催化裂化装置模式识别实时优化指导软件的开发与应用

1、催化裂化装置模式识别实时优化指导软件的开发与应用第12期石油炼制催化裂化装置模式识别实时优化指导L软件的开发与应用石公毕嵘张俊T6_r磊维系统优化公司)A摘要介绍了大连石化公司炼油厂催化裂化装置模式识别在线优化指导软件的开发及应用情况.优化计算是基于现场计算机数据采集系统,应用模式识别技术,提取生产过程中产生的特征信息,优化控制模型指导反应,分馏系统的生产操作,经过应用试验,效果显着.主题词:催化裂化模式识别最优化计算机应用过程控制接1.,托b裂忙袈疆1引言催化裂化是炼油厂的主要二次加工手段,由于其处理量大,原料适应性强,经济效益高等特点,使得催化裂化的工艺技术发展很快.鉴于原油供应El益紧张

2、,加工成本提高,使得该装置的优化操作有实际意义.催化裂化装置的过程优化有两种一是在线计算机闭环控制优化,二是各种优化方是建立在对生产规律认识的基础上,通过调整工艺参数,使生产过程处于最佳运行状态.国内离线调优主要有统计调优法,操作模拟分析法和模式识别法等.由于催化裂化反应机理复杂,变量较多,用机理模型模拟操作缺乏准确的数据,而且适应性差,而模式识别法则可以不具体考察催化裂化的内部反应机理,而直接从模糊关系找出各影响因素对目标值的贡献大小,从而找出优化调节变量及优化趋势,指导生产.根据该技术用于其它炼油装置上离线调优的成功经验,对该技术首次应用于催化裂化装置的计算机实时开环指导调优进行了开发及试

3、验.理论基础来源于化学计量学的模式识别技术,将复杂生产过程的多元数据看作测量(输入)空间和性质(输出)空间的多维模式点,按性质的不同档次将测量数据分类,并以此为前提分割测量空间,寻求测量空间与性质空间的对应关系,通过考察模式点在测量空间的位置而对性质作出识别或预测决策的可靠性由区域化地识别模式点的百分率来比较模糊(如存在滞后现象,分析和测量精度不高等),仍能作出有效的决策.作为一种数学分析方法,模式识别调优技术为实现生产优化提供了新的思维方式,使模式识别调优技术在处理许多实际问题时数据不甚完善,机理不甚清楚,若干目标不能完全定量表述,仍能从中挖掘出有价值的信基础进行开发,较成功地指导了生产操作

4、.2装置概况大连石化公司的一套催化裂化装置年处理能力为1,OMt,其主要特点是;高低并列式,提升管式反应器,前置烧焦罐完全再生?6?石油炼制l993年第24卷器.原料来源有常减压蒸馏常三,常四线油,减一,五线油,酮苯脱蜡装置的蜡下油及蜡裂化生产过程主要由反应一再生,分馏,吸收稳定3部分组成.现有一套微机监测系统,基本上实现了装置工艺参数的计算机数据采集和显示,并具备了计算机开环指导调优的条件.3开环指导软件包简介3+1运行环境原数据采集系统是现场仪表信号通过1个采集器经模数转换后输入到通讯板与1台度慢,内存容量小等限制了大数据量的模式识别运算,经过开发,成功地将数据采集系统移植到AST386/

5、33计算机上,显示器为VGA,重新绘制工艺流程图,增加液面显示催化裂化装置模式识别开环指导调优软件包由2部分组成:日常监测部分和模式识别优化部分(见图1).3.2.1日常监测部分为一循环程序,启动后即刻运行,每分钟接受通讯口中断信号,读取256组数据,并进行一系列处理,包括数据转换,超限报警,与调优方案比较,预测产品质量,数据存盘等通过选择功能键,可进入以下主要功能:(1)F1屏幕显示反应一再生系统,分馏系统,吸收稳定系统,气压机系统的工艺流程图,并在图上相应位置每隔1分钟显示一次各关键点的温度,流量,液面;(2)F2选择需随时显示的主要工艺控制点数值,若未做选择,则默认为优化方案的前4个工艺

6、点始终在屏幕显示的量有回炼比,剂油比,汽油收率,柴油收率,总液体收率;(3)F3通过键盘输入控制数据,包括质量数据,原料数据和物料温度等;(4)F4打印工艺台帐,可显示和打印最近24h的调优变量实施情况;(5)F5进行调优运算;(6)屏幕显示最近50h内各工艺参数随时间的变化曲线,即工况曲线.图1开环指导软件包日常监测部分框图部分(见框图2).从存盘的187个变量中,提取较有代表性的81个变量输入内存,变量性质表明该变量是一般的,重要的还是可调的为保证数据准确性,对某些变量输入了上下作判别),操作的上下限作为变量的约束条件.操作现场数据每6分钟,3O分钟取均值存盘.该软件在正常操作时可进行常规

7、监测.进行优化时通过按一下功能键进入优化计算模块,直至给出最终结果,然后通过功能键返回日常监测部分.每天早上8:oo日常监测部分自动转向模式识别优化计算模块,算出当天的优化方案,然后自动转同日常监测部分,读取优化方案,对不符合的条件给出报警第l2期石油炼制-7'圉2开环指导软件包优化模型部分框图4优化模型反应一再生部分影响收率的主要因素有反应温度,反应压力,剂油比,催化剂活性,再生温度,再生催化剂含碳量,回炼比等;其中催化裂化装置的重要工艺参数,催化裂化反应是吸热反应,反应温度高低直接影响产品分布.反应压力一般变化不大,但作为离线指温度是反映催化剂烧焦性能的一个主要参数,由系统热平衡决

8、定,用它控制再生催化剂?8?石油琼制l993年第24卷含碳量催化剂活性是由补充新鲜催化剂活性和系统内催化剂的置换率来调节,它也可作独立变量,但由于系统加料为人工控制,调化目前通过自适应调节.反应一再生部分独立变量有反应进料温度,反应器出口温度,可调变量有:反应温度,原料预热温度,再生器供风量,补充新鲜催化改,目前优化指导变量一般为812个,最终控制变量只有35个.分馏部分操作的好坏同样会影响收率的高低,该塔的操作要点就是要调整塔的热平衡的物料平衡,使组分得到最大的分离效果.一般取每6分钟记录的数据为优化基础(500个样本),进入优化计算模块,通过计算机数据自动筛选,目标选择,变量删除,多重部优

9、化计算过程约需imin.4.21数据预处理程序读完数据后,先自动进行数据筛选,删除异常数据(由于仪表问题,通讯问题或其它偶然因素而产生),如某个变量数据未采入或有相当一部分有问题则自动删除该变量量选取范围(所有变量,反应一再生系统变量,分馏系统变量,吸收稳定系统变量),也可选择这些部分变量中的可控变量或选择重要变量.如变量数多于2O个,则程序自动用Bayes方法按最大分辨率准贝f挑选变量,否则用户可对是否需要挑选变量作出选择系统提供对各项选择有默认项,键入回车或lOs内得不到键盘响应则自动选择的默认项.采用多重判别矢量法(MDV法),其基本原理如下:设某一研究对象,有个特征因子.X一z&quo

10、t;,".如果维空间中有个不同事件,分类的方法是把R划分为G个完备子空间,使任一事物落在且仅落在G个子空间中的某一维空间中的个点投影到低维空间,即作线性变换j1z一(,)J"J一.J(1)通过寻找合适的投影方向F,使属于同类点投影尽可能聚集到一起,设一组样本总体分类为G类:,相应均值为(1),(2),(G),方差为,;,磋,G总平均值一吉(g)总体问方差B.:(g)一6各总体方差的总和W.:=l判别的分类目标是使式(3)最大(2)一(3)即各总体内方差尽可能小,总体间方差尽可能大,从而达到较高的分类分辨率.要使达到最大,则需满足一.(一,')(4)从而求得判别矢量据

11、读入内存后可随时调用绘图模块,屏幕显第12期石油炼制?9'示反应分馏系统22个主要变量间相互关联89B6盯耋.蓦情况,图中各样本点以1(差),2(较好),3(好)表示(见图3).',?矗.,抽t,.,f一一I,IllL,.IhI_.IIll:l:'lI'lll反应强度/c厦应压力/kPa图3部分工艺参数关联实况图示倒(199zo731)0一类中心点,下圈同5软件应用由于操作在随时变化,因此每天的优化方案均不同,我们以1992年7月31日为例.对前2天的500组数据进行整理,删除了39组异常数据,得到461组稳态数据作为训练样本集,以总液体收率为目标进行划分,经标

12、准化运算后进入模式识别处理.l06,11当o害一n摊0sB一099o9l第1特征矢量图4反应一再生系统模式识别分类图首先对反应部分进行计算,用Bayes方法选取了对划分有显着贡献的9个变量,分总液体收率受控点集的分布结构,如图4所示.其映射坐标特征值为CO.2205,0.0332),第1特征值的绝对值为第2特征值的7倍,回炼比与反应单程转化率的平衡直接影响装置处理能力和总液体收率.回炼比增加,使单程转化率降低到某一个最终转化率时,就可使气体和焦炭产率减少,总液体收率提高.反应温度(油气出口温度)的提高有利于提高可通过增加催化剂循环量和提高反应进加大,油气量增加,必然导致反应压力(沉降器压力)提

13、高,催化荆表面的油气分压增大,有利于反应速度提高而提高转化率,但为维持系统平衡,反应压力需向低的方向调节,但一般可调范围小(见图3).汽提蒸汽流量降'1O'石油炼制1993年第24卷表2分馏部分优化结暴有利于提高原料的雾化效果.再生温度(二密相温度一1)是在装置热平衡自适应基础上的一个因变量,一般不作为调节因素,而且该采集点温度高,仪表信号误差在±7,其结果关联问题.一般来说,反应温度提高,裂化强度增大,原料和逐次裂化的回炼油的转化率增大,回炼比应减小;如多产柴油,需采用低反应温度大回炼比操作,如多产汽油采用高收率为目标,在一定范围内(如表1所示的条第12期石油炼制件

14、下),采取稍提反应温度(影响因素在第8位),增大回炼比操作是有可能的,这点在操作中得到证实.因此该方案基本可行,但反应再生系统参数是相互关联,相互制约的,调节时只能在保证主要变量稳定的基础上进行.然后对分馏部分进行计算,以Bayes方法选取了对划分有显着贡献的7个变量,分分馏系统总液体收率受控点集的分布结构,如图5所示.其映射坐标特征值为(0.2783,0.0254),第1特征值的绝对值为第2特征值的11倍,故可不考虑第2特征值的影响.一第1特征矢量图5分馏系统模式分类图在反应温度及油气压力会提高的情况下,反应油气量,油气温度都会提高,分馏塔全塔各板的温度会升高,为保证产品质量就必须降低塔顶温

15、度,其手段一般是通过降低塔顶回流返塔温度实现,在保证产品质量的前提下,可提高轻油收率这里原料量虽作为自变量参与运算,但该量实际上是根据生产需要来调节,调优中不予考虑.由于催化裂化装置操作受原料,催化剂活性等条件影响较大,为了真正考察优化条件是否影响目标值的主要因素,试验期一方面通过生产调度稳定催化裂化装置原料来后进行了2次调优试验,试验期每天更换1次优化方案.第1次调优以1992年7月1020日为调优前的正常操作情况标定期,7月21日8月20日为调优实施考核期.考核结果,见表36表3调优结果(19920708)调优前调优后调优前调优后产品名称产量产量收率收章ft"提高量,表4原料性质

16、比较表5产品质量比较?l2?石油炼制1993年第24卷第2次调优以1O月26日至l1月3目的正常状况为比较依据,l1月4日至l1月17日为考核期.考核结果见表6.表6调优结果(1992一l1)调优前调优后调优前调优后产品名稚产量产量收率收率,c,c/提高量/从原料情况来看(密度,残炭,馏程),第2次调优期的原料比调优前的显然要差,但总液收仍有较大提高,足以证明调优前的有效性.式的限制,有些操作条件不一定能达到要求,为了评价优化条件的作用,我们引入了符合的工艺条件占所给的调优条件数的百分比,主要符合率指反应前2个重要条件和分馏前2个重要条件的符合率.由表7可见,给出的14个优化条件中,实际实施中

17、符合的有l1个条件,不符合的有表7实施情况(19920731)第12期石油炼制?l3?3个,符合率为78.5,而反应前2个重要条件和分馏前2个重要条件全都符合,则主要符合率为100.通过这个典型例子可见,实施情况较好时收率提高较多.我们对试验期符合率和总液体收率的关系,主要符合率和总液体收率的关系分别绘制了散图(图6,图7).由图可见,符合率和总液体收率,主要符合率和总液体收率基本上呈正相关关系,即与调优条件吻合得越好,总液体收率越高.由于优化条件都接近装置操作中曾发生过的参数值,因此一般来说不会对操作造成大的波动,其优化是逐步调节趋于优化值.:j,r.n.':叶:;.主要优化参数符合

18、率/国7主要符合率与总液体收率关系图量应进入优化是应仔细斟酌的,如上倒中二密相温度一l(即再生温度)与优化方向相反,由此看来,反应温度的提高是通过提高催化闭环控制,需分清可控与不可控变量,自变量即可在计算时进行调整.果操作人员每天输入产品质量的化验数据.则也可以质量为目标进行优化,可编制质量推算模块,如汽油干点预测,柴油凝点预测等.模式识别优化结果可加入系统热平衡模块,以优化匹配有关流量的值.6总结装置进行日常监测,又可在积累数据的基础单方便,既可以查看每个工艺参数随时间的变化情况,又可以查看各参数间相互影响的域图中的位置6.2该软件经过停工前后2次优化试验,效调整后用于其它有数据采集系统的装

19、置上,个模式,根据目标值的不同通过对现场操作数据的模糊聚类分析与判别,给出优化变量量数的服制(可根据需要或经验增减变量),叉克服其适应性差的缺点6.4作为一个优化方法,虽然有自己的特色,但仍有一些尚待完善之处,如优化方案给出后采用何种手段实现该要求则需人工的参以通过自适应学习予以考虑,但周期较长(12天).开环指导受各种条件的限制,要真?14?石油炼制1993年第24卷正体现该方法的优势,必须实现阈环控制,这也是本工作的最终目的.(本文收到日期:199212一.修改稿收到日期:1993一o325)THEDEVEL0PMENTANDAPPLICAT10N0F0NLINEPATTERNREC0NGNIT10N0PTIMIZAT10NS0FTWAREF0RRFCCUNITHeShengbaoMengChunxuLiangHua(DalianPetrochemicalCompany)BiRongZhangJun(ShanghaiGoodwaySystemCompany)AbstractAn0nlinepatternrec0nPnitionoptimizationsoftwarehasbeendevemimumcalculationisbasedontheoperati