先進過程控制在上海石化延遲焦化裝置的應(yīng)用

1 前言

延遲焦化是重要的重油輕質(zhì)化的手段，可以將減壓渣油轉(zhuǎn)化為粗汽油、柴油、蠟油等輕質(zhì)油品，并副產(chǎn)大量的干氣和焦炭。同時延遲焦化也是煉油裝置中最難控制的裝置之一。

圖1所示的為上海石化年產(chǎn)100萬噸一爐兩塔延遲焦化裝置的流程簡圖。減壓渣油進入主分餾塔的下部與焦炭塔來的反應(yīng)油氣換熱后，連同循環(huán)油一起從分餾塔底進人焦化爐，在焦化爐中加熱到495℃左右，迅速轉(zhuǎn)入焦炭塔進行焦化反應(yīng)，反應(yīng)生產(chǎn)的油氣轉(zhuǎn)入到主分餾塔中，在主分餾塔中分離成蠟油、柴油、粗汽油和富氣；生成的焦炭停留在焦炭塔中，周期性地進行焦炭塔的除焦。由于焦炭塔周期性的預(yù)熱、切換等操作，延遲焦化裝置的生產(chǎn)處在半連續(xù)狀態(tài)。上海石化延遲焦化裝置每24小時焦炭塔切換一次，焦炭塔的切換過程使得進入主分餾塔的物料和熱量平衡遭到破壞，造成主分餾塔的擾動，這些擾動使得延遲焦化裝置的常規(guī)控制難度增大。另外，焦化爐熱負(fù)荷不足是提高上海石化延遲焦化裝置處理量的主要原因，處理量的提高時會造成爐管表面溫度過高，對裝置的安全生產(chǎn)造成威脅。特別是在焦炭塔的預(yù)熱、切換過程中，由于進入主分餾塔的反應(yīng)油氣減少，使得焦化爐進料溫度降低，進一步加大了焦化爐的熱負(fù)荷。

為了實現(xiàn)延遲焦化裝置的優(yōu)化運行，上海石化決定在該裝置實施AspenTech的DMCplus先進過程控制（APC）。APC可以有效地降低裝置操作的波動，進而實現(xiàn)裝置卡邊操作，實現(xiàn)處理量的最大化，提高高附加值產(chǎn)品的產(chǎn)率和降低能耗。

圖1 上海石化100萬噸延遲焦化工藝流程簡圖

2 先進過程控制策略

針對上海石化延遲焦化裝置的特點，項目組在實施過程中主要實現(xiàn)如下的控制策略：

n  實現(xiàn)新鮮進料的最大化。裝置進料量的提高受到設(shè)備約束的限制，特別是焦化爐爐管表面溫度?？刂破饕诒ＷC滿足設(shè)備約束的前提下實現(xiàn)新鮮進料的最大化。

n  實現(xiàn)焦化爐進料的支路平衡。在爐管結(jié)焦?fàn)顩r不同的情況下，自動對進料量的分配進行調(diào)整，保證最大的進料量和最低的爐管結(jié)焦。

n  實現(xiàn)煙氣氧含量的自動控制，改善焦化爐的燃燒狀況?，F(xiàn)場空氣流量計不能準(zhǔn)確地測量空氣的流量，無法對空氣流量進行自動控制，同時每兩組空氣流量共用一臺氧含量表，不能有效地對空氣進料量進行分配。通過APC，我們很好的解決了以上的問題，實現(xiàn)了煙氣氧含量的自動控制。

n  提高高附加值產(chǎn)品收率，特別是柴油的產(chǎn)率。通過優(yōu)化反應(yīng)溫度和主分餾塔的切割溫度，提高液體產(chǎn)品收率。另外，由于柴油抽出沒有集油箱，抽出量的最大化受到柴油泵抽空的限制，控制器要在柴油泵不抽空的情況下實現(xiàn)柴油抽出量的最大化。

n  平穩(wěn)焦炭塔預(yù)熱、切換過程中裝置的操作。

為了實現(xiàn)上述控制策略，項目組根據(jù)上海石化延遲焦化裝置的特點開發(fā)了三個APC控制器：

（1） 支路平衡控制器

該控制器通過調(diào)節(jié)焦化爐輻射室的四路進料量和出口溫度，實現(xiàn)新鮮進料的最大化和焦化爐進料的支路平衡。

表1 支路平衡控制器變量表

（2） 煙氣氧含量控制器

該控制器實現(xiàn)了焦化爐氧含量的自動控制。

表2 煙氣氧含量控制器變量表

（3） 主分餾塔控制器

在該控制器中，通過自動調(diào)節(jié)各回流的流量，緩解焦炭塔間歇操作對主分餾塔的影響，優(yōu)化主分餾塔的操作，實現(xiàn)卡邊控制。

表3 主分餾塔控制器變量表

3 實施過程

先進過程控制系統(tǒng)的實施大致分為下面的幾個步驟，每個步驟的工作內(nèi)容請參考下文。

（1） 開工會

開工會主要明確項目的實施內(nèi)容，工作進度安排等事宜。

（2） 裝置預(yù)測試

在裝置預(yù)測試過程中，技術(shù)人員會對裝置的PID回路進行檢查和調(diào)整，使其能夠適應(yīng)先進過程控制的需要，并對裝置存在的軟硬件問題進行改進。

（3） 裝置測試

裝置測試是根據(jù)已經(jīng)確定的控制方案給裝置施加人為的干擾信號，并將這些干擾對被控變量的影響通過數(shù)采記錄下來，以備進行控制器的建模。

（4） 控制器建模

裝置測試完成并取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，通過DMCplus軟件對這些數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)分析、辨識，建立控制器的模型，并對建好的模型進行組態(tài)和仿真。

（5） 控制器投用

控制器組態(tài)、仿真完成后，將控制器在現(xiàn)場安裝、調(diào)試，并最終投用。

4 控制效果

       該DMCplus先進過程控制系統(tǒng)于2007年5月在上海石化實施投用并獲得成功，提高了裝置的控制水平、操作水平和管理水平，給工廠帶來了可觀的經(jīng)濟效益。根據(jù)上海石化測算，年經(jīng)濟效益可達(dá)到人民幣1186萬元。

主要的控制效果表現(xiàn)在如下的幾個方面：

3.1 裝置處理量的提高

項目組人員對控制器在滿足所有的工藝約束條件下提高裝置處理量的能力進行了測試。操作人員放開裝置焦化爐輻射進料總量目標(biāo)值上限約束后，輻射進料量自動提高，經(jīng)測試輻射進料量可提高到182t/h，折合新鮮渣油進料量3451.2t/d，與基準(zhǔn)處理量3400t/d相比，控制器可以穩(wěn)定地提高處理量1.5%左右：

圖2 裝置提高處理量測試過程中總輻射量的變化

3.2 優(yōu)化煙氣氧含量控制，降低能耗

從圖4中可以看出，投用后控制器可以根據(jù)煙氣氧含量的變化自動調(diào)整鼓風(fēng)機出口的壓力和各個支路空氣擋板的開度，減小了煙氣氧含量的波動，降低能耗?？刂破髂軌蛴行У貙煔庋鹾糠€(wěn)定地控制在2.5到3.0之間或更低，有效降低了能耗。表4給出了控制器投用前后，裝置單位能耗的對比，在節(jié)能降耗方面APC控制器起到了顯著作用。

表4 控制器投用前后延遲焦化裝置能耗對比

（a）投用前

（b）投用后

圖4 控制器投用前后煙氣氧含量控制情況對比

3.3 提高裝置液收

從表5的數(shù)據(jù)（三個月平均值）可以看出，控制器投用后由于中段回流量的減少使部分蠟油被拔到汽柴油中，同時控制器能夠在保證裝置安全的情況下及時地抽出柴油，裝置高附加值產(chǎn)品汽柴油的收率都顯著增加；控制器有效地提高了裝置的總液體產(chǎn)品收率，并增加了柴油的產(chǎn)率。

表5 控制器投用前后延遲焦化裝置液收對比

3.4 減小產(chǎn)品質(zhì)量波動

從表6的數(shù)據(jù)（三個月平均值）可以看出，先進控制系統(tǒng)實施后，控制器能夠根據(jù)軟測量儀表提供的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)和主分餾塔的溫度變化及時地進行調(diào)整主分餾塔的回流量，有效減少了產(chǎn)品質(zhì)量的波動，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊控制。

表6 控制器投用前后延遲焦化裝置產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)偏差對比

3.5 實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量卡邊控制

從表7的數(shù)據(jù)（三個月平均值）可以看出，隨著先進控制項目的實施，裝置控制水平不斷提高，在控制器投用后，汽油終餾點、柴油95點和蠟油終餾點都得到了顯著的提高，實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊控制。

表7 控制器投用前后延遲焦化裝置產(chǎn)品質(zhì)量對比

3.5 平穩(wěn)焦炭塔預(yù)熱、切換過程中裝置的操作

從表8中焦炭塔預(yù)熱、切換時的主分餾塔主要溫度點的溫降的變化可以看出，控制器中引入了預(yù)熱和切換的事件變量，主分餾塔各部位的回流量能夠控制器對溫度變化的預(yù)測進行自動調(diào)整，有效地降低了焦炭塔間歇操作對主分餾塔的影響。

表8 焦炭塔預(yù)熱、切換時主分餾塔主要溫度點的溫度變化對比

4 結(jié)論

上海石化100萬噸延遲焦化裝置DMCplus控制器一年多來投用以來，控制器運行情況良好，控制系統(tǒng)魯棒性強、抗干擾能力強，三個控制器投用率均在95％以上?？刂破鞯耐队?，有效減少了裝置的波動，提高了裝置的處理量1.5％，減低能耗2.65%，提高總液體產(chǎn)品收率0.57% ，實現(xiàn)了裝置的卡邊控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] Implementing Coker Advanced Process Control. Hydrocarbon Processing. June 2007, 99-103.

[2] 瞿國華主編，延遲焦化工藝與工程，（竺建敏、張斌 第十章 延遲焦化裝置過程控制和先進過程控制），545-583,  北京，中國石化出版社，2007.

[3]曾凡球，曲德偉. 福建煉化公司延遲焦化裝置的先進控制. 科技論壇，2005，2，30－31.

[4] 竺建敏，高級過程控制和閉環(huán)實時優(yōu)化，石油煉制與化工，1995 (7).

Advanced Process Control for Delayed Coker Unit at Sinopec Shanghai Petrochemical Co.

Abstract:

The implementation of Advanced Process Control (APC) project on the delayed coker unit in Sinopec Shanghai Petrochemical Co Ltd. is introduced in this paper. The detailed control objectives, strategies, design and post audit economic benefits of DMCplus multivariable controllers are addressed. The APC project covers the whole delayed coker unit including coking furnace, coking drums and main fractionator.  The APC application results on the delayed coker unit indicate that increased production capacity 1.5%, reduced energy consumption 2.65% and increased liquid product yields 0.57% have been achieved through optimum constraint control with significant economic benefits.

Key words: Advanced Process Control, Delayed Coker Unit, Model Predictive Control,  DMCplus