常減壓裝置的動態模擬研究

劉守瑜，張建峰，喬志強，杜江暢，陶興文

(1. 中海石油中捷石化有限公司，河北 滄州 061108；2. 中海油信息科技有限公司，廣東 深圳 518052；3. 北京賽普泰克技術有限公司，北京 100012)

中國石油煉化行業正在經歷從粗放式的快速產能擴張階段到應用先進智能制造技術進行精細化管理、節能減排、大幅提高勞動生產率的轉型階段。常減壓裝置作為煉油廠原油煉化加工的第一道重要工序，裝置的運行情況，技術水平和操作人員技能的高低直接關系著后續裝置產品的質量、收率以及經濟效益[1]。未來，隨著煉油裝置結構的不斷調整，大型常減壓蒸餾裝置還將得到進一步發展。針對裝置運行效率的提升，煉化企業一般主要關注工藝、設備、儀表的設計與優化，而缺乏考慮對裝置運行狀況、操作人員操作水平的提升[2]。有些企業對于重點裝置也采用了仿真系統，但大多數停留在裝置簡化的數學建模、用于熟悉工藝流程的培訓，而缺少對裝置運行深層次工藝原理、控制原理的探究，對于裝置工藝操作的優化方法也缺少必要的實驗手段[3]。

根據國內煉化企業生產裝置的建設與生產運行周期的需求，本文提出了煉油流程智能動態模型的技術應用，并在某煉化廠常減壓裝置進行了實踐，取得了良好的效果。

1 智能動態模擬功能

煉油流程具有復雜性、多面性的特點。為縮短開工時間，延長生產周期，減少生產過程中可能出現的各種問題，節約生產成本并提高生產效益，工廠應該摸清裝置運行規律，對裝置運行過程中可能遇到的各種問題提前進行預測并準備相應的應對方案；對于在現有條件下如何提高裝置產能、改善產品質量，探索出合理的調整方案[4]。為防止生產出現波動，應盡量避免直接在裝置上進行工藝調整實驗，而基于原料物性、工藝運行數據建立的智能動態模型，能夠模擬絕大多數情況下裝置的運行變化，為工藝人員調整工藝參數，改變生產方案提供有力的實驗基礎。

2 智能動態模型原理

智能動態模擬利用計算機的計算能力，采用基于機理的工藝模型及高精度數學模型、邏輯模型模擬生產裝置、控制系統，使生產裝置模型的動態響應趨勢與操作均與實際過程一致[5]。其中，裝置工藝模型是以化學工程、自動控制、反應動力學、化工熱力學等過程機理為基礎的機理模型，裝置控制系統模型是基于不同控制系統算法和邏輯的數學模型[6]。為便于操作人員使用，智能動態模擬包括兩個部分： 裝置工藝及控制系統模擬、人機控制畫面模擬。

2.1 裝置工藝及控制系統模擬

智能動態模型中所采用的工藝模型是基于熱力學和動力學的機理模型，即由狀態方程求解化學平衡及相平衡[7]。該方法適應于多組分、多相變、有化學反應的復雜體系，并具有很好的外延性。模型中對于控制系統的模擬，則是基于不同控制系統的DCS控制模型算法，結合過程工藝模型，使整個模型能夠比較真實地反映被模擬工藝對象的過程特性。

2.2 人機控制畫面模擬

為提高動態模型適用性，可以根據工廠實際操作控制畫面并結合完成的動態模型，建立模擬的人機操作響應界面，并通過操作界面與動態模型的數據通信，實現在操作界面上的便捷操作，控制畫面模擬包括： 圖形顯示、總貌顯示、控制組畫面顯示、調節面板顯示、趨勢顯示、報警總顯示，聲像功能、操作員功能、其他DCS顯示和功能。

2.3 動態模擬計算方法

動態模型的基本解算方法為構建節點網絡，對節點網絡內所有流量與壓力聯立求解。數學模型簡要如下： 對于過程流動與壓力的計算均采用聯立方程網絡法求解，根據質量守恒、能量守恒的原則獲得整個網絡的流動與壓力之間的動態響應關系，可以保證整個模型流量和壓力計算的穩定性，也能較真實地反映流動的實際狀態。同時，該模型是模型開發過程中數據校正、預測、工況變化研究等工作的基礎[8]。

節點網絡中節點的物流滿足質量守恒方程。假設有m股流股，n個節點(m>n)，對于每個節點j來說，如式(1)所示：

(1)

式中：Aij——方向矩陣，其中每個元素根據物流的流向而分別取值為-1， 0或1；qmi——第i股物流的流量。

qmi又是壓力節點p1， …，pn的函數，可寫成式(2)所示：

(2)

式中：α——管道阻力的函數；ρi——流體密度；pi1，pi2——p1， …，pn中的2個節點壓力。對于任意2個節點，做能量衡算，根據流體穩定流動時的機械能衡算式，如式(3)，式(4)所示：

(3)

(4)

式中：W——由機械所獲得的外加能量，J/kg；ΔZ——管道高度變化，m；V——節點體積，m3；hf——由摩擦等產生的機械能損失，J/kg；u——流體的線速度，m/s；l——管道長度，m；le——彎頭等折算管道長度，m；d——管徑；λ——摩擦系數。由式(3)～(4)可知，W，ΔZ，l，d為已知量，而λ與雷諾數Re和管壁相對粗糙度有關。

綜上所述，通過數學方法能建立流動與壓力節點網絡模型，流體壓力的網絡解法可以同時解出網絡中各點的壓力和流量的分布，完成對整套裝置范圍的模擬。

對于裝置流程中的各類設備，按照設備參數及尺寸進行模擬，其中主要包括： 蒸餾塔、容器罐、泵、換熱器、燃燒爐、控制閥組等，每種設備按照相應的機理建模，包括三相平衡計算、熱量平衡計算，并考慮氣液相累積，設備熱容等綜合影響[9]。

3 動態模型搭建及分析

3.1 常減壓裝置工藝

本文模擬的裝置為250 Mt/a常減壓原油處理裝置，工藝流程如圖1 所示。作為石油煉化的第一道工序，常減壓工藝流程包含電脫鹽脫水、初餾、常壓蒸餾和減壓蒸餾四部分。后三部分是蒸餾部分，是常減壓操作的主要部分；電脫鹽脫水部分是脫掉原油中的鹽和水分，可以減小對蒸餾過程中的沖擊，減小塔的負荷和加熱功率等。其主要設備為電脫鹽脫水部分、初餾塔、常壓爐、常壓塔、減壓爐、減壓塔。該裝置主要流程為： 原油經過換熱后直接進入電脫鹽脫水系統，將鹽和水脫掉，經初餾爐換熱至216 ℃進入初餾塔，其中一部分輕組分自初餾塔頂餾出，直接進入塔頂冷卻系統進入回流罐，初底油經換熱至300 ℃進入常壓爐，加熱至365 ℃進入常壓塔進料段，原油在常壓塔內精餾，分別餾出塔頂石腦油、柴油。最后常壓塔底渣油經減壓爐加熱至375 ℃進入減壓塔，并利用蒸汽抽空器使減壓塔內形成負壓，餾出柴油及蠟油組分。

圖1 常減壓工藝流程示意

3.2 工藝流程參數標準的選取

常減壓裝置最重要設備初餾塔、常壓塔和減壓塔都是蒸餾塔，其主要工藝參數有塔頂溫度、壓降、抽出溫度、抽出流量及回流比等，閃蒸部分的壓力由塔頂壓力和塔板之上部分的壓降決定，搭建動態模型需參考上述參數[10]。動態模型工藝參數設計值見表1所列。

表1 動態模型工藝參數設計值

對于常減壓裝置主要設備，動態模擬需考慮各設備的主要參數，包括： 主要尺寸、質量、塔板間距、操作工藝條件等，主要設備參數參考值見表2所列。

表2 主要設備參數參考值

3.3 動態模擬過程與結果

根據原料及部分產品的實沸點蒸餾曲線切割原油并產生相應的虛擬組分，動態模型基于這些虛擬組分進行搭建，針對常減壓裝置油品的模擬本次共生成24個虛擬組分。虛擬組分的主要性質包括： 氣液相焓值、安托因系數、壓縮因子、相對分子質量、密度等，利用理想狀態方程或PR狀態方程進行求解，得到不同溫度壓力下的狀態，從而模擬其在不同設備中的變化情況。結合如甲烷、乙烷等已知組分，構成動態模擬的基礎[11]。

針對該流程中各個設備的模擬，根據設備參考數據，得到其容量、熱容等，按照流股在不同溫度壓力下的狀態變化，計算其在經過該設備后的效果。如針對換熱器，沿管長積分，考慮流動、相態、介質特性對傳熱系數的影響，嚴格計算多流股換熱；針對蒸餾塔，考慮熱損失和金屬熱容的影響，進行汽—液—液三相平衡過程模擬計算，逐板計算精餾過程；針對容器(罐)，考慮熱損失和金屬熱容的影響，計算液相的累積及液位變化，并考慮汽—液—液三相平衡過程。

3.3.1動態模擬結果

按照上述主要設備、工藝參數及虛擬組成搭建動態模型，搭建后的模型在正常負荷下模擬到穩態得到的主要工藝參數值見表3所列。

表3 動態模型模擬數值

從表3可以看出流程的實時動態模擬，其誤差基本上控制在3%以內，滿足工業裝置實時動態模擬的要求。其誤差的產生主要有以下幾個原因： 石油的組成比較復雜，切割實沸點曲線時選擇了24個虛擬組分，雖原油中確實存在這些組分，但這些組分仍不能完全代表原油的組成；在對蒸餾塔進行模擬時選擇不同的狀態方程，也會得出不同的結果；針對各個設備的模擬雖然按照其主要設備參數進行設定，但對于各種設備而言，尤其是蒸餾塔，對其塔板狀態，塔不同段效率等模擬仍然存在誤差。

3.3.2動態模擬響應

通過變更搭建完成的動態模型操作參數，可以檢驗其動態響應結果。在模型模擬精度符合要求后，利用動態模型分析操作變量對工藝參數影響的程度，以及該變量對其他參量的影響，能夠對實際裝置工藝變化后的狀態提前做出預測。結合工廠實踐經驗，可以協助技術人員制定與工況相適合的控制方案。

本文針對初餾塔、常壓塔、常壓爐工藝操作改變，利用動態模型進行動態響應測試。

對于初餾塔的控制，主要控制指標是塔頂溫度、回流罐液位和塔釜液位等變量。需要分析的變量關系包括： 塔底出料量對塔釜液位的影響，塔頂回流量對塔頂溫度的影響等。由于塔釜液位與塔底出料量關系較為明晰，本文主要分析塔頂回流量對塔頂溫度的影響，動態響應結果如圖2所示。

圖2 初餾塔頂回流量對頂溫影響示意

從圖2可以看出，塔頂溫度隨著塔頂回流量的增大而降低，裝置實際控制時一般選擇塔頂回流作為塔頂溫度控制的操作變量，可以根據動態模型響應結果對裝置實際操作進行指導。

對于常壓塔的控制，主要控制指標是塔頂溫度，常一線、常二線抽出溫度，塔底油抽出溫度，回流罐液位和塔釜液位等變量。需要分析的變量關系包括： 塔頂回流量對塔頂溫度的影響，中段抽出(常一線、常二線)對塔操作的影響，塔底汽提蒸汽對塔操作的影響，塔中循環對塔操作的影響，塔底出料量對塔釜液位的影響等。本文主要分析塔頂回流量變化、塔底汽提蒸汽量變化及塔中段抽出量調節對塔溫的影響，動態響應結果如圖3～圖5所示。

圖3 常壓塔頂回流量對頂溫影響示意

圖4 常一線抽出量對塔溫的影響示意

圖5 汽提蒸汽量對塔溫的影響示意

從圖3～圖5可以看出，常壓塔頂溫度同樣隨著塔頂回流量的增大而降低；在不對塔進行其他調整的情況下，常一線抽出量的增加會導致常頂、常一線、常二線抽出溫度的提高，這可能會導致各側線抽出產品重合度增加，使產品不符合質量要求；而蒸汽量的增加會導致塔頂溫度的升高及常一線溫度的下降，同樣可能造成產品不合格情況出現。根據動態模型響應結果可以對裝置實際操作指導，當出現工藝調整時可以預先在動態模型上進行測試，得到較好的工藝調整方案，再調整實際裝置。

對于常壓、減壓爐的控制，一般通過對燃料氣量的調節，調整原油爐出口溫度，其主要控制指標即出口溫度及各爐管出口溫差，由于各爐管情況不一，本文主要針對爐出口平均溫度進行模擬，模擬結果如圖6所示。

圖6 燃料氣量對爐出口平均溫度的影響示意

從圖6可以看出，在燃料氣量發生變化時爐出口溫度變化趨勢，在經過與實際裝置對比校正后，可用于指導燃料氣調整方案。

以上模擬的動態模型實時響應結果可能與實際裝置存在一定誤差，誤差的產生主要原因包括： 動態模型的實時計算需要達到穩態后才能將其用于統計，而達到穩態后工藝條件的變化可能導致穩態計算結果產生變化；蒸餾塔的效率，塔板實際狀態可能與實際情況有所差別；原油的性質以及燃料氣的熱值等可能與實際狀態存在差異；流股隨溫度壓力變化產生的性質變化可能由于物性方法選取的原因與實際情況有偏差。

4 結束語

通過上述模型的運行測試，利用動態模擬技術開發的常減壓裝置動態模型，能夠比較準確模擬裝置實際運行數據，并較為快速地反映出在裝置運行過程中，各項工藝參數的變化，從而為裝置工程師提供一個系統改造和升級的理想設計環境，可以使其在完全安全的環境中實現對操作參數調整后的工藝參數變化情況的預測，以及對工藝方案、控制方案的驗證，也可以為技術人員學習和理解裝置機理與控制理論提供平臺，加速生產優化和裝置工藝改善。動態模擬技術在裝置生產運行階段的使用也可以為更進一步的實現裝置自動化、智能化提供基礎，以便可以開展基于模型的在線應用，如在線操作優化，智能異常診斷，智能控制等。