一种基于改进锁相环系统的电能质量扰动检测方法及一种新型的CCD在线近红外油品质量分析仪

一种基于改进锁相环系统的电能质量扰动检测方法(上海交通大学电气工程系,上海)

摘要:提出了一种基于改进锁相环（PLL）系统的电能质量扰动检测方法。该改进PLL系统是一个稳定的相位反馈控制系统，产生的多个输出信号可用于多种电能质量扰动的检测，而且对于检测系统的内部参数和电力系统频率的变化是鲁棒的。在叙述了它的基本特性以及电能质量扰动检测的基本原理后，重点阐述了该系统对多种电能质量扰动检测的实现，包括谐波、电压波动、频率偏差、电压下跌、电压上升、过电压、欠电压、瞬时脉冲、低频、高频振荡和无功功率等进行检测和分析，并为此做了大量的计算机仿真。仿真结果证明了结论的正确性，同时也表明，该检测方法具有较好的实时性。

关键词:电能质量;扰动检测;改进的锁相环系统;鲁棒;计算机仿真

DetectionMethodofPowerQualityDisturbanceBasedon

anImprovedPLLSystemLUGanyun,DINGYifeng,CHENGHaozhong(DepartmentofElectricalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,

Shanghai200030,China)

Abstract:Anoveldetectionmethodofpowerqualitydisturbancebasedonanimprovedphaselocatedloop(PLL)systemisbroughtforwardinthispaper.ThePLLsystemisastablephasefeedbackcontrolsystemwithmanyusefuloutputs,anditisrobusttoitsinnerparametersandsmallchangeofinput'sbasicfrequency.Afterdescribingbasiccharacteristicsofthesystemanditsdetectionprinciple,therealizationsandeffectsofdetectionofmanykindsofpowerqualitydisturbances,suchasharmonics,voltagefluctuations,frequencydeviation,sags,swells,overvoltage,undervoltage,transientpulse,lowfrequencyoscillation,highfrequencyoscillation,andreactivepower,areanalyzedinemphases.Thesimulationresultsprovetheconclusionabove,andalsoshowthatthedetectionmethodisarealtimeone.

Keywords:powerquality;disturbancedetection;improvedPLLsystem;robust;computersimulations

1前言

近年来，电能质量问题日益受到电力部门和用户的重视，电能质量的内容不仅仅包括传统的静态电能质量，如电网谐波、电压波动和闪变、电压偏差、三相不平衡和频率偏差，还对动态谐波、电压上升、电压下跌和瞬时脉冲等一些动态电能质量提出了新的要求。因此，有必要对电能质量问题进行分析，并采用合理的补偿措施以提高电能质量，为此，电能质量扰动的检测是首先要解决的问题。

目前，电能质量扰动的检测方法主要有两类，即频域检测法和时域检测法。频域检测法主要有快速傅立叶变换（FFT）法及其改进方法［1，2］、小波变换法［3~5］和带阻滤波器法。时域检测法主要有基于瞬时无功功率理论的检测方法［6，7］、同步检测法［8］和dq变换法［9］。这些方法大部分都受电力系统频率变化的影响，而且只适合于检测上述多种静态和动态电能质量扰动的其中几种扰动。本文提出一种基于改进PLL系统的电能质量检测方法。该方法具有自适应性，对检测系统的内部参数和电力系统频率变化有较强的鲁棒性，可检测目前最常见的一系列电能质量干扰，而且该方法具有较好的实时性，采用Matlab的Simulink得到的仿真结果证明了结论的正确性。2检测基本原理

本文提出的电能质量检测方法是在改进PLL系统基础上展开的。该改进PLL系统结构如图1所示，和传统的PLL（如图2）一样，它由三个基本部分组成，即鉴相器phasedetection(PD)、环路滤波器loopfilter(LF)和压控振荡器voltagecontrolledoscillator(VCO)，三部分形成一个闭环的相位反馈控制系统。该改进PLL与传统PLL不同的是：传统PLL的PD环节一般由一个乘法器构成，而改进PLL系统的PD环节，由三个乘法器、一个积分器、一个90°相移器和一个减法器构成；改进后的锁相环具有多个有用的输出信号，包括基波分量输出信号y(t)，基波分量的幅值A(t)、相位φ(t)和瞬时角频率ω(t)，以及误差信号e(t)。它的最大特点是输出信号y(t)与外部输入信号u(t)的基波分量波形一致，而且两者是同步的，即它们之间没有相位差。利用这个特性，可以将待检测信号中理想正弦成分和干扰成分检测分离出来；另外，利用基波分量的幅值A(t)和瞬时角频率ω(t)，可分别得到待检测信号基波幅值和频率的扰动，这就是该PLL系统检测电能质量扰动的基本原理。该PLL系统还有一个特点，就是它对于检测系统的内部参数和输入信号频率的变化是鲁棒的，而且该PLL系统也是稳定的［10］。从这些系统特性可知，它非常适合于众多电能质量扰动的检测。3基于改进PLL系统的电能质量扰动检测仿真

改进PLL系统可应用于目前最常见的一系列电能质量扰动的检测，包括谐波、电压波动、频率偏差、电压下跌和电压上升、过电压和欠电压、瞬时脉冲、低频振动、高频振动以及无功功率的检测。本节使用Matlab的Simulink对改进PLL系统的各种电能质量扰动检测进行了仿真。为了使仿真结果图形更可视化，文中对一些电能质量扰动作了一定的放大，在进行系统频率偏差检测仿真时，取5%系统频率偏差，电压下跌检测仿真时，取50%电压下跌幅度，这可能比电力系统运行过程中实际存在的电能质量扰动幅值要大。另外，仿真过程中将系统基本频率标准化为1Hz,这些并不影响该改进PLL系统同样适合实际存在的电能质量扰动检测，仿真结果可以比较好地估计改进PLL系统对各种电能质量扰动的检测性能。

3.1谐波检测

谐波是电力系统最常见也是最重要的电能质量干扰之一，谐波检测是电力系统安全运行的重要部分。

下面对三种包含谐波的输入信号进行检测仿真，包括方波、含5次和7次谐波的输入信号以及含3次动态谐波的输入信号。检测的仿真结果如图3、4、5所示。

其中，含3次动态谐波的输入信号为

它包含20%的固定3次谐波，10%随时间波动3次谐波，和5%随机变化3次谐波。

图3、4、5仿真结果说明，对上面三种典型的包含谐波的输入信号，改进PLL系统可有效地检测分离出它的基波成分和总谐波失真成分，并且可在5个周波内基本准确地输出其值。

另外，检测过程中，当系统基本频率发生变化时，该PLL系统仍然可有效地检测出动态谐波。设含动态谐波的输入信号u(t)为

其中：α=0.98，表示基本频率的变动。输入信号和检测到的动态谐波的波形如图6、7所示。

图6、7仿真结果显示，系统基本频率发生变化时，该PLL系统仍然可比较有效地检测出动态谐波，对频率变化有较强的鲁棒性。

3.2电力系统频率偏差检测

利用改进PLL系统的基波分量的瞬时角频率输出(ωt)，经过变换(1/2π)，可以检测到供电系统的基本频率，进而得到系统频率偏差。

其中：a=0.95。

检测的仿真结果如图8所示，根据其输出的系统基本频率f(t)，可以得到系统频率偏差为5%。这个仿真结果说明，改进PLL系统可以比较准确实时地检测出系统频率偏差值。

3.3电压下跌和电压上升的检测

利用改进PLL系统的基波分量幅值A(t)输出，得到待检测信号基波幅值的扰动，不仅可对电压波动进行检测，还可以检测电压下跌、电压上升扰动。

这里取电压下跌扰动信号为

即0~50s时，电压正常；50~70s时，出现一个50%的电压下跌，持续时间为20个周波；最后电压恢复正常。

取电压上升扰动信号为

即0~50s时，电压正常；50~70s时，出现一个30%的电压上升，持续时间为20个周波；最后电压恢复正常。

采用改进PLL系统进行检测，检测的仿真结果如图9、图10所示。仿真结果表明，改进PLL系统可瞬时检测到电压上升和电压下跌扰动的发生，并且可以在5个周波内检测输出这种扰动的准确值，即改进PLL系统可以有效地检测持续时间为5周波以上的电压上升和电压下跌扰动。

上面3.1、3.2、3.3节的仿真结果表明，该改进PLL系统可有效地检测谐波、电力系统频率偏差、电压下跌和电压上升。实际上，类似的仿真实验已证明，根据同样的检测原理，该系统还可以有效地检测电压波动、过电压和欠电压、瞬时脉冲、低频振动、高频振动以及无功功率。4结论

改进锁相环系统的特性使它非常适合电力系统的电能质量扰动检测，基于电能质量扰动检测方法，可比较准确地检测多种电能质量扰动。包括谐波、电压波动、频率偏差、电压下跌、电压上升、过电压、欠电压、瞬时脉冲、低频振荡、高频振荡以及无功功率等，而且对于检测系统的内部参数和电力系统频率变化有较强的鲁棒性。另外该方法还具有较好的实时性和稳定性，这是许多其他检测方法所无法比拟的，仿真结果证明了结论的正确性。基于改进PLL系统的电能质量扰动检测方法是一种比较理想的电能质量扰动检测方法，不仅可用于电能质量实时监测，还可以利用检测到的各种电能质量扰动信号进行电力系统故障分析和诊断。

另外，改进锁相环系统的输出信号可实时地跟踪外部输入信号的基波分量，对于电力系统中非理想波形的电流电压信号，该系统可有效地分离出信号的理想成分，且没有相位差，这一特性使该系统非常适合于电力有源滤波器参考信号的获取，笔者将另文对此进行讨论。

参考文献

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［11］欧阳森,王建华,宋政湘,等.一种基于dq0变换和专家系统的电能质量信号辨识方法［J］.电力系统及其自动化学报,2003，15(05)：21-25一种新型的CCD在线近红外油品质量分析仪摘要：研制出了一种新型的CCD在线近红外油品质量分析仪，它由光谱仪系统、电源电路与控制系统、光纤及其附件与检测流通池系统、防爆系统、样品前处理系统、模型界外样品抓样系统、实时光谱测量和化学计量学软件系统等部分组成。在兰州炼油厂联合重整装置上连续5个月的工业试验表明，该仪表测定汽油辛烷值的准确性为0.3个辛烷值单位，重复性为0.2个辛烷值单位，具有精度高、稳定性好、测试速度快、安全性强、自动化程度高和分析测试项目扩展性宽等特点。该仪表与APC技术或其它自动化系统联用，将对石化等大型生产装置的技术进步产生积极的推动作用。关键词：在线仪表近红外光谱仪CCD先进过程控制辛烷值1前言过程分析技术对于炼油和化工工艺生产控制与优化具有重要作用[1]，然而，目前我国采用的传统过程分析仪表大多是由实验室仪器改进而来的，因测量原理所限（如冰点）：分析速度慢；精度比实验室仪器差；一种仪表仅能测量一种参数，如需测量多种质量参数，则需要购置多种仪表，造成设备投资过大；维护量大和频次高。因此，目前国内过程控制和生产优化依据的数据大多是温度、压力和流量等参数，缺乏“直接”质量参数如组成和物化性质等，限制了优化与控制作用。在线近红外光谱分析技术是当前最先进和最有前途的过程分析技术之一。它与先进控制技术结合，可明显提高工业生产效率。西方许多发达国家的石化公司，如美国Ashland、Paul、AA公司、英国BP公司、法国、日本等，都已采用了在线近红外油品分析仪，用于原油蒸馏，汽油调合，催化裂化，催化重整，蒸汽裂解和乙烯裂解等装置的生产监测与控制[2，3]。在线测量数据及时指导工艺操作，实现了质量“卡边”控制，增加油品收率，保证产品质量，提高生产管理水平。在线近红外光谱分析技术的应用为国际石化工业带来了巨大的经济效益，受到越来越多石化企业的青睐。但是，依靠引进国外在线近红外分析技术尚存诸多问题：首要的问题是仪器与售后服务价格高昂。如96年某炼厂进口一台汽油辛烷值在线分析仪的投入约500万人民币，维护的人工费用高（人工200美元/小时）；且更换部件和模型维护不及时，使这些在线仪表的运行状况不够理想；近红外光谱分析技术能否有效工作非常依赖于校正模型。但引进的模型不仅价格昂贵，而且通常不适合国内的油品。因为我国燃料组分主要来源于催化裂化工艺，在原料和产品组成上，与国际炼油工业相比有重大区别，导致在国外建立的校正模型不能直接适用国内情况。近几年来，为提高生产水平和经济效益，国内石化工业大力推广集中控制和先进过程控制（APC）信息技术，以期实现资源的合理利用、产品质量“卡边”控制以及装置平稳操作，所以特别需要在线近红外分析技术快速、准确、可靠和及时地为其提供质量信息。因此，研究和开发在线近红外油品质量分析仪，有着极其重要的经济和社会效益。本文介绍了石油化工科学研究院联合兰州石化公司自动化院等单位研制和开发的一种新型CCD在线近红外油品质量分析仪。2CCD在线近红外油品质量分析仪2.1测量原理当油品的组成和结构发生变化时，则油品的物化性质和近红外光谱也随之改变。组成变化或性质变化与光谱变化是相关的。收集在组成和性质变化上具有代表性的大量样品，采用标准分析方法（ASTM或GB）测定其各种性质数据。使用化学计量学方法将油品的被测数据（组成或物化性质）变化直接与相应的光谱变化关联，建立光谱数据与被测数据的函数关系（又称校正模型）。对待测样品，根据其近红外光谱和上述建立的模型便可计算出被测油品的性质数据。近红外光谱的波长范围为700~2500nm。含氢基团（如C-H，O-H，N-H等）振动光谱倍频和组合频处于该区，不同基团（如甲基，亚甲基，苯环等）或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别[4]，具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于油品（由C、H组成）的组成与性质测量。近红外光谱测量光程较长（如短波近红外的光程为0.5至10cm），样品不需稀释便可直接测量，操作方便。但是，近红外光谱谱带一般很宽，各基团的谱带交叠现象严重。传统光谱定量方法（即使用比尔定律工作曲线）对于这种有多组分干扰的定量是十分困难的。幸而，计算机技术和化学计量学方法的发展，有效地解决了上述难题。近红外光谱分析中常用的化学计量学多元校正方法有：多元线性回归（MLR），主成分分析（PCA），主成分回归（PCA），偏最小二乘法（PLS），人工神经网络（ANN），和拓扑（Toplogical）方法等[5]。本文采用PLS1方法进行关联建立模型。近红外光可通过光纤进行长距离传输，大大拓宽了近红外光谱仪器的测量范围。各种光纤探头或流通池设计可以方便地对液体或固体样品进行离线和在线测量。在线测量时，直接将光纤探头放入装置加工的物流中或让被测物料流过流通检测池，避免离线样品取样存在污染、采样失真等问题。由于采用光纤传输，光谱仪放在控制室内就可实现对一些复杂、危险环境中的样品进行实时测量。采用多路光切换技术，可以实现一台近红外光谱仪对多点（4~8点/台）快速测量，具有分析速度快和测量效率高的优点。将近红外光谱仪测量的结果传送到DCS系统上，可最终实现实时分析指导控制的目的。2.2设计总则适合在线测量各种轻质油品（或浅色液体样品）；测量速度快（秒级）；仪器远离测量现场（100米）；一台仪器可以测量多路样品；符合工业环境安全国家标准要求；数据通讯符合炼厂控制系统通讯协议要求；仪器结构设计合理、紧凑和扩展性强；软件界面友好；仪器闭环运行，长期稳定性好，易于维护；测量结果与现行的国家标准（GB）分析方法结果一致。2.3分析仪与样品前处理系统构造CCD在线近红外油品质量分析仪主要由光谱仪系统、电源电路与控制系统、光纤及其附件与检测流通池系统、防爆系统、样品前处理系统、模型界外样品抓样系统、实时光谱测量和化学计量学软件系统等部分组成，其构造框图如图1所示。图2所示是样品前处理系统。它由从被测物料管线接出的快速回路、恒流恒压、机械杂质脱除、脱水、脱气泡等单元组成。1光谱仪系统2电源电路与控制系统3防爆系统4光纤与检测流通池系统5模型界外样品抓样系统图1CCD在线近红外油品分析仪构造示意图图2样品前处理系统构造示意图2.4CCD在线近红外油品质量分析仪主机2.4.1主机外观结构设计主机部分是由在线光谱仪系统和防爆系统组成部分。外观如图3所示，外部是由不锈钢制成的防爆机柜，分为上下两部分。上部分为正压防爆机箱，内装近红外光谱仪，电源和计算机等，防爆机箱的正面有液晶显示屏和触摸键盘，侧边有光纤出入孔和制冷管线等，下部分是正压防爆的控制系统。2.4.2光学原理结构如图4所示，由光源（1）发出复合光，经过透镜组（2）进行会聚和准直后，再经过光纤会聚透镜组（3）导入入口光纤（4）内，由光纤进入多路光纤转换器（5），通过操作该多路光纤转换器，将光导入其中一路光纤进入所选择的流通池（6）内，光通过流通池的油品产生了光的吸收，从流通池出来的光携带了被测油品的组成与性质信息，又回到多路光纤转换器（5），并被导入出口光纤，然后通过另一组光纤会聚透镜组进入单色器的狭缝（10），经过准直和反射处理，由光栅（12）分光成为单色光，并经平场处理（13），在被色散后光焦面上有一个线阵CCD检测器（14），经过CCD的光电转换和耦合传输，得到被测油品的光吸收后的能量波长曲线。通过光路转换器实现对多路样品检测功能。图3CCD在线近红外油品质量分析仪主机外观A光谱仪B光纤、光开关及测量附件1光源2透镜组3光纤会聚透镜4光纤5光开关6流通池7镨铷玻璃标准片8.空白参比光纤9测量样品10狭缝11平面镜12光栅13平场正交光学组14CCD；图4CCD在线近红外油品质量分析仪光学原理图2.5主要技术指标与功能（1）光谱仪系统波长范围：700~1100nm光谱带宽：<4.0nm波长重现性：<0.05nm（10次连续扫描）光栅：600l/mm检测器：CCD/2048pixels光源：12V/50W电源电压：~220±5V频率50±1HZ外形尺寸：500×350×180mm恒温精度：±0.2℃（2）光纤及其附件系统光纤内径：300μm有效传输距离：≤100m光开关测量通道：≤6个（3）样品预处理与模型界外样品抓样系统脱水效率：≤50ppm过滤精度：20μm流量控制精度：±5%压力控制精度：±5%滞后时间：≤2min模型界外样品的自动采集：≥500mL（4）流通池系统设计压力：0.7Mpa光程：70mm样品容量：8mL（5）防爆箱系统防爆等级：pⅡT6气源：0.4-0.8MPa供电电源：220V交流主要功能：主柜压力<60Pa时，自动断电；<150Pa时，自动补气；<100Pa时，自动报警温度控制精度：≤±4℃。（6）软件系统功能1）测量与分析功能包括：光谱的采集；在线测量样品类型的判断计算；样品性质或组成的定量计算；质量参数报警；模型报警等主要功能。2）显示功能包括显示：各个通道所测的当前性质或组成结果及历史趋势图；光谱仪状态及操作参数；各个通道的历史数据；质量报警内容等。3）数据管理功能包括：建立模型用光谱归档；分析模型库；各通道分析测量结果的储存；模型输入；模型报警和质量报警样品光谱的保存等。4）通讯功能包括：以4~20mA方式向APC系统、DCS系统提供数据和中央控制提供分析数据等。2.6技术特征该技术核心是以固定光路CCD阵列检测的短波近红外光谱仪，是在石油化工科学研究院的专利技术（ZL96218361.X）（即NIR-2000/3000光谱仪）基础上进行技术改进而成的。（1）扫描方式与传统光栅扫描式产品和现在流行的FT-NIR型产品（具有动镜的干涉仪）相比[6]，具有无易于磨损的移动机构的优点，稳定性更高，特别适合在现场苛刻条件下进行长期不间断无故障运行；光栅扫描和傅立叶变换光谱测量速度为：张/1~2分钟，而CCD具有快速扫描的特点（50张光谱/秒），根据多次测量的平均效应能显著提高光谱信噪比；与现有AOTF（声光调制）先进技术相比，二者都具有无移动磨损部件的优点，但固定光路CCD阵列检测具有更高的光谱分辨率，有利于信息提取，成本也相对便宜。（2）单色器与现有专利技术CCD近红外光谱仪（NIR-2000/3000）相比，采用正交光路，增加了稳定性，缩小了焦距，减小了单色器的体积，有利于光学工作环境条件的控制。此外，光路平场技术提高了在焦面上光谱成像质量。（3）光纤测量方式CCD在线近红外油品质量分析仪使用光纤和流通池代替NIR-2000/3000样品仓式测量，实现远距离的现场测量；每个测量点需要2根光纤（导入和导出），每根光纤的长度根据现场情况需要可在几米至100米左右；通过光纤多路转换器和软件控制配合，实现一台仪器测量多个测量点的功能；采用了光纤技术，光谱仪的各个单元（如光源部分、外光路、单色器、光开关以及电路系统）可以形体分离，有利于各部分工作条件的控制，也有利于在防爆箱或仪器箱内空间的有效利用。（4）测量速度采用设计合理的光纤多路转换器、CCD检测器件以及在线化学计量学软件，分析测量速度快，完成一个测量点分析时间为40秒，按6路计算，测量全部周期为4分钟。如果进一步提高光纤和光纤多路转换器的光传输效率，分析速度还可以进一步提高。（5）长光程现有在线近红外光谱分析技术大多使用长波近红外区域，一般测量液体的光程很短（0.2~0.5mm），因此，光程的可重复性成为明显影响光谱测量的因素[8]。为了清洗液体池窗片需要拆装流通池，其光程会产生较大的相对误差，压力波动也会引起光程误差，都会明显影响光谱测量和分析结果。CCD检测器件响应曲线范围在700~1100nm，即短波近红外光谱区，可以使用长的光程（30~70mm），光程变化带来的扰动影响小，在测量上具有统计代表性，痕量的污染不会对分析结果造成显著的影响。因此，对于现场复杂物料的检测效果更稳定。但也有局限性，如流通池上固定光纤孔的同心度对光通量影响很大，对加工精度要求较高；也不适合测量颜色较深或不透明的液体样品。（6）检测器CCD检测器件是近年来发展很快的半导体元件，对温度变化很敏感，因此，温度控制是影响CCD检测器正常工作的最重要因素之一。CCD与阵列二极管相比，前者具有更多的象元数，光谱分辨率高，有利于信息的提取。但后者的阱容量大，具有更宽的线性响应范围，有利于提高信噪比。相对而言，CCD的势阱较浅。虽然线性响应范围窄一些，实践表明也足以满足常量分析（0.01%浓度以上的检测）的要求。CCD器件生产批量大，更有利于降低仪器成本和技术推广。（7）在线测量与离线近红外分析不同，CCD近红外在线油品质量分析仪测量方式是实时测量，这种功能通过硬件和软件相互配合来实现。在线测量软件的功能和硬件的性能也直接影响着仪器的稳定性，测量的速度、准确性、安全性、自动化程度、灵活性、和信息提取效率和储量等。1）稳定性：近红外光谱分析对光谱测量的精度要求很高，对同一样品的多次测量光谱的吸光度标准偏差不高于0.0004AU。而影响光谱测量精度的因素很多，首先是温度引起仪器的飘移，包括温度变化引起光学结构，检测器的漂移、光源色温和电子线路漂移等微弱变化。温度变化还影响样品的物理化学状态变化，也会造成光谱的变化。因此，温度控制精度要求很高（某些部分温度控制精度要求优于0.1℃）。光谱是由空白测量信号和样品测量信号计算得到的，对于单光源和单检测器的仪器，这两种信号是分时测量的，仪器在各时段中的状态具有一定随机性，从而对光谱测量精度引入误差。通过尽量缩短这两次测量间时间，会减小这种误差。近红外在线油品质量分析仪的在线软件具有精确控制这些仪器条件参数的功能，使仪器具有很好的长期稳定性。2）准确性：油品质量测定的准确性除了依靠建立准确的校正模型外，其基础也是仪器具有很好的长期稳定性。作为分析的基本要求：首先对测定数据的准确性有一定的把握，其次对没有把握的样品要及时给出提示。在线测量软件的校正部分具有这种功能。3）安全性：近红外在线油品质量分析仪的重要特征之一是对安全性的要求很高。安全内容包括防爆、仪器长期安全运转、向生产装置传送准确数据等。仪器安全运转是由仪器自身状态自动检测系统在软件的控制下进行保障的。测量结果的准确性是由软件的样品模式识别、质量阈值控制、信号假象识别、以及信号传输安全性等功能的监控来保证。4）自动化：整机运行全靠软件智能系统自动控制，无须人工干预。不论分析系统本身，还是被检测对象出现异常情况，系统都会及时给出警报。当发现有些样品超出预先设定的模型范围和质量规格范围，系统将自动将这些样品取样，为进一步分析问题保存样品。5）数据库：近红外在线油品质量分析仪的另一重要特征是，在线测量软件分为上微机和下微机部分，上下微机通过通讯接口连接。上微机负责近红外在线油品质量分析仪仪器状态控制、在线测量控制和与装置控制系统间的数据传递。下微机负责模型建立、模型维护、模型传递和存储在线测量的数据，建立反映装置运行情况（被检测的数据结果、装置条件变化等有价值的数据）的数据库，这对于装置长周期生产运行情况及其规律的总结以及信息提取有重要作用。6）灵活性：根据研制开发合同要求，测量性质仅限于辛烷值。但是，作为近红外在线油品质量分析仪，设计是面向多种油品和多种炼油装置在线检测用途。在光谱仪核心部分检测通道数目、检测模型种类、检测条件方面充分考虑参数设置变化范围，因此，使它具有一定扩展性。3几个关键实验结果（1）光纤耦合技术水平对该技术研制具有重要影响。图5考察了光纤组件（即插头和插座）偶合的一致性，分别测量了光通过同一根光纤反正方向的CCD能量响应曲线，2条CCD能量响应曲线吻合，896象元处的响应值分别为3105mV/μJ/cm2和3114mV/μJ/cm2。可以看出，光纤不同传输方向的一致性较好，说明加工的插头及光纤封装效果较好。图6使用固定光纤和30个不同准直透镜的CCD能量响应曲线，这30个准直透镜在896象元处的能量极差仅为115mV/μJ/cm2。由此可以看出，30个不同准直透镜的一致性较好。（2）温度是影响红外仪器漂移的重要敏感因素之一。连续60天仪器恒温考核结果表明，采样间隔1h，实验室的环境温度在16℃~29℃范围内变化，该光谱仪的恒温精度为36℃±0.2℃。（3）波长稳定性是近红外仪器最重要技术指标之一。图7为在近红外光谱仪上采集的镨铷玻璃标准片的光谱图，其特征峰为807.6nm。连续60天监测镨铷玻璃标准片特征峰的变化（实验室的环境温度为16℃~29℃），采样间隔1h，在整个测试时间范围内特征峰未发生任何波动。象元能量响应值mV/象元能量响应值mV/μJ/cm2图5同一光纤反正方向光通量象元能量响应值mV/象元能量响应值mV/μJ/cm2图6不同准直透镜对光通量传输的影响图7镨铷玻璃标准片的光谱图图8连续10次的重复测量光谱图及微分与偏差（4）光谱测量的重复性和再现性对分析结果精确度具有最重要的直接影响。图8为正己烷连续测量10次的光谱图、光谱一阶微分图及其标准偏差，由标准偏差可以看出，在整个波长范围内（700~1100nm），光谱的标准偏差小于0.0005AU，一阶微分光谱的标准偏差小于1.0×10-5，在800~1000nm内，光谱的标准偏差小于0.0004AU。并且连续60天测量的正己烷光谱图、光谱一阶微分图及其标准偏差试验结果都满足预期的设计要求。（5）分析结果准确性：样机在工业试验之前，进行大量汽油样品测试，表1为CCD在线近红外油品质量分析仪测量汽油辛烷值结果与标准方法结果对照，两者的平均偏差优于0.3个辛烷值单位，其极差（0.4）也小于标准方法再现性误差要求（0.7）。表1NIR方法与标准方法测定验证集样品辛烷值的结果序号NIR方法标准方法偏差192.492.3-0.1299.899.6-0.2398.398.60.34100.8100.80.05103.5103.70.2693.894.00.2791.991.5-0.4896.997.20.3999.799.6-0.11099.098.9-0.11194.494.60.2（6）分析结果的传递精度对生产控制具有重要影响。表2为DCS的联调数据，4~20mA信号输出对应的辛烷值数据为60.0~120.0，由结果可以看出实际辛烷值与DCS显示值之间的最大偏差为0.07个辛烷值，说明在线测量软件向DCS传输的分析结果是准确的。表2DCS与在线近红外测量系统联调数据NIR辛烷值测量值对应毫安数DCS显示值60.0459.9375.0874.9690.01289.99105.016105.03120.020120.054工业应用（1）CCD近红外在线油品质量分析仪样机的首次工业试验是在兰州炼油厂联合重整装置上进行的。检测对象为稳定塔塔底出口处的重整生成油，测试项目为研究法辛烷值。CCD近红外在线油品质量分析仪样机及样品预处理系统安装在距离监测点20米的仪器分析小屋内，分析样品由φ15mm的不锈钢管引入样品预处理系统内，用光纤将光谱仪和流通池连接。所有仪器电器安装条件均符合国家防爆标准。在2001年09月13日至2001年12月13日期间，CCD在线近红外油品质量分析仪一直连续监测装置生成油的辛烷值，并定期从生产装置采集了82个汽油样品，采用GB/T5487-1995标准方法测定辛烷值。图9为在线测量结果与标准方法测量结果的对比数据，在线近红外方法与标准方法的平均偏差为0.35个辛烷值单位，满足辛烷值标准方法对分析结果的要求。CCD在线近红外油品质量分析仪将在线测量结果通过DCS系统及时输送到生产装置的控制系统，对生产优化具有指导作用。根据兰州炼厂的用户报告数据表明，该技术的成功应用已经为炼厂带来196万元/年的直接经济效益。2002年6月13日~14日由中国石化股份有限公司科技开发部组织的专家对该仪表测定重整汽油辛烷值的测试结果为：与标准方法的极差为0.25个辛烷值单位，测量重复性为0.21个辛烷值单位。（2）2000年12月至2001年7月将研制过程中CCD在线近红外油品质量分析仪在石油化工科学研究院催化重整中型试验装置上进行了实际应用，用来实时分析重整液体产物的研究法辛烷值和芳烃碳数分布（C6、C7、C8和C9+芳烃含量）。图10为跟踪21轮（共126天，涉及评价21个重整催化剂，105个辛烷值数据，间隔24h取一次样品进行离线实验室NIR或标准方法分析RON。）催化剂评价过程的在线近红外、实验室近红外和部分标准方法测量辛烷值的对比结果，其中三种方法测定结果间的最大偏差小于0.4个辛烷值单位。表3列出了在线近红外和GC两种方法测定芳烃碳数分布和芳烃总量结果的对比统计结果。表3在线近红外和GC两种方法测定结果的对比统计结果族组成质量分数范围/%相关系数最大偏差/%平均偏差/%C6芳烃8.49~15.360.98610.410.33C7芳烃15.11~27.970.98331.120.47C8芳烃18.45~26.770.98481.040.60C9+芳烃15.42~29.540.97621.280.70芳烃总量65.13~83.520.99191.680.75图9在线近红外方法与标准方法测定RON的对比结果图10在线近红外、实验室近红外和标准方法测定重整液体产物辛烷值的对比结果图11为一典型的重整汽油辛烷值随催化剂反应时间的变化趋势。反应初始，随反应温度的升高，辛烷值急速增加，当反应温度趋于恒定后，辛烷值基本保持平稳，并随着反应时间增加，催化剂活性的降低而逐渐下降。反应结束时，随反应温度的下降，辛烷值迅速降低。反应中后期出现的辛烷值较大波动是由于工艺装置中氢气循环泵故障所造成的。以上试验结果表明，在线辛烷值的分析结果满足装置对误差的要求，可实时反映装置的波动变化。图11在线近红外跟踪一轮催化剂评价试验所记录的RON变化（采样时间间隔10min）5结论（1）采用固定光路CCD检测设计和光纤耦合等技术研制出了CCD在线近红外油品质量分析仪样机。它由光谱仪系统、电源电路与控制系统、光纤及其附件与测量流通系统、防爆系统、样品前处理系统、模型界外样品抓样系统、实时光谱测量和化学计量学软件系统等部分组成。试验结果表明其各项技术指标和功能均达到了设计要求。（2）它是国内研制出的第一台在线近红外油品质量分析仪。与国际上现有在线近红外光谱仪（包括光栅扫描、傅立叶变换、AOTF和二极管阵列等）产品相比，在技术上具有新颖性。（3）研制了功能齐全的在线近红外光谱控制与测量软件，其中定性和定量部分采用了化学计量学方法，与仪器配合使用，具有高智能化，高自动化（无须人工干预）、安全性强和中文友好界面的特点。（4）在兰州炼厂联合重整装置上进行了在线测量汽油辛烷值的工业试验，连续试验周期为5个月，测量精度为0.3辛烷值单位；试验结果与国标方法（GB5478）测量结果一致，符合标准方法再现性要求。该机目前仍在兰炼重整装置上运行，并已开展组成和馏程的在线测量工作。参考文献[1]KnottD，J.Oil&Gas，1997，95（3）：39[2]A.EspinosaHydrocarbonProcessing，1995，74（2）：86~92[3]ZilbermanI.etal，HydrocarbonProcessing，1996，75（5）：91~97[4]GaborJohnKemeny，HandbookNear-InfraredAnalysis，SecondEdition，MarcelDekker，Inc，NewYork.Basel，744[5]LuWanzhen（陆婉珍），YuanHongfu（袁洪福）.ModernNIRspectroscopicanalysistechniques.(现代近红外光谱分析技术).Beijing(北京)：ChinaPetrochemistryPress（中国石化出版社），2000[6]TianDi（田地），JinQinhan（金钦汉）.ChineseJ.Anal.Instru（分析仪器）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采用现代信息技术改造炼厂传统工艺特邀报告，该文发表于《中国石化集团公司科学技术委员会论文选（2002）》。特邀报告，该文发表于《中国石化集团公司科学技术委员会论文选（2002）》。------近红外光谱过程分析技术在炼厂工艺技术改造中的应用陆婉珍(石油化工科学研究院，北京，100083)一、前言回顾世界炼油工业近十年来发展历程，一个显著特征是炼油企业无不对炼制技术进步给予高度重视[1]，主要动力为炼油企业面临着政府对燃油环保指标的限制日趋严格和原油资源日趋变重的压力。为降低成本，提高经济效益和增强市场竞争能力，在新增装置或对传统工艺改造过程中，不断地采用先进技术如计算机全厂一体化信息管理系统和先进过程控制技术（APC）等。这些技术的成功应用都离不开现代信息技术的进步。其中，一种先进信息提取技术——近红外光谱（NIR）过程分析技术——用于炼厂传统工艺技术改造的效果特别引人注目，产生了巨大的经济效益[2,3]。NIR分析采用信息提取（化学计量学方法）技术，将光谱与性质直接关联，建立两者之间的函数关系（或称模型）。近红外光谱反映了含氢基团（C-H，N-H，O-H等）的分子振动信息，所以非常适合测量石化产品性质[4,5]，如辛烷值、十六烷值、凝点、闪点、馏程、烯烃、芳烃等。NIR在应用中，根据测量光谱和模型计算得到所需的性质数据。NIR测量速度很快（几十秒）；如果建立了很多种模型，则通过一张光谱测量可快速得到多种性质（多达十几种）；因此，一台NIR仪器具有可替代多种其它仪器设备的功能；近红外光可以通过长距离光纤传输，可方便实现远离仪器的现场过程测量。自90年代初，NIR在炼油过程中应用技术发展很快[6~16]。NIR过程分析技术在炼厂主要应用有：（1）为炼油过程提供单一实时质量检测；（2）向过程优化控制系统实时反馈分析数据；（3）与APC技术结合对生产过程进行自动优化控制。被广泛地用于炼厂燃料调合、原油蒸馏、FCC、催化重整、润滑油、乙烯裂解、加氢裂化和石油化工等主要工艺[16]。及时提供原料性质信息，和实时检测各馏出口产品及中间产物性质，为及时调整操作条件提供依据。二、调合工艺1.汽油调合NIR过程分析技术在炼厂传统工艺技术改造中，最早成功也是最广泛的应用是汽油调合工艺。这项技术最初在一些国际大型石油公司如AshlandOil、Amoco、Exxon、BP、GeneralMotors等中开发成功的[2]。其开发原因是这项技术的应用对于炼油厂有巨大利润可图，主要来自以下三个方面：（1）清洁空气法案（EPA）的实施，环保部门对炼厂生产的不同规格汽油产品征收不同的环保税，如在我国台湾地区，不同规格汽油产品的环保税征收情况：=1\*ROMANI类油（0元台币/公升），=2\*ROMANII类油（0.1元台币/公升），=3\*ROMANIII类油（0.3元台币/公升）。CPC每年为汽油产品支付3亿元台币环保费用。（2）用先进优化控制技术改造汽油调合工艺，能够最大限度地使用价格低和库存充裕的组分，价格贵的组分用量最小化，也避免某些重要质量指标如辛烷值的富裕情况造成汽油调合产品的质量“白送”（giveaway），减少炼厂利益损失。（3）质量分析在汽油调合工艺中起着关键作用。现代信息技术的应用可以节省大量分析费用（设备与试剂）和人力；同时汽油产品可以直接装船，有效利用储罐资源。因此，汽油调合工艺技术改造项目具有明显的可图利润空间。在发达国家和地区炼油工业中，大多积极采用NIR过程分析技术与先进控制技术对传统汽油调合工艺进行了技术改造，如法国的LAVERA，波兰的PetrochemiaPlock。案例1[7]：波兰的PetrochemiaPlockS.A.(PPSA)是东欧最大的炼厂，其年加工量为12.6MT/Yr。1996年~1998年完成了对其传统汽油调合装置（GBU）的改造，实现了罐区现代化，增加许多新管道，马达驱动阀门，和23个组分泵，新加了在线调合刹车（in-lineBlenderSkid），2套染料和添加剂注入刹车，一套在线NIR分析仪和一套自动调合控制与优化系统。改造后的GBU实现了调合操作的全面自动化管理：从调合定单（blendingorders）（日期/时间，配方，储罐，和数量）的制定，到规划器（planner）自动界面，自动将调合定单转化为可执行的调合任务，自动进行现场设备路径（path）选择，自动排序（line-up），自动开车，控制与监测，停车和出调合报告。这套GBU生产能力为1000m3/hr，其质量控制精确度高（-0，+0.25RON，置信度95%）。其中，NIR过程分析仪安装在现场的一个正压防爆的箱体内，与GBU的出口和6个组分原料罐连接。通过DCS系统，实时快速提供汽油调合组分和成品的8种性质：RON、MON、RVP、E70、E100、E180、FBP和密度。改造后的GBU加工能力为400万吨汽油/年，生产品种包括：94、98、Eurosuper95和Eurosuper95。新增效益为0.3至0.90美元/立方米，总经济效益为3~4百万美元/年。案例2：[16]韩国SK公司从1992年开始使用NIR分析技术用于汽油调合的研究；93年在现场安装了在线NIR分析仪，开始根据近红外数据进行汽油调合；94年开始将NIR分析技术与APC结合进行汽油调合试验；95年末实现汽油的自动调合。该公司称这套系统为GASOLINEplus。它主要包括调度系统，DCS比例控制和近红外测量部分。操作步骤从调度系统产生调合配方开始，调度包（schedulingpackage）在规定的汽油规格下，考虑各组分存货、价格、性质等因素，制定最优化的调合配方。其中，在调度步骤根据组分原料的计划性质数据来估计调合配方，在实际调合操作中总是存在偏离汽油规格的可能性。在操作中为防止产品偏离规格对实际性质进行反馈补偿，需要调合性质控制系统与NIR分析仪结合。如图1为SK公司调合控制系统与NIR分析系统的连接示意图。实现了对各种组分与成品的多种性质实时检测，进而实现了前/后反馈的控制与优化，成品可以直接装船操作。图1SK公司采用NIR过程分析技术改造汽油调合工艺流程示意图总结SK公司采用NIR过程分析技术改造传统汽油调合工艺的经验，按照加工量规模为70MBPSD计算，效益为US$200万/年。主要在以下几个方面获得大的经济效益：（1）降低质量损失：表1为SK公司的成品与库存组分的性质数据。对性质实时检测，实现了产品质量精确控制，将RON波动范围从+0.5辛烷值单位降到+0.2辛烷值单位；RVP最大规格变化范围为+0.04kg/cm2；（2）调合组分的优化：重整油（reformate）减少用量0.3%；残余液（raffinate）增加用量+71.0%；丁烷（butane）增加用量+14.0%；表2为工艺改造项目前后组分库存用量比较。（3）连续进行质量确认；（4）最大利用生产能力与储存能力；（5）可以替代多种分析化验设备，节省了大量分析设备的投资，最小的分析硬件的维护，减少化验室分析。总之，采用NIR分析技术改造传统汽油调合工艺给炼厂带来经济效益是显著的，在发达国家与地区，这种应用已经是很常见的技术改造举措。表1SK的汽油规格与库存组分的性质库存组分RONRVPAROBENOX2API调合目标92.561~920~320~3.51.4~40~100重ARO100.02.4550.00.02025.0烷基化油96.034.200.1070.0丁烷98.0411.6000113.0重整油115.040.057.07.0062.0LCN93.055.020.00.8061.0戊烷86.0147.000.30100.0T-LSR76.086.02.02.1086.0抽余油69.047.02.50.2075.5MTBE122.056.00018.058.0C4抽余油100.0372.000.30113.0表2SK汽油调合工艺改造前后组分库存用量比较库存组分用量差值（MBBL）改造前改造后重ARO2,7622,723-3烷基化油8968960丁烷702804+102重整油8,3208,070-250FCC汽油8,6248,507-117戊烷1,2881,247-41T-LSR2,5032,542+39抽余油422722+300MTBE1,7131,683-30总量27,19427,19402柴油调合由于NIR分析可以测量柴油的许多性质（如表3所示），与汽油调合类似，继汽油调合改造之后，很快将这项技术用于炼厂传统柴油调合工艺技术改造。以下是韩国SK采用NIR分析技术改造传统柴油调合工艺的实际案例。表3柴油性质的NIR分析方法精确度与ASTM方法的比较分析项目NIR精确度LAB精确度LABmethod比重0.001140.0012ASTMD4052-96粘度0.1740.2ASTMD445闪点4.795.4ASTMD92馏程(50,90,90%)6.47.3ASTMD86烟点3.944.0ASTMD2500倾点4.05.0ASTMD97冷滤点4.15.0IP309-96案例3：SK公司自97年下半年开始研究NIR分析用于柴油调合的研究；99年完成了NIR过程分析技术与APC结合进行自动柴油调合的试验，实现了柴油调合自动操作和直接装船目标。将该厂项目改造前后情况比较如下：（1）传统柴油调合工艺（如图2所示）图2SK公司用NIR分析改造前的柴油调合工艺流程示意图因为传统柴油调合工艺受测量技术限制，在优化控制产品规格有局限。主要原因为：样品采样和分析时间冗长，为防止产品不合格，控制产品质量保持富余，产生质量（giveaway）浪费；在装船前需要试验罐；对产品规格进行确认分析不同性质需要很多种分析仪器，投资较大。（2）采用NIR过程分析技术改造之后（如图3所示），实现实时测量柴油性质（冷滤点、烟点、闪点、馏程、倾点和十六烷值）。优化系统根据这些信息，并考虑组分库存、价格、性质等因素，制定调合处方。调合过程中如果组分的性质变化太大，使用反馈和前馈技术方案及时调整。通过实时控制产品性质，柴油产品可直接给用户装船不需要做进一步实验室分析。使用NIR测量更精确，可以使控制效果更接近于目标优化值，可以避免大量质量浪费。不需要试验罐进行实验室确认，改善罐容器的利用率。图3SK公司用NIR分析改造后的柴油调合工艺流程示意图SK公司通过技术改造后，按照加工量180MBPSD计算，直接经济效益为300万美元/年。我国燃油调合工艺基本上是依靠手工操作。与国际炼油相比，我国的辛烷值资源是短缺的。而且由于缺乏辛烷值快速检测技术和APC技术，目前还存在着明显的辛烷值资源浪费。因此，通过采用现代信息技术改造汽油调合工艺，有效利用辛烷值资源，对于炼厂有明显的经济效益。“世界燃油规范”要求，对汽油硫含量等性质指标有严格限制；2类柴油硫含量小于0.03%，总芳烃小于25%，多环芳烃小于5%，十六烷值大于15%等。同国际接轨，我国汽油和柴油新标准从大城市开始，逐渐在全国范围内实施[1]。因此，与过去相比，燃油调合的控制指标明显增多，如汽油烯烃含量小于35%，硫含量小于0.08%，柴油硫含量小于0.2%等。因此，采用现代信息技术改造我国传统调合工艺，也是缓解环保压力的一种有效措施。三、原油蒸馏（CUD）对现代炼厂生产，操作灵活性尤为重要。根据市场需求选择合适的原油将给炼厂带来丰厚的利润。许多炼厂（尤其是沿海炼厂）所加工的原油来源很杂，多达20多种。如果频繁更换原油种类和缺乏在线测量原油性质技术时，有效操作CUD则很困难。比如，当从一种原油向另一种原油过渡时，CDU操作者不得不在控制条件上留出很大余地。其代价是降低装置的处理量，降低宽余地产品的产量，增加操作费用。NIR过程分析技术可以快速测量原油的性质（如密度及组成等）。因此，使用该技术对传统原油蒸馏工艺技术改造，可以克服上述局限性[10]。案例4：1992年至1994年，BP公司在法国Lavera炼厂采用NIR过程分析技术（TOPNIR）和APC对传统CDU进行技术改造，实现了CDU的进料原油和馏出产物性质的实时检测，如图4所示。APC根据这些信息数据对CDU操作条件进行优化，从以下几个方面获得效益：图4法国Lavera炼厂NIR改造CDU的示意图（1）当进料原油由重变轻时，在传统CDU上，操作者将采取如图5所示的底部曲线控制原油的流量，其原因就是避免冲塔和过热问题发生。而且，如果轻质产品产率过高，会造成下游气体厂的超载。为保证CDU安全运行需消减原油处理量，造成较大经济损失。在NIR分析技术改造后的CDU上，根据原油进料性质的实时检测，可以精确控制降低进料流速的时间和降低流速的幅度与速度，操作者采取如图5所示的上部曲线控制原油的流量。与改造前相比，大大提高了装置的处理量。这样取得的经济效益为30~50万美元/年。图5法国Lavera炼厂NIR改造CDU前后处理量对比（2）根据实时测量原油进料性质，精确调整CDU各馏出口物流的切割点：如表4所示，在Syrian轻质原油和Iranian重质原油之间的产品潜含量差别非常显著。通过实时检测进料性质，及时精确调整CDU馏出口分割点，与改造前比较，有时可提高产物收率4%。由此产生经济效益15万美元/年。表4原油质量与产品产率馏分产率100%轻叙利亚原油伊朗（70%重质/30%轻）汽油6%4%苯10%8%ATK16%15%轻瓦斯油10%13%重瓦斯油15%9%常压渣油43%51%案例5：韩国SK公司使用NIR过程分析技术和APC技术对其传统CDU进行了改造，如图6所示。其优点如下：图6SK公司采用NIR过程分析技术与APC技术改造CDU的示意图（1）实时测量：通过NIR过程分析技术，实时获悉进料原油的性质，可预先采取措施，避免过程不稳定或避免损失高价格产品。用于各流出口产品性质测量，保持生产符合产品规格；可以控制低温特性（冰点、烟点、倾点）。改造前，这些低温特性是不能直接控制的，而是通过使用塔盘温度测量数据进行估算控制。实时预测产品收率；减少不合格产品和实验室测试工作量。（2）与APC结合实现CDU自动控制：根据实时测量进料性质数据，APC计算最佳操作条件，传给DCS作为PID控制器的设定点；可根据进料的NIR分析数据，控制进料速度；卡边控制产品质量；低温特性规格直接控制；约束推进（Constraintspushing）等。SK公司在更换原油种类期间，由此得到的利润为2.0￠/bbl原油。（3）实时优化：APC的作用是使过程保持在最佳操作目标，在线优化器计算APC最佳目标处于最佳经济效益状态。例如，优化器决定各产品的最佳切割点，APC使用最有效的方式调整工艺参数跟随给定的切割点，而避免装置操作不稳定情况出现。自动产生APC最佳操作目标；产值最大化和增加高价格产品产率。由此可取得较大的经济效益，如表5所示，提高石脑油和轻瓦斯油收率增加效益。表5优化CDU增加产值数据馏分起始优化差值规格产值(千$/D)利润(千$/D)液化气26.926.6-0.3

30.68-1.48轻直馏95%馏程85.7

103.674.4

103.0-11.3

-0.6103~11030.66-52.36石脑油95%馏程112.2

144.4132.5

146.0+20.3

+1.4130~15033.18+101.41煤油冰点186.1

-47.2171.4

-47.1-14.7

+0.1Max-4735.21-78.24轻瓦斯油95%馏程193.7

361.9202.0

360.0+8.3

-1.9350~36033.16+48.62A/R447.3-1.0

23.47-3.65总额

+7.35（4）多单元优化：CDU与下游许多工艺单元连接，如乙烯裂解和BTX工艺等。因此，CDU的优化应当考虑下游工艺，进行整体优化。如轻直馏油（LSR）和重石脑油（Naphtha）的产量是CDU切割点的函数。根据图7，一定有一个最佳切割点使得LSR和重石脑油的利润最大；LSR影响蒸汽裂解利润的重要性质是石蜡（paraffins）组成，重石脑油影响BTX厂利润的重要因素是环烷烃（naphthenes）和芳烃组成。如果能实时测量这些性质，则能实时获得中间产品性质。通常许多炼厂都忽略了这些组成变化，而SK公司根据NIR过程分析实时测量数据，考虑LSR和重石脑油产量，优化生产，少产煤油和多产石脑油，以得到更多高价格的最终产品，由此得到利润约$36,000/d，优化数据如表6所示。图7CDU切割点对BTX工艺和乙烯裂解工艺利润的影响曲线表6CDU切割点优化数据产品优化值NIR优化的值流量差产值差(千$/D)液化气(kl/hr)29.1229.16+0.03+0.11轻直馏流量(kl/hr)78.0680.98+2.92-3.41n-Para.48.4647.91石脑油流量(kl/hr)81.0488.04+7.00+74.81(N+2A)37.2138.70煤油(kl/hr)192.63172.63-20.00-72.94轻瓦斯油(kl/hr)225.21237.46+12.25+42.07A/R(kl/hr)375.3373.23-2.08-4.61总金额

+36.03案例6：1999年，PetroMetriXLtd采用NIR过程分析技术和APC技术对一家加拿大炼厂的CDU+异构化+重整组合工艺进行改造。其组合工艺流程为2套CDU，从CDU出来的LSR和重石脑油与C5，C6组分混合后进入预分馏塔；从预分馏塔顶部馏出部分进入异构化装置；从预分馏塔底部物料进入重整装置；经异构化和重整后，再混合进入稳定塔。使用NIR过程分析技术和APC技术实现了该组合工艺的优化控制：使预分馏塔顶部的C7量最小化；使预分馏塔底部的苯含量低于1.5%，控制稳定塔底部物料的RVP，RON和MON。为此节省了仪器投资US$200,000，并且每年节省操作费用US$30,000[17]。四、FCCU催化裂化是重油轻质化工艺之一。是操作难度最大的炼油工艺，前后系统相互影响严重，操作参数和条件设定随着原料油的变化、催化剂及产品要求而变化。进料性质（如组成、馏程、密度、残碳、硫氮含量和铁、镍、钒和钠等）波动将引起催化裂化装置工作状态和裂化深度的明显波动。而FCC工艺的进料变化非常多，如焦化蜡油、重油、常压渣油、减压渣油、减粘VGO、焦化VGO和脱沥青油等。传统FCC工艺通过对进料及各馏出口取样，根据化验室分析数据，设定和修改装置操作参数。由于分析速度慢，不仅难于及时对进料进行表征，也不能及时了解FCCU的实际运行情况，因此，FCC控制最佳操作状态比较困难：（1）进料性质影响：如果进料中饱和烃含量由低向高变化时，反应产物中油气量增多，严重时会产生压缩机负荷过载；影响吸收-稳定塔的分离效率；催化剂生焦量过少，打破再生系统能量平衡（比如影响发电机组），将引起一系列FCC条件以及有关装置操作条件的较大波动；原料组成变化引起富气压缩机入口的压力波动，从而影响到反应器和再生器的压力平衡，对系统正常工作产生干扰；如果进料中掺入过多的残碳较高的渣油，将出现催化剂上焦碳产率过大，同样也打破再生系统能量平衡，而且装置的能耗加剧；焦碳产率变化也引起两器的温度波动，进而引起各馏出口产品性质（如汽油辛烷值等）波动；重金属含量积累造成催化剂失活，影响裂化深度等；进料的变化也将影响目标产品最大收率的苛刻度，如两个芳烃高低不同含量原料在不同苛刻度下，汽油产率变化有明显差别，在低苛刻度下高芳烃原料的汽油收率低于低芳烃含量的，而在较高苛刻度下，其变化规律相反；总之FCC工艺流程非常复杂，再生器、反应器和分馏系统之间的操作条件前后具有很高的协同性，相互影响形成复杂的平衡体系，是炼厂所有装置操作难度系数最高的。一旦引起较大的波动，则需要很长时间去调整。如富气压缩机入口压力过低，能耗大，如果过高压缩机超载，实际操作中力图保持最佳压力，一旦引起较大波动，则需要6~7小时才能恢复正常水平。（2）FCC侧线汽油馏出口产品辛烷值往往受装置条件波动而波动，对于某些直接用来生产90#汽油产品的炼厂，经常发生由于装置条件或原料波动，导致馏出物辛烷值不合格情况，如果让不合格产品进入成品罐，等化验室化验后报出结果时，生产上的损失就较大。如果能及时测得辛烷值，通过调节反应温度及剂油比等可以使辛烷值返回正常水平。操作条件对催化裂化汽油含量有较大影响[1]，如提升管温度、剂油比、反应温度、汽油中液化气含量、催化剂活性、稳定塔底部和顶部温度等。如果可以及时测量汽油的烯烃含量，实现操作条件的优化，找到最大限度地降低烯烃含量和最缓和的加工条件，存在着较大的改善经济效益的空间。采用NIR分析技术和APC技术对FCC工艺进行改造，能有效克服上述问题，改善FCC操作[10]。案例7：BP公司1993年将NIR用于FCC的汽油测量，1995年将NIR扩展到FCC的进料在线测量。BP公司曾就法国Lavera炼厂FCC改造前后情况做了对比。原料的变化对产物分布有较大影响。改造前依靠化验室测量进料性质，包括蒸馏曲线、密度、粘度、氮含量、硫含量、折射率)、苯胺点、康氏残碳等。分析周期很长，不能为FCC优化及时提供进料性质。采用NIR过程分析技术改造后，实现进料性质的实时检测，其精确度如表7所示。APC根据实时测量性质数据，实现了在进料性质发生变化时，保证FCC处于最佳操作状态，表7NIR方法与ASTM方法测量进料的精确度对比性质范围再现性重复性实验室ASTM在线近红外实验室ASTM在线近红外FCC进料表征比重0.89---0.933.00E-034.30E-031.00E-032.50E-03硫含量0.5---10.05---1.00.015苯胺点76.2---0.20.25粘度6.3---13.87%10%2%0.70%折光指数1.483—1.5061.20E-041.20E-048.20E-041.20E-04TBP（50%）440---5051073.51.5FCC汽油表征性质MON75--850.90.620.30.07RON85---950.70.460.20.09反应器和再生器之间的波动达到最小化，催化剂生焦量处于最佳状态；监测进料性质有助于优化操作苛刻度；监测馏出口性质，对产品质量卡边控制，增加了高价值产物的收率；使进料速率最大化；降低能耗；始终保持优化约束控制；从改造前后富气压缩机操作压力调整情况对比看出，改造后，当原料变化导致装置条件波动时，可以显著缩短从发觉到使装置恢复正常状态的时间，以及降低了波动的幅度。案例8：韩国SK公司的FCCplus是采用NIR过程分析技术对FCC改造的工艺，如图8所示。与改造前比较，（1）增加收率，根据实时进料信息进行优化控制：当进料变化时，进行操作最优化；质量卡边控制；副产物量最小化。（2）进料量最大花。（3）增加催化剂寿命。（4）降低能耗等。按照50MBPSD的加工量计算，由此获得效益200万美元/年[17]。图8韩国SK公司NIR过程分析仪在FCC上的应用示意图五、催化重整工艺重整工艺生产BTX（苯、甲苯和二甲苯）和高辛烷值汽油组分，在高温和高压下将环烷烃和链烷烃转化为芳烃。其原料为由C5—C9的链烷烃、环烷烃和芳烃组成的石脑油。进料石脑油组成和反应条件（如进料速度，反应器权重平均入口温度WAIT（weightaverageinlettemperature），压力，再生H2和催化剂循环速率等）的波动对催化重整工艺生产影响较大。传统工艺由于测量和取样技术限制，不能及时掌握进料石脑油性质和产物性质信息，建立和调整重整反应器模型比较困难，实际操作一般采取保守的操作条件；NIR可以准确测量重整工艺进料和产物的性质，如表8所示[16]。采用NIR过程分析技术改造催化重整工艺可显著改善装置操作效果。以下是两个分析案例。表8NIR方法与ASTM方法测量精确度对照物料性质NIR

精确度ASTM

精确度模型范围石脑油

&

重整油总链烷0.1~1.00.1~1.0

环烷

芳烃

C5链烷1.33

0~15环烷0.10

0~0.65C6链烷1.52

5~18环烷0.350.140~6.5芳烃0.180.270~9.1C7链烷1.530.610~20环烷0.311.010~15芳烃0.861.403~28C8链烷1.350.500~20环烷0.560.180~12芳烃1.053.146~34C9+

0.591.230~11案例9：石油化工科学研究院在1999年到2001年研制了在线近红外油品质量分析仪，分别在石油化工科学研究院催化重整中型装置和兰州炼厂联合重整装置上进行了成功应用，实现了生成油的辛烷值实时检测，为装置条件优化提供了依据，仅统计此辛烷值一项获经济效益194万元/年[18]。今年准备采用在线近红外油品质量分析仪解决该装置的组成及馏程的实时检测项目。案例10[16]：韩国SK公司采用NIR过程分析技术改造了该厂的催化重整工艺，称之为REFORMERplus，如图9所示。实时测量石脑油、重整油和中间产物的组成与性质（如总PNA、详细的PIONA、C数分布、馏程等），并及时将这些信息传送至DCS或RTDB，调整重整反应器模型。由APC实现了接近目标限制水平操作；在分馏部分导致的瓶颈下优化下游目标；优化石脑油进料速度，氢气流速，物料流压力，加热管表面温度和WAIT；对催化剂再生，催化剂循环速率和催化剂表面生碳进行管理；降低能源消耗等。带来的直接好处：生产能力提高2%~3%；毛利润增加0.5%~1.5%；获经济效益6百万美元/年。优化器进料/产品价格约束条件重整油石脑油炉子分离器优化器进料/产品价格约束条件重整油石脑油炉子分离器稳定塔进料速率H2速率图9SK公司采用NIR和APC技术改造催化重整工艺示意图六、结论采用现代信息提取技术——NIR过程分析技术和APC技术，对炼厂传统炼油工艺进行改造，是投资省和见效高的技术路线，尤其值得我国炼油工艺的改造做参考。参考文献[1]侯芙生，“创新炼油技术，推动21世纪我国炼油工业的发展”，石油炼制与化工，33（1）：1~8，2002[2]A.Barsamian,Getthemostout