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延迟焦化控制系统设计摘 要延迟焦化是一种石油二次加工技术，以渣油为原料，在高温(约500)条件下进行深度的热裂化和缩合反应，生产汽油、柴油、蜡油和焦炭等。延迟焦化装置一直是加工劣质渣油的首选工艺装置。本论文主要完成延迟焦化装置控制系统的整体设计。在焦化反应机理的基础上，分析生产过程中各个变量的性质及其相互关系以及被控对象的特性，根据工艺的要求，选择被控变量、操纵变量，合理选择控制系统中的测量变送单元、调节器和执行器，建立了一个较为合理的控制系统，能够实现生产过程的自动化。本次设计主要包括：延迟焦化装置加热炉出口温度、分馏塔底液位、塔底温度、塔顶温度、焦炭塔顶出口温度、换塔操作控制以及延迟焦化反应温度、压力、原料循环比等控制方案。根据工况条件及工艺数据，正确地进行仪表选型，在DCS操作平台上实施常规控制（如PID控制），了解整个延迟焦化的工艺运行状态，掌握延迟焦化相关的自动控制过程。本文针对延迟焦化装置的实际情况，设计了合理的控制系统。理论研究表明该系统能有效提高延迟焦化生产过程的平稳性，统一了操作人员的操作方法，提高了装置的自动化水平，达到了预期的目标。关键词：延迟焦化；控制方案；仪表选型；The Design of Control System for Delayed Coking UnitAbstractDelayed coking is a secondary oil processing technology, making the residue as raw material, which dose deep thermal cracking and condensation reaction under the condition of high temperature (about 500 ) to produce gasoline, diesel, gas oil and coke.This paper is to complete the overall design of control system for delayed coking unit. At first, we should analyze all variables in the production process and the characteristics of the object; then according to the request of production, choose the controlled variables, manipulation of variables, and a reasonable measurement transmission unit of control system, regulators and actuators; finally achieve the process of automated production. This paper is mainly including such control schemes as : delayed coking unit furnace outlet temperature control, fractionation bottom level control, the bottom temperature ,top temperature, coking tower outlet temperature control, change tower operation control, and delayed coking reaction temperature, pressure and raw materials cycle ratio and so on. Moreover, it chooses a correct measurement method based on conditions and data of technics used here.At last, we should become familiar with the DCS platform on the implementation of conventional control (such as PID control) and some advanced control. The paper will benefits us not only to understand the overall operating situation of control system for delayed coking unit, but also to master automated control process related to control system for delayed coking unit. This paper designs a reasonable control system based on the actual situation of delayed coking unit. Theoretical study shows that the system can effectively improve the delayed coking of a smooth production process, the unified method of operation of the operator to raise the level of automation devices to achieve the desired goal. Key words: delayed coking; Control scheme; Instrument selection ; 目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 延迟焦化装置概况11.2 延迟焦化控制技术的研究现状11.3 延迟焦化控制技术展望3第二章 延迟焦化工艺62.1 延迟焦化工艺概述62.1.1工艺流程62.1.2 工艺特点72.2 延迟焦化操作参数及其优化82.2.1操作温度82.2.2操作压力92.2.3 循环比102.2.4 参数优化112.3延迟焦化环保技术122.4其他焦化工艺13第三章 控制方案设计153.1焦化部分控制方案设计153.1.1 加热炉控制方案153.1.2 焦炭塔控制方案183.2 分馏部分的基本控制方案213.2.1分馏塔塔压控制223.2.2 分馏塔回流罐液位控制223.2.3分馏塔塔顶温度控制243.2.4分馏塔塔底温度控制243.2.5分馏塔塔底液位控制253.2.6循环比的控制及其优化263.3 自动除焦273.3.1自动除焦控制系统的特点283.3.2总体控制技术方案283.4 换热器的控制283.5泵的控制方案设计29第四章 仪表选型3141 检测单元选型314.1.1 压力测量仪表314.1.2 物位测量仪表334.1.3 流量检测仪表354.1.4 温度检测仪表364.1.5 变送器选型384.2 控制执行器选型394.3 DCS控制器系统414.3.1 概述414.3.2 友力-2000控制系统简介414.3.3 冗余设计434.3.4 系统的安全性434.3.5 友力-2000系统配置444.4 仪表清单与资金概算45第五章 结束语46参考文献49谢辞5051第1章 绪 论1.1 延迟焦化装置概况延迟焦化是一项用于加工渣油，特别是劣质减压渣油的成熟的炼油工艺技术。延迟焦化装置的投资低，能加工各种高硫、高沥青质的减压渣油，其原料范围甚至可以包括沥青和油砂。焦化汽油经过加氢后，是较好的制乙烯原料，焦化柴油具有较高的十六烷值，焦化干气和富气是制氢的好原料。延迟焦化装置一直是加工劣质渣油的首选工艺装置1。由于延迟焦化装置具有工艺成熟，原料灵活性大和投资成本低等特点，对许多炼油厂来说是优选的渣油加工方案。据美国EIA统计，延迟焦化在世界渣油改制工艺中约占1/3。据美国SRI报告，世界焦化能力在过去的15年内增长了70%以上5。我国从20世纪60年代开始建设延迟焦化装置以来，延迟焦化的工艺技术和装置建设取得了较快的发展。特别是9O年代以来，随着我国含硫原油加工量的迅速增加和对制乙烯原料需求量的增大，焦化装置在我国重油加工中的地位越显突出。特别是近年来，由于环境保护的要求、催化裂化汽油烯烃含量的限制和催化裂化装置再生烟气硫化物排放量的限制，使催化裂化装置的渣油掺炼量受到一定的制约。相对于渣油加氢处理工艺而言，由于延迟焦化装置的投资低，在生产清洁燃料需要大幅增加投入的情况下，采用延迟焦化显然具有一定的优势17。1.2 延迟焦化控制技术的研究现状从2O世纪6O年代开始建设延迟焦化装置以来，我国延迟焦化技术和装置建设得到了较快的发展，成为了世界上延迟焦化能力占第二位的国家。特别是90年代以来，延迟焦化更是得到了飞速的发展，在1996年到2004年的8年问，延迟焦化能力净增了1747 Mta，使我国延迟焦化能力占原油加工能力的比例达到了10 以上。国内最大的16 Mta延迟焦化装置最近在中国石化扬子石油化工股份有限公司(扬子石化)投产，表明我国延迟焦化技术已经取得了长足的进步。近几年国内投产的延迟焦化装置，技术水平已经接近国外的先进水平，装置在大型化、自动控制水平、环境污染控制、降低操作消耗、提高经济效益等方面取得了长足的发展。但是，早期投产的延迟焦化装置受当时的技术水平的限制，还存在着诸多不足之处。从2O世纪6O年代开始至今，我国建设了一大批延迟焦化装置，这些装置大多数规模较小，能耗较高，除焦技术落后，污染比较严重，应该尽快在这些装置上推广近年来已经取得进展的技术，如自动切换除焦器、水力除焦程序控制系统、冷焦水密闭循环、塔顶盖自动装卸机等。推广利用已经取得进展的技术，对老装置实行改造，投资少，经济效益好，不仅可以改变这些老装置的面貌，还可以在较少的投资下，较大幅度地提高这些装置的加工能力、自动化水平和安全性能2。近年来随着原油重质化趋势的与日俱增，以及重油轻质化的需求，发展重油加工技术是目前炼油工业的突出任务之一。延迟焦化技术具有流程简单、原料适应性强、技术成熟可靠、投资和操作费用较低等优势，成为最主要的重油加工工艺之一。一方面，由于延迟焦化是一个包含多塔串联和物料循环的复杂工业生产过程，原料来源复杂，单元之间以及各个单元变量之间的关联性强，过程控制的难度大。特别是延迟焦化过程的半连续特性，使延迟焦化装置成为最难操作和控制的炼油装置之一 。另外一方面，由于延迟焦化装置加工硫、重金属和沥青质含量高的渣油，而带来的产品质量、设备腐蚀、环境污染等方面的问题日益严重，对延迟焦化的操作也相应地提出了更高的要求。为此，延迟焦化装置应在现有DCS的基础上，应用先进控制技术，进一步平稳操作，实现优化生产。国外较早就有先进控制技术在延迟焦化装置应用的报道。国内在这几年中也有几套延迟焦化装置采用了先进控制技术，取得了不错的控制效果3 。尽管延迟焦化是目前最广泛采用的一种焦化流程，但是它还有不少不足之处。例如，此过程还处于半连续状态，周期性的除焦操作仍需花费较多的劳动力，除焦的劳动条件尚未能彻底改善；由于考虑到加热炉的开工周期，加热炉出口温度的提高受到限制，因此，焦炭中挥发分量较高，不容易达到电极焦的要求等。这些问题都有待于进一步研究和解决。1.3 延迟焦化控制技术展望延迟焦化是将炼厂低价的劣质渣油、污油以及油泥等进行加热裂解、缩合。从而转变为高价值的液化气、汽油、柴油、蜡油等产品和干气、石油焦等副产品的二次加工工艺。延迟焦化装置主要加工炼厂各种劣质原料，如高硫、高氮、高残碳、高沥青质和高金属含量渣油，也可处理高酸原油、炼厂污油和污泥等。这些原料具有价格低廉的优势，炼厂其他装置又难于加工，但均可在延迟焦化装置中“变废为宝”，从而获得较高的经济效益，因此延迟焦化装置在炼油厂发挥着不可替代的重要作用。近年来，由于国民经济快速发展对能源总量和需求结构变化，同时重质油加工手段多样化，作为重质油加工手段之一的延迟焦化装置在沉寂了多年以后，最近几年得到快速发展，新的延迟焦化装置纷纷上马，装置规模也越来越大型化，同时新工艺、新技术、新产品不断推出并适时运用到新上马的延迟焦化装置中。延迟焦化作为一项成熟的炼油工艺技术，仍然在不断创新和发展，在我国炼油工业的发展中，将发挥越来越大的作用4。伴随延迟焦化产能的急剧发展，焦化工艺技术方面也取得了重要的进步。主要进步表现为：大型化、灵活性、最佳化和清洁化等方面。虽然大型化是目前焦化最主要的发展方向，但是由于炼厂原料性质的不断劣质化，要求焦化工艺能加工更高残碳值、更高含硫量和更高金属含量的原料，也就是进一步提高焦化工艺对原料的灵活性已成为焦化工艺一项十分迫切的任务。此外，进一步提高自动化水平也是促进延迟焦化技术快速发展的重要步骤。从本质上看，延迟焦化是一个半连续的操作过程，和焦炭塔有关的设备和阀门处在经常的切换过程中，国内一些焦化装置曾经因为误操作或其它原因，在焦炭塔的切换过程中发生火灾和人身伤害等重大事故。除了需要加强人员培训，提高操作人员的安全意识和责任心以外，工程设计上应该最大限度地利用程序控制技术和安全联锁措施，防止误操作的发生，提高自动化水平和装置的安全性。目前，水力除焦程序控制系统7已经采取了一系列安全联锁措施，包括高压水泵的启动条件和紧急停车联锁、钻机绞车的选定、除焦控制阀的动作联锁、除焦器上下级极限停车和滑落紧急制动联锁等，还应根据曾经发生的事故，进一步完善安全联锁措施。对于已经采用了塔顶盖自动装卸机的延迟焦化装置，可以充分利用这一设备，对塔顶盖自动装卸机的液压站的启动条件进行联锁，使得在误操作的情况下，因联锁条件不能满足而无法启动液压站，塔盖不能打开，从而避免事故的发生。从操作人员的安全角度考虑，应尽快开发出塔底盖自动装卸机，特别是在含硫劣质原油大量增加的情况下，加工硫含量高、沥青质含量高的原料时，在焦炭塔内易生成弹丸焦，此时在水冷却后的排水过程中，易形成堵塞，使水排放不净，在拆卸底盖时，对操作人员造成危害。采用塔底盖自动装卸机后，操作人员可以远离塔口，操作简单、安全，而且在某些紧急的情况下，还可迅速将塔底盖关上。目前，引进一台塔底盖自动装卸机需要100 X 10 US$以上。目前，国内已经研制出了塔底盖自动装卸样机，但尚未在工业装置上应用，需要尽快加速这一开发过程。随着焦炭塔的切换，分馏塔进料的组成和数量处在不断波动过程中，会导致系统的压力和产品质量大幅度波动，焦粉携带的加剧往往发生在焦炭塔切换操作过程。目前，在焦炭塔切换新塔进行预热时，采用在焦炭塔顶注入焦化柴油的前控制方法，防止系统压力突然降低，对稳定系统的压力有较好的效果。鉴于焦化操作周期性波动的特点，采用先进控制技术稳定操作，提高目的产品的收率和产品质量还有很大的发展空间和潜力，特别是动态优化控制软件的开发和应用，将会有很大的经济效益。第2章 延迟焦化工艺2.1 延迟焦化工艺概述延迟焦化是炼油厂内的一种主要的重油加工工艺，通过热裂化和缩合反应达到种质烃类轻质化目的。常规延迟焦化装置由焦化、分馏（有的包括气体回收）、焦碳处理放空系统和冷、切焦水处理等几个部分组成。世界上许多大石油公司开发了焦化工艺，他们的焦化-分馏流程差别不大，主要在专利、专有技术方面各有特色，形成各公司的成套专利技术。2.1.1工艺流程焦化原料(减压渣油)先进入原料缓冲罐，再用泵送入加热炉对流段升温后进入分馏塔底与焦炭塔顶来的焦化油气在分馏塔内换热，一方面把原料中的轻质油蒸出来，同时又加热了原料，原料油和循环油一起从分馏塔底抽出，用热油泵打进加热炉辐射段，加热到焦化反应所需的温度，再通过四通阀由下部进入焦塔炭，与原料油换热后，经过分馏得到气体，汽油，柴油和蜡油。焦炭塔是成对使用的，两台一组，一套延迟焦油装置中有的是一组(两台)焦炭塔，有的是两组(四台)焦炭塔，两组塔既可单独操作，又可并联操作，在每组塔中，一台塔在反应生焦时，另一台则处于除焦阶段，即当一台塔内焦炭聚集到一定高度时进行切换，切换后通入蒸汽除去轻质烃类并注水冷却，然后除焦，每台塔的切换周期一般为48小时，其中结焦24小时，除焦及辅助操作24小时。除焦用水力除焦法，即采用约300Mp的高压水除焦，除去的焦炭入焦池，同时用抓斗机送到另处存放或装车。装置所产气体，汽油，需用气体压缩机和泵压入吸收稳定部分进行分离得到干气及液化气，并使汽油的蒸汽压合格，柴油去加氢精制，蜡油可作为催化裂化原料或燃料油18。2.1.2 工艺特点延迟焦化工艺从20世纪30年代工业化以来，是应用最广的一种渣油加工技术9。延迟焦化工艺在技术、经济方面的特点可归纳为以下几点：（1）技术成熟，原料适应性广泛，是炼油厂加工高硫、高残炭、高金属含量渣油首选工艺之一延迟焦化技术成熟且容易推广的主要原因焦化是热加工过程，不使用催化剂，所以不存在催化剂中毒、污染造成催化剂再生和更换等问题，可以处理其他重油加工工艺不能处理的高残炭、高金属含量的原料。同时焦化流程比较简单，生产成本较低，炼厂内一些其他装置不能处理的重质废油可送往焦化装置处理，这就提高了全厂轻油收率和效益。（2）建设投资适中，加工费用较低，具有较好的投资回报据有关数据报道，大型延迟焦化工业装置投资指标适中，单位生产能力（104t/a）的投资指标为50万120万美元。国内建设大型延迟焦化装置投资更低。与渣油加氢处理等过程相比，延迟焦化的加工费也比较低。（3）焦化产品质量易于进一步加工改质。有利于增产中间馏分油，是炼厂提高柴汽比的主要炼油工艺加氢焦化柴油的质量，无论是十六烷值还是安定性方面均好于催化裂化柴油，从而有利于提高全厂柴油产品的十六烷值。焦化柴油加氢精制耗氢量低于催化裂化柴油精制的耗氢量。加氢焦化蜡油是一种很好的炼厂二次加工原料，用作催化裂化和加氢裂化原料时可增加全厂液体产品收率。（4）在油化一体化的石油化工厂中焦化装置占有特殊位置延迟焦化装置作为炼油化工一体化炼油厂的主要装置，它可以为乙烯工业提供更多、更好、更廉价的原料，从而使炼油业和化工业都获得比较好的效益，得到“双赢”的效果。（5）石油焦的用途正在不断地扩大，其价值有很大提高2.2 延迟焦化操作参数及其优化延迟焦化主要的操作条件，一般采用如表2.1所列的范围，其中焦炭塔顶压力、加热炉出口温度和联合循环比为直接影响焦化反应的工艺参数：表2.1 延迟焦化的主要操作条件主要操作条件普通焦操作温度，加热炉出口495505焦炭塔顶420440分馏塔顶110120分馏塔底380400焦炭塔塔顶操作压力，MPa0.150.17联合循环比1.31.52.2.1操作压力1.0一般指焦炭塔塔顶的操作压力。反映压力对焦化的产品分布有一定的影响。压力高，反映深度加大，气体和焦炭收率增加，液体收率下降，焦炭的挥发分也会有所增加；压力太低，不能克服分馏塔及后路系统的阻力。因此原则上是在克服系统阻力条件下，尽可能采用低的反应压力，通常为0.150.17MPa（表）。焦炭塔塔顶压力对焦化馏出油率的影响如图2.1所示。焦炭200.20.1焦炭塔压力，MPa（表）图2.1焦炭塔压力对焦化馏出油产率的影响图3.1 联合循环比2.2.2操作温度一般指加热炉的出口温度。这一温度的变化，直接影响到焦炭塔内的温度和反应深度，从而影响到焦化馏分的分布和质量。温度太低，焦化反应不足，焦炭成熟不够，其挥发分太高，除焦困难。温度太高，焦化反应过深，使焦化汽、柴油馏分继续裂化而降低收率，同时增加气体的收率和使焦炭变硬，也会造成除焦困难。另外，温度过高，炉管容易结焦，还会缩短开工周期。因此，加热炉出口温度通常为495505。2.2.3 循环比循环比是指焦化分馏塔内一部分比焦化馏出油重的循环油量与原料油量的比值。循环比或联合循环比对装置的加工量、产率、焦化产品的分布和性质都有较大的影响。一般循环比增加，焦化汽、柴油的收率即随之增加，而焦化馏出油的收率随之减少，焦炭和焦化气收率增加。图2.2和图2.3为我国主要减压渣油焦化时，循环比对焦化产品分布的影响。此外，提高循环比，装置加工能力会下降。因此采用小循环比操作，减少汽、柴油馏分的收率，提高焦化馏出油的产量以增加催化裂化或加氢裂化原料，已成为我国近年来焦化工艺的发展方向。 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 图2.2 大庆加压渣油延迟焦化收率分布 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 图2.3 胜利减压渣油延迟焦化收率分布2.2.4 参数优化 焦化工艺参数优化过程必须要在充分考虑到原料性质、产品规格和产品分布要求的前提下进行，同时还要考虑到对现有装置加工能力、操作成本、能耗和安全生产等影响。一般讲生产燃料和副产品焦的焦化装置，希望得到最大的液体收率和最小的焦炭收率，国内有些焦化装置情况比较特殊，要求多产焦化汽、柴油，少得焦化蜡油，所以焦化工艺条件优化一定要结合实际，从各厂的实际出发来选择最佳的操作条件。焦化压力的优化在老装置中由于受到装置能力的限制一般变化很小，进来新设计的焦化装置比较注意这个问题。焦化温度的允许变化范围也是很有限的。因此，循环比就成为焦化装置一种主要可变动的操作参数，焦化循环比优化成为焦化工艺参数优化主要讨论的内容。2.3延迟焦化环保技术延迟焦化装置由于处理硫、重金属和沥青质含量高的渣油，历来被认为是炼油厂内一个比较“脏”的装置。空气污染严重，焦粉满地是人们对延迟焦化装置普遍的印象。近年来，随着工程设计技术的进步，这种状况正在迅速改变。延迟焦化装置由于处理硫、重金属和沥青质含量高的渣油，历来被认为是炼油厂内一个比较“脏”的装置。空气污染严重，焦粉满地是人们对延迟焦化装置普遍的印象。近年来，随着工程设计技术的进步，这种状况正在迅速改变。国外延迟焦化环保技术15的发展方向和趋势主要以美国的技术为代表，在20世纪80年代和90年代反正发展较快。技术的发展虽然主要体现在工艺流程的合理性、设备的先进性和节能增效等方面，在减少环境污染方面也十分重视。减少环境污染是从改进工艺、设备和污染治理等方面入手，工艺设备的改进是从源头改变或减少污染物的排放。如焦炭系统，由于目前国内都是敞开式的焦池存放、抓斗装车，存在粉尘污染和恶臭污染；国外近几年，通过工艺、设备的改进，发展了直接装车封闭式传送带输送焦炭系统等技术，从而使粉尘污染和恶臭污染得到有效治理。随着国内近几年延迟焦化装置的大量建设，焦炭生产过程对环境产生的污染问题也越来越引起人们的重视，在借鉴国外焦化环保治理技术的基础上，国内焦化环保治理技术发展很快。冷切焦水的密闭循环治理技术、焦炭塔吹汽放空气体密闭冷却治理技术、加热炉的低氮氧化物燃烧器、噪声和焦粉污染治理技术等都已成功的利用到新建装置和改进装置的生产实践中，对减少污染和改善装置周围的环境都起到积极的作用。通过多年的发展，针对焦化生产工艺带来的污染问题，如延迟焦化的加工工艺使分流塔顶排出的含硫污水的氨氮不易除净、冷、切焦水处理系统还存在恶臭污染、装置排出的污油较大如何进行回炼、如何利用焦炭塔的热量来处理炼油厂的浮渣等方面都相继开发了各种污染治理技术。2.4其他焦化工艺针对延迟焦化工艺存在的缺点进行改进，国内外开发了一系列的其他焦化工艺，现将有代表性的工艺介绍如下：（1） 流化焦化和灵活焦化20世纪50年代美国Exxon公司开发了一种流态焦化工艺技术流化焦化工艺，特点是焦化反应不在焦炭塔内进行，而是在流态化反应器内进行。后来，在此基础上又成功开发灵活焦化工艺。流化焦化和灵活焦化的反映部分是相同的，都属于流态化反应工程。（2） 德国鲁奇（Lurgi）公司的LR焦化技术德国鲁奇（Lurgi）公司开发了多种渣油加工工艺，LR焦化技术于20世纪60年代开发，80年代用于加工油砂原料，90年代用于焦化原料，第一个工业装置建于德国南部。LR的工艺特点是通过利用循环焦炭作为热载体对渣油进料进行高温闪蒸，渣油原料与热载体在独特的混合器内强制混合、闪蒸加热和最短的产品蒸汽滞留时间等。（3） 渣油转化的SATCON工艺SATCON是Satallite Conversion的缩写。它是Lurgi Envirotherm与美国Exxon Mobil研究与工程公司联合开发的一种“缓和焦化”或“热脱沥青”工艺。该工艺是LR闪蒸焦化装置技术的一种改进，主要用于减压渣油等重质烃类的改质和脱除金属污染物，为催化裂化或加氢裂化生产原料。SATCON工艺与一般焦化或溶剂脱沥青工艺相比可以提高液体产率，减少气体和焦炭产率。第3章 控制方案设计3.1焦化部分控制方案设计延迟焦化是一种利用重油在热转化深度较低时不易生成结焦前体物的特性，在焦化加热炉管内获得重油轻质化所需要的能量，然后在焦炭塔内完成生焦反应的工艺过程。控制焦化加热炉炉管结焦速率是确保延迟焦化装置成周期运行的基础，焦化部分的加热炉是延迟焦化装置的心脏设备，而焦炭塔则是焦化装置的核心设备。由此可见，良好的加热炉设计和操作及焦炭塔设计是延迟焦化装置实施“长、满、安、稳、优”生产技术的关键之一。3.1.1 加热炉控制方案延迟焦化装置主要由加热炉、焦炭塔、分馏塔以及吸收稳定单元等组成。焦化加热炉的主要任务是对原料渣油、分馏塔底循环油迅速加热, 为延迟焦化的进一步深加工提供原料, 其工艺流程如图3.1 所示。加热炉所用燃料为自产的高压瓦斯气, 从南北两侧进入加热炉。原料渣油从南北两侧送入加热炉对流室预热至330 C 左右, 之后合并进入分馏塔底, 与焦炭塔顶来的油气接触并进行传热传质, 使原料中的轻组分蒸发, 上升至精馏段进行分离, 原料中蜡油以上的馏分与来自焦炭塔顶油气中被冷凝的重组分一起流入分馏塔塔底。约360 C 的分馏塔底油经辐射进料泵分两路送至加热炉辐射室迅速加热至495 左右, 之后进入焦炭塔进行裂解反应。在延迟焦化生产过程中, 由于受焦炭塔的频繁预热、切换等操作影响, 加热炉的出口温度控制一直处于波动中, 对生产的平稳操作产生了影响, 严重地影响了产品质量。(1) 加热炉的单回路控制方案加热炉的单回路控制系统往往很难满足工艺要求，因为加热炉需要将工艺介质（物料）从几十度升温到数百度，其热负荷很大。当燃料油（或气）的压力或热值（组分）有波动时，就会引起炉出口温度的显著变化，满足不了工艺的要求。(2) 加热炉的串级控制方案为了改善控制品质，满足生产的需要，石油化工和炼油厂中的加热炉大多采用串级控制系统。加热炉的串级控制方案，由于扰动因素以及炉子型式不同，可以选择不同的副变量。加热炉串级控制的型式，主要有一下几种： 炉出口温度对炉膛温度的串级控制； 炉出口温度对燃料油（或气）流量的串级控制； 炉出口温度对燃料油（或气）阀后压力的串级控制； 采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制经过比较，采用的控制方案是炉出口温度对炉膛温度的串级控制。此时，燃料的压力、流量和热值等扰动因素的影响都反映在炉膛温度上，即炉膛温度比炉出口温度提前感受扰动作用。因此，把炉膛温度作为副变量可以起到超前作用，客服炉出口温度的滞后，当扰动反应到炉膛温度时，就会提前进行控制。该控制方案如图3.1所示。当受到扰动因素例如燃料油（或气）的压力、热值、烟囱抽力等作用后，首先将反映炉膛温度的变化，以后再影响到炉出口温度，而前者滞后远较后者小。采用炉出口温度对炉膛温度串级后，把原来滞后的对象一分为二，副回路起超前作用，能使这些扰动因素一影响到炉膛温度时就迅速采取控制手段，这将显著改善控制质量。TCTC图3.1 炉出口温度对炉膛温度的串级控制（3）加热炉注水流量单回路控制加热炉的出口温度控制在500左右。为了使处于高温的原料油在炉管内不要发生过多的裂化反应以致造成炉管内结焦，就要设法缩短原料油在炉管内的结焦的停留时间，为此，炉管内的冷油流速比较高，通常在2m/s以上。也可以采用向炉管内注水(或水蒸气)以加快炉管内的流速，注水量通常约为2%左右。减少炉管内结焦是延长焦化装置开工周期的关键。我国延迟焦化装置的加热炉均为采用这种注水措施的水平管箱形立式炉，在对流段设置热管式或热载体空气预热器和预热锅炉用水等措施后，热效率可达88%左右。如图3.2。进料出料燃料油水蒸气过热蒸汽FCFC焦化加热炉图3.2 加热炉注水流量单回路控制3.1.2 焦炭塔控制方案焦炭塔实际上是一个空塔，它提供了反应空间使油气在其中有足够的停留时间以进行反应。焦炭塔里维持一定的液相料面，随着塔内焦炭的积聚，此料面逐渐升高。当液面过高，尤其是发生泡沫现象严重时，塔内的焦末会被油气从塔顶带走，从而引起后部管线和分馏塔的堵塞，因此，一般在料面达2/3的高度时就停止进料，从系统中切换出后进行除焦。为此，在焦炭塔的不同高度处，需安装料位计。在生产中，焦炭和泡沫以上都要留有一定的上空高度。有料位计时，此高度留3m左右，无料位计时，则需留56m。焦炭塔是间歇操作，切换周期一般为48小时，其中结焦24小时，除焦等其它操作时间24小时。 1 焦炭塔压力控制焦炭塔的压力下降使液相油品易于蒸发，也缩短了气相油品的塔内的停留时间，从而降低了反应深度。一般来说，压力降低会使蜡油产率增大而使柴油产率降低。为了取得较高的柴油产率，应采用较高的压力；为了取得较高的蜡油产率则应采用较低的压力。一般焦炭塔的操作压力在0.180.28MPa之间，但在生产针状焦时，采用月0.7MPa的操作压力。2 焦炭塔顶出口温度控制焦炭塔顶出口温度控制一般采用与急冷油入焦炭塔流量进行串级调节控制。焦炭塔顶温度需要控制在420440之间。具体控制系统图如图3.3所示。焦炭塔急冷油全部油气TCFC图3.3 焦炭塔顶出口温度串级控制3焦炭塔自动联锁焦炭塔为间歇操作，需要提高仪表自动化水平以保证操作安全。新建装置的仪表和自动联锁装置已经能实现焦炭塔操作自动化10。焦炭塔的联锁阀门的管线如图3.4所示。切换阀的进口隔断阀SP6与公用工程总管的隔断阀SP7互相联锁，其作用是： 当切换阀SV切换至加热炉至焦炭塔进料位置时，切换阀不会向隔断阀关闭的一侧打开，这就不至于使加热炉出口形成死角。 当进口隔离阀SP6A开启时，联锁的公用工程总管隔断阀SP7A就不能打开。这可以防止加热炉转油线的热油进入排水系统。 当切换阀通至某一侧之前，该侧的公用工程隔断阀提前关闭。 当切换阀向某一侧进料时，该侧的进口隔断阀不能关闭。焦炭塔顶的安全阀与放空阀联锁，是在焦炭塔安全阀哦爱出管线上装设一只电动切换阀。其作用是：当设有多组焦炭塔时防止放空油汽倒流至已经打开头盖的焦炭塔内。当某台焦炭塔的放空阀或头盖已经打开时，此切换阀不会因为误操作而被打开。焦炭塔安全泻压焦炭塔安全泻压蒸汽SV水来自来自焦化加热炉去焦化主分馏塔图3.4 联锁阀门3.2 分馏部分的基本控制方案延迟焦化的分馏塔是分馏焦化馏分油的设备。在塔的中下部设有集油槽，集油槽以上部分主要起分馏作用，分馏处焦化气体、汽油、柴油和馏出馏分油。下部则主要起循环油分割和原料油的换热作用。在运转中，分馏塔有时也会出现结焦现象，为此需控制塔底温度不超过400，并采用油循环过滤的方法来滤去焦粉和加强液体的流动来加以防止。反映产物在分馏塔中进行分馏。与一般油品分馏塔比较，焦化分馏塔主要有两个特点：塔的底部是换热段，新鲜原料油与高温反应油气在此进行换热，同时也起到把反应油气携带的焦末淋洗下来的作用。为了避免塔底结焦和堵塞，部分塔底油通过塔底泵和过滤器不断地进行循环。3.2.1分馏塔塔压控制焦炭塔的操作压力略高于常压，故焦化分馏塔塔顶压力通常为0.3MPa（绝）左右。塔顶至油气分离器的压降约为35KPa；塔底至塔顶的压降也大约为35KPa左右。当冷却剂为液相时，可通过控制流量达到控制塔压的目标。将取压点放置在回流罐汽相段，由于塔压P与回流罐汽相压力PL仅相差一段汽相管线阻力压差，当管线压差与塔压相比可忽略不计时，回流罐汽相压力的平稳必然使塔压同样平稳。如图3.5所示3.2.2 分馏塔回流罐液位控制延迟焦化分馏得到的气体和汽油经回流罐流出，分别经过气压机和离心泵的传送，使产品运输出去。如果分馏塔回流罐液面过高，则会使富气带液损坏气压机，所以分馏塔回流罐液面要加以控制。采取回流罐液位与混合物流量的串级控制，具体的控制方案如图3.6所示。分馏塔PTPC图3.5 分馏塔压力控制系统图3.6 分馏塔回流罐液位串级控制分馏塔回流罐混合物流量LCFC3.2.3分馏塔塔顶温度控制回流罐TCFC影响塔顶温度的因素有回流量、再沸器的加热量、冷凝器的冷凝水量等等，其中影响最大、作用最快的因素是回流量，所以通过调节回流量可以较好地实现对塔顶温度的控制。分馏塔塔顶温度控制采用串级控制方案，主回路是分馏塔顶温度控制，副回路是回流粗气油（顶循环回流）流量调节。具体控制系统如图3.7所示。分馏塔图3.7 分馏塔塔顶温度串级控制3.2.4分馏塔塔底温度控制为防止分馏塔出现结焦现象，需要控制塔底温度不超过400，并采用塔底油循环过滤的方法滤去焦粉和加强液体的流动加以防止。影响塔底温度的主要因素是物料经过再沸器以后带入的热量，而再沸器的热量完全是由加热蒸汽提供的，所以塔底温度的控制可以通过调节再沸器的加热蒸汽量来实现。同时引入进料量的前馈控制，以此实现对塔底温度的控制8。为典型的前馈反馈控制。如图3.8所示。TC原料油塔底温度测量再沸器加热量图3.8 分馏塔塔底温度控制分馏塔3.2.5分馏塔塔底液位控制影响塔底液位的因素有再沸器的加热蒸汽量、进料量和塔底出料量等，其中作用较强、较快的是塔底出料量，因此对塔底液位实行单回路控制即可。如图3.9所示。分馏塔塔底出料量图3.9 分馏塔底液位控制3.2.6循环比的控制及其优化采用小循环比操作，减少汽、柴油馏分的收率，提高焦化馏出油的产量以增加催化裂化或加氢裂化原料，已成为我国近年来焦化工艺的发展方向。如下图3.10所示为超低循环比工艺过程。即分馏塔不打洗油，焦炭塔顶转油线注入急冷油量很小，使联合循环比为1.011.02。这种操作的“诀窍”是塔顶管线中保持最少量的液体油，否则就会结焦。循环流量洗油急冷油加热炉焦化原料油焦化分馏塔焦炭塔焦化重瓦斯油图3.10 超低循环比工艺流程在一定设备条件和生产方案下，延迟焦化装置分馏塔的循环比(即分馏塔回炼油量与新鲜原料量之比)对其焦化操作十分关键。它的改变不但影响装置处理量、产品分布，同时还会影响装置的能耗，最终影响其效益。因此，实现最优循环比操作是十分必要的。关于焦化最优循环比的选择已有大量研究。如采用可调循环比流程 一 ，实现了循环比的灵活调整，在追求高液收的前提下， 向低循环比方向发展。总结循环比对产品分布、能耗和效益的影响，得到求解延迟焦化装置分馏塔最优循环比的一般方法，求解的具体步骤为6：(1)采集一定生产方案下的 组循环比所对应的物料平衡数据；(2)对其回归，得到循环比所对应的产品收率方程；(3)对每个循环比操作，应用流程模拟技术分别求得优化的分馏塔回流参数，并结合产品抽出等参数，利用“夹点技术”求出装置的最小冷、热公用工程；(4)回归第(3)步得到的循环比所对应的最小冷、热公用工程数组，得到循环比与能耗方程；(5)结合产品、耗能单价，建立循环比与装置效益方程，并求出最佳循环比。3.3 自动除焦随着延迟焦化装置规模大型化以及该类装置在炼油厂炼油装置环节中地位的提升，如何快速有效地将焦炭塔内焦炭清除显得更为迫切，因为这直接关系到延迟焦化装置以及相关上下游装置的连续安全运行。于是伴随着延迟焦化装置一同发展起来的自动除焦控制系统(亦称水力除焦程序控制系统)新技术，构成了大型化延迟焦化装置的重要组成部分，它不仅可以大幅度降低工人操作强度，又可以快速有效地清除焦炭塔内焦炭，提高了延迟焦化装置除焦操作的自动化水平，成为保护设备和人身安全的关键技术之一，对装置的安、稳、长、满、优的生产具有重大作用。3.3.1自动除焦控制系统的特点自动除焦控制系统既不同于运用在连续工艺流程上的动态DCS，也不同于保护人身设备财产安全的静态安全仪表系统SIS。自动除焦控制系统具有完成顺序控制和安全联锁控制的双重功能，一般情况下自动除焦控制系统一天工作一次，根据组态调试好的软件引导，按照控制流程步骤结合操作工人的各种指令(选塔、选泵、切焦钻孔等)实现自动除焦过程。由于除焦采用超高压力(30 MPa以上)的切焦水，任何不慎都会带来不可挽回的人身和设备损失，因此在每个控制流程步骤的设计时，都必须有严谨的考虑，安全联锁控制系统的设计理念始终贯彻在自动除焦控制系统的设计过程中7。3.3.2总体控制技术方案自动除焦程序控制系统对延迟焦化两塔的除焦过程进行程序控制。采用1台除焦控制阀和2台高压水泵(一开一备)对应控制两塔的除焦过程，在除焦程序控制系统中完成对两塔的控制。高压水泵的启动和运行控制部分设计在自动除焦程控系统中，另外单独设置高压水泵二次仪表柜。高压水泵与除焦控制有关的联锁信号接入主控柜。高压水泵启动和运行控制需要符合泵厂提出的报警、联锁逻辑及运行性能保证条件。3.4 换热器的控制在炼油化工生产中，换热设备应用极其广泛。在延迟焦化生产过程中，焦化原料油先与焦化瓦斯油换热，然后进入分馏塔底部的缓冲段，在塔底与循环油混合、为保证出口温度平稳，满足工艺生产要求，必须对传热量进行调节。换热器的控制通常取出口温度与载热体流量串级进行控制，如下图3.11所示。TCFC焦化瓦斯油原料油图3.11 换热器出口温度串级控制3.5泵的控制方案设计泵可分为离心式和容积式两大类，而容积式泵又分为往复泵、旋转泵。工业生产中以离心泵的使用最为普遍，在延迟焦化控制中也采用它。它主要有叶轮和机壳构成，叶轮在在原动机带动下做高速旋转运动。出口处流体的压头来自于旋转叶轮作用于液体而产生的离心力，转速越高，离心力越大，压头也就越高。叶轮与机壳之间有空隙，关于死泵的出口阀，排量为零，压头最高，此时泵所做的功全部转化为热能散发，同时也是泵内液体温度升高。所以离心泵不宜长时间关闭出口阀。在讨论离心泵的工作状态时，必须同时考虑泵和管路特性。通常采用下列控制方案：直接节流法、改变泵的转速、改变旁回路流量。直接节流法，方案简单易行，控制灵敏，但能耗大，所以一般用于流量变化较小的场合；调速法反应慢设备费用高，但能耗小。因此对于流量变化幅度大且要求控制灵敏度高的场合，可采用直接节流和调速法相结合的方式。在延迟焦化控制中我们采用直接节流法。如图3.12所示。图3.12 直流节流法第4章 仪表选型在工业生产过程中，为了正确地指导生产操作、保证生产安全、提高产品质量和实现生产过程自动化，一项必不可少的工作是准确而及时地检测出生产过程中的各个相关参数。下面针对本次课题延迟焦化控制系统所设计的内容进行仪表选型。41 检测单元选型检测单元是在生产过程中完成工艺参数检测处理的仪表，是控制系统实现控制调节作用的基础，它完成对各种工艺变量自动、连续地测量、显示或记录，包括温度、压力、流量、液位、成分等。4.1.1 压力测量仪表压力检测仪表的正确选用主要包括确定仪表的型式、量程、范围、准确度和灵敏度、外形尺寸以及是否需要远传和具有其他功能，如指示、记录、调节、报警等。选用的主要依据13： 1工艺生产过程对测量的要求，包括量程和准确度。在静态测试（或变化缓慢）的情况下，规定被测压力的最大值选用压力表满刻度值的三分之二；在脉动（波动）压力的情况下，被测压力的最大值选用压力表满刻度值的二分之一