CN103106333A

CN103106333A - 基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统

Info

Publication number: CN103106333A
Application number: CN2012105452400A
Authority: CN
Inventors: 廖兴发; 李振峰; 余金森; 阮慧娟; 宋国营; 焦洋; 陶志钢; 唐宏亮; 沈雪松; 孙睿衍; 孙虎良
Original assignee: SHANGHAI YOUHUA SYSTEM INTEGRATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI YOUHUA SYSTEM INTEGRATION TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN103106333B

Abstract

本发明属于石油加工领域，具体地说是一种基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，包括数据采集模块、数据处理模块、模拟计算模块、能耗统计模块、系统数据库模块和Web应用模块，其特征在于：该催化裂化装置在线理论能耗计算系统基于流程模拟软件AspenPlus。本发明与现有技术相比，提出了一种基于流程软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，用以根据催化裂化装置实际设备现状、实际加工的原料属性、实际加工方案，在线计算出装置可以实现的最佳能耗。

Description

基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统

技术领域

本发明属于石油加工领域，具体地说是基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统。

背景技术

催化裂化装置是主要的炼油装置之一，它是将重质油轻质化，生产液化气、汽油和柴油的重要装置。催化裂化的原料一般是重质馏分油，原料在催化剂的作用、470~530℃的温度范围和0.2~0.4MPa的压力范围下，发生一系列的化学反应，转化成液化气、汽油、柴油等轻质油产品和焦炭的过程。催化裂化装置一般分为反应再生、分馏和吸收稳定三个系统。在我国的炼油厂中，催化裂化装置的地位十分突出，催化裂化装置的加工能力已占原油加工量的37%（质量分数）。

国外大石油公司普遍采用基准能耗评价工艺装置的用能水平，具有一定的实用价值。所谓基准能耗就是对于不同的装置，根据原料、工艺流程和产品方案的有关数据，制定较先进的基础工艺条件，计算出理论上可以达到的能耗值，作为装置设计和改造的高标准指标。采用基准能耗计算方法和评价指标，对于科学地评价装置的用能水平、诊断其节能潜力具有现实指导意义。基准能耗的计算结果对于装置的节能管理、工艺设计和技术改造起到了很好的作用。

20世纪80年代中期，中国石油化工集团公司节能技术中心组织有关专家在对催化裂化装置能耗共性分析的基础上，通过大量的理论分析和模拟，结合标定数据和工程实际经验，建立了催化裂化装置的基准能耗计算方法。该方法是一个经验关联式，通过输入代表装置工艺水平、原料性质、加工流程的几个重要参数以计算基准能耗。几个重要参数如下：原料加工量、原料比重、残炭量、产品收率、主风机出口压力、气压计出口压力、反应器出口压力、回炼比、雾化蒸汽比例、流量、温度、压力、产品质量控制指标、工艺用汽基准量、热出料基准温度、低温热基准温度、装置操作参数、散热体的几何结构参数、机组基准效率、气候特征参数、物料平衡数据和能耗数据、原料和产品的化验分析数据。

理论能耗是指基于装置实际设备现状、实际加工的原料现状、装置实际加工方案基础上，装置可实现的最低能耗或最佳能耗。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有的基准能耗计算系统存在如下问题：现有的基准能耗计算方法需要大量的手动计算，经验关联式中的系数是通过当时特定的原料、工艺水平及操作水平回归得来，而近30年来，催化裂化技术已经发生了重大的变化，其操作条件、原料性质、产品分布、产品标准等都出现了较大的变化；这使得现有的回归公式无法对催化裂化装置的基准能耗作出准确的计算；现有的基准能耗计算方法通用于所有的催化裂化装置，无法针对性地对每套装置的实际工艺水平、加工方案等个性化条件合理地进行基准能耗计算；现有的基准能耗计算方法没有考虑例如大气温度、压力对、空气组成等环境因素对基准能耗值的影响；现有基准能耗无法计算用装置的理论能耗；现有基准能耗没有和能够反映实时工况变化的数据库系统连接，例如实时数据库系统和实验室信息管理系统LIMS，从而无法在线实时地计算理论能耗。所以现有的基准能耗计算方法已无法满足新原料和新工艺对理论能耗在线计算的需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种基于流程软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，用以根据催化裂化装置实际设备现状、实际加工的原料属性、实际加工方案，在线计算出装置可以实现的最佳能耗。

Aspen Plus是一个具有生产装置设计、稳态模拟和优化功能的大型通用流程模拟软件。利用该软件可对催化裂化装置进行严格的工艺模拟计算，快速准确地计算出装置的基准能耗。针对不同的原料、加工装置和工艺流程，可通过Aspen Plus快速制定一个Aspen Plus用能模型，将反映工况的原料属性、产品收率、设备效率等参数输入AspenPlus用能模型中进行模拟计算，实现快速自动计算对应不同工况下的基准能耗值的功能。

实时数据库InfoPlus.21（以下简称：IP.21）可以访问和集成来自整个工厂范围内的DSC数据和PLC的数据。IP.21提供了全功能的API开发工具包，用户利用API开发工具包可以开发制定出接口程序和集成程序。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了基于Aspen Plus的催化裂化装置的在线理论能耗计算系统，包括：数据采集模块，用于在线采集实时能耗参数；数据处理模块，用于消除测量误差和计算实时能耗参数；模拟计算模块，用于计算被能耗参数结果赋值的模型中各个用能点的能耗介质实物量；能耗统计模块，用于根据能耗介质实物量和对应的折标系数计算出能耗值后，对出能耗值进行汇总；系统数据库模块，用于存储和分析数据采集模块自动采集到的实时能耗参数及能耗统计模块统计的能耗值；Web应用模块，用于实现用户与系统的交互。

本技术方案中，数据采集模块在线采集的实时能耗参数包括：实时生产数据、基准参数、物料平衡数据和能耗数据、原料和产品的化验分析数据；所述的实时生产数据包括原料的流量和温度，主风机出口压力、压机出口压力、反应器出口压力和流量、回炼油浆流量和温度，产品收率；所述的基准参数包括产品质量控制指标、工艺用汽基准量、热出料基准温度、低温热基准温度、装置操作参数、散热体的几何结构参数、机组基准效率及气候特征参数，所述的原料和产品的化验分析数据包括原料比重、残炭量。

本技术方案中，数据采集模块具体还包括实时数据库接口子模块，该子模块采用C#对IP.21提供的API做了二次封装，可在.NET环境下快速连接或断开IP.21，进行实时通讯，实现了从IP.21中读写实时值、历史值、平均值和累计值。

本技术方案中，数据采集模块具体还包括实验室信息管理系统制造执行系统LIMS，采用开放数据库互连ODBC接口与其通讯。通过ODBC接口可以从LIMS中读取原料和产品的化验分析数据，用来实现实验室数据和信息的收集、分析、报告和管理。

技术方案中，数据采集模块具体还包括制造执行系统MES，采用另一ODBC接口与其通讯。通过另一ODBC接口可以从MES中读取实际物料平衡数据和能耗数据。

本技术方案中，数据处理模块具体还包括数据预处理子模块，用于消除采集到的测量数据的显著误差，预处理后的数据方可送入其他模块。

本技术方案中，数据处理模块具体还包括散热量计算子模块，用于根据散热体的迎风面风速、当量直径、散热表面积、表面平均温度、气温，计算散热量，具体散热体的散热量计算关系式为：

α_s=α_γ+α_e

α_{γ} = \frac{5.669 ϵ}{T_{s} - T_{a}} [{(\frac{2736 + T_{s}}{100})}^{4} - {(\frac{273 + T_{a}}{100})}^{4}]

α_{e} = \{\begin{matrix} \frac{26.4}{\sqrt{397 + 0.5 (T_{s} + T_{a})}} {(\frac{T_{s} - T_{a}}{D_{1}})}^{0.25}, & if W = 0 \\ 4.04 \frac{W^{0.613}}{D_{1}^{0.382}}, & if W * D 1 \leq 0.8 \\ α_{e} = 4.24 \frac{W^{0.805}}{D_{1}^{0.15}}, & else W * D 1 > 0.8 \end{matrix}

其中：Q，散热量，W；S，表面积，m2；αs，外表面放热系数,[w/（m2·℃）]；αγ ,辐射放热系数,[w/（m2·℃）]；αe，对流放热系数,[w/（m2·℃）]；ε，绝热结构外表面材料的黑度;W，迎风面风速，m/s ；D1，绝热层外径，m,当绝热层为双层时，应代入外层绝热层外径。

本技术方案中，数据处理模块具体还包括反应热计算子模块，用于根据原料和产品属性计算反应热，具体反应热量计算关系式为：

Qr=-Cr*(Mf-Mp)/(Mf*Mp)*F/3.6 （1）

Cr=58066*D+957*C-6539 （2）

Mf=42.97*e^{0.00021*(T+273.15)-7.79*D+0.00209*(T+273.15)*D}*(T+273.15)^1.26*D^4.98（3）

Mp=(Y1+Y2+Y3+Y4+Y5)/(0.00286*Y5+0.005*Y4+0.01*Y3+0.02*Y2+0.0588*Y1) （4）

其中：Qr，反应热，kW；Cr，与原料性质有关的系数，kJ/mol；Mf，原料平均分子量，若有该数据按实际数据输入，若无该数据按下式（3）估算；Mp，产品平均分子量；F，原料量，t/h；T，原料的ASTM50%点，℃；D，原料比重；Y1，干气质量收率；Y2，液化气质量收率，m%；Y3，汽油质量收率，m%；Y4，柴油质量收率，m%；Y5，油浆质量收率，m%。

本技术方案中，数据处理模块具体还包括排烟温度计算子模块，用于根据原料和产品属性计算反应热，具体排烟温度计算关系式为：

Tp=116.5515+16.0633*log(V_SO3)+1.0538*(log(V_SO3))²+15 （5）

其中：Tp，排烟温度，℃；Vso3，烟气中三氧化硫的体积百万分率，三氧化硫可按10%总硫转化量计算。

本技术方案中，模拟计算模块具体还包括Aspen Plus用能模型，该模型是根据实际加工流程建立的仿真模型，用于计算汽包发汽量、烟机发电量、烧焦热量、机泵和风机耗电量。模型包括反应再生、分馏和吸收稳定，使用的Aspen Plus单元模块包括分馏塔、压缩机、机泵、换热器、反应器、分配器、混合器、阶级、物流复制器。

本技术方案中，采用产品加和法用于合成原料的方法来建立Aspen Plus用能模型，这是因为催化原料实验分析误差很大，如果将分析不准确的原料数据输入到模型里，会导致模拟结果有很大的偏差，而产品的性质则比较稳定且分析数据详实，故在模型里采用产品加合法来合成原料。单元模块的效率根据实际值设定。

本技术方案中，模拟计算模块具体还包括Aspen Plus接口子模块，该子模块采用C#语言对Aspen Plus提供的Active X接口做二次封装，简化了.NET环境下使用Aspen Plus Active X的方法，实现了启动Aspen Plus、加载模型、读写模型参数、启动计算引擎、释放资源的功能。

本技术方案中，能耗统计模块具体实现功能为：根据用能（产能）单元消耗（或产出）的实物量，计算出能耗值。

本技术方案中，Web应用模块具体实现功能为：提供Web应用界面，用户只需通过Web浏览器，便可实现与本系统的交互。

附图说明

图1为本发明的系统流程图。

图2为数据采集模块流程图。

图3为数据处理模块流程图。

图4为模拟计算模块流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步描述。

图1为本发明的系统流程图，本发明在本技术方案中的具体实现方式为：系统定时自动启动计算程序，依次完成以下步骤：1）数据采集模块从实时数据库IP.21、LIMS、MES、系统数据库中在线读取所需能耗参数，并送入数据处理模块处理；2）数据处理模块依次进行：数据预处理，剔除测量误差；分别计算反应热、散热设备的散热量及排烟温度；将处理后的能耗参数结果送入模拟计算模块；3）模拟计算模块初始化Aspen Plus接口程序后加载模型文件，生成Aspen Plus 用能模型，将能耗参数结果赋值给Aspen Plus用能模型中各个用能点，启动模拟计算引擎，计算出Aspen Plus用能模型中各个用能点的能耗介质实物量，计算完成后，输出能耗介质实物量计算结果，送入能耗统计模块；4）能耗统计模块根据能耗介质实物量和对应的折标系数计算出能耗值后，对出能耗值进行汇总，并将能耗值送入系统数据库模块；5）系统数据库模块存储和分析数据采集模块自动采集到的实时能耗参数及能耗统计模块统计的能耗值，供Web应用程序查询；6）Web应用模块从系统数据库模块中读取数据采集模块自动采集到的实时能耗参数及能耗统计模块统计的能耗值，供用户查询，用户也可通过Web应用模块设置能耗参数。

图2为数据采集模块流程图。数据采集的具体实现方式为：1）初始化实时数据库接口子模块，从IP.21中读取实时生产数据；2）使用ODBC接口从 MES中读取物料平衡和能耗数据；3）使用ODBC接口从LIMS中读取原料和产品的化验分析数据；4）使用SQL从系统数据库中读取基准参数；5）将所有采集到的实时能耗参数送入数据处理模块。

图3为数据处理模块流程图。数据处理的具体实现方式为：1）对从数据采集模块接收到的实时能耗参数进行，消除测量误差；2）利用经过误差处理后的数据，分别计算出反应热、散热设备的散热量及排烟温度；3）将消除测量误差的数据、反应热、散热设备的散热量和排烟温度合并后，作为能耗参数结果送入模拟计算模块。

图4为模拟计算模块流程图。模拟计算模块的具体实现方式为依次进行如下步骤：1）初始化Aspen Plus接口程序；2）加载Aspen Plus模型文件，生产Aspen Plus用能模型；3）写入能耗参数结果；4）将能耗参数结果赋值给Aspen Plus用能模型中各个用能点；5）启动模拟计算引擎，计算出Aspen Plus用能模型中各个用能点的能耗介质实物量；6）待模拟计算完毕，输出能耗介质实物量计算结果，送入能耗统计模块。

实施例1

以加工量为120×104t/a的炼油厂催化裂化装置为例计算理论能耗，输入参数如下。

表 1基础参数

表 2散热参数

表 3气体组分

物料	组分	质量百分比%（v/v）
			干气	H₂S	0.00
干气	H₂	36.32
			干气	N₂	14.45
干气	O₂	0.88
			干气	CO₂	1.13
干气	甲烷	28.86
			干气	乙烯	0.00
干气	乙烷	13.98
			干气	丙烯	2.83
干气	丙烷	0.74
			干气	异丁烷	0.44
干气	异丁烯	0.13
			干气	正丁烯	0.09
干气	正丁烷	0.07

干气	反丁烯	0.03
			干气	顺丁烯	0.02
干气	C₅	0.03
			干气	1,3丁二烯	0.00
液化气	H₂S	0
			液化气	H₂	0
液化气	N₂	0
			液化气	O₂	0
液化气	CO₂	0
			液化气	甲烷	0
液化气	乙烯	0
			液化气	乙烷	0
液化气	丙烯	45.56
			液化气	丙烷	11.91
液化气	异丁烷	15.26
			液化气	异丁烯	6.98
液化气	正丁烯	4.83
			液化气	正丁烷	5.61
液化气	反丁烯	5.69
			液化气	顺丁烯	4.09
液化气	C₅	0
			液化气	1,3丁二烯	0.0669

表 4石油馏分参数

物料	分析项目	值
			汽油	密度 t/m3	0.75
汽油	初镏点 ℃	31
			汽油	10% ℃	45
汽油	50% ℃	93
			汽油	90% ℃	170
汽油	终馏点 ℃	200
			0#柴油	密度 t/m3	0.93
0#柴油	初镏点 ℃	193
			0#柴油	10% ℃	257
0#柴油	50% ℃	304
			0#柴油	90% ℃	333
0#柴油	终馏点 ℃	348
			回炼油	密度 t/m3	0.90
回炼油	初镏点 ℃	193
			回炼油	2% ℃	226
回炼油	10% ℃	291
			回炼油	50% ℃	352
回炼油	90% ℃	400
			回炼油	97% ℃	434
-10#柴油	密度 t/m3	0.89
			-10#柴油	初镏点 ℃	196
-10#柴油	10% ℃	216
			-10#柴油	50% ℃	237
-10#柴油	90% ℃	278
			-10#柴油	终馏点 ℃	311
原料油	密度 kg/m3	902
			原料油	初馏点 ℃	223
原料油	2% ℃	265
			原料油	10% ℃	304
原料油	50% ℃	447
			原料油	残炭 m%	3.76
油浆	密度 t/m3	1.0922

中间计算结果如下表。

表 5中间计算结果

能耗计算结果为：反应再生部分能耗计算值为47.58kgEO/t，分馏部分能耗计算值为-14.73 kgEO/t，吸收稳定部分能耗计算值为8.76 kgEO/t，其它能耗计算值为2 kgEO/t，理论能耗总和43.61 kgEO/t与该厂实际能耗43.90 kgEO/t接近。

实施例2

以加工量为200×104t/a的炼油厂催化裂化装置为例计算理论能耗，输入参数如下。该厂催化裂化装置经过了MIP改造。将催化裂化装置模型修改，使模型的工艺变化情况和工艺参数变化情况与MIP改造后的相近。输入参数如下，未列出参数与实施例1中对应参数相同。

表 6基础参数

中间计算结果如下。

表 7中间计算结果

理论能耗计算结果为：反再部分能耗计算值为40.58kgEO/t，分馏部分能耗计算值为-9.6 kgEO/t，吸收稳定部分能耗计算值为7.85 kgEO/t，其它能耗计算值为2.4 kgEO/t，理论能耗总和41.23 kgEO/t与该厂全年实际能耗43.00 kgEO/t接近。

Claims

1.基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，包括数据采集模块、数据处理模块、模拟计算模块、能耗统计模块、系统数据库模块和Web应用模块，其特征在于：

该催化裂化装置在线理论能耗计算系统基于流程模拟软件Aspen Plus；

数据采集模块在线采集实时能耗参数，然后将实时能耗参数送入数据处理模块；所述的实时能耗参数具体包括：实时生产数据、基准参数、物料平衡数据和能耗数据、原料和产品的化验分析数据；所述的实时生产数据包括原料的流量和温度，主风机出口压力、压机出口压力、反应器出口压力和流量、回炼油浆流量和温度，产品收率；所述的基准参数包括产品质量控制指标、工艺用汽基准量、热出料基准温度、低温热基准温度、装置操作参数、散热体的几何结构参数、机组基准效率及气候特征参数，所述的原料和产品的化验分析数据包括原料比重、残炭量；

数据处理模块对接收到的实时能耗参数做如下处理：数据预处理，剔除实时能耗参数中的测量误差，利用经过误差处理的实时能耗参数，分别计算反应热、散热设备的散热量以及排烟温度，将计算结果作为能耗参数结果送入模拟计算模块；

模拟计算模块初始化Aspen Plus接口程序后加载模型文件，生成Aspen Plus 用能模型，将能耗参数结果赋值给Aspen Plus用能模型中各个用能点，启动模拟计算引擎，计算出Aspen Plus用能模型中各个用能点的能耗介质实物量，计算完成后，输出能耗介质实物量计算结果，送入能耗统计模块；

能耗统计模块根据能耗介质实物量和对应的折标系数计算出能耗值后，对出能耗值进行汇总，并将能耗值送入系统数据库模块；

系统数据库模块存储和分析数据采集模块自动采集到的实时能耗参数及能耗统计模块统计的能耗值；

Web应用模块从系统数据库模块中读取数据采集模块自动采集到的实时能耗参数及能耗统计模块统计的能耗值，供用户查询，用户也可通过Web应用模块设置能耗参数。

2.根据权利要求1所述的基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，其特征在于，所述的数据采集模块依序完成如下步骤：

步骤a1.初始化实时数据库接口子模块，从实时数据库IP.21中在线读取实时生产数据；

步骤b1.启动ODBC接口,从LIMS中读取原料和产品的化验分析数据；

步骤c1.启动ODBC接口,从MES中读取物料平衡数据和能耗数据；

步骤d1.使用SQL从系统数据库模块中读取用户配置的基准参数。

3.根据权利要求2所述的基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，其特征在于：所述的实时数据接口子模块采用C#对IP.21提供的API做了二次封装，可在.NET环境下快速连接或断开IP.21，进行实时通讯，实现了从IP.21中读写实时值、历史值、平均值和累计值。

4.根据权利要求1所述的基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，其特征在于：所述的模型文件包含产品加和法，产品加和法是指将所有产品混合而成的物料作为原料；所述的Aspen Plus接口程序采用了高级程序设计语言C#对流程模拟软件Aspen Plus提供的Active X接口做二次封装，简化了.NET环境下使用Aspen Plus Active X的方法，实现启动Aspen Plus用能模型、加载模型文件、读写模型参数、启动计算引擎、释放资源的功能。

5.根据权利要求1所述的基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，其特征在于，所述的Web应用模块包括：计算控制程序和前端用户交互程序。

6.根据权利要求5 所述的基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，其特征在于，所述的计算控制程序包含：自动计算控制程序和手动计算控制程序。

7.根据权利要求6所述的基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，其特征在于，所述的自动计算控制程序依次完成以下步骤：

a4.定时启动数据采集模块，在线采集模拟计算所需的实时能耗参数；

b4.启动数据处理模块，对实时能耗参数进行数据处理；

c4.启动模拟计算模块，进行模拟计算；

d4.启动能耗统计模块，统计模拟计算结果计算和对应的折标系数，并对各类能耗数据进行分类汇总后送入系统数据库模块。

8.根据权利要求6所述的基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，所述的手动计算控制程序依次完成以下步骤：

a5.读取用户界面手动输入的参数作为取模拟计算所需参数；

b5.启动数据处理模块，进数据处理；

c5.启动模拟计算模块开始启动模拟计算；

d5.启动能耗统计模块，统计模拟计算结果及各类能耗数据，并根据用户选择决定是否将计算结果存入系统数据库。

9.根据权利要求5所述的基于流程模拟软件的催化裂化装置在线理论能耗计算系统，所述的前端用户交互程序包含：

a6.从系统数据库中读取相关参数，供用户查询，用户也可通过该应用程序设置能耗参数；

b6.根据用户指令，启动手动计算控制程序。