基于近红外的快速评价及在线分析在炼化厂的应用

郭瑞生

(南京富岛信息工程有限公司，江苏 南京 210061)

近几年来，我国大多数炼化企业都面临着原油产地多元、种类复杂、性质多变的问题，总体倾向是劣质及重质原油比例持续升高，严重影响原油加工效率和产品质量[1]。为了及时准确的了解炼厂原料及产品性质，快速分析已经逐渐成为必不可少的手段。

本文介绍了炼厂基于近红外的原油快速评价、馏分油快速检测、装置在线分析、成品油输送中的应用情况，解决了传统化验时效性问题。

1 原油快速评价

炼化企业在设计建造时就确定了加工原油的性质要求，不同性质的原油对设备的材料、加工工艺的配套有严格的要求，尤其是对二次加工装置的负荷、目的产品的质量和收率影响很大。因此每种原油在首次加工前都要原油评价以确定其能否在装置上进行加工，产品分布和质量能否满足要求。传统化验的综合评价时间需要2～3月。

基于近红外光谱分析技术的原油评价具有操作简便、样品用量小、无损检测、分析耗时短、性质准确等特点，可以实现原油的快速常规评价；根据包含炼厂各装置原料、中间产品及最终产品指标的专家库，结合全球历史数据库，可以实现原油的综合评价。原油快评从拿到样品到完成综合评价整个过程不超过30 min。原油快评系统主要包括预处理、近红外分析仪、计量学软件及模型、原油管理软件及原油历史数据库，主要流程为原油样品通过预处理恒温恒压除杂后，在高压样品池内采集近红外谱图，化学计量学软件及模型对谱图进行预测得到常规评价报告，结合定制的企业原油历史数据库及专家库得到原油最终的综合评价报告。原油快评流程如图1所示。

图1 原油快速评价流程图

原油快评系统综合评价主要包括六个部分：

文字描述，主要描述原油及各宽馏分关键性质，建议的加工路线，对于不满足二次装置进料要求的给出加工注意事项及预处理方案。

快速评价数据，包括：原油的密度、硫含量、氮含量、酸值、倾点、残碳、胶质、沥青质、实沸点收率等。

原油详细性质数据，包括元素分析、金属含量、组成等。

关键馏分分类，按250～275 ℃、395～425 ℃关键馏分段确定原油类别为石蜡基、中间基或环烷基。

实沸点及窄馏分性质，包括18个窄馏分实沸点及各馏分密度、硫、酸、粘度等。

宽馏分性质，可以根据炼厂需要输出不同宽馏分性质，也可增加悬摆馏分。

通过快速分析除可得到综合评价报告外，还可得到样品的性质文件，各馏分性质以曲线形式存在，相比传统分析报告形式更方便应用及对比，如可以根据实际需要随时调整各馏分温度段重新输出报告、可对一段时间内性质变化情况进行跟踪、可任意混合得到混合原油的综合评价报告。

通过对进厂原油快评分析，一可以对不同批次同一原油从吸收谱图直接对比差异性；二可以获得原油综合评价报告，及时验证与采购时预期的性质对比，便于及时调整加工方案。通过对脱前样的快速分析，可以对制定的加工计划做验证，预测侧线理论收率及性质。目前国内应用该技术的炼厂有：茂名石化、中科炼化、北海炼化、中化泉州、云南石化、齐鲁石化等近二十家企业。

2 馏分油快速检测

以某炼化企业为例，加工能力500万吨/年，主要生产装置16套。统计原油、石脑油、煤油、柴油、蜡油、渣油等中间原料或产品分析频次，如表1所示。

为了及时了解原料及产品质量情况，炼厂以往只能维持高频次的采样，而传统分析具用分析时间长、分析效率低、工作量大、分析成本高的特点，化验只能对关键性质进行传统化验。通过上表可以看出，传统分析主要以密度、馏程为主，而仅依靠简单性质不可能准确了解油品情况。

表1 传统分析现状

基于近红外光谱分析技术的馏分油快速分析可批量检测，一次检测只需3 min，可同时准确地检测出多组物性及组成数据。应用馏分油快速检测系统，可大大节省分析时间，降低分析、人力成本及仪器损耗，并及时为装置提供物性数据。图2、图3为部分轻质油性质对比曲线。

图2 石脑油初馏点、终馏点近红外与传统分析对比

图3 S-Zorb精制汽油芳烃及烯烃含量近红外与传统分析对比

该炼厂已使用近红外检测替代传统分析，包括：直馏石脑油、直馏柴油、催化稳定汽油、催化柴油、加氢精制柴油、航煤等。近红外分析项包括：密度、馏程、十六烷值、饱和蒸汽压、组成、凝点、闪点、冰点等。

近红外除对流动性较好馏分油汽油、煤油、柴油等检测外，对于凝点及粘度较高的蜡油、渣油检测也有应用，该类样品检测采用光谱仪+可温控自动进样器+控温流通池方式检测，可温控自动进样器+控温流通池可设定样品和管道在室温～100 ℃，并保持恒温，保证样品流动性。

某炼厂利用该技术对蜡渣油进行快速检测，检测温度为 65 ℃，检测性质包括，蜡油：闪点、倾点、凝固点、密度、酸值、粘度、馏程、四组分；渣油：针入度、密度、馏程、硫含量、氮含量、残碳、四组分。图4、图5为蜡渣油部分性质对比曲线。

图4 润滑油运动粘度、酸值、闪点近红外与传统分析对比

图5 渣油加氢原料、渣油中残碳及硫含量近红外与传统分析对比

3 近红外在线分析

目前各炼厂加工原油品种来源的多样化，而不同产地的原油所提炼的油品性质存在较大差异，这对工艺操作带来很大的难度。随着智能炼厂在国内炼油企业的推广应用，越来越多的企业利用APC先进控制、RTO实时优化等信息系统来解决炼厂实际生产问题，以提高炼厂的经济效益，降低能耗[2]。而APC先进控制、RTO在线优化等智能优化、控制系统的实施需要大量的过程参量与之配合，而当下，众多过程参量尚未实现在线化制约了APC、RTO等新技术的实施[3]。

基于近红外的实验室馏分油快速检测的成功推广使用，推动了近红外在线分析的应用。从原油采购到加工再到成品油调合、输送整个环节，近红外实时在线分析系统可为先进控制、实时优化、调合优化系统提供物化性质，为装置的平稳操作和优化生产提供准确的分析数据。

某炼厂常减压在线分析如图6所示。

在线近红外分析系统主要包括采样和样品预处理系统、在线近红外分析仪、在线近红外分析工作站以及分析小屋等；软件包括在线光谱采集和控制软件、化学计量学软件等。使用样品预处理系统对监测物料进行恒温(温度波动±2 ℃)、恒压、过滤(脱除水分、机械杂质、气泡)处理、控制样品的温度和流速后进入样品检测池中，通过分析小屋中的多通道近红外光谱仪采集样品光谱，保证样品谱图的及时性和代表性。

国外常减压侧线在线分析大都采用近红外分析技术[4]。典型的是SK基于实时近红外测量的原油蒸馏装置优化运行的全面解决方案。根据在线近红外测量数据，结合APC或联机优化器，提供原料和产品的实时质量数据，直接对质量进行控制并提供最佳操作目标。

图6 在线近红外分析系统构成

国内首套在线近红外原油快评系统在青岛炼化成功应用，系统采用五通道独立检测方式，避免了用单通道分析轮流切换检测五种样品的方式所带来的样品交叉污染风险，分析模型精度的判断更直观，分析数据更可信，完成全部样品的检测周期仅为2 min/次。继青岛炼化后，金陵石化三常于2020年也新增常减压在线检测系统，检测性质包括：原油及7条侧线(初顶石脑油、常顶一级石脑油、常一线、常二线、常三线、浅减二线、减三线)。图7为青岛炼化2020年6-7月常一线盲样验证对比结果如表2所示。

表2 常一线航煤模型精度比对表

广州石化二号重整装置、天津重整于2020年完成在线近红外系统建设并成功应用，用于重整进料与生成油的辛烷值及PNA 在线分析。系统完成后，化验对馏程及PNA组成检测从每天一次缩减为每周一次。脱戊烷塔底油RON对比如图7所示。

除常减压、重整在线分析外，在线近红外分析在加氢异构、s-zorb、催化裂化等装置均有应用案例。

图7 重整在线分析脱戊烷塔底油RON对比

4 在线近红外混油界面检测

随着成品油长输管道事业的发展，出现了在一条管道中按照一定批量和次序，连续输送不同种类油品的输送方式，即顺序输送[4]。顺序输送过程中会出现两种油品混合，在管道内形成一定量的混油段。为了及时准确地掌握混油段位置，减少因发生混油段检测误差造成油品质量损失，需在顺序输送过程中进行界面检测，准确跟踪混油位置，进行油品切割，减少混油损失及后期混油处理能耗损失，保证管线安全、经济运行。

目前判断混油界面的方式是先通过观察密度变化，不同牌号汽油密度差别微小或有重叠现象，就会给该检测带来一定的麻烦。因此需要在线实时监控管输成品油界面变化情况，及时准确地掌握混油段位置，可以避免油品质量损失。

图8 管道混油界面检测构成图

近红外在线监测系统通过判断不同油品的近红外指纹峰变化情况，进行油品分类识别，可有效解决成品油管输混油界面判断不准确问题，减少原先的混油段长度，对于不同牌号汽油混油，可以减少高牌号汽油损失；对于汽柴油混油，一方面较少油品质量损失，一方面减少混油量可有效降低后期混油处理能耗损失。在线分析探头采用插拔式，将光谱采集探头插入管道中，直接采集的油样光谱再通过光纤传至近红外分析仪进行检测分析，实时区分不同牌号汽油、柴油，检测汽油和柴油、不同牌号汽油之间的混油界面。系统构成如图8所示。

图9为92#汽油、 95#汽油、0#柴油光谱空间分布明显，根据光谱分布无需建模可直接通过近红外光谱区分92#汽油、 95#汽油、0#柴油。

图9 汽柴油近红外谱图在光谱空间的分布

如图10所示，95#汽油和92#汽油过渡，油品光谱空间分布趋势图与研究法辛烷值在线分析值变化趋势一致，均可对 95#汽油和92#汽油进行区分。

图10 95#汽油和92#汽油过渡识别

5 结 语

基于近红外的快速检测及在线分析系统可以有效的解决石化企业从原油采购、调合、装置加工、产品调合、成品油输送等过程中的性质预测问题。原油快速评价系统基于历史数据库可指导计划部门进行原油采购、测算，加工前的快速评价可对加工方案优化，结合原油调合系统实现从进厂到常减压加工性质的可视化；实验室馏分油快速检测大大缩短检测时间，提高分析效率，减轻分析工作量，减少人员与危险化学品的接触；在线检测为不仅实时跟踪装置装置运行情况及产品质量，还可为APC、RTO提高数据支撑，提高装置运行稳定性，在汽油调合中可为优化方案制定提供依据；混油界面的快速检测减少了质量浪费，直接提高经济效益。

NIR检测系统具有测量时间短、分辨率高、信噪比值大、检测信息丰富、测量范围广等特点[5]。其检测结果的准确性直接关系到油品加工,固更加合理、稳定的化学计量模型技术仍然是近红外技术未来研究的主要方向[6]。