蔡飛云，康志北，張舟

(新疆獨(dú)山子煉油廠 儀表車(chē)間，新疆 獨(dú)山子 833600)

加氫裂化工藝是指通過(guò)加氫反應(yīng)使一些原料油(煉廠各裝置來(lái)餾分油)中的10%和10%以上的分子加氫變小的工藝，在高溫、高壓、臨氫及催化劑存在的情況下，原料油進(jìn)行加氫脫金屬(HDM)、脫硫(HDS)、脫氮(HDN)、脫氧(HDO)芳烴飽和、分子骨架結(jié)構(gòu)重排及裂解等反應(yīng)，以制取輕質(zhì)燃料、乙烯料或高檔潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的催化轉(zhuǎn)化過(guò)程[1]。

某廠加氫裂化工藝流程：原料進(jìn)入裝置與氫氣混合，經(jīng)加熱到一定溫度首先進(jìn)入精制反應(yīng)器，用床層冷氫控制合適的反應(yīng)溫度，在保護(hù)劑和精制催化劑的作用下，發(fā)生一系列加氫反應(yīng)，生成雜質(zhì)很低的精制油；然后進(jìn)入裂化反應(yīng)器，用床層冷氫控制合適的反應(yīng)溫度，在裂化催化劑和后精制催化劑作用下，發(fā)生加氫異構(gòu)化和裂化(包括開(kāi)環(huán))反應(yīng)及部分精制反應(yīng)，獲得所需轉(zhuǎn)化率下產(chǎn)品分布的裂化氣。經(jīng)初步降壓、降溫分離后，大部分氣相進(jìn)入循環(huán)氣系統(tǒng)，小部分氣相經(jīng)該裝置脫硫塔后，與重整氫一起做PSA原料；液相則先進(jìn)入脫丁烷和脫乙烷塔，進(jìn)一步氣液相分離，分離出液化氣、干氣和反應(yīng)生成油，液化氣出裝置去堿洗，干氣經(jīng)該裝置輕烴吸收塔后，出裝置去干氣脫硫裝置；生成油先進(jìn)入常壓塔，分離出輕、重石腦油，航煤，柴油和尾油；輕、重石腦油，航煤，柴油分別出裝置，而尾油則進(jìn)入減壓塔，經(jīng)過(guò)減壓蒸餾，生產(chǎn)出乙烯料，輕、中、重潤(rùn)滑油，分別出裝置。其中部分的尾油循環(huán)到原料過(guò)濾器的入口再次加氫裂化[2-3]。

軟測(cè)量?jī)x表計(jì)算的目的：對(duì)上述產(chǎn)品利用可測(cè)變量(如溫度、壓力、流量)實(shí)時(shí)給出不可實(shí)測(cè)變量的數(shù)值，為操作提供指導(dǎo)，為先進(jìn)控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化提供依據(jù)。例如：石油餾分產(chǎn)品的主要質(zhì)量指標(biāo)是恩氏蒸餾提供的沸點(diǎn)，如干點(diǎn)、90%點(diǎn)、10%點(diǎn)、初餾點(diǎn)等，其他質(zhì)量指標(biāo)，如閃點(diǎn)、傾點(diǎn)、凝固點(diǎn)、冰點(diǎn)等，均與沸點(diǎn)有關(guān)。目前，此類(lèi)變量主要依據(jù)化驗(yàn)分析，從采樣到得到結(jié)果，一般要1h以上，采用在線分析儀表也存在一定的滯后時(shí)間。在線計(jì)算的目的就是避免化驗(yàn)或在線分析儀表的時(shí)間滯后，以利于操作和控制[4-6]。

1 軟測(cè)量?jī)x表的特點(diǎn)及原理

1.1 軟測(cè)量?jī)x表在線計(jì)算的特點(diǎn)

1)相對(duì)準(zhǔn)確性。軟測(cè)量計(jì)算結(jié)果必須正確反映實(shí)際質(zhì)量指標(biāo)的變化，需建立質(zhì)量指標(biāo)和可測(cè)變量之間的關(guān)系。

2)實(shí)時(shí)性。操作和控制均要求在生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中，及時(shí)給出計(jì)算結(jié)果，這就是實(shí)時(shí)性的要求。由于生產(chǎn)過(guò)程幾乎隨時(shí)處于動(dòng)態(tài)變化之中，尤其是進(jìn)行操作或控制時(shí)，反映生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)的變量總是隨時(shí)間變化的，要正確計(jì)算，不僅要有各變量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系(目前工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算主要采用的模型)，而且還必須符合各變量隨時(shí)間變化的規(guī)律，且計(jì)算周期必須較短，才能達(dá)到在線計(jì)算的目的。

3)可計(jì)算性(可觀性)。需要哪些可測(cè)變量才能得到所需的計(jì)算結(jié)果，就是可計(jì)算性或可觀性問(wèn)題。為此，需對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的特性(動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型)進(jìn)行分析，才能合理地實(shí)現(xiàn)在線計(jì)算。針對(duì)石油分餾塔，各塔板上氣液相物流溫度差較大，需要采用基于傳質(zhì)與傳熱速率的非平衡級(jí)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算(對(duì)每個(gè)塔段，需要設(shè)有氣相與液相的溫度測(cè)點(diǎn))才能滿足可觀性條件。

1.2 軟測(cè)量?jī)x表在線計(jì)算的原理

基于以上特點(diǎn)和要求，采用符合生產(chǎn)過(guò)程特性的機(jī)理動(dòng)態(tài)模型在線實(shí)時(shí)計(jì)算，是最合理的方法。由于動(dòng)態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)，需采用狀態(tài)觀測(cè)器方法，才能使計(jì)算值收斂到真值。狀態(tài)觀測(cè)器是基于過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的，從原理上說(shuō)，任何生產(chǎn)過(guò)程均可用線性系統(tǒng)觀測(cè)器、非線性系統(tǒng)的狀態(tài)觀測(cè)器描述其動(dòng)態(tài)行為。

該項(xiàng)目采用非線性動(dòng)態(tài)模型實(shí)現(xiàn)觀測(cè)計(jì)算，并根據(jù)過(guò)程實(shí)際結(jié)合了回歸統(tǒng)計(jì)的方法。非線性系統(tǒng)的狀態(tài)觀測(cè)器內(nèi)容為

模型：

(1)

可觀性：必要條件為結(jié)構(gòu)可觀。

偽線性觀測(cè)器：對(duì)式(1)離散化后，可采用下述“偽線性化”的描述：

X(k+1)=AX(k)+Fk[Xm(k)，u(k)]+Φk[Xm(k)，Xu(k)，u(k)，w(k)]

(2)

式中：Φk——不可測(cè)的，按線性系統(tǒng)構(gòu)造對(duì)Xu和Φk(k)的觀測(cè)器，當(dāng)函數(shù)Φk可逆且有確定解時(shí)，可由Φk計(jì)算[XuW]T[7-9]。

2 方案實(shí)施及效果

2.1 轉(zhuǎn)化率計(jì)算方法

轉(zhuǎn)化率指原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的百分率，是表示反應(yīng)深度的指標(biāo)。

轉(zhuǎn)化率 =(1-產(chǎn)品中大于350℃餾分/原料中大于

350℃餾分)×100%=

[(原料中大于350℃餾分-產(chǎn)品中大于

350℃餾分)/原料中大于350℃餾分]×100%

當(dāng)有循環(huán)油存在時(shí)，轉(zhuǎn)化率有單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率之分。單程轉(zhuǎn)化率計(jì)算時(shí)，原料油指新鮮原料和循環(huán)油之和；總轉(zhuǎn)化率計(jì)算時(shí)，原料油僅指新鮮原料。

1)計(jì)算方法1。在熱高壓分離器進(jìn)料溫度控制平穩(wěn)的情況下，熱低壓分離器和冷低壓分離器出料量的變化可以反映轉(zhuǎn)化率的變化，因而可用下式進(jìn)行計(jì)算：

轉(zhuǎn)化率=a1(qm1+LV1)+a2(qm2+LV2)+b

(3)

式中：qm1，qm2——熱低壓分離器及冷低壓分離器流出流量；LV1，LV2——熱低壓分離器及冷低壓分離器液位補(bǔ)償；a1，a2，b——系數(shù)。

2)計(jì)算方法2。裝置的各種操作條件對(duì)轉(zhuǎn)化率都有影響，其中主要的有進(jìn)料流量、裂化反應(yīng)溫度T2、裂化反應(yīng)溫升等，同時(shí)反應(yīng)流出物的變化也反映了轉(zhuǎn)化率的變化，可用下式表示：

轉(zhuǎn)化率=a1(qm1+LV1)+a2(qm2+LV2)+a3T2+a4dT+a5qmall+b

(4)

式中：T2——裂化反應(yīng)溫度；dT——裂化反應(yīng)總溫升；qmall——總進(jìn)料流量；a3，a4，a5——系數(shù)。

3)計(jì)算方法3。根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義，可近似認(rèn)為產(chǎn)品中小于350℃餾分均在常壓塔各側(cè)線抽出(假設(shè)LPG量變化不大)，可用下式表示：

轉(zhuǎn)化率=(a1qm3+a2LV3-a3qm4-a4LV4)/qmall×100%+b

(5)

式中：qm3——常壓塔進(jìn)料流量；qm4——減壓塔進(jìn)料流量；LV3——常壓塔液位補(bǔ)償；LV4——減壓塔液位補(bǔ)償。

3種計(jì)算方法，可根據(jù)與實(shí)際化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)比對(duì)進(jìn)行選擇，轉(zhuǎn)化率計(jì)算結(jié)果與化驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖1所示。符合考核指標(biāo)情況，標(biāo)定統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表1所列。

圖1 轉(zhuǎn)化率計(jì)算結(jié)果與化驗(yàn)值對(duì)比(采樣周期30s)

表1 轉(zhuǎn)化率標(biāo)定統(tǒng)計(jì)分析

2.2 φC5計(jì)算方法

1)計(jì)算方法1。采用壓力補(bǔ)償溫度的方法來(lái)計(jì)算。主要根據(jù)靈敏板(或塔頂)溫度和塔頂壓力的變化來(lái)觀測(cè)塔頂組分體積分?jǐn)?shù)的變化。

φC5=K1(Tcomp-Tb)+C50

(6)

2)計(jì)算方法2。脫丁烷塔的各種操作條件對(duì)液化氣中的φC5都有影響，其中主要的有塔頂溫度、塔頂壓力、塔頂回流量、塔底溫度、進(jìn)料性質(zhì)等，可用下式表示：

φC5=a1Tt+a2pt+a3qmre+a4Tb+b

(7)

式中：Tt——塔頂溫度；pt——塔頂壓力；qmre——塔頂回流量；Tb——塔底溫度。

對(duì)φC5，軟測(cè)量計(jì)算結(jié)果與化驗(yàn)值對(duì)比情況如圖2所示，滿足考核指標(biāo)情況見(jiàn)表2所列。

表2 φC5標(biāo)定統(tǒng)計(jì)分析

2.3 航煤干點(diǎn)計(jì)算方法

影響航煤干點(diǎn)(KEP)的因素很多，包括進(jìn)料性質(zhì)、操作條件(溫度、壓力、流量)等。在常壓塔可得到的測(cè)點(diǎn)中，主要變量有塔頂溫度、塔頂壓力、塔頂回流量、常一線溫度、常二線溫度、中段回流、進(jìn)料溫度等，可用下式表示：

KEP=a1qmfeed+a2pt+a3T1+a4qmre+a5Tre+a6T2+a7qmre2+a8Tre2+a9Tfeed+b

(8)

式中：qmfeed——常壓塔進(jìn)料流量；pt——塔頂壓力；T1——常一線抽出溫度；qmre——塔頂回流流量；Tre——塔頂回流返塔溫度；T2——常二線抽出溫度；qmre2——中段回流流量；Tre2——中段回流返塔溫度；Tfeed——常壓塔進(jìn)料溫度；a5，a6，a7，a8，a9——系數(shù)。

對(duì)航煤干點(diǎn)的軟測(cè)量計(jì)算結(jié)果與化驗(yàn)值對(duì)比情況如圖3所示，滿足考核指標(biāo)情況見(jiàn)表3所列。

圖3 KEP計(jì)算結(jié)果與化驗(yàn)值對(duì)比(采樣周期30s)

表3 KEP標(biāo)定統(tǒng)計(jì)分析

2.4 航煤閃點(diǎn)計(jì)算

影響航煤閃點(diǎn)(KFP)的因素很多，包括常壓塔和航煤汽提塔的操作條件(溫度、壓力、流量)等。在可得到的測(cè)點(diǎn)中，主要變量有常壓塔頂壓力、常二線溫度、航煤汽提塔再沸溫度、航煤汽提塔返塔溫度、航煤汽提塔塔底溫度等，可用下式表示：

KFP=a1pt+a2T2+a3Tt53+a4T5reb+a5T5reb2+a6T5b+a7×qmkero+b

(9)

式中：pt——塔頂壓力；T2——常二線抽出溫度；qmkero——航煤出裝置流量；Tt53——航煤汽提塔油氣進(jìn)常壓塔溫度；T5reb——航煤汽提塔再沸溫度；T5reb2——航煤汽提塔再沸返塔溫度；T5b——航煤汽提塔塔底溫度。

對(duì)航煤閃點(diǎn)，軟測(cè)量計(jì)算結(jié)果與化驗(yàn)值對(duì)比情況如圖4所示；滿足考核指標(biāo)情況見(jiàn)表4所列。

圖4 KFP計(jì)算結(jié)果與化驗(yàn)值對(duì)比(采樣周期30s)

表4 KFP標(biāo)定統(tǒng)計(jì)分析

3 結(jié)束語(yǔ)

在線實(shí)時(shí)計(jì)算的目的是實(shí)時(shí)給出過(guò)程不可實(shí)測(cè)變量的數(shù)值，作為操作參考和先進(jìn)控制的依據(jù)。軟測(cè)量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是基于生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)理動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)觀測(cè)器方法，并根據(jù)過(guò)程實(shí)際結(jié)合使用了回歸統(tǒng)計(jì)的方法，

可在生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)變化的情況下，實(shí)時(shí)給出所需結(jié)果，其準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性滿足指導(dǎo)生產(chǎn)及在線控制的要求。從軟測(cè)量?jī)x表的實(shí)施效果來(lái)看，較好地滿足了生產(chǎn)和控制要求。

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