先进控制系统在催化裂化装置上的应用

董 超

（大庆炼化公司信息中心，黑龙江 大庆 163411）

0 引言

随着计算机应用、自动控制以及人工智能技术的不断发展，基于模型预测控制为主的先进控制技术不断得到提高和完善。先进控制技术应用于装置生产过程中，已成为我国炼油和化工企业节能降耗、挖潜增效的重要手段之一。特别在占能耗比例较大的炼油类装置中，通过实施先进控制，降低装置能耗，对炼油厂节能降耗具有重要意义。

2020 年7 月，大庆炼化公司在100 吨／年催化裂化装置上，采用横河电机公司的先进控制及预估平台PACE，实施了先进控制。

1 工艺过程

1.1 装置概况

100 吨／年催化裂化装置是由洛阳石油化工工程公司设计，于1993 年7 月建成投产的原60×104t／a 重油催化裂化装置基础上改扩建而成的（仍由洛阳石油化工工程公司设计），于2002 年12 月份破土动工，2003 年6 月份正式改建，9 月18日正式投产后一次开车成功。装置重油提升管反应器的原料为大庆常压渣油，其规模为100×104t／a，汽油提升管反应器的原料是装置外来的180×104t／a ARGG 装置的36×104t／a 的稳定汽油（过渡期采用了180×104t／a ARGG 装置的45×104t／a 的FCC 稳定汽油回炼）。按年开工时数8000 小时计算装置物料平衡，装置设计按三年一大修来考虑。

装置的作用是降低汽油中的烯烃含量，确保全厂汽油烯烃含量满足新标准汽油中烯烃＜35%（V）的质量标准。同时，也可增产丙烯，保证即将建成投产的30×104t／a 聚丙烯装置的丙烯原料供应。另外，装置还可根据市场变化情况随时调整生产方案，增产柴油，或者最大化追求轻质油收率等不同的生产方案，以增加装置的灵活性，更好地适应市场变化。装置的主要产品为液态烃、低烯烃汽油和轻柴油，副产品为干气和油浆。

装置的沉降器与再生器采用同轴式布置，两根提升管采用外提升管。反应部分采用深度催化转化工艺（ARGG）和灵活多效FDFCC 技术。再生器采用了单段逆流高效再生的方式，并采用了双提升管催化裂化新技术、CSC 预汽提等10 余项国内先进技术。

装置占地面积为12 878 平方米，包括反应再生、分馏、吸收稳定、热工、产品精制、主风机组、气压机部分。

1.2 技术特点

催化裂化是炼油工业中重要的二次加工过程，是重油轻质化的重要手段。它是使原料油在适宜的温度、压力和催化剂存在的条件下，进行裂解、异构化、氢转移、芳构化、缩合等一系列化学反应，原料油转化成气体、汽油、柴油等主要产品及油浆、焦炭的生产过程。催化裂化的原料油来源广泛，主要是常减压的馏分油、常压渣油、减压渣油及丙烷脱沥青油、蜡膏、蜡下油等。随着石油资源的短缺和原油的日趋变重，重油催化裂化有了较快的发展，处理的原料可以是全常渣甚至是全减渣。在硫含量较高时，则需用加氢脱硫装置进行处理，提供催化原料。催化裂化过程具有轻质油收率高、汽油辛烷值较高、产品中烯烃含量高等特点。

催化裂化的生产过程包括以下几个部分。

反应再生部分：其主要任务是完成原料油的转化。原料油通过反应器与催化剂接触并反应，不断输出反应产物，催化剂则在反应器和再生器之间不断循环，在再生器中通入空气烧去催化剂上的积炭，恢复催化剂的活性，使催化剂能够循环使用。烧焦放出的热量又以催化剂为载体，不断带回反应器，供给反应所需的热量，过剩热量由专门的取热设施取出加以利用。

分馏部分：主要任务是根据反应油气中各组分沸点的不同，将它们分离成富气、粗汽油、轻柴油、回炼油、油浆，并保证汽油干点、轻柴油凝固点和闪点合格。

吸收稳定部分：利用各组分之间在液体中溶解度不同把富气和粗汽油分离成干气、液化气、稳定汽油，并控制好干气中的C3 及其以上重组份含量、液化气中的≤C2 含量和≥C5 含量、稳定汽油的蒸气压。

2 横河先进控制技术介绍及先进控制策略

2.1 横河先进控制技术介绍

横河电机（YOKOGAWA）和壳牌公司（Shell Global Solutions）于1999年在先进控制技术（APC）领域进行结盟，共同进行APC 技术的发展。

APC 技术经实践证明，是一项卓越的控制与优化技术，能够为石油化工装置带来可持续的、可测量的经济效益。它能够提高装置的产量，节省装置的能源消耗。PACE 是由横河电机与壳牌公司联合开发的APC 组件。它将多变量控制、质量预估、复杂计算、非线性控制、RTO 接口以及用户自定义接口都集成在同一个平台内。这能够显著地节约APC 项目开发的时间，减少控制器维护的复杂程度，提高控制器的鲁棒性。PACE由离线设计工具和在线运行工具共同组成。

离线设计工具为数据管理、数据预处理、动态模型创建、控制器及其他应用的开发、进程管理和仿真场景设定提供一个统一的工作界面。

在线运行工具提供了一个内嵌的高速实时数据库，并且提供一个友好的人机交互界面和强大的执行引擎。

根据装置特点及横河电机在同类装置的实施经验，该装置先进控制包括3 个控制器，装置控制器结构如图1 所示。

图1 控制器结构

2.2 先进控制策略

催化裂化装置先进控制系统主要实现如下的控制功能：

（1）反应-再生单元先进控制：建立反应转化率和主要产品产率的软测量模型，建立反应-再生系统的约束控制、热平衡控制、产品质量控制和氧平衡控制，实现反应深度、产率分布和装置处理量的优化。

（2）主分馏单元先进控制：建立粗汽油干点和轻柴油95%点的软测量模型，建立主分馏塔产品质量控制和物料平衡控制，以实现改善产品质量、提高目标产品收率和降低能耗。

（3）吸收稳定单元先进控制：建立稳定汽油蒸汽压、液化气C5、C2 含量和干气C3 含量的软测量模型，建立吸收塔、解吸塔和稳定塔产品质量控制，以实现改善产品质量、提高目标产品收率和降低能耗。

3 控制效果

催化裂化装置先进控制系统投运后，取得了如下的控制效果：

（1）提高了装置对各种生产工况的适应能力和抗干扰能力，降低主要被控变量的平均标准差40%以上，达到了安全、稳定操作的目的，为装置的“卡边”优化奠定了基础。

（2）实现了反应转化率和主要产品产率和质量的及时、准确软测量计算，为产品质量控制提供了有力支撑。在此基础上，实现了装置处理量和掺渣量的优化。催化裂化装置先进控制系统投运前后部分重要变量的控制效果如图2 所示，粗汽油干点化验室分析值与软仪表计算值的对比效果如图3 所示。

图2 二再密相温度等控制效果对比图

图3 粗汽油干点化验室分析与软测量计算结果对比图

4 效益分析

根据装置标定，通过对比先进控制系统投运前后的装置标定和统计数据，催化裂化装置先进控制系统取得如下的应用效果：

（1）提高了装置的抗干扰能力，降低主要被控变量的平均标准差在30%以上，达到了安全、稳定操作的目的，为装置优化奠定了基础。

（2）有效地改善了催化裂化装置的产品质量，同时干气中丙烯质量含量减少4.17%，液体产品收率提高了0.3%。

（3）催化裂化装置的渣油掺炼量提高了0.52%，同时降低了产品损失。

5 结语

综上，根据项目标定时的测算，催化裂化装置先进控制系统投运后，可产生的直接经济效益超过400 万元。