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    IDA智能全馏程在线分析仪在催化装置上的应用

    IDA智能全馏程在线分析仪在催化装置上的应用

       

     中国石化股份有限公司沧州分公司   质量管理处    061000

      要:   沧州石化公司于2010年下半年,在催化装置粗汽油和轻柴油馏出口线分别投用了两台IDA系列防爆智能全馏程在线分析仪,用于实时监视生产过程馏分质量参数的动态变化,并通过装置DCS计算机上的APC质量先进控制软件系统,实现分馏塔粗汽油干点和轻柴油95%点的在线质量监测和控制,通过两年多的实际应用表明,该两套在线分析系统的投用,对保证装置的汽柴油产品质量,提高轻质油收率,减少人工化验分析次数及劳动强度,起到了十分积极的作用,为在我公司其他生产装置如:常减压、延迟焦化、汽柴油加氢和重整催化等装置的进一步推广应用,起到了很好的示范作用。

       关键词:全馏程   在线分析仪  质量监测   数据分析

     

    1        现状分析

    沧州分公司催化裂化装置馏出口的粗汽油和柴油,是该生产装置的两大主要产品,目前,粗汽油干点和柴油95%点质量指标的获得,是通过人工定时(四到八小时一次)采样化验分析获得的。车间工艺人员依据人工化验结果,对相关工艺参数进行适当的调整,使粗汽油干点和柴油95%点维持在要求的控制范围之内。由于分析间隔时间太长,其间的质量波动情况无法预测,操作人员只能凭经验进行相关的质量控制操作,造成产品质量的不够稳定和相关工艺的调整效率不高。为了保证产品质量的合格,操作人员通常都采取保守操作,也就是使粗汽油干点和柴油95%点适当远离质量上限值。而如此一来,必然以牺牲汽油和柴油的收率为代价。

    在炼油生产过程中和石油产品的应用上,馏程是表征油品的质量和应用性质的重要指标,它能够反映油品轻重成分的分布情况,是炼厂分析频度最高,分析工作量最大的分析项目。如果能够及时准确地获取到这一信息,生产操作人员就能及时了解掌握全塔各类产品的分配比例及质量情况,及时调整塔内温度、压力和回流量等参数,使各种组分处于最佳分配状态,使效益最大化,同时,在保证馏出口油品质量合格的前提之下,通过在线质量测量和优化控制等手段,尽可能多地提高轻质油收率,如:降低粗汽油干点和柴油95%点的余量,将重质成分蜡油或油浆中所含剩余部分的轻组分尽可能多的提炼出来,实现卡边生产,从而能够获得更大的经济效益。

    2  智能全馏程在线分析系统的应用

    为了提高柴油和汽油的收率,以及产品一次合格率,保证产品质量,便于生产操作人员对工艺参数及产品质量进行更为精确调整,实现催化装置的先进控制,沧州分公司与北京清大长青控制设备有限公司合作开发催化装置在线质量测量和优化控制技术,经市场调研、性能比较,引进了通力分析自控技术有限公司生产的IDA系列智能汽油和柴油全馏程在线分析系统,完成对催化装置汽油和柴油两种馏分的初馏点、10%点、50%点、90%点、95%点及终馏点的在线测量。该套分析仪系统于201010月于装置停工大修期间进行安装,201012月初投入试运行,经过工况适应性改造、调试、运行和数据比对,达到分析系统运行正常、稳定的要求,于2012530通过全面验收,进入正式运行。该系统利用在线质量分析技术能够快速、准确地获得油品的质量指标化验值,通过更及时、更具有代表性的真实馏程分析数据,开发优化先进控制算法,及时进行前馈补偿,修正软测量模型,大幅度提高软测量精度,从而提高先进控制技术的有效性和投用率,及时对相关的工艺参数进行自动的调整,进而使质量先进控制实现真正意义上的卡边生产,获取经济效益。

    2.1   IDA智能全馏程在线分析仪工艺介质条件及技术指标

    测量介质: 催化裂化装置粗汽油和柴油。

    测量精度:  符合GBT6536-1997《石油产品馏测定法》的准确度标准。

    重 复 性: £±2

    稳 定 性: £±2

    量程范围: 汽油:0250℃;柴油:0410

    分析周期: 汽油£25min;柴油£35min

    2.2  系统组成

    2.2.1 分析仪

    智能全馏程在线分析仪(其中:汽油IDA-011,柴油IDA-013)

    2.22 样品预处理系统

    包括: 冷却器、自清洗过滤器、脱水脱气脱杂精滤稳流器、防爆电磁阀、温度表、压力表及阀组等。

    2.2.3 专用信号转换器  

    在装置操作室DCS没有配备专门数据通讯接口的情况下,所配备转换器将数据信号转换成多路模拟信号送入DCS

    2.2.3 专用样品回收系统

         样品回收系统由一个不锈钢回油罐,两个可切换的进口防爆电动涡轮泵和液位自动控制系统组成,当液位达到回油罐上限液位时液位控制系统立刻启动涡轮泵将罐中的油抽出到工艺管中;当液位达到回油罐下限液位时控制系统将涡轮泵的供电断开,停止抽油。

    2.2.4 专用不锈钢分析小屋

        分析小屋配备全套水、电、风、油管线及阀门,防爆照明、抽风机、可燃气体报警装置等。全套分析仪设备及样品回收系统置于小屋内。

    2.3工作原理及简要分析过程

    IDA全馏程在线分析仪所采用的分析原理与国标石油产品馏程定法GBT6536-1997分析方法有很高的吻合度,因此,从初馏点至终馏点(或干点)的全部测量结果与人工分析数据都表现出很好的拟合度。其分析过程为:来自工艺管线快速回路采样管线的被测样品,经伴热或冷却处理,进入样品预处理系统进行过滤、脱水、脱杂、精过滤等处理后,在分析仪控制单元的控制下,通过特别设计的定量组件被精确定量地注入分馏器。然后,启动加热程序,对分馏器中的被测油样按特定的控制算法和模型进行持续的加热控制,并对整个加热分馏过程的温度、压力和分馏速度等参量进行实时监测控制,使其保持持续稳定的蒸发状态,其蒸发的气相馏分经冷却环节再度被冷却至液相,此过程一直维持到分馏器中的油样被完全蒸发尽为止。控制单元微处理机根据蒸馏过程所记录的相关温度和压力等参数计算出分析结果(初馏点、10%50%90%95%、终馏点),并在分析仪彩色液晶上显示,同时,通过RS485通讯接口传至装置操作室DCS控制系统,或所配置的远程专用数据处理显示终端。一个分析周期完成后,重新开始对分馏器进行冷却和冲洗,进入下一周期的循环分析过程。系统配置有样品回收系统,将分析后的油样经回收,并送入工艺回油管路。

    样品回收系统由一个不锈钢回油罐,两个可切换的进口防爆电动涡轮泵和液位自动控制系统组成,当液位达到回油罐上限液位时液位控制系统立刻启动涡轮泵将罐中的油抽出到工艺管中;当液位达到回油罐下限液位时控制系统将涡轮泵的供电断开,停止抽油。

    分析仪配备有较为完善的故障自诊断处理功能,当现场出现断电、油压、水压、气压等过高或过低等情况出现时,分析仪随之停止工作,并显示故障状态及故障类别,提示需要人为进行干预或进行处理。分析仪正常工作情况下,其分析数据是通过通讯接口RS485传至专用信号转换器IRS-1的,转换器IRS-1再把数据转换成多路4~20mA模拟信号传给DCS。如果DCS计算机上装配RS485通讯卡,则可通过在DCS计算机上进行组态,将在线分析仪测量数据直接以数字量的形式接收并显示,同时,可通过对接收到的分析仪状态信息判断分析仪目前所处的工作工作状态,如果分析仪已经出现故障,就可将其故障类别等情况在DCS计算机上显示出来并报警。

    2.5系统结构

    系统主要由控制单元、分析检测单元、样品处理系统和专用数据处理显示终端四部分组成。系统结构如图1所示。控制单元和分析检测单元分别装在防爆控制箱和防爆分析箱内,两个防爆箱体并列固定在适合于现场安装用的独立机架上。样品处理系统也固定在该机架底座上。专用数据处理显示终端安装在操作室仪表盘。控制箱箱盖上部安装有彩色液晶显示器,用于显示分析检测数据和分析仪当前工作状态等信息。分析检测单元装在分析箱内。

    样品处理单元是保证在线分析仪可靠工作必不可少的组成部分。它的主要构件有冷却器、自清式过滤器、双路精过滤器、清洗罐系统、压力指示表、温度指示表、减压阀和相应阀门组件等。

                       

     

     1   系统结构示意图

     

    在一个分析周期中,分析仪对油样温度压力水压和气源压力等参数持续进行全过程的监测。一旦检测到任何一个参数不符合规定要求,分析仪就会停止当前工作,处于待机状态,如果自检参数(油样温度压力水压﹑气源压力等)符合规定要求,分析仪就将按“排样→进样→进样清洗→空气清洗→定量进样→初馏点加热→分馏加热→干点加热→数据统计和冷却→”的步骤正常运行,直至完成整个分析过程。当一个分析周期正常结束后,液晶显示器上显示如图2所示画面:

    IDA系列智能全馏程在线析仪

    初馏点  10%    50%    90%    95%   干点

     

    156.2 196.0 232.0 281.9 291.1 298.8

     

    被测介质  汽油   煤油   柴油

     

    工作状态  分析仪正在进行数据统计和冷却

     

     



     

    2   分析仪液晶显示画面  

     

    3  在线分析数据及可靠性的验证

    在线分析仪投入运行后,其运行的准确性和可靠性是使用人员最为关心的,首先说准确性,在工艺平稳或大幅波动的情况下在线分析仪与人工化验分析数据都能够始终保持很好的吻合,这样才能消除使用人员对在线分析仪分析数据的担心,放心大胆地依据在线分析仪分析数据对相关的生产工艺参数进行调整,同时无顾虑地减少人工化验分析频次或进一步取消人工化验分析。其次,在线分析仪在实际现场长周期运行的可靠性和稳定性,则更是人们关心的重点,如果一台在线分析仪尽管分析数据很准确,但是经常出现问题和故障,不能够长期稳定地提供分析数据,使用者也会对投用的分析仪兴趣大减,只有能够长周期在场都能够既准确又可靠运行,在线分析仪的投用才具有真正的意义。

    正是基于上述方面的考虑,我们对已投用一定时间的这两台在线全馏程分析仪的运行数据进行了验证,采取在线分析仪分析数据和化验分析数据,做跟踪比对。数据比对方式分为两种,一种为按照质检中心采样时间对应PI系统相应时间的数据;第二种为直接在分析小屋处采样的比对方式,使仪表采集样品与人工采集样品一致,具体步骤:采样时间为分析仪进入初馏点加热时采样,并以分析仪该批加热完成所得出的数据与人工取样化验分析的对比数据。

    3.1  直接在分析小屋处采样的比对

    2012418422采取直接在分析小屋处采样的比对方式,对汽油干点和柴油95%进行考查,对比30组数据汇总,见表1

     

    1   201241822日分析小屋处采样数据比对结果

    催化柴油95%    

    催化汽油干点  

     

    在线

    化验

    在线-化验
    差值

     

    在线

    化验

    在线-化验
    差值

    最大值

    362.49

    365

    4.90

    最大值

    206.00

    205.00

    3.64

    最小值

    356.61

    353

    0.12

    最小值

    201.20

    199.00

    0.26

    平均值

    359.46

    359.53

    1.47

    平均值

    203.30

    202.16

    1.43

    58510进行第二批小屋采样的对比,共比对10组数据,见表2

     

    2    5月8至10日第二批小屋采样数据比对结果

     

     

     

    催化汽油干点  

    催化柴油95%    

    在线

    化验

    在线-化验
    差值

    在线

    化验

    在线-化验差值

    平均值

    202.30

    202.00

    -0.30

    359.33

    361.67

    2.33

    3.2质检中心采样时间对应PI系统相应时间的比对

    514520采取质检中心采样时间对应PI系统相应时间的数据对比方式,共42组数据汇总,见表3.

    3    51420日质检中心采样时间对应PI系统相应时间的数据

    时间

    在线汽油干点

    化验

    在线-化验
    差值

    时间

    在线柴油95%

    化验

    在线-化验
    差值

    平均值

    204.16

    203.55

    0.61

    平均值

    362.86

    364.21

    -1.35

     

    51452042组数据绘制对比趋势图,见下图3

    3   51420日对比趋势图

    3.3  数据分析

    3.3.1   1数据由4181220白天分析小屋内取样,以及18日至22日馏出口成绩和在线仪表数据对比两部分组成,馏出口采样对比时采样点与在线分析仪表虽然在同一根管线上,但是两处相距较远,分析时间不能做到完全同时,会造成一定的误差。催化汽油以馏程的终馏点作为关键指标;催化柴油以馏程的95%点作为关键指标。从表1可以看出:在线分析仪表数据平稳,未出现较大波动或离群数据。

    3.3.2  1中催化汽油在线数据与化验数据的绝对差值最大为3.64,最小为0.26,平均值为1.43;催化柴油在线数据与化验数据的绝对差值最大为4.90,最小为0.12,平均值为1.47;表3中,汽油平均差值为0.61,柴油的平均差值为-1.35均满足生产对汽油终馏点和柴油95%点的控制要求。由图3数据趋势图对数据进行曲线分析,在线仪表数据趋势与化验数据趋势基本吻合,系统的测量跟踪性能、连续性较好。

    3.4 运行可靠性分析

    在分析仪投用期间,使用维护人员始终对两台分析仪的可靠和稳定性予以更多的关注,并对运行当中出现的影响其稳定正常工作的情况进行分析解决。此期间,较严重影响分析仪正常运行的情况出现过两次,第一次为催化汽油和柴油的含水情况较严重,这对依据恩式蒸馏工作的在线分析仪的实际正常工作有很大的影响,严重时其分析仪数据会有较大的偏离,为此,使用方和分析仪厂商共同对分析仪样品预处理系统进行了进一步的改进,增加了一级脱水环节等措施,之后的运行过程对含水的影响得到了很好的克服,分析数据很少再出现因水的因素而偏离的现象。影响分析仪运行较严重的情况第二次发生在进入夏季之后,生产装置的用水量明显增大,以至于到达分析仪的供水压力严重不足,使得依靠水流产生负压的柴油分析仪因负压不足而无法正常工作。对于此情况,使用方和分析仪厂商针对现场的情况,设计组装了一套机械真空装置,代替原来的依靠水流产生负压的喷射器装置,从而,使分析仪完全不受水压不稳和过低时所造成的影响。

    通过后来一年多的实际运行,表明油品含水严重或供水压力不稳或压力过低等情况下,两套分析仪仍然能够稳定可靠地运行,长期连续不断地给装置操作室提供正确的分析数据。

    4.全馏程在线仪与APC先进控制软件结合实现分馏塔质量控制

    在装置馏出口投用在线分析仪的主要目的之一是要尽可能减少人工化验的频次或取消人工分析,再一个更为重要的目的就是要配合操作室DCS计算机上的APC先进控制系统,对催化分馏塔进行先进优化控制,使馏出口的粗汽油干点和柴油95%点质量参数实现闭环控制,实现卡边生产,提高轻质油收率。

    4即为催化分馏塔的APC质量控制模型,该模型方案的特点是:对馏出口的粗汽油干点和柴油95%点的获得是一方面通过DCS计算机对分馏塔内的塔顶压力和温度、塔顶回流、塔底温度等相关的常规参量通过软测量计算出粗汽油干点和柴油95%点质量参数,另一方面是控制系统通过在线分析仪获得粗汽油干点和柴油95%点,并用获得的在线分析仪的数据对软计算的粗汽油干点和柴油95%点进行修正,然后,利用修正后的干点和95%点数据输入到APC控制软件包,再去对分馏塔的相关参量进行控制,从而,达到对粗汽油干点和柴油95%点进行先进控制的目的。

    上述过程的特点是:充分发挥了软计算和在线分析仪各自的特点,即软计算快速实时性强,但所计算的质量数据易受工艺方案的改变和原油性质变化的影响。而在线分析仪分析数据准确性高,受工艺及原油性质变化影响少,但存在一定的滞后。通过将两者有机的结合,充分发挥各自的优势,从而使对该催化粗汽油干点和柴油95%点的优化控制达到最佳的效果。

    4   沧州石化催化柴油95%点和汽油干点APC先进控制模型

    5   结论

    油品质量在线分析仪器目前在国内各炼厂的使用较少,应用十分成功的案例不是很多,原因是在线分析仪系统的应用难度大,涉及面多,对分析仪的要求高,就目前而言,对于装置馏出口的绝大多分析都是依靠人工化验来完成的。因此,能够成功应用的案例对增强人们应用油品质量在线分析仪的信心,推广该技术在石化企业各炼厂的普及应用意义重大。尤其当前各炼厂都在减员增效,对装置实施APC先进控制,因此,十分需要通过大量投用在线分析仪来减少人工化验分析的频次和数量或进一步取消对馏出口的人工化验,配合装置操作室DCS计算机上的APC实现油品质量的优化先进控制。

    沧州石化催化装置投用的两台IDA系列汽油和柴油全馏程在线分析系统,通过在

     

     

     

     

     

     

      

     

     

     

     

    对比期间内分析仪的连续长周期运行,分析系统运行稳定,在线仪表数据与化验数据相差较小,数据趋势与化验数据趋势吻合,对工艺生产具有很好的指导作用,尤其在工艺参数及产品质量出现大幅度变化和波动时,对工艺操作的指导作用尤为显著。对提高产品一次合格率,保证产品质量,提高柴油和汽油的收率,实现催化装置的先进控制等都产生了重要的作用。

     

     

     

    作者简介:赵蕊,女,1974年出生,工程师,从事质量管理及在线分析仪表管理工作。