CN103699754A - 基于流程模拟软件的催化裂化吸收稳定单元优化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油加工计算领域，具体地说是一种基于流程模拟软件的催化裂化吸收稳定单元优化处理方法。一种基于流程模拟软件的催化裂化吸收稳定单元优化处理方法，包括数据读取模块、流程模拟模块、总效益计算模块、优化计算模块、数据保存模块、数据展示模块。同现有技术相比，以整体效益最大化为目标，通过催化裂化吸收稳定单元的流程模拟计算，算出完成单元操作需要付出的能量并转换成操作费用，将分离的产品转换成产品价值，将设备处理能力与产品质量约束转换成约束条件，建立整体效益最大化的模型，开发编制软件来自动调整独立操作优化变量，进行流程模拟，寻求满足当前运行工况下与设备约束条件下，整体效益最大化的操作参数。
Description
技术领域
本发明涉及石油加工计算领域，具体地说是一种基于流程模拟软件的催化裂化吸收稳定单元优化处理方法。
背景技术
催化裂化装置是主要的炼油装置，它能将重质油轻质化。原料油经高温加压后，在催化剂的作用下发生一系列化学反应，转化成液化气、汽油、柴油等轻质油产品和焦炭。
催化裂化装置一般分为反应再生、分馏和吸收稳定三个单元。在吸收稳定单元，催化装置的富气与粗汽油通过精馏与吸收过程，进行汽液分离，分离出中的LPG、干气、汽油组分。吸收稳定单元操作需要消耗的能源主要包括：富气升压的机械能、稳定塔和解吸塔塔底再沸的热能、需要冷却的物流，通过循环水或空气冷却器冷却的冷能或电能、机泵将液体升压消耗的电能等。
对于生产厂家而言，自然希望吸收稳定单元分离粗汽油与富气的轻重组分的效率足够高，也即干气中的C3+组分尽量少，这样可以获得更好的效益：因为C2以下组分只能作为燃料烧掉，但C3+组分可以生产有价值的产品；同时要求保证LPG、汽油产品质量合格，但C3+分离能力提高受以下的限制：
（1）设备能力约束：设备尺寸与能力决定了有限的时间内组分离的程度不能无限制提高，约束包括压缩机与塔的操作压力、塔的气液相流量、机泵的流量、空冷器及水冷器的换热能力等。
（2）经济因素约束：分离过程需要付出更多的操作费用，操作费用指提供上面列出的各种能源，需要付出的成本。要求干气中C3+含量越低，需要的操作费用越多，但由于边际效益递减，以至到后来得不偿失。
因此在不改变设备的同时提供一种能够在最大程度上提高产量，并且降低耗能的优化处理的方法至关重要。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供了一种新的优化处理方法，以整体效益最大化为目标，通过催化裂化吸收稳定单元的流程模拟计算，算出完成单元操作需要付出的能量并转换成操作费用，将分离的产品转换成产品价值，将设备处理能力与产品质量约束转换成约束条件，建立整体效益最大化的模型，开发编制软件来自动调整独立操作优化变量，进行流程模拟，计算产品价值与操作费用，寻求满足当前运行工况下与设备约束条件下，整体效益最大化的操作参数。
为实现上述目的，设计一种基于流程模拟软件的催化裂化吸收稳定单元优化处理方法，包括数据读取模块、流程模拟模块、总效益计算模块、优化计算模块、数据保存模块、数据展示模块，所述的流程模拟模块内设有流程模拟模型，其特征在于：数据读取模块的输出端分两路，一路连接流程模拟模块的输入端，流程模拟模块的输出端连接总效益计算模块的输入端，总效益技术模块的输出端连接优化计算模块的输入端，优化计算模块的输出端及数据读取模块的另一路输出端连接数据保存模块的输入端，数据保存模块的输出端连接数据展示模块的输入端，所述的催化裂化吸收稳定单元优化处理方法的具体工作流程步骤如下：
（a）数据的读取：通过现场仪表、分析仪器及流量仪表分别从实时数据库RTDB、实验室信息管理系统数据库LIMS及制造执行系统数据库MES中的工艺参数、物流组成及物流流量读取并输入至流程模拟模块中；
（b）流程模拟：通过流程模拟模块的ActiveX数据接口分别将约束条件数据、设计规定数据、经验公式及实时采集到的输入数据输入至流程模拟模型中，流程模拟模型通过Automation数据接口将收到的数据进行工艺计算；
（c）总效益计算：总效益计算模块根据流程模拟模块中的工艺计算得出的数据，并结合输入的技术经济数据进行计算总效益；
（d）数据的保存：将计算后的总效益数据通过数据保存模块进行保存；
（e）优化计算：通过优化计算模块调整独立的优量进行总效益最大化的优化；
（f）结果的展示：通过数据展示模块将优化后的结果展示给用户。
所述的总效益计算模块的具体工作流程步骤如下：
（a）流程模拟模块进行工艺计算后的理论产品产量及理论能量消耗分别结合数据校正及实际效率计算得出实际产量及实际消耗量；
（b）将实际产量及实际消耗量分别结合产品价格及公用工程价格进行计算得出产品效益及操作费用；
（c）将产品效益及操作费用进行结合得出总效益。
所述的优化计算模块的具体工作流程步骤如下：
（a）将总效益进行优化，如果优化完成，则得出优化结果，如果优化未完成，则通过参数调整模块进行调整；
（b）参数调整模块结合新的优化变量得出优化变量，并将优化变量输入至流程模拟模型进行工艺计算得出新的工艺计算结果；
（c）将新的工艺计算结果进行总效益计算得出新的总效益；
（d）将新的总效益再次进行优化计算直到得出优化结果。
本发明同现有技术相比，提供了一种新的优化处理方法，以整体效益最大化为目标，通过催化裂化吸收稳定单元的流程模拟计算，算出完成单元操作需要付出的能量并转换成操作费用，将分离的产品转换成产品价值，将设备处理能力与产品质量约束转换成约束条件，建立整体效益最大化的模型，开发编制软件来自动调整独立操作优化变量，进行流程模拟，计算产品价值与操作费用，寻求满足当前运行工况下与设备约束条件下，整体效益最大化的操作参数。
这种新的优化处理方法，与其它所有的改造方案都能够配合使用，能够适应变化，对于现有正在运行的装置，在不进行设备改造的前提下，通过持续地生产操作优化来发挖掘节能潜力。
附图说明
图1为本发明的模块结构框图。
图2为本发明的工艺流程框图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1，图2所示，数据读取模块的输出端分两路，一路连接流程模拟模块的输入端，流程模拟模块的输出端连接总效益计算模块的输入端，总效益技术模块的输出端连接优化计算模块的输入端，优化计算模块的输出端及数据读取模块的另一路输出端连接数据保存模块的输入端，数据保存模块的输出端连接数据展示模块的输入端，所述的催化裂化吸收稳定单元优化处理方法的具体工作流程步骤如下：
（a）数据的读取：通过现场仪表、分析仪器及流量仪表分别从实时数据库RTDB、实验室信息管理系统数据库LIMS及制造执行系统数据库MES中的工艺参数、物流组成及物流流量读取并输入至流程模拟模块中；
（b）流程模拟：通过流程模拟模块的ActiveX数据接口分别将约束条件数据、设计规定数据、经验公式及实时采集到的输入数据输入至流程模拟模型中，流程模拟模型通过Automation数据接口将收到的数据进行工艺计算；基于对物料平衡和热量平衡的模拟进行迭代计算，从而得到各个合格产品物流的流量、温度、压力、组成及性质；各部位热量分布情况；
（c）总效益计算：总效益计算模块根据流程模拟模块中的工艺计算得出的数据，并结合输入的技术经济数据进行计算总效益；
（d）数据的保存：将计算后的总效益数据通过数据保存模块进行保存；
（e）优化计算：通过优化计算模块调整独立的优量进行总效益最大化的优化；
（f）结果的展示：通过数据展示模块将优化后的结果展示给用户。
总效益计算模块的具体工作流程步骤如下：
（a）流程模拟模块进行工艺计算后的理论产品产量及理论能量消耗分别结合数据校正及实际效率计算得出实际产量及实际消耗量；
（b）将实际产量及实际消耗量分别结合产品价格及公用工程价格进行计算得出产品效益及操作费用；
（c）将产品效益及操作费用进行结合得出总效益。
优化计算模块的具体工作流程步骤如下：
（a）将总效益进行优化，如果优化完成，则得出优化结果，如果优化未完成，则通过参数调整模块进行调整；
（b）参数调整模块结合新的优化变量得出优化变量，并将优化变量输入至流程模拟模型进行工艺计算得出新的工艺计算结果；
（c）将新的工艺计算结果进行总效益计算得出新的总效益；
（d）将新的总效益再次进行优化计算直到得出优化结果。
该处理方法共包括6大模块：数据读取模块、流程模拟模块、总效益计算模块、优化计算模块、数据保存模块和数据展示模块。数据处理流程为：数据读取模块将各类不同的数据从不同的数据库中读取，然后输送至流程模拟模块，经过流程模拟模块的核心数学模型计算后所得数据输入总效益计算模块，再经过优化计算模块和流程模拟模块的迭代计算，最终得到结果并输出至数据保存模块和数据展示模块。
总效益：
总效益计算包括两部分：总产品收益与总操作费用。
产品收益：进料，即富气、粗汽油，经过吸收稳定单元分解成产品后，计算按干气、LPG、稳定汽油统计产品价值。
总产品收益＝∑(产量*产品价格)
操作费用：操作费用实际包括两种类型：固定费用与可变费用。固定费用与工质的消耗量无关，为定数故可以不考虑；但可变费用与工质的消耗量有关，一般情况下计算公式为价格*使用量，但也有特殊情况。因为操作条件变化，催化吸收稳定部分相关的各种工质的消耗变化带来了操作费用变化。统计所有消耗的工质的操作费用，成为总操作费用。
工质的消耗量，其实际消耗是可以测量的，理论能量消耗是可以通过现场工艺数据与经验公工进行计算的。理论能量消耗与实际消耗的差距是可以校核的，进行校核后就可以估算，如果工艺情况发生了变化，其相应的理论能量消耗与实际消耗的变化量。计算过程采用理论值，但统计消耗计算操作费用时采用实际消耗。
数学描述如下：
Ｍax TC=Ｍax(PC-OC)，其中，TC为总效益；PC为产品效益；OC为操作费用，PC=(Fgas*PRgas+FLPG*PRLPG+Fqy*PRqy)，其中，F为产品流量，PR为产品价格，下标：gas为干气；LPG为液化气；qy为汽油，OC=OCst+OCpp+OCac+OCcw，下标：st为蒸汽；pp为机泵用电；ac为空冷用电；cw为循环冷却水用量，OCst=∑(STi*PRst)，OCpp=∑(PPj*PRpp)，OCac=∑(ACk*PRac)，OCcw=∑(CWl*PRcw)，其中，ST为蒸汽用量，PP为机泵用电量，AC为空冷用电量，CW为循环水用量。下标：i为蒸汽(热量)用户；j为机泵用户；k为空冷用户；l为循环冷却水用户。
数据约束：
对于操作优化的求解，需要考虑以下约束因素：产品质量相关及设备能力约束相关。
产品质量相关：LPG中的C2与C5含量：通过调整解吸塔的再沸器负荷来控制LPG的C2含量。
稳定汽油产品质量：稳定塔能够控制的产品质量是稳定汽油雷德蒸汽压（RVP）与LPG中的C5含量。
设备能力约束相关：塔类：因为设备结构的原因，有合理的水力学操作区间，为简化起见，可以转换成汽相进料摩尔流量、液相进料摩尔流量约束；水冷器：水冷器的换热性能可以通过设备模拟得到；空冷器：可以进行设备模拟，计算实际热负荷，也可约定最大数值；换热器：可以用最大热量约束；机泵：从使用的机泵型号可以得知其流量与扬程的范围。
以上约束在建立优化计算模型中实现。
优化变量：
吸收稳定的优化比较复杂，影响因素较多。以最通用的吸收稳定的工作流程进行分析，以下因素都影响催化吸收稳定的C3+组成，但相互之间无依赖关系，可以认为是独立的优化点：
（1）富气压缩机出口的操作压力：富气压缩机的出口压力对吸收塔与再吸收塔的吸收效果有非常明显的正面影响，但同时也是最贵的方案。
成本如下：富气压缩后温度升高，要冷却下来，需增加冷却费用；压缩机要付出的功耗增加，蒸汽用量增加；如果压缩机是凝汽机，覆水器需要使用的冷却水用量增加。
如果全厂蒸汽有富余，提高压力是不错的选择。
（2）吸收塔补充吸收剂流量：增加补充吸收剂流量也是很有效的措施。吸收剂用量增加，吸收了同样多的轻烃，吸收剂的轻烃含量较低，相当于增加了轻烃从气相向液相传质的推动力。但同样也是成本较高的方案。
成本如下：吸收剂循环泵、凝缩油泵用电增加；吸收过程是放热过程，所以凝缩油罐顶的空冷用电量增加；增加了循环物流，再沸器需要消耗更多的热量。补充吸收剂的循环物流需经过解吸塔与稳定塔，解吸塔再沸器与稳定塔再沸器的热量消耗要增加。这些热量由外部提供。
在北方的冬天，环境温度低时，吸收剂温度低、吸收效果好、冷却负荷不是问题时，是很好的方案。
（3）解吸塔的操作：解吸塔进料为来自凝缩油气液分离罐底的凝缩油，解吸塔的作用是蒸出C2，防止过多的C2进入稳定塔。通过塔底再沸器加热，控制住塔底进入稳定塔的脱乙烷油中C2以下的纯度，保证LPG产品中的C2含量合格。
凝缩油进入解吸塔，当前主要有三种流程：
（a）塔顶一股进料：如果冷进料，解吸效果最好，塔顶气循环量小，塔顶气体中C3+含量低，但同时塔底再沸器消耗的热量最多。如果是热进料，则相反：塔顶气循环量大，塔顶气体中C3+含量高，但同时塔底再沸器消耗的热量小。
（b）塔顶冷进料+塔上部热进料：塔底再沸器消耗的热量小，但缺点是相同组成的物流分两路进入塔的不同位置，造成分离效果的浪费。
（c）塔顶冷进料+塔中间再沸器，是最佳流程，但同时设备投资最高。
解吸塔操作时要保证脱乙烷油C2合格的同时，防止塔顶气过解吸也很重要，因为塔顶气与压缩后的富气混合，冷却后进入凝缩油罐进行循环，如果解吸塔过解吸，虽然能使稳定塔顶LPG合格，但过量的C3+进入吸收塔会造成干气中C3+含量偏高。
凝缩油进解吸塔前，一般采用稳定汽油的热量来加热。加热量的控制是优化点。它影响了循环物流的流量与塔底的再沸器负荷。加热量大可以减少解吸塔底再沸器的热负荷，但同时会使塔顶气中C3+循环量增加，而加热量少则相反。
（4）贫吸收油流量：与吸收塔的吸收剂即稳定汽油相比，进再吸收塔的贫吸收油主要吸收气体中较重的组分，并带回分馏塔。
增加再吸收塔贫吸收油的流量，确实可以多带出一些气体中的重组分，有利于降低干气中的重组分的含量；但多吸收的气体被富吸收油携带返回分馏塔后，又经塔顶分离，成为粗汽油或富气回到吸收稳定，而不是变成液化气。相当于增加了吸收稳定单元的循环量。
（5）稳定塔与解吸塔的降压操作：与吸收塔、再吸收塔不同，稳定塔与解吸塔均为蒸馏塔，蒸馏塔的压力降低有利于提高轻重组分的相对挥发度，有利于蒸馏分离过程的进行。可以减少塔底再沸负荷以及稳定塔的冷却负荷，但同时塔内气体的流速增加，塔的处理能力降低。
以下的数据作为数据输入的条件，将引入到流程模拟模型中，进行计算。
表1为干气分析数据。
表1
表2为LPG分析数据。
表2
表3为贫吸收油分析数据。
表3
表4为稳定汽油分析数据。
表4
表5为其它操作数据。
表5
经过模拟计算成功后，展示的数据如表6所述
表6
实施例一：
再吸收塔进料温度调整：某厂吸收稳定系统再吸收塔进料为单独一股凝缩油塔顶热进料，原始进料温度为68.5℃，塔底再沸器采用贫吸收油与一中作为热源，一中多余的热量发生0.3MPa蒸汽，蒸汽过剩时采用循环水冷却。模拟计算分析后优化求解后得到的新进料温度为62℃。原进料温度过高，解吸塔进料温度下降7℃以后，塔底温度下降，热负荷下降，有效地减少了。
详细结果如下：
由于冷进料，解析塔再沸器负荷增加500KW，解吸塔进料换热器热负荷减少1100KW，相当于增加1t/h蒸汽的加热量，同时增加了120t/h循环水的消耗，但带来的好处是很明显的：解吸塔循环量减少，循环气相的流量减少，吸收塔的负荷降低，吸收塔吸收效果更好。测算如下：解吸塔顶减少5.1t/h的循环量，约占19%，其中包括C3的循环量减少3.0t/h,约占原塔顶循环总量的22%。吸收塔的吸收负荷减少，干气总量下降0.3t/h，总量为15.6t/h，干气中C3含量下降0.6%，整体效益的增加约150￥/hr。
实施例二：
补充吸收剂用量调整：作为实施例一的优化的补充，再次进行补充吸收剂流量优化后，优化后，流量从43t/h增加到49t/h。干气中C3含量再次降低。实施后效果明显，经济效益也增加约25￥/hr。
原因为：循环解吸气的流量减少后，吸收塔的气液总量减少，独立变量补充吸收剂有增加的空间。
增加补充吸收剂，能提高轻组分在汽液两相的浓度差，从而增加了吸收过程的传质推动力；稳定塔再沸器的热负荷是有增加，但冬季生产的汽油RVP要求不高，稳定塔再沸器有富余的换热能力。
Claims (3)
1.一种基于流程模拟软件的催化裂化吸收稳定单元优化处理方法，包括数据读取模块、流程模拟模块、总效益计算模块、优化计算模块、数据保存模块、数据展示模块，所述的流程模拟模块内设有流程模拟模型，其特征在于：数据读取模块的输出端分两路，一路连接流程模拟模块的输入端，流程模拟模块的输出端连接总效益计算模块的输入端，总效益技术模块的输出端连接优化计算模块的输入端，优化计算模块的输出端及数据读取模块的另一路输出端连接数据保存模块的输入端，数据保存模块的输出端连接数据展示模块的输入端，所述的催化裂化吸收稳定单元优化处理方法的具体工作流程步骤如下：
（a） 数据的读取：通过现场仪表、分析仪器及流量仪表分别从实时数据库RTDB、实验室信息管理系统数据库LIMS及制造执行系统数据库MES中的工艺参数、物流组成及物流流量读取并输入至流程模拟模块中；
（b）流程模拟：通过流程模拟模块的ActiveX数据接口分别将约束条件数据、设计规定数据、经验公式及实时采集到的输入数据输入至流程模拟模型中，流程模拟模型通过Automation数据接口将收到的数据进行工艺计算；
（c）总效益计算：总效益计算模块根据流程模拟模块中的工艺计算得出的数据，并结合输入的技术经济数据进行计算总效益；
（d）数据的保存：将计算后的总效益数据通过数据保存模块进行保存；
（e）优化计算：通过优化计算模块调整独立的优量进行总效益最大化的优化；（f）结果的展示：通过数据展示模块将优化后的结果展示给用户。
2.根据权利要求1所述的基于流程模拟软件的催化裂化吸收稳定单元优化处理方法，其特征在于：所述的总效益计算模块的具体工作流程步骤如下：
（a）流程模拟模块进行工艺计算后的理论产品产量及理论能量消耗分别结合数据校正及实际效率计算得出实际产量及实际消耗量；
（b）将实际产量及实际消耗量分别结合产品价格及公用工程价格进行计算得出产品效益及操作费用；
（c）将产品效益及操作费用进行结合得出总效益。
3.根据权利要求1所述的基于流程模拟软件的催化裂化吸收稳定单元优化处理方法，其特征在于：所述的优化计算模块的具体工作流程步骤如下：
（a）将总效益进行优化，如果优化完成，则得出优化结果，如果优化未完成，则通过参数调整模块进行调整；
（b）参数调整模块结合新的优化变量得出优化变量，并将优化变量输入至流程模拟模型进行工艺计算得出新的工艺计算结果；
（c）将新的工艺计算结果进行总效益计算得出新的总效益；
（d）将新的总效益再次进行优化计算直到得出优化结果。
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