软测量仪表在加氢裂化装置中的应用

蔡飞云，康志北，张舟

(新疆独山子炼油厂 仪表车间，新疆 独山子 833600)

加氢裂化工艺是指通过加氢反应使一些原料油(炼厂各装置来馏分油)中的10%和10%以上的分子加氢变小的工艺，在高温、高压、临氢及催化剂存在的情况下，原料油进行加氢脱金属(HDM)、脱硫(HDS)、脱氮(HDN)、脱氧(HDO)芳烃饱和、分子骨架结构重排及裂解等反应，以制取轻质燃料、乙烯料或高档润滑油基础油的催化转化过程[1]。

某厂加氢裂化工艺流程：原料进入装置与氢气混合，经加热到一定温度首先进入精制反应器，用床层冷氢控制合适的反应温度，在保护剂和精制催化剂的作用下，发生一系列加氢反应，生成杂质很低的精制油；然后进入裂化反应器，用床层冷氢控制合适的反应温度，在裂化催化剂和后精制催化剂作用下，发生加氢异构化和裂化(包括开环)反应及部分精制反应，获得所需转化率下产品分布的裂化气。经初步降压、降温分离后，大部分气相进入循环气系统，小部分气相经该装置脱硫塔后，与重整氢一起做PSA原料；液相则先进入脱丁烷和脱乙烷塔，进一步气液相分离，分离出液化气、干气和反应生成油，液化气出装置去碱洗，干气经该装置轻烃吸收塔后，出装置去干气脱硫装置；生成油先进入常压塔，分离出轻、重石脑油，航煤，柴油和尾油；轻、重石脑油，航煤，柴油分别出装置，而尾油则进入减压塔，经过减压蒸馏，生产出乙烯料，轻、中、重润滑油，分别出装置。其中部分的尾油循环到原料过滤器的入口再次加氢裂化[2-3]。

软测量仪表计算的目的：对上述产品利用可测变量(如温度、压力、流量)实时给出不可实测变量的数值，为操作提供指导，为先进控制与实时优化提供依据。例如：石油馏分产品的主要质量指标是恩氏蒸馏提供的沸点，如干点、90%点、10%点、初馏点等，其他质量指标，如闪点、倾点、凝固点、冰点等，均与沸点有关。目前，此类变量主要依据化验分析，从采样到得到结果，一般要1h以上，采用在线分析仪表也存在一定的滞后时间。在线计算的目的就是避免化验或在线分析仪表的时间滞后，以利于操作和控制[4-6]。

1 软测量仪表的特点及原理

1.1 软测量仪表在线计算的特点

1)相对准确性。软测量计算结果必须正确反映实际质量指标的变化，需建立质量指标和可测变量之间的关系。

2)实时性。操作和控制均要求在生产过程动态变化的过程中，及时给出计算结果，这就是实时性的要求。由于生产过程几乎随时处于动态变化之中，尤其是进行操作或控制时，反映生产过程状态的变量总是随时间变化的，要正确计算，不仅要有各变量之间的稳态关系(目前工艺设计和计算主要采用的模型)，而且还必须符合各变量随时间变化的规律，且计算周期必须较短，才能达到在线计算的目的。

3)可计算性(可观性)。需要哪些可测变量才能得到所需的计算结果，就是可计算性或可观性问题。为此，需对生产过程的特性(动态数学模型)进行分析，才能合理地实现在线计算。针对石油分馏塔，各塔板上气液相物流温度差较大，需要采用基于传质与传热速率的非平衡级动态数学模型计算(对每个塔段，需要设有气相与液相的温度测点)才能满足可观性条件。

1.2 软测量仪表在线计算的原理

基于以上特点和要求，采用符合生产过程特性的机理动态模型在线实时计算，是最合理的方法。由于动态过程的特点，需采用状态观测器方法，才能使计算值收敛到真值。状态观测器是基于过程动态数学模型的，从原理上说，任何生产过程均可用线性系统观测器、非线性系统的状态观测器描述其动态行为。

该项目采用非线性动态模型实现观测计算，并根据过程实际结合了回归统计的方法。非线性系统的状态观测器内容为

模型：

(1)

可观性：必要条件为结构可观。

伪线性观测器：对式(1)离散化后，可采用下述“伪线性化”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——不可测的，按线性系统构造对Xu和Φk(k)的观测器，当函数Φk可逆且有确定解时，可由Φk计算[XuW]T[7-9]。

2 方案实施及效果

2.1 转化率计算方法

转化率指原料转化为产品的百分率，是表示反应深度的指标。

转化率 =(1-产品中大于350℃馏分/原料中大于

350℃馏分)×100%=

[(原料中大于350℃馏分-产品中大于

350℃馏分)/原料中大于350℃馏分]×100%

当有循环油存在时，转化率有单程转化率和总转化率之分。单程转化率计算时，原料油指新鲜原料和循环油之和；总转化率计算时，原料油仅指新鲜原料。

1)计算方法1。在热高压分离器进料温度控制平稳的情况下，热低压分离器和冷低压分离器出料量的变化可以反映转化率的变化，因而可用下式进行计算：

转化率=a1(qm1+LV1)+a2(qm2+LV2)+b

(3)

式中：qm1，qm2——热低压分离器及冷低压分离器流出流量；LV1，LV2——热低压分离器及冷低压分离器液位补偿；a1，a2，b——系数。

2)计算方法2。装置的各种操作条件对转化率都有影响，其中主要的有进料流量、裂化反应温度T2、裂化反应温升等，同时反应流出物的变化也反映了转化率的变化，可用下式表示：

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

(4)

式中：T2——裂化反应温度；dT——裂化反应总温升；qmall——总进料流量；a3，a4，a5——系数。

3)计算方法3。根据转化率的定义，可近似认为产品中小于350℃馏分均在常压塔各侧线抽出(假设LPG量变化不大)，可用下式表示：

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

(5)

式中：qm3——常压塔进料流量；qm4——减压塔进料流量；LV3——常压塔液位补偿；LV4——减压塔液位补偿。

3种计算方法，可根据与实际化验分析数据比对进行选择，转化率计算结果与化验数据对比如图1所示。符合考核指标情况，标定统计分析见表1所列。

图1 转化率计算结果与化验值对比(采样周期30s)

表1 转化率标定统计分析

2.2 φC5计算方法

1)计算方法1。采用压力补偿温度的方法来计算。主要根据灵敏板(或塔顶)温度和塔顶压力的变化来观测塔顶组分体积分数的变化。

φC5=K1(Tcomp-Tb)+C50

(6)

2)计算方法2。脱丁烷塔的各种操作条件对液化气中的φC5都有影响，其中主要的有塔顶温度、塔顶压力、塔顶回流量、塔底温度、进料性质等，可用下式表示：

φC5=a1Tt+a2pt+a3qmre+a4Tb+b

(7)

式中：Tt——塔顶温度；pt——塔顶压力；qmre——塔顶回流量；Tb——塔底温度。

对φC5，软测量计算结果与化验值对比情况如图2所示，满足考核指标情况见表2所列。

表2 φC5标定统计分析

2.3 航煤干点计算方法

影响航煤干点(KEP)的因素很多，包括进料性质、操作条件(温度、压力、流量)等。在常压塔可得到的测点中，主要变量有塔顶温度、塔顶压力、塔顶回流量、常一线温度、常二线温度、中段回流、进料温度等，可用下式表示：

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

(8)

式中：qmfeed——常压塔进料流量；pt——塔顶压力；T1——常一线抽出温度；qmre——塔顶回流流量；Tre——塔顶回流返塔温度；T2——常二线抽出温度；qmre2——中段回流流量；Tre2——中段回流返塔温度；Tfeed——常压塔进料温度；a5，a6，a7，a8，a9——系数。

对航煤干点的软测量计算结果与化验值对比情况如图3所示，满足考核指标情况见表3所列。

图3 KEP计算结果与化验值对比(采样周期30s)

表3 KEP标定统计分析

2.4 航煤闪点计算

影响航煤闪点(KFP)的因素很多，包括常压塔和航煤汽提塔的操作条件(温度、压力、流量)等。在可得到的测点中，主要变量有常压塔顶压力、常二线温度、航煤汽提塔再沸温度、航煤汽提塔返塔温度、航煤汽提塔塔底温度等，可用下式表示：

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

(9)

式中：pt——塔顶压力；T2——常二线抽出温度；qmkero——航煤出装置流量；Tt53——航煤汽提塔油气进常压塔温度；T5reb——航煤汽提塔再沸温度；T5reb2——航煤汽提塔再沸返塔温度；T5b——航煤汽提塔塔底温度。

对航煤闪点，软测量计算结果与化验值对比情况如图4所示；满足考核指标情况见表4所列。

图4 KFP计算结果与化验值对比(采样周期30s)

表4 KFP标定统计分析

3 结束语

在线实时计算的目的是实时给出过程不可实测变量的数值，作为操作参考和先进控制的依据。软测量系统的主要特点是基于生产过程的机理动态数学模型，利用现代控制理论中的状态观测器方法，并根据过程实际结合使用了回归统计的方法，

可在生产过程动态变化的情况下，实时给出所需结果，其准确性和实时性满足指导生产及在线控制的要求。从软测量仪表的实施效果来看，较好地满足了生产和控制要求。

参考文献：

[1]寿德清，山红红.石油加工概论[M].东营：石油大学出版社，1996：173-175.

[2]张一安，徐心茹.石油化工分离工程[M].上海：华东理工大学出版社，1998：178-218.

[3]LEFFLER L W.石油炼制[M].乔柯，戴磊，译.北京：石油工业出版社，2010：69-72.

[4]王树青.先进控制技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2001：33-47.

[5]王树青，金晓明.先进控制技术应用实例[M].北京：化学工业出版社，2005：5-32.

[6]刘兴高.精馏过程的建模、优化和控制[M].北京：科学出版社，2007：55-57.

[7]罗雄麟.化工过程动态学[M].北京：化学工业出版社，2005：4-5.

[8]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2006：398-501.

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