汽油在线调合（共7篇）
汽油在线调合 篇1
1 引言
油品在线调合系统在世界上始于20世纪80年代, 80年代末和90年代初在全球各大炼油厂大规模实施, 并取得了很大的投资回报率, 其效益主要来自减少质量过剩, 更多地使用低成本组分油, 降低库存, 减少成品库容, 避免操作事故等方面。经过十几年不断完善, 汽油在线调合技术已经非常成熟, 在国内也逐渐得到成功应用。
近年来, 随着调合组分的种类增多 (催化汽油、MTBE、甲苯等多种汽油调合组分) , 以及汽油调合产品需要控制指标的增多 (包括RON、MON、烯烃、芳烃、苯等组分的含量) , 特别是更加苛刻的产品质量控制要求, 都使得汽油调合过程更为复杂和困难, 也对调合方案的准确制定及调合过程的自动控制提出了更高要求。兰州石化分公司原有的调合调度和计量的操作方式已不能满足未来汽油的生产控制要求, 与采用新工艺、新技术的生产装置相比, 目前的汽油调合手段已经在一定程度上制约了兰州石化分公司汽油产品的生产。通过实施汽油在线调合系统项目, 一方面可以减少质量过剩, 降低生产成本, 提高调合成功率和缩短调合周期;另一方面, 可以满足产品环保和出口要求。因而, 为了能够及时、高效地生产满足市场需求的清洁汽油, 中国石油兰州石化公司启动了汽油在线调合系统项目, 项目内容包括调合工艺改造、罐区改造、近红外在线分析仪投用、离线调度优化和在线优化控制系统的实施等。汽油在线调合系统采用美国Honeywell软件, 近红外在线分析仪采用美国GuidedWave产品。
2 汽油在线调合系统运行平台及软件功能
2.1 汽油在线调合的系统硬件平台
汽油在线调合软件和现场设备的控制都需要通过计算机和DCS来实现, 图1给出了汽油在线调合系统的硬件结构。
2.2 汽油在线调合的系统软件结构
汽油在线调合的软件主要包括BPC和BRC两个部分。软件功能方框图如图2所示, 图中描述了系统框架和每个软件的作用, 以及所在层次和相互之间的关联。
2.3 BPC (Blend Property Control) 主要功能
BPC为在线调合提供先进的质量控制和优化方案。BPC应用在ULP计算机 (运行APP的Windows计算机) 和TPS局部控制网络 (LCN) 的硬件平台上, 通过与BRC之间的接口, 将基本组份的比例控制和质量优化控制完全集成在一起。
在优化周期内, BPC 通过分析仪的反馈可监测调合产品的属性, 并自动调节调合头各组分的比率直至达到调合产品的规格要求。BPC通过与BRC之间的接口实现在线的、非线性的实时调合优化。
2.4 BRC (Blend Ratio Control) 主要功能
BRC是汽油在线调合的执行机构, 能够监视和控制调合组分的流量和体积, 根据配方控制组分的比率和添加剂的量;能够自动启动、运行和关闭调合头及其相关设备。
BRC软件安装在TPS和Windows 2000 的平台上。在TPS平台上, BRC包含有一套内置在AM和HPM中的程序。在AM层实现调合过程的监控功能, 在HPM层实现调合过程的常规控制功能。比如:调合头的执行指令由AM来下达, 而HPM会对来自AM的指令做出响应, 提供输入/输出 (I/O) 和关键控制功能。这些内置程序, 再加上标准控制算法, 共同实现监视和控制产品在线调合的功能。
3 近红外在线分析仪及其实施
汽油在线调合系统使用GuidedWave近红外在线分析仪作为产品质量的反馈, 构成闭环的优化控制回路。近红外分析技术是集光谱学、化学计量学、光学、计算机等技术为一体的高新技术, 要完成一个良好的近红外分析, 必须具备:运行稳定、可靠的光谱仪;科学、先进的定量和定性软件;包含有足够代表性样品数据的分析模型。GuidedWave M310近红外在线分析仪利用光路切换技术将光信号传输到直接安装在工艺管线上的多个探头上, 利用近红外光辐射从现场管线物料中获取光谱数据, 使用偏最小二乘法建立的分析模型, 对这些光谱数据进行分析, 从而得到物料的各参数数据。
在线分析仪的成品汽油模型共开发了90#汽油、93#汽油和97#汽油。开发的成品汽油模型精度较高, 从2007年7月至2008年7月一年的调合结果统计来看, 90号车用汽油调合407罐次, 93号车用汽油调合333罐次, 97号车用汽油调合115罐次, 具体误差情况见表1。误差在±0.3之内的数据高达91.23%。
4 系统应用效果
汽油在线调合系统结合近红外在线分析仪的反馈数据, 根据设定的成品油控制目标, 减小了抗爆指数和研究法辛烷值的质量过剩, 将烯烃含量、芳烃含量等控制在要求的范围内, 降低了成品油的生产成本和重调率, 提高了罐区操作的安全性。
4.1 实现组份油调合体积的精确控制, 保证调合操作安全
在比例控制阶段, BRC能够通过流控器精确控制各组分的体积流量, 忠实地按照给定的配方进行调合;而且能够对调合过程中出现的异常情况做出及时响应:根据组态, 当出现异常情况时, 或者由BRC自动采取对应动作, 或者提供报警、提示信息, 由操作工根据现场情况采取相应措施。
4.2 提高产品质量, 降低质量过剩
通过引进近红外在线分析仪, 可以实时测量组分油和调合总管产品的质量。汽油在线调合过程中近红外在线分析仪及时将产品和各组份油的性质反馈到BPC, BPC通过分析仪提供的数据, 依据设定的质量指标范围, 综合考虑各组分油的成本、性质等信息, 对配方进行优化计算, 通过现场流控阀、流量计等设备重新调整各组份油比例, 每5分钟一个优化周期, 直至一批调合结束。调合优化结果不但使调合油的各质量指标达到控制要求, 而且使产品的质量过剩最小, 避免资源浪费, 大大降低了成品油的质量过剩。在线调合系统投用前后的数据对比如表2所示。
5 结束语
汽油在线调合通过对调合规律的深入研究建立正确的调合模型, 并借助汽油产品质量的在线监测和自动控制系统, 实现汽油调合的自动、在线运行, 既能够保证调合过程的稳定性和连续性, 实现产品质量指标被严格控制的目的, 又能够根据上游调合组份的实际生产情况实时、在线调整各调合组份的比例, 在满足产品质量要求的前提下, 实现汽油调合过程经济效益的最大化。
摘要：对汽油调合系统的在线优化控制及近红外在线分析技术在调合中的应用做了较为深入的研究。并详述了兰州石化公司应用Honeywell在线调合软件和近红外在线分析技术, 实施汽油在线调合系统。着重介绍了汽油在线调合软件的主要功能及在线分析仪的应用, 分析了实施汽油在线调合系统后带来的效果。
关键词：汽油在线调合,近红外在线分析仪,研究法辛烷值,优化控制
参考文献
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[3]陈巨星, 张慧跃.汽油在线调合系统及其应用[J].石油化工设计, 2008 (3) .
兰州石化汽油在线管道调合的应用 篇2
关键词：汽油,管道,调合
目前国内外汽油调合工艺常用的主要有两大类, 即罐式调合和管道调合。罐式调合油品损耗大、能源消耗多, 同时由于人工操作, 调合比例不易精确控制, 一次调合合格率低, 调合成本高;管道调合为自动化连续生产, 是采用在线辛烷值分析仪和计算机控制的DCS系统, 连续测定调合油的辛烷值情况, 通过调节各组份的流量使调合汽油的辛烷值达到预定值, 从而组成辛烷值闭环质量调节系统的一项新的调合技术。它既能充分挖掘汽油组分辛烷值的潜力, 增产高牌号汽油产品, 避免汽油辛烷值超标造成质量过剩浪费;又能避免汽油辛烷值低于要求而带来二次调合造成的损失。因此, 在车用汽油调合中各组份的调合比及辛烷值可以严格控制, 降低成本。同时管道在线调合为连续生产, 调合时间短、物料损耗少、节约能源、调合比例精确, 确保生产低成本、高质量的产品。因此汽油调合作为炼油厂生产成品油的最后一个环节, 调合效益在生产企业的经济效益中占有举足轻重的地位。因为调合方式决定了成品汽油的质量和生产成本, 选用合理的调合方法特别是低辛烷值油的参调, 不仅是炼油化工企业在市场竞争中取得有利地位的重要保障, 同时为有效解决低辛烷值汽油的处理难题提供了一个极好机遇。
1 国内外汽油调合的现状
由于各组分汽油间存在复杂的调合效应, 使得对调合最终成品的辛烷值预测或计算变得十分困难, 所以罐式调合方式作为传统罐的调合方法, 配方一般趋于保守, 调合成品油的辛烷值通常比所要求的质量指标要高得多。解决此问题既经济又可靠的办法是应用先进的管道调合优化控制方法, 即一个包含多种技术的综合方法, 其实现是由以线性及非线性规划为基础的优化、质量反馈控制和调合监控的软件和硬件组成, 以期能实现最重要的调合目标:把质量高于规格要求的情况减少到最少, 尽可能减少重调次数;尽量少用价格较昂贵的组分 (如重整汽油和MTBE 等) , 以调合出成本最低、效益最高的优质汽油;采用在线质量分析仪精确控制产品质量指标;减少调合组分和成品汽油的库存量。
油品在线调合系统始于20世纪80年代, 在80年代末和90年代初在全球各大炼油厂大规模实施, 并取得了很大的投资回报率, 其效益主要来自减少质量过剩, 更多地使用低成本组份油, 降低库存, 减少成品库容, 避免操作事故等方面。如美国Haverly Systems公司H/BOSS调合优化监控系统, 已在全球6家炼油厂中使用;美国Honeywell公司于1993年推出了一种在线优化控制和离线配方计算相结合的调合监控软件, 已在20多家炼油厂中使用等等, 所有这些优化软件的使用, 能有效降低成品汽油的辛烷值、雷德蒸气压和烯烃含量等质量指标富余量, 从而大大降低调合成本, 提高企业的经济效益。经过十几年不断完善, 汽油在线调合技术已经非常成熟, 在国内也逐渐得到成功应用。2003年大连石化公司引进美国Honeywell公司的管道自动调合先进控制系统, 率先在国内首次实现了汽油在线管道优化调合, 并取得了显著的经济效益。
2 汽油管道优化自动调合系统
2.1 汽油在线调合的运行平台与操作过程
汽油在线调合系统项目是一项涉及到多个部门、多种专业, 以及多种工艺、设备和自动化技术共同搭建的复杂项目。兰州石化汽油在线调合项目主要包括下面四个部分的内容:在线调合工艺和控制方案设计、现场工艺改造、近红外在线分析仪的建模、在线调合软件的功能设计与实施。
汽油在线调合软件和现场设备的控制都需要通过计算机和DCS来实现, 下图给出了与汽油在线调合系统相关的计算机、DCS组件以及测量油品质量数据的近红外在线分析仪。
从图1可看出, 汽油调合系统的运行平台包括:
(1) 一台计算机:用作域控制器, 实现整个网络的安全访问。
(2) 一套霍尼韦尔DCS, 包括:GUS工作站, 用于工程师组态以及操作工的操作和监控;APP节点, 用于运行调合优化控制软件和调合比率控制软件;DCS历史模件 (HM) , 用于存储历史信息和现场数据;HPM模件, 用于执行基本的控制功能以及与在线分析仪的通讯。
(3) 一套Guided Wave近红外在线分析仪:用于实时测量组份油和调合总管上的质量数据, 并传输给DCS。
2.2 汽油在线调合的原则工艺流程
根据兰州石化原有的工艺流程和生产需求, 同时结合汽油在线调合软件的功能, 给出了汽油在线调合系统的技术解决方案, 其原则工艺流程如图2所示。
兰州石化参与调合的组份油共有10种, 分别为催化汽油、重整汽油、异辛烷、MTBE、非芳烃、高辛烷值汽油、直馏汽油、重芳烃、甲苯和二甲苯。除催化汽油外, 其它各组分油通过各自的输送泵经流量计、调节阀在线调合后进入混合器, 经混合后进入成品油罐。根据组份油性质的变化频度和幅度安装了近红外在线分析仪, 以实时反馈调合各组份油的质量状况, 另外在调合总管上也安装了近红外在线分析仪, 以实时反馈调合成品油的质量。
2.3 在线检测分析仪的工作原理及其模型建立
汽油在线管道调合最关键的设备就是在线检测分析仪, 兰州石化公司目前使用的Guided Wave M310近红外在线分析仪, 选用美国UOP公司近红外 (Near Infra-red Analyzer, 简称“NIR”) 分析仪, 分析仪系统与DCS之间建立了通讯, M310型近红外在线分析仪的系统构成如图3所示。从图3可以看出, M310型近红外在线分析仪系统主要包括以下组成部分。
(1) 独到双光束光路设计, 参比光束与测量光束分开, 保证了光谱仪的稳定、连续、高精度的测量。
(2) 专利的光路切换技术, 将光源通过电磁开关切换到不同的光纤电缆中, 远远快于试样切换技术, 可保证秒级的流路分析。
(3) 功能完善的分析仪稳定性监视系统, 具有自诊断功能, 在异常情况下可迅速判断系统问题所在。
(4) 依据实际自行建立了直馏汽油、催化汽油、生成油、异辛烷、非芳烃和MTBE六种组份油的模型和90#、93#、97#三种成品油的模型。每个模型检测和控制汽油的研究法辛烷值、马达法辛烷值、抗爆指数、烯烃、芳烃和苯含量。
3 实施效果
该系统通常由下位机DCS 、上位机PC、管道调合器以及辛烷值在线分析仪等组成。其中上位机用来设定调合系统基本参数并进行各组分汽油参调流量的优化计算, 下位机主要实现成品汽油辛烷值的卡边控制。基础级控制对象为流量和压力等, 功能主要包括采集现场数据并进行相应预处理, 应用DCS 组态功能实现基本回路控制;质量控制级控制对象是辛烷值, 可由DCS 中自编的先进控制软件完成, 也可由上位机先进控制软件实现;优化级控制目标是配方优化和在线辛烷值设定值调整以实现质量卡边控制, 由上位机实现;协调级主要接受厂调度部门根据市场需求给出的调度指令, 实时调整调合汽油品种, 即根据调度指令自动修正调合汽油有关性能指标, 同时具有处理偶然发生特殊事件的功能。
汽油调合关键在于质量卡边控制, 这里以汽油辛烷值的卡边控制为例说明。汽油调合优化控制包括静态优化和动态优化控制:静态优化离线进行, 根据各调合组分汽油的实验室数据和调度的指令确定初始调合配比;动态优化是根据在线辛烷值仪测得的调合汽油辛烷值和参调组分汽油辛烷值动态修改调合配比, 使调合汽油辛烷值稳定在设定值。静态优化在上位机中实现, 动态优化则在DCS 中实时进行, 上位机主要功能是实现离线配方优化、在线辛烷值设定值调整和现场数据处理以及组分汽油流量实时控制等管理工作。进入调合状态后, 根据辛烷值随时间与流量的累积情况实时动态调整DCS 辛烷值控制器的设定值。模型参数确定模块主要是从各参调组分汽油的实验室数据确定非线性模型参数, 另外它还具有根据调合数据实时修正模型参数的能力。通信模块功能是用来实现DCS 和上位机的联系, 供其他相关模块调用, 包括发送控制信号和读入DCS 从现场采集的数据。用户界面是整个软件的管理中心, 主要功能是提供给操作者一个交互的工作环境, 输入数据和指令, 调用相关功能模块, 并显示结果。优化控制模块包括两个子功能:离线配方计算和在线辛烷值设定值控制。考虑到在线仪表的精确度和调合汽油在输送过程中的特性可能发生变化, 调合成品汽油一般先要进罐, 以便在出厂前对其质量指标重新测定。
4 总结
管道调合为自动化连续生产, 是采用在线辛烷值分析仪和计算机控制的DCS系统, 连续测定调合油的辛烷值情况, 通过调节各组份的流量使调合汽油的辛烷值达到预定值, 从而组成辛烷值闭环质量调节系统的一项新的调和技术。汽油在线调合通过对调合规律的深入研究建立正确的调合模型, 并借助汽油产品质量的在线监测和自动控制系统, 实现汽油调合的自动、在线运行。
既能够保证调合过程的稳定性和连续性, 实现产品质量指标被严格控制的目的, 又能够根据上游调合组份的实际生产情况实时、在线调整各调合组份的比例。采用汽油管道自动调合优化控制系统可大幅度减少MTBE 及其他高辛烷值汽油组分的参调量, 消除产品汽油中辛烷值指标的富余量和重复调合, 实现质量卡边控制。在保证调合汽油质量合格前提下, 汽油管道调合优化控制可更多使用廉价组分油, 优化与合理使用各汽油组分, 发挥组分汽油间的正调合效应, 降低操作成本, 减少对储罐的需求量, 由此带来的经济效益将十分巨大。
参考文献
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汽油在线调合 篇3
随着我国人民生活水平的不断提高,人们对环境保护的意识也逐渐增强,在油品工业日新月异的今天,在汽油经历了含铅、低铅、无铅、高辛烷值的几个发展过程后,进入了清洁汽油的时代,欧、美、日等国家已进入新配方汽油阶段,新配方汽油主要限制硫、苯、芳烃和烯烃含量。从世界燃油发展趋势要求看,对汽油中有害组分含量的限制是汽油配方发展的必然趋势。降低汽油中有害物质的含量,有利于保护生态环境,提高社会环境和人类生活质量。目前,我国汽油结构突出的问题是烯烃含量高,由于我国汽油主要组份是催化裂化汽油,故烯烃含量一般在35%～60%之间,个别的可能更高。因此,为满足汽油达标要求,必须在采取降低催化汽油烯烃技术的条件下,利用重整生成油、烷基化汽油、MTBE、芳烃抽余油(直馏汽油)等组分进行优化调合,才能最大限度的利用现有组分生产出满足标准要求的清洁汽油产品。我公司的汽油生产必须在满足辛烷值的同时,降低成品油中的烯烃含量,以适应市场需求。而利用在线调合技术,合理优化调合组分,是生产清洁汽油的有效手段。按照公司汽油优化调合的要求,本试验研究在实验室调合测试的基础上,利用在线近红外光谱仪测定汽油组分及车用汽油辛烷值、烯烃含量、苯含量、芳烃含量等关键性质量指标,为进行在线汽油调合提供技术依据。
我国现有的汽油生产是泵循环罐式调合法,不仅需要昂贵的调合罐投资,而且调合时间长。一般调合一罐油先要循环1～2 h,做空白分析;之后根据分析数据加入各种添加剂再循环1～2 h,分析合格后出厂。这样调合不但时间长,而且调合油品损耗大,能源消耗多。同时由于人工操作不能对调合比例进行精确控制,调合作业必须分批进行,一次调合合格率低,调合成本高。汽油管道自动优化调合技术是为适应市场经济、合理配置资源、挖潜增效应运而生的一项高科技项目。它充分体现了企业在采用高新技术、降低成本、提高效益方面所见的成效。它不仅可实现质量跟踪控制、优化操作、降低质量过剩,又克服了传统泵循环罐式调合所带来的倒罐频繁、指标过剩、能耗加大、工人劳动强度大等不利因素。
应用在线近红外分析技术为车用汽油管道优化调合的实现提供了有效的质量控制手段。近红外型分析仪是近年来世界上新兴起的一门技术含量比较高的高科技产品, 它不但采用了当今先进的计算机技术和先进的光纤传导技术,而且应用了新兴起的边缘学科——化学计量学。不但可以分析汽油的辛烷值、馏程、比重、芳烃含量等,还可以分析柴油的十六烷值、比重、凝固点。具有在线分析时间短、精度高、维护量小的特点。
2 测试原理
2.1 基本光学原理
仪表采用的光学原理为朗伯-比尔定律。
2.2 近红外技术原理
近红外光谱来源于红外区的一部分,介于可见光与中红外之间,其波长为800～2 500 nm。它的光谱来源于振动能级跃迁所产生的泛频吸收,物质的近红外区光谱是其中各基因团泛频吸收叠加的结果。尽管朗伯-比尔定律适合每个基团的吸收强度与其含量之间的定量关系,但对于一个吸收峰高度叠加的定量分析简单的应用朗伯-比尔定律显然是不适用的。1990年美国发展了多元线性回归模型,用部分最小二乘法成功地进行了近红外光谱区的定量分析。理论是:物质中某一化学成分的含量与近红外区内多个不同的波长点吸收峰呈线性关系。公式如下:
Yi=B0+b1x1+b2x2+…+bixi
式中:B0,b1,b2,…,bi——回归系数;x1,x2,…,xi——第n个波长点的吸收峰;Yi——近红外光谱分析的某个化学成分含量。
通过对一批已知其化学成分含量的近红外光谱校正,可获得n个波长点的回归系数,再用这个被确定的模型来预测未知样品中该化学成分的含量。以化学计量学建立的测量关联图如图1所示。
2.3 化学计量学原理
化学计量学是化学、计算机技术与数学相互结合形成的一门崭新的边缘学科。现代分析化学计量学已发展成数理统计、数据处理、分类、解析、实验设计最优化、最大限度地获取有关物质系统化学信息等的有效方法。其特征之一是进行多点、多维分析信号测试,进行多组份同时测定。由于采用了计算机技术,通过解析化学数据获得物质的有关化学信息,利用数学模型和数学方法描述,消除基质和干扰组份的影响,从而对复杂样品不经预处理直接进行多组份分析。该仪表应用化学计量学原理完成近红外谱图解析,消除基质和干扰组份的影响。
3 分析仪升级改造
我公司原安装的在线近红外分析仪Model310于1997年购置,操作系统为DOS界面,操作命令多且比较复杂,不能满足多个组分多探头测量的调合要求及多指标模型开发的需要,为满足生产清洁汽油的要求,对汽油调合优化系统进行了全面改造,同时对近红外分析仪主板CPU、 NIR 光纤输出模块(包含八根双光束光纤的集合器以及检测器)、SpectronTM操作系统、稳定性监视系统进行升级。现场的分析探头和光纤全部进行了保护拆除和重新安装。
4 在线近红外分析仪的系统构成
图2是在线近红外分析仪系统的结构图,它主要包括以下组成部分:近红外分析仪、光纤、探头、工作站、Spectron控制分析操作软件。
5 模型的开发和应用
根据汽油在线调合优化系统原则工艺流程图及汽油调合配方优化原则,以90#汽油调合为例说明模型的开发和应用过程。
5.1 调合系统原则工艺流程图
图3是汽油在线调合系统原则工艺流程图。
5.2 汽油调合配方优化原则
(1)汽油调合组分共有八个,分别为催化汽油、MTBE、异辛烷、生成油、重芳烃、非芳烃、甲苯和二甲苯。
(2) 汽油调合尽可能不用或少用甲苯和二甲苯组分。
(3)催化汽油、重芳烃、MTBE和异辛烷全部用于汽油调合。
(4)非芳烃尽可能不用或少用。
(5)汽油调合尽可能少用生成油组分。
(6)尽量降低低牌号汽油的产量,尤其是90#汽油产量。
(7)重芳烃的调入比例不宜大。一方面影响汽油的芳烃含量,另一方面影响汽油的馏程。
(8)对MTBE的最大调入量进行控制, 以保证汽油的氧含量合格。
对90#汽油调合,调合的主要任务是保证汽油的烯烃含量合格,尽量少用生成油和非芳烃,尽可能降低90#汽油的总产量。90#汽油的调合组分为催化汽油、重芳烃、异辛烷、非芳烃和生成油。
5.3 分析仪静态模型建立
(1)采样。
化验室配置每种类型油品样品至少40个,样品要有代表性,应包含各种正常工艺条件下的样品,现场样品必须在采样的同时利用Spectron软件采集近红外光谱。
(2)进行光谱分析。
谱图扫描:对每个样品进行扫描,将光谱图存盘,然后运行基线校正程序处理光谱,将光谱的图形文件转换为数据文件。 汽油的近红外谱图如图4所示。
(3)实验室分析:按照要求在实验室对所有样品进行相关项目研究法辛烷值、马达法辛烷值、芳烃含量、烯烃含量及苯含量基本含量的常规分析。再将实验室分析值输入到界面软件的分析项目数据栏。
(4)利用Model Studio软件对光谱图进行基线校正及波长范围的选择处理,波长范围过大带入的干扰因素增多直接影响建立数学模型分析精度。基线校正及波长选择后的光谱图如图5所示。
(5)利用近红外模型建立软件进行离线建模工作。建立数学模型的过程尤为重要,在建立模型过程中,首先在模型计算过程中删除与数学模型关联性差的界外点样品,要反复计算,删除偏离太大的界外点。这些界外点产生的原因包括:扫描的光谱图与同类样品的光谱图差别很大;样品不纯或工艺变化;调合配方中个别组分比例变化范围大;或化验室分析数据误差太大。删除界外点样品要考虑因素很多,要综合对比分析软件中的各个因素分析。其次要考虑主因子数的选取,主因子数太大影响数学模型的分析准确度,选取合适的主因子数使数学模型包含预处理后光谱含有的信息。最后保存模型图,预测建立的数学模型,进行偏差、标准方差及平均误差的分析并将数学模型导出到操作界面。
(6)以90研究法数学模型举例说明。模型统计参数如表1所示, 90#汽油研究法模型参数相关图如图6所示。
通过预测和实际测量的斜率、截距及相关性的符合程度来判断建立数学模型的适用性,符合性越好,建立的模型适用性越好。从表1数学模型统计参数斜率、截距及相关系数可以看出,仪表模型参数基本满足生产需要。
(7)运行Spectron软件将以上建立的90#数学模型安装到近红外分析仪的Spectron界面软件里。再次修改Spectron界面软件相应的系统设置参数。
(8)采用最简单的模型评价方法:采样与化验室对比验证建立数学模型的适用性。
5.4 动态模型的建立
离线模型应用到在线分析后,考虑管道液体流量、压力、温度等因素的影响,需要对模型的准确性进行验证和校正。在调合过程中,对组份和调合成品进行采样分析,对不理想的近红外模型加以校正和完善,建立动态模型。2006年仪表调试完成,在线汽油管道优化调合进入工业试生产阶段,分三个阶段对数学模型进行动态校正。根据汽油成品指标要求、调合系统优化目标和控制目标的要求,需要对90#、93#、97#成品及催化汽油、直馏汽油、生成油、异辛烷五个组分的数学模型扩充完善和建立非芳烃的模型。每个成品及组分分析汽油研究法辛烷值、马达法辛烷值、芳烃含量、烯烃含量、苯含量五个质量指标,每个质量指标必须建立一个数学模型,共建立40个动态数学模型。
第一阶段:进行单管道走油过程。对催化汽油、直馏汽油、生成油、异辛烷、非芳烃五个组分的动态样品扫描,收集光谱图,建立动态数学模型。辛烷值校证前后误差分析如表2所示。
第二阶段:比例调合。主要是对催化汽油、90#、93#、97#模型的校正。数学模型在没有校正之前误差比较大,催化汽油在模型校正后,调合时直径不同的输转线混合,两套催化装置的催化汽油品质有较大差别,有时在催化汽油中掺入碳四,使得分析误差增大,只有模型再一次校正,校正前后误差分析如表3所示。
第三阶段:优化控制。 90#、93#、97#车用汽油模型调整后,研究法辛烷值(RON)在线分析和化验室分析对比数据误差没有超过0.3,满足生产需要。建立的各组分和90#、93#、97#汽油的烯烃含量、芳烃含量、苯含量能指导生产。
5.5 分析仪开发建立的数学模型运行情况
2007年汽油在线调合使用率达到70.65%,一次合格率由原来的75%提高到94.5%,起到了增加调合生产能力、减少调合质量过剩和重新调合次数的作用。
(1)提高一次调合合格率。
从表4数据可以看出,利用在线调合系统,90# 、93#、97#数学模型满足生产需要,一次调合合格率远远高于75﹪的指标。
(2)调合结果化验室实测值与在线调合目标值之间的误差情况。
分析模型误差为0.3个辛烷值,属于国内领先水平,兰州石化汽油调合组分五个,成品三个牌号。车用汽油优化调合系统投用后,根据储运厂2007年抽取75罐次90#车用汽油,121罐次93#车用汽油,48罐次97#车用汽油调合结果化验室实测值与在线调合目标值之间的误差情况如表5所示。由表中知在线调合90# 、93#、97#的辛烷值数学模型满足生产需要。
5.6 模型维护
所有建立的模型都不是一成不变的,因生产方案、原油品质变化等因素,模型需要不断在线校正,也需要化验室不断配合对样品进行分析,以不断扩充完善,这是一个长期的工作,随着调合项目的深入,模型会越来越完善,能够为在线调合提供可靠的支持。
6 效益分析
由于在线近红外分析仪能及时准确地反映油品在调合过程中瞬间质量变化情况,所以应用近红外分析仪实时监测汽油调合质量,在合理利用组分、优化调合比例、提高产品质量、增产高牌号清洁车用汽油方面效益显著,按原油加工1×107 t/a的处理量计算,仅优化组分增产高牌号汽油一项每年创造的效益在五千万元以上。其它如提高一次调合合格率,在线汽油管道调合代替了传统的罐式调合,减少罐式调合中的设备占用率,降低设备损耗及人工劳动强度,合理利用组分卡边,减少质量过剩,减少汽油耗损等,可产生巨大的社会效益。
7 结 论
汽油调合生产中主要指标的计算 篇4
关键词：汽油,组分油,调合,调合比例
油品调合就是将性质相近的两种或两种以上的石油组分按规定比例,利用一定设备,通过一定方法,达到混合均匀而生产出一种新产品的生产过程。有时根据产品需要适量加入提高产品性能的添加剂,汽油调合过程中,通过在线监测设备实时监控油品分析数据,控制不同组分油的掺调量,最终改变调合后汽油产品的性质,生产出符合要求的产品,各组分掺调量的改变将直接影响调合后的产品性质。随着我厂顺利开工,到目前为止主要汽油产品已增至7种,包括国Ⅲ93#车用汽油、国Ⅲ97#车用汽油、93#乙醇汽油、粤Ⅳ93#车用汽油和粤Ⅳ97#车用汽油,92#、93#出口汽油。这7种牌号的汽油出厂除了满足国家标准和行业标准外,还满足我厂厂控指标的要求。目前调合汽油的组分油有8种,包括混合轻石脑油、重整汽油、重整抽余油、催化轻汽油、催化中汽油、MTBE和少量的甲苯、混合二甲苯。根据我厂汽油组分油的性质,需要调合及控制的主要指标有抗爆性(研究法辛烷值RON)、硫含量、苯含量、芳烃含量、烯烃含量、氧含量、蒸汽压和馏程。
1 汽油调合的机理
各种油品调合,除个别添加剂调合外,大部分为液—液相系互相溶解的均相调合,是分子扩散、涡流扩散、主体对流扩散这3种扩散机理的综合作用。分子扩散是由于分子的相对运动所引起的物质传递,在分子尺度的空间进行。涡流扩散又称湍流扩散,当机械能传递给液体物料时,处于高速流体与低速流体的分子界面上流体受到强烈的剪切作用,产生大量漩涡,造成对流扩散,是在局部范围的涡旋尺度空间内进行的。主体对流扩散是一切不属于分子运动或涡流运动而使大范围的全部液体循环流动所引起的物质传递,是在大尺度空间内进行的。
油品调合后的特性,表现在与调合组分间线性和非线性关系上,即表现在组分间有无加和效应的关系上。某一调合后特征等于其中每个组分按其浓度比例叠加的称为线性调合,反之称为非线性调合。
油品调合充分利用原料,合理使用组分增加产品品种和数量,满足市场需求。
2 汽油调合的方法
目前汽油调合主要使用的方法有2种,分别是油罐调合和管道调合。油罐调合有泵循环和机械搅拌两种方式。泵循环是指将组分油和添加剂送入罐内,用泵抽出油品通过罐内的喷嘴射流混合。机械搅拌是指在罐壁或罐顶安装搅拌器搅拌混合。管道调合是指将各个组分和添加剂按照预定比例同时输送进调合总管,通过管道上静态混合器均匀调合的方法(图1)。管道调合可以在自动化仪表的控制下,实现各组分油经管线静态混合器混流均匀达到自动调合的目的。目前我厂汽油调合使用管道调合,大大降低了人工操作强度,减少了分析频次,节约了调合时间,降低了油品蒸发损耗。
3 我厂组分油的主要性质及产量
我厂主要调合组分有混合轻石脑油、重整汽油、重整抽余油、催化轻汽油、催化中汽油、MTBE和少量的甲苯、混合二甲苯。正常情况下由于甲苯和混合二甲苯的直接经济效益比调合汽油的经济效益要大,在汽油生产过程中尽可能不使用该芳烃类油品。各组分油品主要指标见表1。
注:MTBE是纯净物,化学名为甲基叔丁基醚,分子式为C5H12O,是一种高辛烷值含氧化合物,计算氧含量为18.2%。100%的MTBE的理论辛烷值为117,而99%的MTBE的辛烷值为115左右,通过实验推算MTBE在汽油调合中的实际辛烷值为108
4 汽油调合生产中主要指标计算
涉及油品质量指标的项目有几十个,而汽油调合生产中涉及的主要指标有辛烷值、蒸汽压、馏程、芳烃、烯烃和硫含量等。在油品质量指标项目中,有些在调合过程中呈加成关系,有些则不呈加成关系。
4.1 辛烷值的调合计算
辛烷值在调合时无固定的通用公式,这里介绍两种方法,一种是调合因素法,一种是线性回归比较法。
调合因素法:
式中:N—混合汽油的辛烷值(RON或MON);V—2种汽油组分的体积,%;
N—2种汽油组分的辛烷值(RON或MON);
C—调合因数(用于辛烷值大的组分,查图2、表3)。
线性回归比较法:
式中a、b、c是各组分的质量百分含量,RONa、RONb、RONc是各组分汽油的辛烷值。
线性回归比较法属于经验加和型计算公式,计算方便,容易操作,但计算结果比实际调合结果小,在实际生产中按照不同组分的掺调比例很容易找到实际调合偏差点。该方法将非线性问题在数学意义上进行了线性化,减小了问题的复杂度,对于可加成或近似加成的质量指标都可用该方法进行计算,比如硫含量、硫醇性硫、密度、芳烃、烯烃等,但在实际操作中应掌握不同油品性质用该方法调合时的正负效应。
4.2 蒸汽压的调合计算
蒸汽压的计算一般用相对分子质量法和雪夫隆法计算。雪夫隆法是广为采用的简便的经验方法,把各调合组分蒸汽压RVP的1.25次幂和其体积分数之积相加起来。这种方法的前提是假设所有组分表现出类似的行为,而不管其组成的不同。
式中:RVP—调合后油品的蒸汽压;
RVPi—调合组分的蒸汽压;
V—调合组分的体积分数。
4.3 抗爆剂(MMT)的调合计算
汽油调合过程中,按照产品性质的要求一般需要添加的添加剂有抗静电剂、抗氧化剂、抗爆剂等,目前我厂汽油生产主要添加抗爆剂和抗氧化剂。
抗爆剂目前行业允许添加的是锰剂,简称MMT,化学名为甲基环戊二烯三羰基锰,分子式为C6H7Mn(CO)3,其中根据分子量计算锰元素的含量为15.1%。MMT可提高汽油产品的辛烷值,添加得越多提高的辛烷值也越多。汽油产品质量指标中锰含量指标为:国标锰含量不大于0.016g·L-1。所以在汽油调合过程中使用抗爆剂时最大加入量为0.016g·L-1,即为16mg·L-1。设16mg·L-1为常数n,汽油产品中允许的n值为0~16之间。
式中:净调量-汽油净调入升数,L;
n-调合后成品目标值,mg·L-1;
ρ-MMT密度,g·cm-3;
V%-MMT浓度。
为了保证数据有可比性,表4中抗爆剂按照25×10-6定量添加。抗氧化剂俗称安改剂。抗氧化剂可提高汽油产品的诱导期,根据油品性质添加量也有所不同,表3中国Ⅲ93#车用汽油的使用量为27×10-6。
5 指标计算在实际生产中的应用
目前为止我厂生产的汽油有7种,包括国Ⅲ93#车用汽油、国Ⅲ97#车用汽油、93#乙醇汽油、粤Ⅳ93#车用汽油和粤Ⅳ97#车用汽油,92#、93#出口汽油。这里我们只选取国Ⅲ93#车用汽油做计算调合。
表3是8组国Ⅲ93#车用汽油调合比例表,其中轻石脑油组分占调合比例13%~22%,催化轻汽油组分占19%~33%,催化中汽油组分占14%~30%,重整汽油组分占0%~27%,抽余油组分占5%~16%,甲苯组分占0%~23%。由于选国Ⅲ93#车用汽油做例子,MTBE和混合二甲苯等高成本组分在调合国Ⅲ93#车用汽油时不做考虑。
按照表3中的各组分比例,计算得出最后成品的指标见表4(不含添加剂加成)。
6 实际生产中最终成品指标
按照实际调合比例,最终生产出的汽油成品都在指标范围内,具体成品指标见表5。
按照上面介绍的几种指标计算方法,最终生产出来的汽油成品均符合国家标准及企业标准的要求。
7 结语
前面介绍的计算方法在调合组分稳定的情况下可以很好地指导汽油调合,当原油品种发生改变,生产装置按照加工原料进行工艺调整以后,馏出口的汽油调合组分质量指标也将随之发生变化。在实际生产中,汽油调合受市场变化,原油加工种类变化的影响非常大,所以在人为计算调控的同时还应借助于在线分析仪表的分析和自动调合软件的应用,减少加工不同品种原油时因各组分指标波动大,给汽油调合带来的影响。
参考文献
[1]李征西,徐恩文.油品储运设计手册[M].北京:石油工业出版社,1997.158.
[2]蔡智,黄维秋.油品调合技术[M].北京:中国石化出版社,2006.180-188.
汽油在线调合 篇5
罐式调合步骤如下:首先、按照优化后的配方, 依比重由大到小的顺序控制好各组份进油量;其次、进行首次循环并按配方加入抗氧剂和钝化剂;第三、分析空白油各项指标, 比如辛烷值, 若低于目标值则计算差距并二次循环油品补加剂;最后, 产品分析合格入库。由于每步均用到体积法计算罐量, 因此密度的准确测量显得非常重要, 然而生产中, 组份密度和空白油密度测量往往不准, 造成调合偏差大, 影响到优化调合。
针对此问题, 我们利用现有伺服液位计可以测量液体密度的功能以及成熟应用于大罐大罐量自动计算系统[1], 实现了组份进油量的精准控制和空白油量的准确计算, 确保加剂量准确, 提高了一次调合合格率, 缩短了生产周期和生产成本。
1 伺服液位计结构及其密度测量原理
1.1 伺服液位计结构和特点
伺服液位计的结构类似于早期的钢带液位计, 不同的是它用一个很小的“浮子”代替了较大的浮筒, 用一根极细的高强度钢丝代替了粗笨的钢带。浮子密度比水大, 不能浮在水面上, 但是通过伺服电机的转动可以实现浮子的任意上升或下降, 同时通过一套非常精密的重量传感设备检测浮子 “重量”, 并向伺服电机发送指令, 让重于水的浮子始终停留在液面上, 这样伺服电机转动的“步长”也就是浮子的运动距离可得, 进一步可以精确的算出液位。结构示意见图1。
相对于钢带式液位计而言, 伺服液位计能够主动控制浮子状态, 液面强烈波动对测量结果没有影响 (因为此时测得的是平均高度) , 这样就为进油状态下液位的准确计量提供了硬件保证。另外, 我们应用的Enraf公司伺服液位计相对于其它伺服产品使用了精度更高的伺服电机系统, 放弃了复杂的齿轮传动结构, 使用了无活动部件的钢丝张力传感器, 以及采用了功能强大的先进数字处理器, 实现了各种工况下储罐液位的高精度测量。Enraf伺服液位计在40m全量程内精度高达±0.4mm, 重复精度达±0.1mm, 完全满足罐式调合组份进油时液位控制的要求。
1.2 伺服液位计密度测量原理
如图2所示, 浮子在液体中受到自身重力W、钢丝拉力P和水对其产生的浮力F而达到平衡, 得出如下关系式:
P+F=W 公式 (1)
根据阿基米德定律, 物体在液体中所受浮力等于其排开液体的重量, 则
F=V·ρ 公式 (2)
代入公式 (1) , 则可以得出
undefined公式 (3)
由于拉力P, 重力W和浮子的体积V都是已知数, 因此伺服液位计的数据处理器可以按照公式 (3) 算出浮子所处位置液体的密度ρ。通过标定发现, Enraf公司的伺服液位计测量密度准确度在1kg/m3, 完全满足罐式调合组份油密度测量的要求。
按照体积法计算罐量原理可知, 有了精度满足要求的液位和密度, 则精准控制油量不难实现。
2 传统调合密度不准原因分析及精准调合的实现
2.1 密度不准原因分析
导致组份油和空白油密度不准的原因主要有以下两点。
⑴、组份油密度未分析。比如当组份直接由生产装置经沉降罐进入调合罐, 或因某种原因来不及分析时, 就没有组份油密度。在实际生产中往往依据经验使用平均密度替代。
⑵、油品分层, 造成空白油密度分析误差。组份密度差别大, 仅依靠进油时后进的轻组份对先进的重组份的托举作用以及短时间空白油循环有时不能达到各组份均匀混合, 或者长时间静止存放等原因就会产生油品分层, 如图3所示。此时若依据石油产品采样规定[2], 取距离罐底1/6、1/2、5/6三点处油样制作混合样来测量密度, 当某几种组份比例较少时 (如图3) , 则三个采样点不可能取到全部层面, 此时测得的密度也不能代表整罐油品密度, 按此密度计算油量就会造成误差。
2.2 精准调合的实现⑴组份进油量精准控制
在未知密度组份进油前, 首先利用组份罐伺服液位计测得密度, 后输油。在输油过程中随时利用调合罐伺服液位计测量液面, 间隔一定时间将液位信息传入罐量自动计算系统计算组份油收入量, 并判断是否进够预设量, 如够量则改进下一组份, 直到所有组份够量为止。软件流程见图4。
⑵空白油量的精准计算
利用调合罐伺服液位计从罐底开始每隔一定距离 (
两种方法均屏弃了无密度油按平均密度计算进油量和加剂量这一粗略做法, 实现了精准调合。
3 系统应用情况举例
3.1 对组份量控制情况标定
以两具同样大小的5000m3罐调合93号车用汽油进行实验, 实验前抽尽两罐底油。该类罐拟调合量3400t, 采用同一优化配方在同一时间进油并调合, 各油品温度接近常温, 其中组份FCC无分析密度, 计算机优化调合系统模拟出目标辛烷值为92.2, 未达到目标辛烷值的部分补加抗爆剂MMT液1个单位。我们将未使用伺服液位计测密度法控制油量称旧法调合, 反之称新法调合, 两罐的实验数据见表1、2。
从表1、2中可以看出, 旧法较之新法少进FCC组份3584.985-3541.667=43.318m3, 约43.318×0.7113=30.81t, 组份控制误差30.81/2550×100%=1.2%。简单按照辛烷值线性加和法计算, 影响到辛烷值1.2×0.75×88/100=0.8个单位, 实测结果对比影响辛烷值92.1-91.2=0.9个单位, 且新法实测值接近优化调合目标92.2, 控制准确度高。按照每降低1个单位辛烷值补加MMT液0.1248kg/t算, 则需要多加入MMT液0.1248×0.9=0.1123kg/t, 调合成本增加170元/kg×0.1123kg/t=19元/t。
3.2 满罐油品密度测量情况标定
表3为随机抽取2006年5月份10个成品油罐质检分析密度和伺服液位计测量密度的对比表, 配方基本同表1相同, 其中伺服液位计采取多点测量取平均值的方法。
从表3可看出, 伺服液位计测量值同质检分析结果非常接近, 差值仅2.5kg/m3, 加上仪表误差也不过3.5kg/m3。因此我们利用伺服液位计测定的空白油密度准确计算首次加剂量, 代替旧法调合首次使用平均密度计算油量的做法, 完全解决了首次加剂量不准的问题。
另外, 从表3还可看出, 按表1配方调合时, 各罐成品分析密度接近配方比最大的组份FCC密度, 且由于轻于FCC的两种组份所占比例小于重于FCC的两种组份所占比例, 故伺服液位计测得的平均密度基本上大于质检分析密度少许, 这也证明了伺服液位计测得的平均密度较之质检分析密度受组份油分层影响更小, 但由于伺服表误差1kg/m3, 远大于密度计分析误差0.1kg/m3, 因此不能用伺服表取代质检分析密度作为最终成品密度来进行贸易交接。
4 结论
伺服液位计不仅能精确测量液位, 也可用以液体密度测量。在缺少先进调合手段的情况下, 利用其准确的密度和液位测量功能实现调合罐组份量精准控制和空白油密度测量来实现精准调合, 对优化调合目标值的实现, 一次调合合格率的提高和产品生产周期的缩短都有着非常现实的意义。
参考文献
[1]曹永德.储罐罐表数据管理系统的开发和应用[J].甘肃科技, 2006 (10) :112-113
汽油在线调合 篇6
对于汽油调合辛烷值模型,学者们已经提出了一些典型的建模方法。Zahed A H等基于实验方法来预测调合汽油辛烷值[2],此方法需要已知各组分油的辛烷值、流量,模型中参数需要通过实验数据进行回归分析得到; 李信等提出一种基于最小二乘支持向量机的方法对辛烷值进行预测建模[3]; 张希发等通过确定汽油辛烷值与烃族组成的定量关系来建立汽油调合模型[4]。对于调合优化问题,黄彩凤等采用机会约束规划进行求解[5],将优化问题中带不确定参数的约束以概率形式加以表示,从而将随机规划问题转化为相应的确定性规划问题进行求解。袁奇等将全局群搜索优化算法运用到汽油调合上[6],提高了优化过程的收敛速度和性能。Mendez C A等将汽油调合混合整数非线性规划问题转化为一系列的混合整数线性规划问题进行求解[7],以获得最优的组分油流量。
笔者将汽油调合过程分解为若干个短周期,在每一个短周期内用线性化模型来近似描述调合汽油辛烷值等质量指标,并基于该线性化模型,采用常规的线性规划算法以获得调合过程中的最优组分油流量比。在此基础上,针对汽油调合优化过程进行了较为深入的仿真实验研究,并就在线分析仪测量误差及原料价格发生变动等情况对动态优化过程的影响进行了分析。
1 汽油管道自动调合系统结构①
某炼油厂汽油管道调合工艺采用5 种组分油,分别为催化汽油、重整汽油、MTBE、石脑油和非芳,将它们按照一定的比例混合,可同时生产出符合国IV标准的93#、97#汽油或者国V标准的92#、95#汽油。组分油中的催化汽油、重整汽油和非芳均直接来自于各自相应的生产装置,无中间缓冲罐,同时流经一个管道,其进料全部参与调合。为方便对调合过程进行描述,以93#汽油为例,将此管道输送混合油等价为催化汽油,由此简化后的汽油调合系统如图1 所示。其中催化汽油为主组分油,低辛烷值的石脑油和高辛烷值的MTBE作为辅助组分油,其进料流量r2和r3按照一定的比例参与调合。将3 种组分油同时输入管道混合器,最终目标是在生产出质量指标合格的93#汽油的前提下,使调合利润达到最大化。流量的调节回路由流量变送器FT、流量控制器FC和控制阀组成,流量控制器设定值由比值控制器提供。比值控制器的输入为石脑油、MTBE与催化汽油流量比值的最优值u2*、u3*,输出为石脑油流量设定值( F2sp) 和MTBE流量设定值( F3sp) 。优化控制器依据当前产品质量与卡边值之间的偏差,实时计算最优流量比u2*和u3*,以生产出质量合格的调合汽油,并使调合利润最大化。
2 汽油在线调合优化问题的数学描述
汽油调合过程的优化目标是在满足调合汽油各项质量指标要求的前提下,使调合利润最大化,其目标函数可表示为:
式中c1、c2和c3———催化汽油、石脑油和MTBE的成本价格,元/吨;
cp———成品汽油的市场销售价格,元/吨;
r1、r2和r3———催化汽油、石脑油和MTBE的流量,m3/h。
由于c1、c2、c3和cp短期内保持不变,单位催化汽油所得的最大调合利润J为:
其中,u2为石脑油与催化汽油的流量比值,; u3为MTBE与催化汽油的流量比值,。
笔者假设催化汽油和石脑油的氧含量为0,MTBE中的芳烃含量为0。因而,质量指标约束可表示为:
其中,x11、x12、x13分别为催化汽油、石脑油和MTBE的辛烷值; x21、x22分别为催化汽油、石脑油的芳烃含量,% ; x33为MTBE的氧含量,% ; y1、y1min分别为调合汽油的辛烷值及其目标控制下限; y2、y2max分别为调合汽油的芳烃含量及其目标含量的上限,% ; y3、y3max分别为调合汽油的氧含量及其目标含量的上限,% 。
流量比值和流量比值变化量约束可表示为:
其中,u2max为石脑油与催化汽油流量比值控制上限; u3max为MTBE与催化汽油流量比值控制上限; Δu2max、Δu3max分别为石脑油、MTBE与催化汽油流量比值变化量上限。
3 调合模型的建立和问题求解
为了求解上述优化问题,需先建立调合汽油3种质量指标与组分油的质量指标和流量比值之间所对应的函数关系。
3.1调合模型的建立
调合汽油的芳烃含量和氧含量与组分油的质量指标和流量比值之间满足线性可加,即:
辛烷值的调合具有非线性效应,预测调合辛烷值的模型主要有Ethyl-70 模型、交互模型及神经网络模型等。其中交互模型[8]是很早就由Morris W E等提出且之后不断进行改进的经典模型,其曲线如图2 所示。
因为在汽油调合过程中,催化汽油为主组分油( 70% 以上) ,由图2 直线b可近似得到调合汽油辛烷值:
把上述情况推广应用到3 种组分油的混合过程中,同理可得调合汽油的辛烷值:
也即:
其中,z1、z2和z3分别为催化汽油、石脑油和MTBE的流量体积分数(%),;x12*和x13*分别为石脑油和MTBE的表观辛烷值。
3.2问题求解
通过在线分析仪可实时检测出该时刻调合汽油的辛烷值、芳烃含量和氧含量yim( k) ( i = 1,2,3) ,相互间满足以下关系:
若在下一时刻ui( k) ( i = 2,3) 变化为ui( k +1) ,假设各组分油的质量指标仅在一定范围内缓慢波动,则有:
以辛烷值为例,k + 1 时刻调合汽油的各项质量指标y1( k + 1) 可近似为:
在k + 1 时刻,调合汽油质量指标应满足约束,可得:
结合式( 12) 、( 15) 和( 16) 可得:
同理,对芳烃含量和氧含量的约束条件可转化为:
由式( 17) ~ ( 19) 可知,为求解上述约束条件,除调合汽油外,还需要利用在线分析仪对石脑油与MTBE的质量指标进行实时检测,以计算下一周期调合汽油的质量指标。
将上述各式化简后,短周期内的汽油调合优化问题可近似为:
也可转化为求解形如的线性规划问题。
4仿真研究
通过Matlab软件中的Simulink平台搭建汽油调合优化仿真模型,仿真结构框图如图3 所示。
调合过程对象模型以状态变量u2(k)和u3(k)为输入,得到当前时刻所对应的调合汽油辛烷值y1、芳烃含量y2和氧含量y3,受汽油组分管道混合过程及在线分析仪表测量特性等方面的影响,调合过程具有一定的纯滞后和一阶惯性特性,因而调合汽油在线分析仪所测得的yim可表示为,其中T、τ分别表示惯性时间和纯滞后时间。将调合汽油指标的测量值反馈输入到优化控制器,并将石脑油与MTBE的质量指标测量值一并作为输入,根据第3节所讨论的问题求解方法,求出流量比值变化量Δu2和Δu3,进而可得到下一时刻的流量比u2(k+1)和u3(k+1)。再将其作为调合过程对象模型的输入,重复上述过程,直到仿真过程结束。
4. 1 动态优化过程实验
对于单位催化汽油进料,假设初始的石脑油流量和MTBE流量均为0。设催化汽油、石脑油和MTBE研究法辛烷值的初始值分别为92、65 和115,初始芳烃含量分别为30% 、10% 和0% ,初始氧含量分别为0% 、0% 和18% 。研究法辛烷值的目标设定值为93. 2,芳烃含量不大于40% ,氧含量不大于2. 7% 。另外,假设93#成品油的价格为每吨8 000 元,催化汽油的价格为每吨7 300 元,石脑油的价格为每吨7 000 元,MTBE的价格为每吨8 300 元。动态环节中惯性时间常数T = 2min,滞后时间 τ = 5min。
动态优化过程如图4 所示,其中图4b为石脑油流量比值的变化曲线,图4c为MTBE的流量比值变化曲线,所对应的单位催化汽油的调合利润变化曲线如图4d所示。
在0 ~ 200min时间段,3 种组分油质量指标均无变化。初始状态下,调合汽油的辛烷值为92. 0,低于设定值,因此高辛烷值MTBE的加入比率应多于石脑油,又受到调合汽油氧含量的限制,MTBE的加入比率应该适量。在200min处,不可测的催化汽油质量指标发生了阶跃变化,其辛烷值由92. 0 变化到91. 0,此时调合汽油的对应辛烷值下降。为使辛烷值回到设定值,系统自动减少石脑油的加入量,同时,为了避免氧含量超标,MTBE的加入量也随之下降。在300min处为石脑油的辛烷值由65 阶跃变化到67,其芳烃含量由10% 阶跃变化到15% 。
4. 2 在线分析仪表测量误差对优化结果的影响
在线分析仪监控整个调合过程成品油的辛烷值、芳烃含量及氧含量等质量指标的变化,将所测的质量指标作为反馈输入至优化控制器,从而实现组分流量比值的在线调整。以辛烷值为例,若在线分析仪存在测量误差,比实际值偏大0. 1 个辛烷值。重复4. 1 节的实验,可得到调合汽油辛烷值动态优化曲线如图5 实线所示。可以看出,动态过程稳定后的实际辛烷值比设定值偏小0. 1,可见结合在线分析技术的汽油调合优化对分析仪表的精度有较高的要求。
4. 3 原料市场价格变动对动态优化过程的影响
假设在下一个批次调合前,MTBE的价格从原来的每吨8 300 元变为每吨9 300 元,按照4. 1中的实验方法重新进行实验。实验结果如图6 所示,其中图6b为石脑油流量比值变化曲线,图6c为MTBE的流量比值变化曲线,图6d为所得调合利润变化曲线。
由图6 可见,当原油的市场价格发生变动时,汽油调合动态优化过程也会相应的发生变化。
5 结束语
将汽油调合过程分解成若干个短周期,对每一段短周期内汽油辛烷值等质量指标进行线性化处理,提出了一种新的汽油调合过程动态优化控制方法。仿真实验结果表明,在分析仪测量精度达到要求的前提下,可以实现组分油流量比值自动调整优化,从而使成品油的质量指标卡边,并得到最大的调合利润。即使在组分油的质量指标和原料价格发生变动的情况下,优化控制器仍能够进行快速有效的优化控制。笔者所采用的模型结构简单,同时优化算法采用常用的线性规划,该方法可广泛应用于炼油生产与调合过程。
摘要：针对现有的调合模型复杂且参数难以获取、优化算法繁琐的缺陷,引入动态优化思想,将汽油调合优化过程分解成若干个短周期,对每一段短周期内汽油辛烷值等质量指标进行线性化处理,建立了一种汽油调合线性动态模型。结合实际工艺背景,对汽油调合优化目标函数和约束条件进行了数学描述,并将其转换成简单的线性规划问题。与此同时,运用在线分析技术获取调合过程当前工况下的调合汽油和组分油的质量指标,用于实时更新优化模型。仿真结果表明:基于线性化模型的汽油调合过程动态优化方案在在线分析仪精度达到要求的情况下,能很快、精确地跟踪质量指标目标设定值,实现调合汽油质量指标的卡边控制,并提高调合利润。
关键词：汽油调合,实时优化,在线分析
参考文献
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汽油在线调合 篇7
1系统结构
评价汽油蒸发性的指标中,饱和蒸气压是C4组分添加量的重要联锁指标。在规定条件下,油品在适当的试验装置中气液两相达到平衡时,液面蒸气所显示的最大压力即为饱和蒸气压。汽油调合控制系统采用Honeywell TPS系统,其网络结构如图1所示。
2联锁回路
汽油调合C4组分的联锁回路设有调一和调二两个调合头。C4管线主要的联锁回路包括: C4至调合头线温度高高联锁,调合1#线混合器后压力低低联锁,调合2#线混合器后压力低低联锁,1#调合头饱和蒸气压力高高联锁,2#调合头饱和蒸气压力高高联锁,1#调合管线C4调合比例高高联锁,2#调合管线C4调合比例高高联锁,1#调合管线总流量低低联锁,2#调合管线总流量低低联锁。 主要联锁阀门包括: 1#调合两台切断阀( XV2251, XV2253) 一台调节阀( FV1251 ) ,2#调合两台切断阀( XV2252,XV2254) 一台调节阀( FV1252) 。其流程如图2所示。
图2 两个调合头的工作流程
联锁组态中主要用到的位号见表1。
TPS系统中使用LOGIC点实现联锁控制,逻辑原理如图3所示,L1为联锁条件的输入,NN1为联锁值,Lock _ r为复位,FL7为常数0 ( FALSE) ,FL8为常数1( TRUE) ,保证联锁优先。图3中SO为逻辑处理不同阶段的输出,联锁条件发生时,SO1 = 1( TRUE) ,SO2输出到切断阀和调节阀的电磁阀,联锁时SO2 = 0( FALSE) ; SO5输出到联锁 指示灯和 喇叭,联锁时SO4 = 1 ( TRUE) ,灯亮声响,复位后灯灭,喇叭消音。
PULSE功能块是脉冲产生块,SO3由0到1时产生一个脉冲。FLIP-FLOP功能块类似SR触发器: 输入端S1为复位,输入端S2为置位,真值表见表2。
3主要控制回路
主要控制回路有调节阀的控制、两位式电动阀的控制和模拟量电动阀的控制,笔者只说明模拟量电动阀的开关式控制。
汽油调合C4系统泵出口的第一道阀为模拟量电动阀,操作员在操作员画面给定阀门开度后, 点开关按钮即可实现阀门的开关式控制。模拟量电动阀的开关式控制原理如图4所示。
LOGIC逻辑点提供逻辑运算与数据传送功能,一个逻辑点中可以包括多个逻辑运算模块。 逻辑点内部处理顺序是输入条件 - 逻辑块 - 输出 ( SO) 。
DC点的输入输出为离散量,而模拟量控制阀的控制信号与反馈信号为模拟量,通过LOGIC点的适当处理可以让操作员在OMS画面( Honeywell油品储运系统) 中像开关两位式电动阀一样开关模拟量阀。LOGIC点逻辑如图5所示,其中L1为阀位反馈值( 模拟量) ; L2为离散量( DC点的输出) ,ON为开阀,OFF为关阀; NN1为99. 0 ( 阀门开度控制,可修改) ; NN2为1. 0( 阀门关控制,可修改) 。
LOGIC点的输出连接如图6所示。
输出允许控制如果为ON则输出源的值赋给输出目的参数。FL2为LOGIC点的内部参数, FL2 = ON。FLO. PVFL为ON则阀门开到位,是DC点的输入; FLC. PVFL为ON则阀门关到位,是DC点的另一输入。AO. OP为阀的开度控制信号。动作过程说明如下:
a. 当由DC点给开阀信号时L2 = ON,则SO3 = OFF,NN1的值99. 0 ( 阀门开度) 赋给AO. OP,阀门收到全开控制信号。当阀门回讯L1高于NN1( 99. 0) 时SO1 = ON,则FLO. PVFL = ON, 阀门开到位。如果阀门回讯L1的值不高于NN1的值,则DC点产生未开到位报警。
b. 当由DC点给关阀信号时L2 = OFF,则SO3 = ON,NN2的值1. 0 ( 阀门开度) 赋给AO OP,阀门收到全关控制信号。当阀门回讯L1低于NN2( 1. 0) 时SO2 = ON,则FLC. PVFL = ON,阀门关到位。如果阀门回讯L1的值不低于NN1的值,DC点产生未关到位报警。
c. 根据控制过程中的实际情况,操作员可以在OMS画面上修改NN1、NN2的值,现场阀门的开关位置也会随之改变,逻辑中也可以修改阀门开关到位的判断条件,与控制信号相比在偏差允许范围内都认为是开关到位。
4结束语
采用C4组分参与汽油调合的方法降低了成品汽油的成本,而且投入少,工艺流程改动少,改造工期短,便于实现。C4组分管线与成品油管线直接相连,安全风险增大,因此采用两台切断阀和一台调节阀同时参与联锁,为装置的安全生产提供了保障 。
摘要：介绍Honeywell TPS在汽油调合C4组分中的联锁控制,运用组态方法对现场模拟量电动阀实现开关式控制。