。1998年完工，在投用了1年后，一直停用至现在。其中在线近红外光谱分析仪费用为400多万元人民币，其它系统为自行开发的。当时的使用效果较好：从调和开始到稳态的时间为12分钟；控制节省辛烷值富余量为0.5，优化使用调和组分，将直馏组分用量从5%提高到21%，1年节省237万元 13。1997年，福建炼厂建立了管道汽油调和系统，系统包括引进的在线近红外过程分析仪（光栅扫描式），浙大中控编制的调和软件APC-Blend，和调和管道与仪表控制系统。该管道调和系统不经过组分中间罐（缺），直接连接到生产装置（1套催化裂化，1套重整，1套MTBE）的流出口上，组分性质波动较大。为了平衡调和系统各入口压力，在调和系统与各装置连接处增加了一个压力调节系统，使进入调和系统的压力均衡。在线近NIR分析仪检测了催化，重整和2个调和头共4路物料。整个管道汽油调和系统投资1000多万元，其中在线NIR分析系统（包括防爆，样品前处理）占500多万元。该系统年生产汽油能力约120万吨，其中90#汽油占30%，主要为93#产品，还有少量97#汽油。调和组分大致比例：催化约占70%，MTBE约占5%。有时也掺部分直馏组分，由于这部分组分的来源是随机的，所以它并不直接参与管道调和。其中在线近红外分析系统分别测定2路组分和2路产品的辛烷值。与项目实施前比较，管道调和系统将辛烷值富裕量从0.5降至0.3，收到了比较好的调和效果。镇海炼厂1993年启动在线汽油自动调和项目，1995年建成。该系统包括2台在线分析仪（8145型CFR辛烷值分析仪），浙大编制的调合软件，和管道设备及mX集散控制系统。总投资为2200多万元人民币14，其中2台8145型CFR辛烷值分析仪为1600多万元。1995年月投用，运行较短时间后，一直停用。2002年9月重新起用至现在，以FCC汽油为基础组分，加入少量重整汽油或MTBE进行微调。组分及产品：汽油产量为230万吨/年;主要产品牌号：90，93和97；调合组分：催化裂化汽油（含部分加氢等工艺的其它少量汽油），重整汽油，烷基化汽油（目前未生产）和MTBE。该系统应用后收效明显，成品汽油辛烷值富余量不高于0.20个辛烷值。按每吨汽油提高1个辛烷值增值1美元计算。如果比手动调和节省0.2个辛烷值，按年调合230万吨汽油计算，可创造377.2(0.223000008.2)万元效益；45罐/月产量，损失2.5吨/罐重调。明显提高一次调合成功率，由此增加效益117.6万元/年；一次调和成功率的提高，加快了油罐的周转速度，相当于增加了1台新油罐，大大提高了设备利用率，减少了设备投资。存在的问题：2台8145型CFR辛烷值分析仪，投资和维护费用都很高；常因机械故障耽搁生产，目前，其中1台设备因配件损害而停用。从目前调查情况发现，镇海炼厂是国内目前唯一正在能正常应用的汽油管道调和系统的单位，其他炼厂均受缺乏对近红外光谱分析模型的维护或进口维修配件不能及时到货等问题的影响，而使这些在线管道调和系统不能连续正常运行。大量应用案例数据表明，炼厂采用汽油调和优化与自动控制工艺技术生产汽油，可以取得显著经济效益，好处在于：（1）能够最大限度地利用价格低或库存充裕的组分（如轻催，或直馏，或重整抽余油等），使价格贵的汽油组分（如重整、烷基化油或MTBE等）的用量最小化，也避免成品汽油某些指标（如辛烷值）富裕（即超过规格要求）造成的质量“白送”（Give away），减少炼厂利益损失，有很大的可图利润空间。（2）汽油调和优化与自动控制工艺技术采用在线近红外分析技术，能够同时快速测定多种组分和成品的多种性质，在及时前馈/反馈汽油调和控制系统优化生产的同时，可以节省大量分析费用（设备与试剂）和人力；避免了化验室分析周期过长缺点，汽油成品质量得到实时确认，能够有效地利用和节省储罐资源；因此，在这些方面也能获得相当可观的经济效益。汽油调和优化与自动控制工艺技术主要由优化与控制软件，在线质量分析仪和管道调和与仪表控制等系统组成。典型的汽油自动调和工艺流程如图2所示。近红外分析仪DCS中间罐中间罐成品罐中间罐中间罐NIRPTNIRPTNIRPTNIR PT成品罐TNIRTNIRBRCBPCoptimizer90#重整烷基化MTBE93#催化图2 汽油自动调和工艺流程示意图优化与控制软件是汽油自动调和工艺的指挥系统，基本内容包括：（1）配方优化与调度，负责综合炼厂各种信息包括市场信息（需求与价格等），各种汽油调和组分和成品的储量与属性信息，和调和规则等信息，通过计算机技术进行优化，为不同规格汽油制定优化的调和配方。并且根据炼厂生产计划制定汽油调和生产的排产调度表。（2）在线优化与控制软件。根据调和配方进行调和，实际调和的情况与预期的情况是有差别的。因此，根据在线汽油质量分析仪表实时反馈的分析数据，使用调合规则对初始配方进行调整，使在各生产周期内配方最优化，并将即时优化的配方传递给比例控制软件部分。该软件还根据罐区储运信息调整配方，以满足调度计划的顺利实施。（3）比例率控制：执行在线优化与控制软件发出的操作指令，最终完成汽油的自动调和过程。在线质量分析仪是汽油自动调和工艺的关键技术之一。负责实时测定各调和组分与成品汽油的性质，及时将测量数据反馈/前馈给在线优化与控制软件，从而实现汽油全自动调和生产目标。汽油管道自动调和工艺中使用的在线分析仪主要包括在线爆震辛烷值分析仪和在线近红外分析仪。爆震辛烷值分析仪仅能提供一种汽油辛烷值数据，分析间隔为5分钟，缺点是机械维护量和费用很高，不能提供其他性质数据。在线近红外分析仪速度快，硬件维护量比较少，能够实时测定汽油辛烷值，组成，苯，蒸汽压以及馏程数据。缺点是需要长期对校正模型进行维护，专业技术支持是必要的，模型的覆盖范围与应用时间有关。因此，发达工业国家炼厂汽油自动调和工艺绝大多数都采用在线近红外分析仪。目前国内外均有成熟的在线近红外分析仪产品，根据分光原理分类，光谱仪类型主要包括光栅扫描（如GUIDEWAVE产品），傅立叶扫描（如横河公司产品），声光过滤AOTF（如BRIMROSE公司产品），固体阵列检测（如石科院&INCE产品）。傅立叶扫描具有分辨率和信噪比高的优点，缺点为其干涉仪有移动部件。扫描速度最快和无移动部件，稳定性最高的为固体阵列检测类型，更适合在线测量。根据石科院长期研究和应用近红外技术分析汽油性质的经验表明，上述在线近红外分析仪器产品的硬件技术指标和性能基本上都能满足汽油调和在线分析的要求。对国内炼厂引进的在线近红外光谱仪的使用情况调查发现，这些来自不同厂家的在线近红外光谱仪在应用中，确实有在硬件上出现故障的情况，如测样探头等，因配件不能及时到位而耽误生产，但更多的和普遍的问题是模型建立与维护缺乏技术支持，而使系统长期瘫痪，这也与目前我国炼厂仪表自控部门与化验室部门分立体制有关，因为，在线仪表由炼厂的仪表自控室管理，而近红外校正工作应当由化验室承担，彼此不相来往，仪表自控室部门没有化验数据，同时也缺乏化学分析专业知识，无法保证模型的正常维护工作。国外成功应用经验为委托熟悉近红外分析技术专业厂家或供应商负责模型建立与维护，或培养自己的专业技术支持人才队伍，如韩国SK公司是一典型例子，不仅负责汽油调和的近红外分析维护，作为专业也同时负责其它工艺装置的技术服务。调合管道工艺设备及仪表控制系统主要包括：DCS，计算机，泵，压力阀，高精度质量流量计，流量控制阀，温度表，截止阀，单向阀，总管，静态混合器，添加剂加入系统以及配套管道。通常，进口供应商以工程承包形式出售成套技术产品，如霍尼韦尔公司的“Blending and Movement Automation Solutions”，ABB公司的“Optimize ITAdvanced Blend Control System”。 而“汽油管道调和系统”仅作为整个油运优化系统产品的一部分。横河公司和SK公司均能提供成套的汽油调和工艺技术。这些产品功能很强，适当引进技术，可以促进国内发展该技术提供技术借鉴，但大量引进这些产品其费用是很高的，汽油调和工艺技术的引进费用范围为20003000万元人民币。我国炼厂的原油来源变化大，产品以90和93汽油为主，用于汽油调合的组分种类少，通常以催化裂化为主要调合组分，加入少量高辛烷值组分（如重整，MTBE）以微调方式进行调合。因此，这与国外加工的原油品种单一，加工量相对变化不大、汽油调合组分较多、油运系统自动化程度较高的状况形成了显著差异。因此，引进国外管道调合工艺技术时存在以下问题：大量引进则企业难以承受巨额引进费用；国内外炼厂情况有所不同：国外炼厂一般具有原油调和工艺，蒸馏装置所加工的原油变化及加工量变化较小，而国内所加工的原油种类变化及频率比较大，在油运系统自动化程度方面也有很大悬殊，我国大多数炼厂供汽油调和的主要调和组分种类少，通常以催化为主要调和组分，加入少量高辛烷值组分（如重整，MTBE）以微调方式进行调和，产品规格与质量检测体系也不同。因此，引进的管道调和工艺技术在用于我国汽油管道调和时，某些功能不一定能充分发挥应有的作用或可能不适应的情况；从目前国内引进的几台在线近红外光谱分析系统运行情况，大多因为缺乏分析模型和维护等原因使整个调和工艺系统瘫痪；最后一个重要问题是，汽油“调和规则“必须的通过对各炼厂汽油进行试验才能得到的，这些工作也必须由国内科研单位或炼厂自身来承担，在使用中也要求适当的技术维护。所以，引进技术虽然先进，但并不是最符合我国炼厂实际情况，成本显然是非常不合算的。目前国内关于汽油自动调和工艺技术的现状是，对整体技术的各个部分，即在线近红外质量分析仪，优化与控制软件，和管道及仪表系统等，均有产品，但目前尚没有将其集成为成套工艺技术在炼厂应用。石科院与INCE公司开发了在线近红外分析系统产品，已在工业重整装置上成功应用，在线测定汽油辛烷值和组成。石油化工科学研究院在近红外分析成套技术开发和建立与维护油品质量近红外分析模型方面具有丰富的经验，具有一支从事近红外光谱分析的专业队伍，可以为在线近红外分析仪用于国内汽油自动调和工艺提供可靠的技术保障；石科院，兰炼自动化院和浙大中控等对汽油调和优化与控制软件技术开展了初步研究，具有一定的技术基础；管道，阀门，仪表以及DCS等产品均有国产产品，都是市场上可以直接采购的产品。所以，目前，国内具备开发和应用汽油自动调和工艺技术的基本条件。针对我国目前高标号汽油需求快速增长和环境保护的要求，过去沿用的人工罐调和方式已经不适应现代汽油调和生产技术的要求；随着我国车用燃料市场与国际市场接轨步伐的加快，炼厂必须提高生产技术水平，降低生产成本，汽油管道调和工艺技术是炼厂效益挖潜的重要途径之一。目前，汽油管道调和挖潜作为炼厂新的效益增长点，目前基本处于待开发状态。汽油管道调和工艺技术的开发与推广，将会对中国石化股份公司产生巨大的经济效益。为此，中石化公司非常重视汽油自动调和工艺技术的开发与应用，曹湘洪同志于2003年7月26日的在集团公司暨股份公司新标准汽油生产方案优化会议上的总结讲话中指出：“充分考虑市场需求，抓好调合方案的优化。过去我们不太重视油品的调合，现在要强调优化方案降低成本。调合优化要引起足够的重视，既要防止质量不合格，也要防止质量过剩，这方面要结合本单位实际来认真研究。现在国外有较先进的汽油调合技术，一引进几千万费用太高，请研究单位、生产单位和工程设计单位组合起来，把仪表计量自动化、调合软件和管道调合手段用起来，炼油厂的挖掘改造其中很重要就在调合上。” 因此，开发和应用适合我国汽油调和实际情况的汽油自动调和工艺技术，对该技术在我国炼厂普及并能够成功地应用，真正起到投资小，见效大，避免化巨资引进不适合自己的技术带来巨大损失的作用，具有重大的现实意义。国内炼厂都非常关注汽油自动调和工艺技术的应用15-16，也意识到汽油调和工艺的改进潜在大的经济效益。但因项目依靠引进的投资很大，而且，在国内目前引进的技术中，受缺乏在线检测技术支持等因素影响，尚未得到令人信服的业绩，也缺乏对该技术知识的详细了解，感到项目风险很高，故大多处于观望与准备阶段。炼厂在规划汽油管道调和工艺技术时，应认真研究现有商品技术的内容和特点，是否符合炼厂对现在的或未来中长期内汽油调和工艺技术的要求。应特别对该项目的投资汇报率予合理计算，因为调和工艺技术在调和的规模和自动化程度上的差异很大，比如全厂一体化优化的汽油调和工艺，各汽油调和组分从各生产装置馏出口出来，不经过组分中间储罐，直接进入调和管道系统，由调和头出来的成品汽油，直接送往装车（船）。这种情况下，调和组分的性质的变化幅度与频度比较大，特别是沿海加工进口油的大型炼厂，调和优化与控制的难度较高。这种调和工艺技术最为复杂，但取得的经济效益也是最大的。而对一些中小型炼厂，生产装置不多，调和组分数目少，汽油产量不高，这类调和无须优化，只需在线质量分析仪和比率调和控制就可满足卡边操作要求。因此，在汽油调和工艺项目设计上不宜求大求全，应选择必要的技术部分加以适当集成，形成最适合炼厂自身的汽油管道调和工艺。所以希望本文能为我国炼油工业未来发展和应用汽油自动调和工艺技术提供有意的启示。参考文献1“上海汽柴油价小幅上涨，备足资源供应不脱档”，东方网-新闻晨报，2003年12月07日10:212. “ 广东省成品油价上升，柴油零售价上升0.15元”，信息时报，2003年12月07日02:07 3.“长三角遭遇罕见“油荒” 加油站囤积是祸首？”，新华网，2003年12月06日13:444. 王洁清等，“我国车用无铅汽油的质量状况及分析”，石油炼制与化工，2002年5月，33：5，p37-405 Ba