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海南炼化汽油在线调合系统的设计和应用
企业：霍尼韦尔中国公司 日期：2010-10-24
领域：人机界面 点击数：1737
    1 前言

    海南炼化于2006年6月建成投产，年设计原油加工能力为1000万吨/年，年产汽油约400万吨/年。

    随着环保要求的提高，国家汽油产品标准越来越严格，汽油产品需要控制指标的越来越多（包括RON、MON、RVP、馏程、硫含量、烯烃含量、芳烃含量、苯含量、氧含量等），指标值更加苛刻，这些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提出了更高要求。

    为了能够及时、高效地生产满足市场需求的清洁汽油，中国石化海南炼油化工公司在建厂之初就启动了汽油在线调合系统项目，项目内容包括近红外在线分析仪投用及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Guided Wave产品。

    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，可以对汽油产品进行改质升级，提高产品质量，满足产品环保和出口要求。

    2汽油在线调合系统软件介绍

    在本项目中，汽油在线调合系统选择霍尼韦尔公司的商品化在线调合系统软件包，主要包括调合优化控制（BPC）和调合比例控制（BRC）两部分，是Honeywell油品调合和移动自动化解决方案中的一部分。下图为Honeywell油品调合和移动自动化解决方案的结构示意图。

               

                         图2.1 Honeywell油品调合和移动自动化解决方案

    2.1调合优化控制（BPC）主要功能

    BPC为在线调合提供先进的质量控制和优化方案。通过与BRC之间的接口，将组份的比例控制和先进质量控制完全集成在一起。BPC提供两种操作模式：瞬时质量控制（用于产品直接进入管道的调合），或储罐质量控制（用于满罐调合，考虑罐底油），在本项目中采用了储罐质量控制模式。

    BPC是在线优化配方的非线性调合优化器，它根据产品质量指标、组份成本、组份的有效性和组份质量指标等数据来计算调合性质[3]。BPC可以在满足质量指标要求的同时进行有效的调合优化，调和优化方案可按照如下控制目标的组合：
 产品合格－质量过剩最小
 产品合格－成本最低
 产品合格－成本最低－质量过剩最小
 产品合格－质量过剩最小－成本最低
 产品合格－最接近初始配方

    BPC基于分析仪的反馈提供在线的、以模型为基础的优化配方，它可以对罐底油、罐余不合格油进行调合和补偿。BPC使用的非线性优化器每个控制周期运算一次，根据分析仪的反馈调整调合配方，每次优化后的配方自动下载到BRC，通过BRC控制现场设备，从而调整和控制各组份的比例。然后，BPC通过在线的模型校正来提高下一调合控制动作的准确性。
在调合过程中，如果调合结果不合格，BPC会给出一系列的提示信息帮助操作人员采取相应措施：BPC会提醒操作人员注意并指出哪一个或哪些产品的质量不合格；还会提示目前受到约束的组份，允许操作人员在权限范围内调整组份的上下限以尽可能放宽约束，从而使产品质量合格；BPC还会推荐增加某种组份或添加剂（如有可能）以使产品质量合格。

    2.2调合比例控制（BRC）主要功能

    BRC通过管理调合从开始到结束的顺序，控制在线调合过程，确保被调合的产品符合配方各项指标的要求。
    BRC调合的设定值来自BPC模块或者手动输入。一旦现场设备可以交付使用且配方获得验证，操作员可以启动调合。组分和添加剂泵按照组态的顺序启动，流量控制器被打开，所有这些都在BRC控制之下。在调合的各阶段，组分和添加剂的流量比值被严格控制，确保体积量的精确混合。分析仪和其它设备发生故障时的处理也由BRC完成。

    BRC具有三种调合模式：

    比例调合模式——实时监测组份流量与调合总管流量的比例，使得各组份瞬时流量的比例等于配方中的配比。
    体积校正模式——实时监测各组份体积对调合总体积的比值。体积校正的目的是在校正体积偏差的基础上尽可能使调合体积与配方中的数据相吻合。流控器体积误差的校正通过校正流控器的设定值自动实现。
    微调控制模式——实现成品油实测属性值与质量控制目标的偏差最小化，近红外在线分析仪为BRC提供属性的测量值。微调控制可通过单组分微调或者一个微调组分加一个补偿组分的二元校正来实现。
    BRC还提供在线切换调合批次功能。所谓在线切换调合批次是指在不停泵、不停调合头的情况下切换调合批次，使得汽油调合系统可以连续运行，该功能主要用于有直调组份参与的情况。切换过程中，至少下述信息可以修改以适应下一批次调合：

 调合的目标成品罐
 调合的产品牌号
 初始配方
 产品质量设定
 调合的目标流量和目标体积，等

    3 在线调合系统的硬件介绍

    3.1 近红外在线分析仪

    传统的产品质量测量方法无法对调合过程中正在调合的油品进行实时监测，根据油品调合软件的要求，必须安装在线分析仪。汽油在线调合系统使用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。

    本项目采用了Guided Wave近红外在线分析仪，通过校正模型技术来校正现场样品波动，无须样品预处理系统，能够满足上层调合软件实时监控、及时优化的要求；采用双光束设计，增加了准确性、降低了维护量；其厂家库模型中包含有完备的分析数据，油品组成的变化可由仪器的内部异物统计功能及时发现，保证分析的准确性；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。

    通过2年多的应用，Guided Wave的近红外分析仪可以满足海南炼化汽油在线调合的要求，总结其特点如下：
    1. 采用直插式探头，无需样品预处理系统，使用和维护比较方便
    2. 尽管测量精度不是很高，但其重复性好，通过补偿，依然可以满足汽油调合系统对组分性质的测量需求。

    3.2 调合执行系统的选择

    在线调合系统的调合优化最终需要通过DCS系统完成，该DCS系统需完成如下功能：
    1. 集成近红外分析仪，通过串口卡件把近红外分析仪的分析数据读入DCS系统，并提供给在线调合优化系统使用
    2. 提供在线调合系统与DCS系统之间的集成接口
    3. 严格执行调合系统的优化配方和调合任务
    4. 执行如BRC定义的顺控等功能，如调合批次的平滑切换等。
    该DCS系统选择霍尼韦尔公司的TPS系统，很好地完成了上述工作。整个在线调合系统的系统架构如下图所示：

               

                              图3.2 海南汽油在线调合系统整体架构

    4 海南炼化汽油调合方案

    海南炼化的汽油生产主要有四种组份油：催化汽油、重整汽油、MTBE和轻汽油。汽油产品主要生产93＃和97＃高清洁汽油。

    催化汽油为直调，直接从装置调合进调合头，不经过中间缓冲罐。当催化汽油过剩时，过剩部分进过剩罐，这大大增加了调合的难度。

    采用在线调合系统后的调合流程如下图所示：

               

                               图2.1 采用在线调合系统后的调合流程图

    5 应用效果对比分析

    5.1 质量指标同时满足要求，并减少质量过剩

    本项目主要在线调合93＃和97＃成品汽油，主要应用效果体现在组份油调合体积的精确控制和成品油的质量过剩最小等方面。

    下表是在线调合系统投用前后的调合效果数据对比：

               

    如上表所示，辛烷值、抗暴指数等向下卡边，而烯烃含量则向上卡边，达到了实施在线调合烯烃的初衷。
汽油在线优化调合系统投用后，成品汽油主要质量指标（研究法辛烷值、抗爆指数）的质量过剩有了明显减少，实现了产品质量的卡边控制。下表给出了93＃成品汽油在投用前和投用后研究法辛烷值和抗爆指数的数据对比。其中投用后数据来自2008年4月至11月期间的调合数据。

    表5-2 93＃成品汽油投用前与投用后的数据对比

               

    从上表可以看出，成品油的质量过剩有了明显降低，而且抗爆指数控制在0.3范围内。
下图给出了抗爆指数质量过剩的变化趋势。从图中可以看出，在系统刚投用时抗爆指数质量过剩的变化幅度比较大，随着应用的熟练及维护力量的加强，变化幅度逐渐降低，质量过剩也从而逐渐减小。

    图5.3 抗爆指数质量过剩变化趋势图

                

    5.2 质量指标控制平稳

调合头调合性质辛烷值的控制非常平稳，如下图所示：

                

                                      图5.1 辛烷值控制曲线

               

                                  图5.2 调合系统友好的操作见面

    5.3 实现组份油调合体积的精确控制

    在比例控制阶段，BRC能够通过流控器精确控制各组份的体积流量，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。

    由于催化汽油直接从装置进入调合头，不设中间罐，因而汽油在线调合系统能够实时根据催化汽油的流量来调整其它组份油的流量，保证各组份的调合比例不变。当催化汽油的流量过大、某种组份油流量不能满足需求时，则过剩部分的催化汽油流入过剩罐，保证调合比例不变，并实现产品质量的优化目标。这大大提高了汽油生产的灵活性和精确性，降低了催化汽油流量波动对调合的影响，同时也大大降低了操作人员的劳动强度。

    5.4 提高了效益

    此处建议增加效益分析，以不同牌号的效益变化进行效益分析。

    6 结束语

    汽油在线优化评价系统投用后，提高了质量控制水平，既保证了产品质量合格，又减少了质量过剩，在满足产品质量要求的同时，提高了企业的经济效益。
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