青岛石化MIP工艺催化裂化的实时优化

——青岛催化裂化优化发表稿件 　　　　　　

摘要 本文介绍了采用相关积分优化器对MIP-CGP工艺的催化裂化装置实施自适应的实时优化。文中介绍了优化目标，优化变量，应用效果等情况。该优化器在1.4Mt/a重油催化裂化（RFCC）装置上工业应用的结果表明，系统运行平稳，反应再生的有关参数趋于稳定，装置能够自动适应原料性质的变化；液化气收率和总液体收率均有所增加，其中液化气收率提高2.31个百分点，总液收率提高1.07个百分点，干气收率和生焦率变化不大，经济效益增加了约60元/吨原料，取得了很好的优化效果。

1 概述

　　催化裂化装置的实时优化，有着较高的难度。其挑战性在于如何在多变的原料性质，装置改造，催化剂更新等情况下自动追踪最佳操作点，而不需要人为的干预，如重新建模，参数修改等等。本文介绍的一个应用实例，采用了相关积分优化技术，可以实现这种自适应的优化控制。
　　本例中的重油催化裂化装置,采用了中国石油化工科学研究院MIP-CGP技术，装置设计处理能力为1.4Mt/a。
2007年，针MIP-CGP工艺，使用北京优化佳控制技术有限公司的相关积分在线优化软件对该装置进行了在线优化。实时优化控制系统于2007年3月30日成功投入运行。该系统自投运以来，至今为止，系统稳定，运行良好，对装置的稳定控制，优化操作，特别是根据市场当前的原料、成品的价格自动调整装置的主要操作条件，使得产品的分布符合效益最大化的原则，起到了积极的作用。
　　该装置的实时优化，采用了最新的控制技术，可以在多变的原料及催化剂更新，装置改造，系统特性变化的条件下工作，自动寻找最适合当前工况的主要操作条件，使所设定的目标函数达到最大。该系统可以做到：

1. 长期，安全，稳定，可靠的闭环优化控制。
2. 以单一产品收率为目标函数，优化关键生产条件，使目标产品收率达到最大。
3. 多加工方案的优化生产。可分别对液态烃，汽油，柴油为主产品的加工方案进行优化操作，还可以对整个装置的总液收进行优化。
4. 产品分布的控制。在可能的条件下，既满足产品分布的要求，又可对主产品收率进行优化。
5. 整体经济效益优化。可以根据原料，成品的等的市场价格，自动调整主要操作变量，使整个装置的加工每桶原料所获得的经济效益达到最佳。
6. 自动在线优化装置的催化剂平均活性，使之与当前的加工方案达到最佳匹配。
7. 自动适应不可测因数，如加工原料性质的变化。
8. 自动适应操作状态，如装置加工量，掺渣比，催化剂的变化。
9. 允许部分变量优化。也就是一部分关键变量由计算机优化控制，另一部分变量由人工给定。
10. 采用自动容错优化控制技术。系统能进行故障检测和定位，通过自动决策器选定当前状态下的哪些优化变量应当离线，哪些可以在线，系统在许可的子空间中优化。
11. 应急系统。在突发紧急情况时有一套应急系统，确保生产安全。
12. 约束控制-优化协调先进控制。用于解决系统中的约束（如回炼油罐液位限制界）与优化控制系统的协调。

2 系统构成

该系统是二级计算机控制，由一组优化控制和先进控制子系统组成，包括：

1. 以液态烃为主产品的催化裂化优化控制系统
2. 以汽油为主产品的催化裂化优化控制系统
3. 以柴油为主产品的催化裂化优化控制系统
4. 以总液收为目标的催化裂化优化控制系统
5. 以装置经济效益为优化目标的催化裂化优化控制系统
6. 优化控制方案切换系统
7. 自动故障检测与容错优化控制系统
8. 回炼油罐液位-优化协调先进控制系统
9. 分馏塔液位-优化协调先进控制系统
10. 反应-再生催化剂平均活性优化控制系统
11. 应急处理系统
12. 实时累积收率和效益计算系统
13. 操作员和工程师界面
14. 汽油干点和柴油凝固点在线软测量
15. IV-B型FCC 新催化剂自动加料系统

2.1 优化控制方案

　　根据目前油品销售的市场情况，催化裂化加工方案的多变性，整个优化系统能适应不同的加工原料和生产不同的主产品。本优化控制系统可以适应五种加工方案：

1. 以液态烃为主产品的优化方案，控制柴油收率不小于某设定值。
2. 以汽油为主产品的优化方案，控制柴油收率不小于某设定值。
3. 以柴油为主产品的优化方案，控制液态烃收率不小于某设定值。
4. 以总液收为目标的优化方案。
5. 以装置整体经济效益为目标的优化方案。

2.2 目标函数

在以液态烃为主产品的优化方案中，将液态烃产率作为目标函数(OBJ)
OBJ=12小时液态烃产量/12小时装置处理量量
约束条件：柴油收率不小于25%（此值可人工设定）

在以汽油为主产品的优化方案中，以汽油收率为目标函数(OBJ)
OBJ=12小时汽油产量/12小时装置处理量量
约束条件：柴油收率不小于18%（此值可人工设定）

在以柴油为主产品的优化方案中，把柴油收率取为目标函数(OBJ)
OBJ=12小时柴油产量/12小时装置处理量量
其中：进装置油料流量=蜡油流量+一段油流量+减渣油流量
约束条件：液态烃收率不小于 10%（此值可人工设定）

在以总液收为目标的优化方案中，把液态烃+汽油+柴油12小时收率取为目标函数(OBJ)
OBJ=（12小时液态烃产量+12小时汽油产量+12小时柴油产量）/12小时装置处理量量

在以装置总经济效益为优化目标的方案中，装置的总经济效益(OBJ)

以上公式中的原料和成品的价格可以在工程师环境中随时进行修改。

这四个加工方案可以根据工艺调度的指令随时进行切换。

2.3 优化变量

　　在选择优化变量时，主要考虑反应-再生部分工艺中的那些重要的，同时又易于控制的变量。在本催化裂化装置中，取以下几个变量作为在线优化变量：

1. 第一反应器反应温度
2. 第二反应器催化剂藏量
3. 预提升蒸汽（蒸汽预提升工艺）
4. 预提升干气（干气预提升工艺）
5. 掺渣比
6. 原料油换热温度
7. 终止剂流量
8. 回炼油比
9. 油浆回炼比
10. 新催化剂加入量

2.4 约束条件

2.4.1优化变量的约束
　　在优化控制系统中，为了保正安全和过程的正常运作，所有的优化变量只能在某一许可范围内变化。这种许可范围就是优化变量的约束。在本系统中，每一个优化变量都设置了上界和下界。考虑到这些变量的约束可能会随着装置的操作状态，优化方案而变化，它们都能通过操作员界面根据需要人工设置。

2.4.2产品分布约束
　　在优化控制中，对主产品的优化可能会引起其它产品产率的下降。例如，在柴油优化方案中，柴油收率的增加就会造成液态烃收率的减少。而在实际生产过程中，有时会提出这样的要求：在液态烃收率不小于某个值的前提下尽可能提高柴油的收率。这种要求可视为一种约束优化。

在本优化系统中，加入了这种对产品分布的约束条件，如表4所示。

表2.1：各优化方案的产品分布的约束

表4中的约束条件的人工设定值可由工程师进行修改，或者把约束条件除去。

2.5 优化方法和优化软件

　　本装置的优化控制采用了相关积分优化技术。相关积分优化技术已经在炼油厂的酮苯脱蜡过程，催化裂化装置上得到应用，并历经了加工油品的更换，设备的检修、更新，经过了长期稳定运行的实践考验。

相关积分优化技术能够应用于大部分的连续生产过程。实践表明，这种方法具有以下的特点：

1) 无需预先建立系统的动态或静态模型。由于催化裂化过程的复杂性，建立精确的模型进行在线优化十分困难。而且一旦装置的部件更换或加工原料，催化剂发生大的变化，采用的过程模型必需重新调整或更新。而采用相关积分法则可以较容易地解决这一问题。

2）利用生产操作中的自然脉动工作，不需要加入人工的测试信号，优化时不会对过程的正常操作产生影响或干扰。

3)能很好地克服调优变量和目标函数中存在的特性未知的动态干扰。例如催化裂化加工原料性质的变化引起目标函数的波动，不会对调优过程产生大的影响。

4)强适应性。理论和实践表明，相关积分优化器对被优化系统的特性变化适应能力很强。例如由于设备更新使过程性质发生变化时，都能很好地工作。实际应用充分显示了该技术的这一优点。

　　本系统的优化软件使用的是北京优化佳控制技术有限公司的产品:Dynamic Correlation Integration Optimizer Express for FCC for Centum CS3000(FCC相关积分优化控制器横河Centum CS3000版。

2.6 回炼油罐液位-优化协调先进控制系统

　　为了保证优化过程中分馏塔底液位在正常范围内变化，系统中还对回炼比和新催化剂加入量这两个直接影响回炼油罐液位的变量加入了液位-优化协调先进控制。控制器按照一定规则，协调分馏塔底液位，回流油罐液位与优化控制这两个系统。尽量使分馏塔底液位和回流油罐液位在优化控制过程中保持在30%到70%之间。

2.7 容错优化和应急系统

　　该优化控制设有测量信号的异常检测系统。它每分钟巡查一次输入信号，如发现信号的不正常状况，会在操作员界面上发出报警信号，提醒操作员对相应仪表进行检查。同时，优化控制核心根据异常检测系统的检测结果，对优化控制进行重组，对受到异常测量信号影响的那些变量暂停优化，保持异常前的状态，而对不受异常测量信号影响的那些变量继续优化。当异常检测系统检测到测量信号的异常消失后，优化控制核心自动进行回复重组，恢复正常控制方式。

　　在装置出现紧急情况时，操作员可以起动应急系统。按动红色的应急按钮并确认后，应急系统立即将所有变量切出优化控制，同时把与优化控制有关的基本控制器从远程给定切为手动。把所有回路的控制权交给操作员。

当装置回复到正常状态后，操作员可按正常步骤将变量投入优化。

2.8 反应-再生催化剂平均活性优化控制系统

　　在反应过程中，针对不同的产品分布要求，存在着不同的最佳催化剂平均活性。本系统通过对新催化剂加料量的控制来调整系统催化剂的平均活性。而新催化剂的加料量通过一套IV-B型自动小加料装置进行。一个长周期的独立的优化控制器用一定的方法计算出最佳的加料量，通过DCS控制自动小加料装置进行新催化剂的脉冲加料。

2.9 IV-B型FCC 新催化剂自动加料系统

　　获得国家专利的（ZL 90 1 07310.5）IV-B型FCC 新催化剂自动加料系统是一种由DCS控制的脉冲式催化裂化装置新催化剂自动加料器。该加料器以脉冲方式加料，与其他的自动加料器相比，具有结构简单，工作可靠性高，寿命长等特点。与优化控制系统配合，可实现最佳新催化剂加料，对于调控催化剂活性，达到最佳产品分布起着重要作用。

2.10 控制结构

　　系统总体控制结构如图1所示，从逻辑上看为二级计算机控制方式。优化控制器作为客户端从与DCS相连的OPC Server中取得所需的测量信息，每分钟计算一次各变量间的相关积分，以及各变量与目标函数间的相关积分。优化器依据这些相关积分值，每十分钟计算一次给定值送往基本控制器执行。

如此循环往复，完成在线闭环优化控制。

2.11 人机界面

人机界面由操作员界面和工程师界面组成。
操作员界面主要完成在线检测数据的显示、报警及一般操作。
界面主要为一主操作画面，显示各优化变量的测量值，梯度值，优化值，优化控制器输出值，优化变量上限，优化变量下限，优化变量报警。以及系统的各种状态。
操作部分中，工人可以通过键盘或鼠标实现以下在线实时操作：任意一个或几个优化变量在任意时刻的手－自动切换，手动状态下手动给定值的改变，自动状态下自动给定值的干预。
工程师界面主要让工程师输入和修改系统必要数据，如各种约束条件，成品和原料的价格，优化方案的切换等。

3 应用效果

3.1 优化控制系统效果测试试验

　　为了考察优化控制系统的效果，我们对该系统组织了一次的测试，在这次优化测试中，优化方案为装置的经济效益。投运优化的变量为一反温度；二反藏量；预提升蒸汽流量；进料温度；新催化剂加料流量。其余量不变，不投优化。结果如图3.1,表3.1，3.2,3.3所示。

图3.1：优化前后经济效益对比情况

从图3.1可以看出，投运优化控制后，装置经济效益呈增长趋势，具体变化见表3.1。
表3.1：优化前后经济效益变化情况表

注：表中的经济效益值是取优化前后一段时间经济效益的平均值。

表3.2:优化前后优化变量测量值的变化情况

表3.3：投运优化后各种产品收率变化情况

注：表中具体收率数值是取各产品优化前后一段时间的累计收率平均值。

　　从以上的测试结果中可以看出，优化控制之后，一反应温度提高，二反藏量增加，预提升蒸汽流量减少，进料温度降低，这些变量的变化能够增加反应深度，而催化剂加入量减少可以降低成本。总的经济效益的变化有了一定的提高。考虑到经济效益优化方案体现了装置的综合性能，相对于其他优化方案具有更为现实的应用价值，因此，目前该装置以投运经济效益方案为主。
3．2 长期运行情况与讨论
　　系统投用后，由于其优越的性能和良好的效益，受到各个方面的广泛关注。自投用至目前除了装置因机械方面的原因系统短时间切出外，正常情况下保持投用状态。装置的运行环境大为改善，稳定性提高，效益增加。
笔者对比了运行前后各三个月的统计物料平衡，其结果见表3.4：

表3.4：投运优化前后各种产品收率变化统计情况

　　从上表可以看出，优化系统长期运行的结果与投用初期测试报告得出的结论具有一致性。经过长周期的、不断的优化和运行检验，其效果显著，经济效益增加。

　　投用后，反应生焦率明显降低，总液收显著提高。由于反应生焦率降低，再生器稀、密相温度控制更加平稳、合理。
催化剂加剂均衡、活性稳定，单耗降低。
　　预提升蒸汽流量随反应优化的需要由控制阀自动调节，使液态烃中的丙烯浓度升高。
　　由于反应生焦率降低，反应深度可以进一步加大，汽油和液化气收率提高明显，轻柴油收率明显下降，达到了催化裂化多产丙烯的目的。