先进控制系统在延迟焦化装置中的应用

张继东，卢迪，孟硕，张海滨

(中国海洋石油总公司 节能减排监测中心，天津 300450)

先进控制系统在延迟焦化装置中的应用

张继东，卢迪，孟硕，张海滨

(中国海洋石油总公司 节能减排监测中心，天津 300450)

针对延迟焦化装置的实际工艺条件和操作现状，论述了先进控制系统的控制策略，分别讨论了反应器控制器、吸收稳定系统控制器的关键控制变量，并就软测量的主要功能部分进行了阐述。先进控制系实施后，延迟焦化装置的控制器投用率达到95%以上，提高了装置的自动化水平，减轻了操作人员的劳动强度，实现了装置的平稳运行、装置的“卡边”操作、提高了总液收率，降低了装置的能耗，在炼化生产中具有推广价值。

先进控制 延迟焦化 节能降耗 控制器

在经典控制理论和现代控制理论的基础上，结合炼油工艺和工程、计算机和仪表技术以及过程控制理论，设计出适用于炼油装置的新型的先进控制(APC)系统，能解决炼油工艺中难以控制的问题，如非线性、大滞后等[1-3]。目前，炼化企业通过实施APC技术，可以大幅提高工业生产过程操作和控制的稳定性，减少关键变量的运行波动幅度，使其更接近于优化目标值，从而使工业生产过程在更接近装置约束边界的条件下运行，最终达到增强工业生产过程的稳定性和安全性，保证产品质量的均匀性，提高目标产品的收率，提高生产装置的处理能力，降低生产过程运行成本以及减少环境污染等目的。

1 装置概况及应用背景

某炼化公司4.2 Mt/a延迟焦化装置采用“两炉四塔”工艺路线。原料为常减压蒸馏装置的减压渣油，主要产品为干气、液化气、汽油、柴油、蜡油、重蜡油、焦炭。延迟焦化装置由焦化反应单元、分馏吸收稳定单元和公用工程三部分组成，其中焦化反应单元主要包括:2台加热炉和4座焦炭塔等，分馏吸收稳定单元主要包括:焦化分馏塔、汽油吸收塔、脱洗塔、柴油吸收塔和稳定塔。该装置已采用分散控制系统实现了集中控制，从常规控制系统的设计和配置情况看，方便了过程控制，提高了装置运行的可靠性，同时也为实施先进控制奠定了基础。在实际运行中，这些控制系统大多数能发挥出良好的控制效果，为装置的平稳操作提供了有力的保证，同时也为实施先进控制创造了良好的条件。

2 先进控制系统控制策略

针对装置的工艺特点，并以操作人员的经验为基础，采用定制开发的技术实现先进控制需求，实现装置全流程或部分单元的多变量综合闭环控制，达到稳定生产、“卡边”操作等目的[4-6]。焦化装置先进控制系统设计了2个控制器，包括:焦化反应单元控制器[7]、分馏吸收稳定单元控制器[8]。

2.1 焦化反应单元控制器

焦化反应单元APC系统可实现如下功能:充分利用焦炭塔生产安全高度、在满足加热炉炉膛温度、炉管表面温度与空塔表面速度等约束的前提下，提高加热炉的新鲜原料进料量及装置处理量；平稳加热炉的控制及氧含量波动，降低能耗；实现加热炉支路平衡控制、满足炉出口温度和炉管表面温度的控制要求、延长炉管使用寿命。焦化反应单元采用模型预测控制，具体变量见表1所列。

表1 反应单元控制器主要变量

2.2 分馏和吸收稳定单元控制器

分馏和吸收稳定单元APC系统将实现如下功能:稳定分馏和吸收单元的控制，在线预测含产品的相关控制指标、实现“卡边”控制、保证产品质量，使汽油、柴油等高价位产品产率最大化；针对焦炭塔切换、预热等事件，进行实时监测和前馈补偿，缓解切换操作对分馏塔工艺参数的影响；保证分馏塔气液负荷的稳定，满足各种工艺约束，提高高温位热量的利用率。分馏吸收稳定单元采用模型预测控制，具体变量见表2所列。

表2 分馏和吸收稳定单元主要变量

2.3 软测量及计算模块

软测量功能部分主要实现焦炭塔原料生焦率、焦炭塔焦炭高度、柴油干点、汽油干点、蜡油残炭量的软测量。配合APC系统的目标，焦炭高度可作为最大化进料的优化控制变量。

3 先进控制系统应用效果

3.1 平稳操作及抵御焦炭塔切换带来的干扰

APC系统在正常操作中，充分利用多变量控制器的协调能力，使装置操作平稳。在焦炭塔切换过程中，控制器可根据工况自动进行调整，由于调节及时，可更大程度上保证装置的平稳。分馏塔和吸收稳定单元各主要工艺参数点的波动范围都有明显减少，大部分工艺参数点标准偏差降低20%以上，关键被控变量的标准偏差降低30%以上，为装置的平稳操作起到了非常关键的作用。该装置APC投用前后主要工艺参数点标准偏差对比见表3所列。

表3 APC投用前后标准偏差对比

3.2 保证产品质量及降低产品质量波动

为保证产品质量、降低产品质量波动，先进控制的优化控制策略如下:首先，APC控制系统实时地调整装置各部分回流、温度、氧含量、负压等工艺操作参数，提高装置平稳率；其次，针对焦化装置焦炭塔周期性切换操作对装置的严重干扰，APC系统自动优化控制，减弱装置在焦炭塔预热、切换等事件发生时操作的波动幅度；最后，提供了稳定汽油初馏点、柴油95%点、蜡油10%点和蜡油95%点的工艺计算，操作人员可以此为参考实时地调整操作参数。装置部分主要产品指标的优化效果对比见表4所列，通过对比数据分析可充分表明APC系统“稳定产品质量、降低产品波动”的功能。

表4 APC投用前后关键参数对比 ℃

另外，APC系统提供了相应软测量预测给生产提供操作指导，软测量计算值与化验值之间的偏差满足工艺要求。主要包括稳定汽油初馏点、柴油95%点、蜡油10%点和蜡油95%点的工艺计算，并用实验室分析数据校正，用作液化石油气、稳定汽油、柴油、蜡油切割的工艺指标，操作人员可以此为依据实时地调整操作参数。软测量计算值与化验值之间的偏差，满足工艺要求。

3.3 提高液体产品收率

APC控制系统可实时地调整分馏塔各部分回流量来优化分馏塔温度分布，增加轻质产品的收率。先进控制可减弱分馏塔在焦炭塔预热、切换等事件发生时操作的波动幅度，保证整个装置的轻质产品的收率维持在较高的水平。试运行期间，APC投用前后，各产品的对比，见表5所列。

表5 APC系统投用前后液体产品收率对比

3.4 降低装置能耗

为节能降耗，APC系统采取的一个主要措施是优化控制烟气氧体积分数，提高加热炉热效率，如图1所示。另外APC系统还通过提高分馏塔高温位热量的利用，通过优化吸收稳定单元补充吸收剂流量、贫吸收油流量、稳定塔顶回流流量，如图2所示，来达到节能降耗的目的。考虑到能耗优化分析的复杂性，仅以先进控制投用前后加热炉燃料气消耗量即单耗来进行对比，见表6所列。根据试运行期间的统计，对比燃料气消耗量下降1.833%。

图1 焦化炉APC投用前后炉烟气氧体积分数对比

图2 投用前后稳定塔顶回流比、塔顶温度、塔顶回流量变化对比

如图1所示，6路焦化炉烟气氧体积分数平均值明显平稳，标准方差由原来的0.259降为0.189，降低了27.0%；平均值由原来的2.89%降为2.28%，降低0.61%；负压保持在-40～-20 kPa的情况下，平稳并优化了焦化炉烟气氧含量保持平稳。

如图2 所示，APC系统会根据稳定塔顶温度、回流比的变化实时优化稳定塔顶回流流量，在稳定塔顶温度不高的情况下根据回流比减少回流量，达到节能降耗的目的；而在稳定塔顶温度超高的情况下又能迅速提高回流量，以稳定塔顶温度。

表6 APC投用前后装置单耗对比

4 结束语

延迟焦化装置APC系统通过一段时间的运行，控制器投用率达到95%以上，APC系统安全可靠，可随时克服生产过程中出现的异常状况，不会对生产造成波动，同时APC系统操作简便，易于掌握。运行结果表明:APC系统投用后提高了装置的自动化水平，减轻了操作人员劳动强度；提高了装置运行平稳率；节能降耗，提高了加热炉炉效率；平稳并优化分馏塔温度分布，提高了高价值产品产率；平稳并优化吸收稳定系统的流量和温度分布，达到了节能并提高高价值产品产率的目的。

[1] 毛志忠, 常玉清.先进控制技术[M].北京:科学出版社,2012.

[2] 俞金寿.工业过程先进控制技术[M].北京:中国石化出版社,2008.

[3] 黄德先，叶心宇，竺建敏.化工过程先进控制[M].北京:化学工业出版社,2006.

[4] 王立行.石油化工过程先进控制技术的现状与发展趋势[J].炼油技术与工程, 2000,30(02):6-11.

[5] 马占伟, 张黎明, 司长庚,等.先进过程控制在蜡油催化裂化装置上的应用[J].炼油技术与工程,2013,43(09):44-47.

[6] 马学增, 刘为民, 刘德佳.先进控制在重油催化裂化装置的应用[J].石油化工自动化,2001，37(05):17-22.

[7] 张达, 施俊林, 刘炳杰,等.先进控制技术在重油催化裂化装置的应用[J].炼油技术与工程,2006,36(03):25-30.

[8] 徐国忠, 徐惠, 李振光,等.先进控制技术在催化裂化分馏塔中的应用[J].石油炼制与化工,2002,33(02):39-42.

[9] 张建明, 谢磊, 苏成利,等.焦化加热炉先进控制系统[J].华东理工大学学报(自然科学版),2006,32(07):814-817.

ApplicationofAdvancedControlSysteminDelayedCokingUnits

Zhang Jidong, Lu Di, Meng Shuo, Zhang Haibin

(CNOOC Energy Conservation & Pollution Monitor Center, Tianjin, 300450, China)

s：According to actual process conditions and operation status of delayed coking device, control strategy of advanced control system is discussed.Key control variables of reactor controller and absorber-striper-stabilizer controller are discussed respectively.Main function on soft measurement is also expounded.After implementation of advanced control system, utilization rate of the controller of delayed coking unit increases to 95% and above.The installation automation is increased,work intensity of operators is alleviated,the stable operation and expert experience operation of the unit are also realized.Yield of valuable products is increased,as well as unit energy consumption is reduced.The system is worth popularizing in refinery production.

advanced control; delayed coking; energy-saving and cost reducing;controller

稿件收到日期：2017-08-11，修改稿收到日期2017-09-20。

张继东(1989—)，男，吉林磐石人，2014年毕业于中国石油大学(北京)化学工程专业，获硕士学位，现就职于中国海洋石油总公司节能减排监测中心，从事石油石化领域的节能减排技术研究、石油化工装置的模拟与优化工作，任工程师。

TP273

B

1007-7324(2017)06-0024-04