基于近红外分析仪的在线汽油调合系统设计与应用

于亮亮 巢 俊 徐 欣

（江苏省生产力促进中心）

目前，汽车市场份额的大范围提升，直接导致了成品汽油的需求量激增，但由于传统的罐式调合或管道式离线式调合存在生产效率低、生产成本高及可能需要多次调合等问题，在一定程度上无法补足成品汽油市场的实际缺口，因此汽油生产厂商急需一种能实时监控汽油辛烷值、实时调整组分油配方的在线汽油调合系统［1］。

基于近红外分析仪的在线汽油调合系统是以在线仪表检测数据为基础，采用多目标多变量非线性优化算法， 通过汽油调合性质预测模型（调合规则），实现以产品质量过剩最小化和效益最大化为目标的汽油在线调合优化功能［2］。 系统可根据在线仪表提供的组分油性质、产品质量要求和工艺约束，确定优化配方并对成品油质量进行预测控制，并在设定的优化控制周期内，根据成品油质量的在线反馈， 确保成品油的性质卡边。

1 在线汽油调合系统

在线汽油调合系统（图1）主要由设备与仪表层、控制层、监控层和优化层组成，其中设备与仪表层和控制层通过信号线或总线连接，控制层和监控层通过冗余工业以太网连接。

1.1 设备与仪表层

在线汽油调合系统的主要设备包括泵、电动调节阀及质量流量计等。 电动调节阀属于现场执行机构，用于调节组分管线汽油流量和控制汽油输送的启停； 同时这些设备提供运行状态反馈（如阀门状态、阀门开度等），为汽油调合过程的远程控制提供控制和监视手段，保证执行机构的安全可靠运行。 流量计属于在线仪表，用于实时检测瞬时流量等指标，为DCS 控制调合目标提供保障［3］。

1.2 控制层

控制层为DCS 控制器， 内部有CPU 冗余和通信冗余，以保证系统的稳定性和可靠性。

1.3 监控层

监控层主要设有1 台调合优化系统服务器、1 台调合控制服务器、1 台调合控制操作站和1台调合控制工程师站。 监控层主要包括接收汽油调合优化软件下发配方的调合单界面、监控调合执行的调合监控界面、观察组分性质的在线仪表监控界面等［4］。

调合控制服务器能够执行调合配方并实时监控调合过程，同时作为OPC 服务端将调合数据和罐区数据提供给调合优化系统服务器。 即使与调合优化控制系统发生通信故障，储运也可以根据调度员人工下发的调合配方来执行调合，实现调合过程的管理和监控。

图1 在线汽油调合系统总体架构

1.4 优化层

优化层主要由调合优化系统客户端组成，调合优化系统客户端会根据现场反馈的数据， 执行相应的优化算法， 计算出更适合于当前控制系统的配方，同时会自动下发给调合优化系统服务器。

调合优化系统服务器有调合优化软件控制和操作员控制两种模式，调合监控界面拥有调合优化系统服务器权限的最高优先级，随时可以进行控制权限的切换。 在调合优化软件发生故障时可根据调度员人工下发的调合配方实现调合过程的管理和监控。

2 近红外分析仪系统

近红外分析仪系统架构如图2 所示。 近红外分析仪系统主要包括1 台近红外在线分析仪和6个流路通道（即1 个调合头、4 个组分通道和1 个预留通道）， 每个通道采用单独的流通池进行检测，以提高实时性。

近红外分析仪主机安装在分析小屋内。 分析仪主机采用正压防爆保护措施，由通入分析小屋内的工业仪表风为光分析主机实施正压防爆。 通过泵加压后将待测油品输送至预处理系统，经过除杂、除水、稳压、恒温过程后，将待测油品送至流通池内进行光谱采集；光谱仪器主机通过多模通信光缆与主控室的控制计算机连接实现分析控制，主控室的控制计算机将近红外分析结果通过RS485 通信接口以Modbus 协议方式传送到DCS。 分析仪工作站上安装有建模、预测等软件，并提供RS485 Modbus 协议与DCS 通信功能［5］。

3 建模

建模的主要目的是采用间接分析方法（二次方法）来获得与直接的实验室化验结果（一次方法）相一致的结果，使模型能够迅速准确地应用于实际过程的在线分析上，实时指导汽油调合软件的优化过程。

3.1 建模要求

建模过程涉及严谨的数据采集和计算过程，因此需要对生产过程的相关工艺、技术参数等予以认真确认，尤其是油品的关键技术指标的确认需要更加地认真细致。 另外，如温度等外部参数也应予以高度重视。 校正数据应该涵盖测定现场（取样点）的油品性质变化范围。 油品的变化包括测定性质的变化（辛烷值、饱和蒸气压等）以及因配方、指标和工艺变化而引起的组分变化。 为确保建模成功，需要进行以下确认：

图2 近红外分析仪系统架构

a. 必须严格按照规范的实验室测试方法进行分析，获得真实的实验室分析数据；

b. 光谱仪获得的谱图作为二次方法的谱图；

c. 具有建模所需的系统软件和应用软件。

3.2 建立模型

在模型建立过程中需要利用符合当前生产工艺的部分样品进行模型调整。 样品取样应为调合区管线样，并准确记录采样时间，采样间隔等同于炼厂现行的人工分析时间间隔。 根据情况不同，可以是每周若干次或每天若干次，应以对质检中心正常工作影响最低为准。 频繁的采样并无益处， 因为将会有很多完全重复的样品出现；使用假的样品更无益。 而涵盖整个调合比例或组分油性质变化的样品非常有价值，因为有规律的样品性质数据能够保证模型的高精度。

建模的具体措施如下：

a. 对化验室例行化验分析的成品油、组分油样品进行收集，并得到近红外光谱，对比已有的初步模型库，获取有代表性的样品加入初步模型库中；

b. 对调合区调合油进行取样分析，调合中配方占比会有所变化，尽量获取配方占比不同的样品，以使模型库中的样品丰富；

c. 对模型库中的异常样本进行筛选，模型库中有时难免会因为其他原因混入影响模型精度的样本， 通过拓扑分类技术找出这些样本并剔除，以获得合适的模型库；

d. 通过训练集来校正模型，选取一部分样品进行动态预测，来对模型进行校正，调整初始动态模型参数以获取高质量的模型。

通过以上4 个步骤， 最终获取最佳模型，以供现场使用。

3.3 模型更新

当装置生产能力、工艺条件及原料种类等发生重大变化，模型内的样品种类不能涵盖当前变化时，需要更新模型。 具体方法为：

a. 过程分析出现超标数据， 系统会发出警示，此时人为收集现场的样品；

b. 将收集的样品进行实验室分析， 所得数据、谱图输入分析系统；

c. 系统后台模型将根据这些数据进行更新升级；

d. 经分析确认更新后的模型精度和稳定性能够满足在线分析要求后，即可正式采用此模型执行分析过程。

4 系统功能

基于近红外分析仪的在线汽油调合系统分为离线调合排产、在线优化控制和在线比例控制3 个模块。

离线调合排产根据在线仪表提供的组分油性质、 产品质量要求和工艺约束， 确定初始优化配方， 根据未来生产计划安排将来一段时间内的调合单，即将未来生产计划转变为可执行的调合单。

在线优化控制集成了先进的质量控制与优化技术、在线近红外分析仪及在线检测技术等。调合生产过程中在设定的优化控制周期内， 根据调合油质量的在线反馈，确保成品油的性质卡边。

在线比例控制实时接收来自在线调合优化控制的优化配方，经过严格校验并确认后，执行给定的优化配方，并自动调节。 在线比例控制还具有调合实时监控、联锁保护、报警管理及历史查询等功能，保证调合设备的安全、稳定运行。

5 结束语

对于炼油厂，汽油辛烷值的卡边控制是一项复杂又重要的工作，成品汽油的大规模生产既耗时又耗力，若由于配方的不恰当而导致辛烷值不合格，往往需要进行二次调配。 当采用近红外分析仪实时监测辛烷值时，调合系统可以根据当前成品汽油的辛烷值进行配方调整，使整个DCS 形成一个PID 控制闭环。 现场数据表明，采用基于近红外分析仪的在线汽油调合系统优化后的调合配方，可以将成品汽油辛烷值指标控制在20%误差范围内，其他各项指标基本满足国家和行业标准要求，并且一次调合成功率大于98.5%。