催化裂化装置吸收稳定系统多参数协同优化研究

黄明富 黄广鹏

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国人民解放军驻中国石油锦州石化公司代表室）

引言

催化裂化是石油炼制中非常重要的二次加工过程，其作用主要是将重质油裂解为轻端产品，如汽油、柴油、液化气，同时副产焦炭、油浆和干气。随着原油重质化和劣质化程度不断加深，以及环保法规的日趋严格，各类催化裂化新工艺不断被开发出来，如渣油催化裂化RFCC 工艺，高苛刻度下行式HS-FCC 工艺和双提升管FCC 工艺等[1]。另外，随着丙烯需求的不断增强，各类增产丙烯的催化裂化工艺相继出现，如大量生产液化石油气和汽油的MGG/ARGG 工艺，最大量生产异构烯烃的MIP 工艺等[2-3]。截至2014年，我国已有150 多套不同类型的催化裂化装置建成投产，处理量已接近150×106t/a[4]。

吸收稳定系统是催化裂化的后续分离部分，主要作用是将从催化主分馏塔塔顶来的富气和粗汽油分离成干气、液化气和稳定汽油，同时吸收稳定系统又是气体分馏装置的上游环节，其地位非常重要。催化裂化新工艺在不断地涌现，但是吸收稳定系统工艺却没有太多的变化，操作与原有设计相差较大，能耗较高，干气“不干”等现象较为普遍。据文献报道[5]，我国催化裂化干气中C3+组分平均质量分数在7.2%，体积分数在2.87%，其中丙烯质量分数在3.5%。

国内工程技术人员对吸收稳定系统优化进行了大量的研究与探索[6-11]，也取得了一定的成效，但多数为局部改造或单参数优化。对于吸收稳定系统而言，使用单个操作参数优化整个系统并非最优，各个操作参数逐次进行最优得出的一组操作参数也并非整体最优。因此，有必要对操作参数进行协同优化，找出操作参数之间的最佳组合才能使整个系统达到最优操作[12]。

1 优化策略

1.1 关键操作参数的选取

图1 是催化裂化装置吸收稳定系统流程示意图。操作参数是指可以通过人为操作进行调整的参数，相互之间不受影响，如富气压缩机的出口压力、吸收塔中段冷却返塔温度、补充吸收剂的流量、贫吸收油的流量、稳定塔的压力等，其中关键操作参数对吸收稳定系统的产品分配和能耗起到决定性作用。吸收稳定系统的核心单元是吸收塔，在一定的流程和进料条件下，吸收效果由吸收塔的操作压力、温度、补充吸收剂的流量等决定。吸收塔的操作压力是由富气压缩机的出口压力决定的，吸收塔的操作温度是一个范围，各块塔板上也不一样，可通过改变中段冷却返塔温度及凝缩油罐前冷却器的冷后温度等来调节，补充吸收剂的流量可通过稳定汽油泵的流量控制来调节。富气压缩机出口压力P 、吸收塔的中段循环冷后温度T 和补充吸收剂的流量F ，不仅能决定吸收稳定系统的产品分配，同时对压缩机、解吸塔再沸器、稳定塔再沸器、产品冷却和各机泵的能耗也有很大影响，因此，选择上述3 个参数作为关键操作参数。

图1 催化裂化装置吸收稳定系统流程示意图

1.2 优化模型的建立

催化裂化装置吸收稳定系统优化的目标是整体效益最大。在一定进料和流程条件下，效益主要由关键操作参数决定，主要分为产品效益与能耗成本两大部分。产品效益主要由干气中跑损的液化气量决定，能耗成本主要由富气压缩机、解吸塔与稳定塔再沸器、各泵体、物料冷却等费用构成。干气中夹带液化气组分的效益损失用f(M)表示，解吸塔再沸器、稳定塔的再沸器，富气压缩机、吸收塔冷却，各 泵 的 能 耗 费 用 分 别 用 f(Q1)、f(Q2)、f(p)、f(T)、f(F)表示，其他可看成常数。干气中夹带液化气组分的效益损失和各类能耗费用之和最小即体现为吸收稳定系统效益最大，优化模型如下：

min f(X)=[f(Q1)+f(Q2)+f(M)+f(P)+f(T)+f(F)]

s.t.C(X)=0 （过程模拟方程组）

式中，a1、 a2、 a3分别为富气压缩机出口压力P 、吸收塔中段循环冷后温度T 、补充吸收剂流量F 的操作下限，b1、 b2、 b3分别为富气压缩机出口压力P 、吸收塔中段循环冷后温度T 、补充吸收剂流量F 的操作上限。

1.3 优化求解策略

式（1）中的关键操作参数P、T、F ，可用Xo表示，状态参数Q1、 Q2、 M 是关键操作参数的函数，可用XS表示。多参数协同优化采用图2 所示的策略，首先根据建立优化数学模型输入独立操作参数的初始值，利用流程模型等计算求取状态参数和目标函数，然后利用寻优等方法找到一组新的关键操作参数值，再利用流程模拟等计算求出状态参数和目标函数，当前后两次目标函数的差值小于精度要求时可认为计算收敛，否则返回求取关键操作参数和目标函数。

图2 优化求解策略过程示意图

关键操作参数XO(i)利用一维搜索和广义既约梯度得到。根据曲线f(X)在Xi点附近的信息构造一个与 f(X)近似的抛物线p(λ)，在一定的条件下可以认为p(λ) 的极小点接近于原曲线 f(X) 的极小点。由于抛物线p(λ) 比原曲线 f(X) 要简单得多，可以求出抛物线p(λ)的极小点，因此把抛物线p(λ)的极小点作为一个新的实验点是合理可行的，进而通过缩短原来的搜索区间反复构造抛物线来寻找最佳的点，见图3。

图3 抛物线一维搜索过程示意图

原曲线f(X)可转化为：

在此需要计算出修正方向∇X(i)，搜索的过程是改变搜索的步长λ 来寻找极小点的过程，故f 只是变量λ 的函数，即f(λ)。修正方向∇X(i)利用广义既约梯度法得到，因为非独立变量是独立操作变量的函数，因而目标函数f(X)可以转为化Φ(XO)：

广义既约梯度法把目标函数转化为独立变量的函数，即目标函数的自变量只包含独立变量，通过求取目标函数对独立变量的梯度，就可以在独立变量XO的空间内搜索f(X)的极值，而非独立变量XS总是做适当的调整来满足约束条件，即通过过程模拟得到。

2 案例研究

以某炼油厂蜡油催化裂化装置吸收稳定系统为研究案例。通过设定各独立变量的上下限和各类价格 参 数，利 用 函 数 拟 合 得 到 f(Q1) 、 f(Q2) 、f(M)、 f(P)、 f(T)、 f(F)，略去常数项，整理得到如下优化模型：

独立操作变量的初始值P、T、F 分别为1220 kPa、25 ℃和20 t/h，目标函数的初始值为16 612.2 元/h。利用1.3 节的优化策略计算得目标函数的优化值为16 208.4 元/h，优化后独立操作变量P、T、F 分别为1292 kPa、20 ℃和10 t/h，初始工况与优化工况的效益损失之差为403.8 元/h，装置开工时间按8400 h 计，则年效益为339.2 万元。

3 问题探讨

本文所建立的多参数协同优化方法，采用流程模拟技术与寻优技术组合得到目标函数的最优值与关键操作参数的最佳组合，属于可行性路径法。可行性路径法先假设关键操作参数的初值，用稳态模拟的方法求解出状态变量，再用具体的目标函数方程解出目标函数，然后在外面套一层优化迭代环，用来调整关键操作参数使目标函数逐步达到最优，并始终满足各类约束。对于优化迭代时关键操作参数的每次取值均必须使模拟方程组有解，即每次迭代都在可行范围内进行，求解效率很低，关键操作参数的个数一旦增加将很难进行优化。

4 结论

1）对于多操作参数的协同优化，可采用过程模拟与寻优技术的组合来实现，即在过程模拟的基础上套一层优化迭代环使目标函数逐步接近最优值，并得到操作参数的最佳组合。

2）应用建立的优化方法，对某炼油厂一套90×104t/a 的蜡油催化裂化装置进行实例研究，结果表明关键操作参数即富气压缩机出口压力、进吸收塔物流温度和补充吸收剂流量的最佳组合为1292 kPa、20 ℃、10 t/h，优化后预测年效益为339.2 万元。

3）本文建立的优化方法，同样适应于其他过程的关键操作参数协同优化。

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