催化裂化装置优化控制系统

摘要

涉及催化裂化过程优化控制系统，包括按催化裂化装置的温度、压力、液位、流量和优化目标值等参数而分别输出产品转化率测算值和实时观测预估值的装置、输出表征原料性质的特征数的装置、输出目标产率值的装置、输出转化率优化值的装置及按测量值和设定值确定其偏差的控制器，形成以转化率为主要调控量的两级闭环调优控制系统，改变以往再生阀控制反应温度或反应热的方法。轻油收率高、抗干扰能力强，控制性能稳定，质量稳定。

说明书

本发明涉及一种在不存在氢的情况下，烃油的催化裂化过程优化控制系统。

催化裂化装置是原油二次加工的重要装置，其工艺过程的优化控制是进一步提高操作水平的重要手段。

炼油厂催化裂化过程的原料为原油中的重组分——腊油及减压渣油，在催化剂的作用下，通过裂化反应将油品中的重组分分裂成轻组分，转化为气体、汽油、轻柴油和焦炭，未转化部分全部送回反应器去再次参加反应(称回炼油)。通常，催化裂化过程主要包括反应、沉降、再生、分馏和吸收稳定等步骤。进料由喷嘴打入反应器，与从再生器过来的高温(700℃左右)催化剂混合后迅速气化，气化后的气体夹带催化剂沿反应器(如提升管)上升，进入沉降器，上升的同时完成吸热的裂化反应，反应中产生的焦炭则复盖在催化剂表面，使催化剂失去活性。反应油气在沉降器内与催化剂分离，油气进入分馏塔，催化剂则入再生器烧焦。再生器是一流化床反应器，底部进主风(空气)，使催化剂流化，进行烧焦反应，即在氧的作用下烧去复盖在催化剂表面上的焦炭，从而恢复催化剂的活性(故称“再生”)。再生后的催化剂沿管线经再生阀入提升管反应器循环使用，而烧焦产生的热量也由催化剂带到提升管供裂化反应用。反应后的油气在分馏塔分离，气体及汽油从塔顶出去，经冷却后入粗汽油罐，再分离为气体工艺上称富气)和液体(粗汽油)。富气和粗汽油经管线至稳定吸收部分，分离出的轻柴油则直接由塔中抽出，油气中未转化部分(回炼油)一部分从7层塔板流到回炼油罐，一部分(组成较重)落在塔底(称塔底油浆)。粗汽油和富气经吸收稳定系统的稳定吸收后，最终形成干气、液化气和稳定汽油等产品。

已有的催化裂化操作控制方法有再生阀→反应温度(提升管出口温度)自动控制法、待生阀(从沉降器到再生器的催化剂管线上的控制阀)→沉降器料位自动控制法、用塔底油浆抽出量调整再生器温度法和用分馏塔回流来控制分馏塔温度法等。并且提出一些离线调优系统及在线微机监控或优化控制系统，例如多变量控制系统和模拟调优系统等，秦瑞岐等在“我国催化裂化的计算机过程控制的发展”(石油炼制与化工，1994，25(5)：1～12)中综述了这些系统的特点，其核心是已有的这些催化裂化控制及调优方案是以控制反应温度为主。但事实上，由于催化裂化是一反应过程，对全装置操作及产品分布影响最大的是反应深度。反应温度受各种因素影响，并不能完全代表反应深度，因此用温度调优实际上是一种间接方法，效果也就不大理想。为解决这一问题，袁璞等(石油炼制，1992(9)：23～27)提出一种反应热控制方案，它改变了原有的反应温度控制方法，即再生阀不再直接控制温度，而是控制反应热，具体方法是将提升管各段温度及再生阀流通特性送到计算机，根据一定的方法计算出反应热，作为再生阀控制器的输入，再根据预估控制算法计算控制器输出，调整再生阀开度使反应热平稳。虽然，在原料性质一定的条件下，反应热可作为反应深度的一种度量，但是，因为反应热本身与原料性质关联，因此此方案不适合原料性质变化频繁的装置。同时因反应热不可测，也比较抽象，故此方案的实施难度较大。

本发明的目的在于提供催化裂化装置一种以产品转化率为主要调控量的闭环调优控制系统。

催化裂化装置通常包括控制阀、反应再生系统、分馏系统、吸收稳定系统和各系统的有关测量装置以及催化裂化装置的控制系统。本发明提供的即为一种催化裂化装置的优化控制系统。

本发明包括：按照催化裂化装置反应系统的温度信号、进催化裂化装置反应器的催化剂流量测算信号和进催化裂化装置反应器的总进料流量的测量信号而输出表征催化裂化原料性质的特征数的原料性质观测装置(以下简称装置B)，装置B的输入端接催化裂化装置反应再生系统(包括反应器、再生器、反应器的进料系统)的测量装置的输出端；按照催化裂化反应器的温度、压力及设置在再生器到反应器的催化剂流动管道上的控制阀(以下简称再生阀)阀位的测量信号、进反应器的新鲜原料流量的测量信号、催化裂化装置分馏系统(包括分馏塔、回炼油积存和抽出装置、粗汽油罐和柴油气提装置)的流量、液位测量信号以及装置B输出的原料性质特征数而输出催化裂化反应产品转化率(以下简称产品转化率)的测算值和产品转化率的实时观测预估值的产品转化率观测预估装置(以下简称装置A)，装置A的输入端分别接催化裂化装置反应再生系统测量装置输出端、分馏系统的测量装置输出端和装置B的输出端；按照催化裂化装置分馏、吸收稳定系统的产品流量测量信号及进反应器的新鲜原料流量测量信号而输出优化目标产率测算值的目标产率测算装置(以下简称装置C)，装置C的输入端分别接催化裂化装置反应再生系统测量装置输出端、催化裂化装置分馏系统测量装置输出端和催化裂化装置吸收稳定系统测量装置的输出端；按照装置A输出的产品转化率测算信号、装置B输出的原料性质特征数和装置C输出的目标产率测算信号以及设定的优化目标而输出在一定原料条件下的产品转化率优化设定值(以下简称设定值)的优化装置(以下简称装置D)，装置D的输入端分别接装置A的产品转化率测算信号输出端、装置B的原料性质特征数输出端及装置C的目标产率测算信号输出端；按照将装置A输出的产品转化率观测预估值做为测量值和将装置D输出的产品转化率优化设定值做为设定值来确定偏差，并以此输出使偏差消除的再生阀阀位控制信号的产品转化率闭环控制器(以下简称控制器)，控制器的输入端的测量(PV)端接装置A的产品转化率实时观测预估信号的输出端，控制器输入端的设定(SV)端接装置D的输出端，控制器的输出端输出再生阀阀位控制信号到再生阀，从而调整再生阀阀位，改变进催化裂化装置反应器的催化剂流量，最终消除测量值与设定值之间的偏差。

装置A可包括按照进催化裂化装置反应器的回炼油(包括回炼油浆)流量和新鲜原料流量测量信号而输出回炼比信号的测算装置(以下简称装置A1)，装置A1的输入端分别接进装置A的催化裂化装置反应再生系统测量装置输出端和催化裂化装置分馏系统测量装置输出端；按照进反应器的新鲜原料流量测量信号、分馏系统中回炼油积存和抽出装置及分馏塔底的液位、抽出量流量测量信号或分馏塔的分离产品的流量测量信号或按照进分馏塔的油气采样分析信号而输出产品转化率测算信号的产品转化率测算装置(以下简称装置A2)，装置A2的输入端分别接进装置A的分馏系统测量装置输出端和反应再生系统测量装置的输出端；按照催化裂化装置反应器温度、压力测量信号、再生阀阀位测量信号和装置A1、装置B的输出信号而输出产品转化率预估信号的产品转化率预估装置(以下简称装置A3)，装置A3的输入端分别接进装置A的催化裂化装置反应再生系统测量装置输出端、装置B的输出端和装置A1的输出端；按照装置A2的产品转化率测算信号和装置A3的产品转化率预估信号而输出产品转化率预估校正信号的校正装置(以下简称装置A4)，装置A4的输入端接装置A2、A3的输出端；一个加法器，加法器输入端分别接装置A3输出的产品转化率预估信号和装置A4输出的产品转化率预估校正信号，加法器输出产品转化率的实时观测预估信号至控制器测量(PV)端；装置A2输出的产品转化率的测算信号接装置D的输入端。

实际上，再生阀、控制器、产品转化率观测预估装置(即装置A)和优化装置(即装置D)组成整个催化裂化装置反应深度的控制装置，它提供了以催化裂化产品转化率为主要调控量的催化裂化装置的闭环优化系统和优化方法，其核心包括一个原料性质观测计算体系、一个产品转化率测算及预估体系，一个目标产率测算及产品转化率优化设定体系和一个产品转化率的闭环控制器。本发明改变了以往再生阀控制反应温度或反应热的操作方式，而使再生阀直接控制催化裂化反应的反应深度，从根本上改进了催化裂化装置的工艺操作。

众所周知，催化裂化装置的闭坏优化控制是一难度极大的工作。催化裂化的操作指标主要有轻收、液收、粗汽油干点和柴油95％凝固点，前两个指标直接关系到装置的经济效益，而后一个指标关系到油品的质量，尤其是粗汽油干点还直接影响到汽油产量的稳定。而转化率(即反应深度)的大小直接影响反应成品的分布，反应深度对全装置的操作有着决定性的影响，也就是说，本发明改变以往常规控制反应温度为控制转化率是抓住了整个操作的关键。率实上温度主要反映了热平衡，且受多种因素影响(这也是一种不得已的选择，因为无转化率测算与预估手段时，在可测量中，反应温度是最能反映反应深度的量)，并不能完全反映反应深度。催化裂化虽是一个多变量互相影响的复杂系统，但反应深度对各个环节(如反应、再生、分馏、稳定吸收)的影响是最大的。控制反应深度平稳，也使全装置容易达到平稳。其次，本发明增加了原料性质在线观测系统，使原来不可测的原料性质可以引入在线观测及调优方法，从而实现在线闭环调优，提高了自动化程度，基本上无需操作工干预，操作、维护更加容易进行。另外，采用转化率控制，虽然温度有些波动，但汽油干点及分馏塔却很平稳，保证产品质量，改善了控制器对原料性质的变化适应能力。同时，由于优化系统本身有一完整的故障诊断系统及一系列安全保障措施，故当装置出现意外情况，如仪表失灵、上位机突然断电等，均能及时地切换为下位机的常规控制，保证安全。而且由于预估准确，控制器调整适当，装置的控制性能良好，抗干扰能力强，轻油收率增加，质量稳定。

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的产品转化率观测预估装置实施例结构框图。

以下结合一种实施方案及其控制过程对本发明作进一步的说明。

如图1所示，催化裂化装置(S)的反应再生系统(S₁)的测量装置(S₁₀)输出端分别接至优化控制系统的转化率观测预估装置(A)、原料性质观测装置(B)和目标产率测算装置(C)。催化裂化装置(S)的分馏系统(S₂)的测量装置(S₂₀)输出端分别接至转化率观测预估装置(A)和目标产率测算装置(C)。催化裂化装置(S)的吸收稳定系统(S₃)的测量装置(S₃₀)输出端接至目标产率测算装置(C)。转化率观测预估装置(A)的产品转化率测算信号输出、原料性质观测装置(B)的原料性质特征数输出、目标产率测算装置(C)的目标产率测算信号输出以及系统的优化目标接至优化装置(D)。原料性质观测装置(B)的原料性质特征数输出还接至转化率观测预估装置(A)。转化率观测预估装置(A)的产品转化率观测预估值信号输出接控制器(E)输入端的测量(PV)端，优化装置(D)的产品转化率优化设定值输出接控制器(E)输入端的设定(SV)端，控制器(E)的输出端输出再生阀阀位控制信号至再生阀(S₄)，由此形成一个闭环，再生阀阀位的调整改变了进反应器的催化剂流量，最终消除测量值与设定值之间的偏差。控制器可采用PID控制器。

如图2所示，优化控制系统的转化率观测预估装置可由测算装置A₁、A₂，产品转化率预估装置A₃，校正装置A₄，加法器A₅组成。由催化裂化装置的分馏系统测量装置(S₂₀)的输出接至装置A₁；由催化裂化装置的反应再生系统测量装置(S₁₀)的输出接至装置A₁、A₂、A₃；由装置B的输出接至装置A₃。装置A₂输出的产品转化率测算值信号输出接至装置D和校正装置A₄。装置A₁输出的回炼比接至装置A₃，装置A₃的产品转化率预估信号输出至校正装置A₄和加法器A₅的输入端，校正装置A₄的产品转化率预估校正信号输出至加法器A₅的另一输入端。加法器A₅输出的产品转化率实时观测预估信号接至控制器E的测量(PV)端。

装置B可按下述方法构成：将催化裂化装置反应再生系统(1)的温度分布测量信号、进催化裂化反应器的催化剂流量测算信号和总进料流量测量信号送入装置B，并按下述方程输出原料性质特征数：

YX(t)＝F(β(t)，ΔTra(t)，Tra(t))

其中，YX(t)为t时刻的表征原料性质的特征数，β(t)为t时刻进反应器的催化剂流量与总进料流量的比，其中进反应器的催化剂流量由专门的软测量装置测算。若无此装置，则可按工艺上常用的方法，根据再生器温度分布信号和再生器热平衡方程估算，也可根据再生阀流通特性估算。ΔTra(t)和Tra(t)分别为t时刻的反应器温度差信号和温度信号。F是一非线性函数，其具体形式可按反应器的反应方程推得，或按非线性函数逼近方法，采用各种非线性函数形式组成。

在有条件的情况下，也可利用在线分析仪表实时在线测量原料组成。

装置A可按图2实现：具体方法是将催化裂化反应器的温度、压力测量信号、新鲜原料流量信号和再生阀阀位测量信号，装置B的输出信号，分馏系统的回炼油抽出和积存装置的液位、抽出量流量测量信号、分馏塔底液位、抽出量流量测量信号等分馏系统测量信号送入装置A的输入端。其中装置A2测算催化裂化产品的实际转化率，方法之一是首先按下式估算t时刻的催化裂化装置的实际回炼油总量

H(t)＝F1(t)＋F2(t)＋f1(Δh1(t))＋f2(Δh2(t))

其中，F1(t)为从回炼油积存装置抽出的回炼油流量，F2(t)为从分馏塔底抽出的油浆流量，f1(Δh1(t))和f2(Δh2(t))分别为与回炼油积存装置液位变化(Δh1)及分馏塔底液位变化(Δh2)有关的回炼油及油浆的动态积蓄量。

然后，可按下式估算t时刻的产品转化率：

CON(t)＝(1－H(t)/FO(t)×100％或CON(t)＝(1－H(t)/FO(t)＋F1(t)＋F2(t)×100％

其中FO(t)为进反应器的新鲜原料量流量。

装置A2输出的产品实际转化率CON(t)也可按照分馏系统分离的反应产品量(粗汽油量、柴油量、富气量)测算或直接用在线分析仪表测量。

在装置A1中，按下式测算回炼比

R(t)＝(F1(t)＋F2(t))/(FO(t)＋F1(t)＋F2(t))

装置A3是一预估器，可利用神经网络或预估模型构造，将装置B、装置A1的输出及催化裂化装置反应再生系统测量装置输出的反应温度、反应压力及再生阀阀位信号送到A3的输入端，则在装置A3的输出端可实时输出预估的产品转化率CONP(t)。将装置A3的输出CONP(t)及装置A2的输出CON(t)送入装置A4并存储，可按下式输出产品转化率预估信号校正值

ΔCONP(t)＝OON(t)－CONP(t－τ)其中τ为装置A2输出的产品转化率测算的滞后时间。

将装置A4输出值与装置A3输出送入加法器A5做“和”的运算后，便为装置A的总输出，将其送入控制器的测量端，做为控制器的测量值(PV值)。

将分馏系统测量装置输出的分馏系统分离产品流量信号和吸收稳定系统测量装置输出的催化裂化最终产品流量信号、进反应器的新鲜原料流量测量信号送到装置C中，在装置C中，可按分馏塔的分高产品粗汽油、富气、柴油等量分别测算目标产率J(t)，也可按工艺习惯，按吸收稳定系统的最终产品稳定汽油、液化气、轻柴油、干气等测算目标产率。产率按下式测算：

J(t)＝(C(t)/FO(t))×100％

其中C(t)为按优化目标选定的产品流量，有汽油、轻油(汽油＋柴油)、液收(汽油＋柴油＋液化气)等多种，FO(t)为新鲜原料流量。

将装置B的输出YX(t)、装置A中的装置A2的输出CON(t)，优化目标J及由装置D输出的目标产率值J(t)送入优化装置的输入端，优化装置可按照神经网络构造，也可按照根据催化裂化过程稳态数学模型推出的优化模型构造，在装置的输出端输出产品转化率的优化设定值CONS(t)，将此优化设定值送入产品转化率控制器的设定端，做为控制器的设定值(SV值)，控制器输出由催化裂化装置的再生器到反应器的催化剂流动管道上的控制阀(再生阀)的阀位信号。即通过控制再生阀阀位来调节进提升管反应器的催化剂量，达到控制产品转化率(即反应深度)平衡的目的。控制器可采用常用的PID控制器，并可采用自适应算法实时校正控制器的参数，使控制性能达到规定的指标。控制产品转化率平衡，从而达到优化产品分布和产品质量的目标。

上述实施方案中的各测量信号的采集和滤波以及各观测、测算装置、预估装置、校正装置及控制器可通过集散控制系统(DCS)及其上位机来实现。也可通过单片微机、电子仪表及电子电路来实现。