催化裂化装置生产方案优化控制研究

李晋萍(宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川 750021)

催化裂化装置生产方案优化控制研究

李晋萍(宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川 750021)

催化裂化装置是炼油和石油化工生产过程的关键装置,在炼油生产链中起着十分重要的作用,其运行状况影响整个企业的生产及经济效益.本论文系统阐述了宁夏某石化公司重油催化裂化工艺特点、流程及生产现状，并在稳定总进料并明确控制方案的前提下，研究提出了多产柴油、汽油、液态烃和最佳经济效益四种优化方案，通过对装置优化控制的实践证明，多产柴油、汽油、液态烃方案其收率较优化前分别增加1.56%、2.99%、0.32%，最佳经济效益方案可增加经济效益56.92元/吨原料,实现了催化裂化装置的平稳控制,减轻了操作人员的劳动强度,改善了产品的收率并最终实现了提高经济效益的总目标。

催化裂化;优化控制;收率;经济效益

0 引言

石油不但是工业的血液而且被称为全球的经济命脉，石油在2050年以前将一直都是全球的首要能源。催化裂化装置不但是生产汽油、柴油和液态烃的重要生产装置，同时也成为了炼油企业经济效益来源的一个重要的部分。催化裂化对炼油工业的成长壮大和对全球经济的发展都具有重要的意义。

催化裂化的操作控制方法有很多种，现使用的主要有：(1)再生滑阀自动控制法：主控方向为再生滑阀—反应温度(提升管出口温度)；(2)沉降器自动控制法：主控方向为待生滑阀(从沉降器到再生器的催化剂管线上的控制阀)—沉降器；(3)在线微机监控或优化控制系统，例如多变量预测控制系统；(4)离线调优系统。事实上，对于产品分布以及装置的操作影响最大、最深的是催化裂化这一化学反应过程的反应深度，一般有很多种因素都会影响到反应深度，但反应深度并不能被反应温度所完全代表。我们若想取得明显的经济效益，且只需通过操作条件的改变就可以实现，使得生产过程操作得到优化，而又不需要修改工艺、不增加生产设备。这种想法如果能够成功，绝对是一种投资少、见效快的好方法，因此催化裂化的多方向优化控制绝对有着重要的研究和应用价值。

近年来，我国经济有了长足的发展，但是虽然历经几代人不懈的努力，我国催化裂化技术已取得较大的发展，并且为世人所瞩目，受投入不足、底子较薄、缺乏自主创新技术、使用的设备比较落后、管理机制跟不上去、劳动生产率低等诸多因素的束缚，导致与国外先进水平相比，我国催化裂化技术仍存在着较大差距。

本课题通过对宁夏某石化公司重油催化裂化装置的流程和工艺原理的研究，结合优化控制系统应用软件，提出了四种优化方案，通过对各优化方案中待优化变量数值的调整，影响装置实际生产运行状态。使装置在优化方案投用后产品收率得到提高。具体内容有以下几个方面。

(1)对宁夏某石化公司现有重油催化裂化装置进行分析，确定优化方向。(2)研究DCIO Express for FCC 3．0系统控制方案、控制结构和系统软件。(3)根据石化公司催化裂化装置的产品及效益确定优化方案；(4)在全面分析装置的基础上，确定优化系统的原则，控制系统的目标函数、优化变量、约束条件等；(5)根据确定的优化方案、优化变量、约束条件等对石化装置实施优化控制，利用生产数据分析验证。

1 催化裂化装置概况

本次研究的催化裂化装置是由260万吨/年重油催化裂化装置及与此套装置相配套的双脱装置组成，本套装置由中国石化工程建设公司设计，装置以加工常压渣油原料为主，设计加工规模为年处理量260万吨/年，操作弹性60%-110%。双脱装置(以下简称该装置)与260 万吨/年催化裂化装置相配套，对催化裂化装置生产的稳定汽油、干气及液化石油气进行脱硫精制，精制后的汽油硫醇硫含量不大于10ppm；液化气硫化氢含量不大于10ppm；脱后干气进入高压瓦斯管网，降低管网腐蚀，减少烟气二氧化硫排放浓度。

2 260万吨/年重油催化裂化装置技术特点

(1) 重叠式两段再生技术被运用于再生系统，风耗量较低，符合当前节能降耗的环保型生产要求。

(2) 提升管选用VQS旋流快分、预汽提和多段汽提技术。采用VQS旋流快分、预汽提和多段汽提技术可实现气——固的快速分离，有效降低了焦炭和干气产率，减缓沉降器内部的结焦。

(3) 主风机组由变频启动的备用机组和主风三机组组成。备机采用变频启动对系统电网冲击很小；主风三机组由烟机——主风机——电动机组成，具有操作灵活，受系统电网影响小，并能实现电网的无扰动切换的特点。

(4)MDEA 胺吸收工艺被应用于液化气脱硫化氢以及干气的催化。干气催化后进入的脱硫化氢塔的塔盘采用HAVTH塔盘，液化气脱硫化氢塔采用FG 蜂窝格栅填料，属于清华大学专利。

(5)液化气脱硫醇采用两级纤维液膜脱硫醇+纤维液膜水洗工艺，属于甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司专利。

(6)汽油脱硫醇采用固定床脱硫化氢+固定床脱硫醇工艺，属于石油大学(北京)专利。

(7)从气液分离罐(D-806)顶出来的尾气采用膜分离技术回收汽油组份，这项技术属于大连欧科膜技术工程有限公司。

3 优化控制方案的总体设计

在此次研究中，经过改造的控制设备已更新为先进可靠的I/A Series集散型控制系统，但是由于原有生产装置设计的制约，传统的仪表控制回路较多，因此在控制方案上仍旧依托原有仪表控制回路。如何优化生产结构；改善产品分布、分配，使装置效益最大化，能否从不断改变操作条件入手；装置效率、效益能通过何种方式实时回馈给现场操作工人，从而指导操作工人及时改变操作条件，提高装置运行效益；产品质量如何能被工人实时了解，进而及时调整操作条件，改善产品质量；以上课题解答所要求的基本条件，恰恰是DCS在线统计、计算、优化所能实现的功能。因此，在研究的过程中，在优化控制系统上设计的几种控制方案均以炼油厂现有催化裂化装置为基础。

对于一个优化控制系统的设计，首先是优化的目标函数应该如何选取，其次是作为在线的优化变量，哪些操作变量可以选取。

3.1 优化控制系统

优化的目标函数在催化裂化装置中可以有多种体现方式。本次研究采用的优化方式为根据其加工方式不同而进行的优化组合方案，可以根据市场需求对需要优化的目标函数任意切换。通过合理组合优化变量和目标函数，设计出四组实时优化控制方案：第一组目标函数设定为多产液态烃一个时间段内产品的平均收率；第二组目标函数设定为多产汽油的平均收率；第三组目标函数设定为多产柴油的平均收率；第四组目标函数设定为装置的最佳经济效益。优化控制器可根据需要在操作界面上通过按钮选择切换这四组方案。实现目标函数达到最大，变量进行调优可通过调整装置的操作条件来完成。其中装置的经济效益根据产品、原料和单价进行计算，这些价格可通过工程师界面随时修改和输入。

优化变量在选择时，主要考虑的是那些重要同时又易于控制的反应-再生部分中的工艺变量。因此，这四组优化方案都以预提升干汽(或预提升蒸汽，可切换)流量、提升管出口温度 、原料油预热温度 、回炼油回炼比、掺渣比、油浆回炼比、外排油浆流量、新催化剂加料占宽比这8个变量为调优变量，通过在线方式，使这些变量得到优化，进而令主要操作条件在催化裂化过程中被加以调整，最后达到装置的经济效益和主产品的收率得到提高的效果。只有在装置各项约束条件满足的条件下，优化控制才能得到完整的实施，此时才能保证装置正常平稳运行。

优化控制器在操作界面上进行四个方案的选择，由装置操作员给定操作上下限，而自动切换程序可由系统在操作员限定的区域内完成切换，自动优化所切换方案的操作。优化方法采用了相关积分法，以及计算机二级优化控制模式。而优化方法所必须具有的约束条件，则考虑了分馏塔的液位，产品分布情况，优化变量的上下限等。

为了在各种操作情况下优化控制系统都仍然能够稳定且正常地工作，需要改变原控制系统的反应器总进料控制，这样才不会使各重要操作参数之间产生相互影响。修改以后形成的若干子回路组成了新的控制系统，主要有以下几种系统：

(1) 反应器进料量对总的新鲜进料量的控制系统

(2) 进料掺渣比控制系统

(3) 回炼油比值控制系统

(4) 回炼油浆比值控制系统

保持相互独立是以上各变量的优点之一，其它变量能够在任意变量发生改变时，仍然自动保持恒定的原有数值。

4 优化控制的实际应用及标定结果

想要得到一个运行情况的分析结果，需要一个产品收率作为统计数据，这个数据必须准确、可靠、具有可比性，有较高准确可靠性的各产品收率记录只会出现在车间生产质量记录中，而且其可比性较高，因此采用了车间生产质量记录中的产品收率作为数据分析的依据。

在正常生产过程中，选取进料量相对稳定的生产时段，采集12日内车间产品质量及分析台帐中各产品的收率，运用过程中各种产品收率均有提高，高如果生产投运时间能够增长，取得的产品收率将会更高。

5 结语

针对能源紧张的局面，为充分提高能源利用效率，实现收率及效益最大化的原则，本课题主要利用DCIO Express for FCC 3．0软件对宁夏某石化公司催化裂化装置进行优化控制研究，结论如下：

(1)所使用的软件系统以相关积分优化方法为优化引擎具有在线监测功能 、可在线调整工艺参数，并附有智能自动故障检测，定位和处理系统，可实现对生产过程的在线优化控制；

(2)为实现优化控制，达到总进料系统稳定的生产运行状况，实施了对总的新鲜进料量、进料掺渣比、回炼油比值、回炼油浆比值进行控制，实践证明四个控制方案不但可行，而且是总进料系统稳定的有力保障；

(3)本课题研究提出的多产柴油、多产汽油、多产液态烃和最佳经济效益四种优化方案，符合该石化公司燃料型炼厂的生产实际；

(4)研究确定的预提升干汽流量、提升管出口温度 、原料油预热温度 、回炼油回炼比、掺渣比、油浆回炼比、外排油浆流量、新催化剂加料占宽比这8个优化变量及各优化变量的19个上下限约束条件科学合理，符合炼厂实际并为优化方案的实施创造了条件；

(5)通过对装置优化控制方案实施后的实际生产数据的大量分析，证明了多产柴油、多产汽油、多产液态烃方案其产品收率较优化前分别增加了1．56%、2．99%、0．32%，最佳经济效益方案可增加经济效益56．92元/吨原料，实现了催化裂化装置的平稳控制，减轻了操作人员的劳动强度，改善了产品的收率并最终实现了提高经济效益的总目标。

[1]夏清,陈常贵主编.化工原理上册.天津:天津大学出版社.2007.1.

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李晋萍，女，陕西西安人，讲师，硕士研究生，研究方向，煤化工。