CN106156515B - 一种双段式催化裂化反再系统故障动态模拟的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种双段式催化裂化反再系统故障动态模拟方法，包括：(1)建立知识数据库，整合故障数据库；(2)基于工业双段式催化裂化装置的DCS数据和工艺模型资料，构建双段式催化裂化反再系统动态模型，建立双段式催化裂化反再系统动态模型库；(3)根据知识数据库，得到不同工况下的基础输入数据，求得动态模拟的稳态工作点；(4)从故障数据库选择特定故障类型，转换为动态模型的输入偏差，进行故障动态模拟；(5)运用故障智能分析模块，验证故障类型，将模拟结果录入故障数据库，完善数据库。一种双段式催化裂化反再系统故障动态模拟系统，包括：DCS数据采集模块、双段式催化裂化反再系统动态模型库、知识数据库、故障数据库以及故障智能分析模块。

Description

一种双段式催化裂化反再系统故障动态模拟的方法及系统
技术领域
本发明涉及工业过程监控领域，具体涉及一种双段式催化裂化反再系统故障动态模拟方法及系统。
背景技术
随着经济发展，石化产品需求与日俱增，炼油工业发展十分迅速。催化裂化日益成为石油深度加工的重要手段，在炼油工业中占有举足轻重的地位。在我国，催化裂化装置生产的汽油和柴油组分分别占全国汽油和柴油成品总量的80％和30％，催化裂化的经济效益约占各炼厂总经济效益的2/3。因此催化裂化已经成为我国炼油工业的核心技术。
催化裂化是在热和催化剂的作用下使重质油发生裂化反应，转变为裂化气、汽油和柴油等的过程。催化裂化包括反应再生系统(简称反再系统)和分馏吸收稳定系统两大部分。催化裂化装置(Fluid Catalytic Cracking Unit,简称FCCU)作为约占总汽油产量的40％的生产单元，催化裂化反应-再生系统是催化裂化的核心，直接影响产品产量分布和整个装置的平稳操作。
随着催化裂化工艺、技术的提高和装置大型化发展，催化裂化装置的安全、平稳、长周期运行成为炼油企业日常管理的重点，也是实现炼油企业效益最大化的有效途径。重油催化裂化装置投产后会因各种原因造成非计划停车、泄漏、火灾爆炸等事故。造成非计划停工的原因是多方面的，有外界的影响，如因外电网晃电造成停工，如加工原油品种越来越多，催化裂化掺炼重油比例越来越高，生产技术难度也越来越大，也有主观的原因，如工艺管理不严，管理和操作人员素质不高等。
由于重油催化裂化装置是石化炼油厂最主要和最关键的装置，保持其安全平稳长周期运行是提高催化裂化装置的经济效益、避免各类停车、火灾、爆炸等事故的关键所在。然而实际生产装置无法进行相关故障实验测试研究，而且一般故障分析方法给出的多为模糊、定性的结果，无法满足现实分析要求。
催化裂化是重油轻质化的主要手段之一，主要包括：反应再生系统、分馏系统、吸收稳定系统。建立过程动态模型的重点和难点在于建立反应再生系统数学模型。
催化裂化装置反再系统的动态模型发展状况大致为：McFarlane等在1993年提出了包括大部分Model IV型催化裂化装置。然而，此反再模型过于简化裂化反应动力学模型，缺少对烧焦反应的描述。Arbel等针对提升管反应器假设为拟稳态模型。1986年，郑远扬等为同轴式提升管催化裂化装置建立动态模型，具有一定的理论基础但没有充分进行动态仿真研究。1998年，罗雄麟等为前置烧焦罐式高效再生器催化裂化装置建立反再系统动态机理模型。目前国内关于催化裂化装置的动态仿真多基于这两种动态机理模型。
公开号为CN 202352224U的中国专利文献公开了一种多功能精馏实训装置，采用化工技术及自动化控制技术相结合，能够实现工厂情景化、故障模拟化及操作实际化。
公开号为CN 102736619A的中国专利文献公开了一种飞轮故障模拟系统，可实现机械系统的故障、电气系统的故障和润滑系统故障的模拟。
发明内容
本发明提供了一种双段式催化裂化反再系统故障动态模拟方法及系统，通过合理设置异常工况的动态模拟，分析在异常扰动下整个系统的故障动态特性，获得有效故障数据，解决在实际生产装置上无法进行故障实验研究获取系统故障信息的难题。
一种双段式催化裂化反再系统故障动态模拟方法，包括：
(1)建立知识数据库，整合故障数据库；
(2)基于工业双段式催化裂化装置的DCS数据和工艺模型资料，构建双段式催化裂化反再系统动态模型，建立双段式催化裂化反再系统动态模型库；
(3)根据知识数据库，得到不同工况下的基础输入数据，求得动态模拟的稳态工作点；
(4)从故障数据库选择特定故障类型，转换为动态模型的输入偏差，进行故障动态模拟；
(5)运用故障智能分析模块，验证故障类型，将模拟结果录入故障数据库，完善数据库。
一种双段式催化裂化反再系统故障动态模拟系统，包括：DCS数据采集模块、双段式催化裂化反再系统动态模型库、知识数据库、故障数据库以及故障智能分析模块。
基于工业双段式催化裂化装置的DCS数据和工艺模型资料，在对工业双段式催化裂化装置的简化基础上得到机理模型，所述双段式催化裂化反再系统动态模型库的模型分为反应分离部分和再生部分；所述反应分离部分包括提升管部分和气提分离部分；所述再生部分包括一段二段再生部分和稀相管部分。
所述提升管部分的建模采用六集总反应动力学模型，建立拟稳态模型；所述气提分离部分建立物料平衡和能量平衡模型。
提升管部分的机理模型从反应的机理出发，把原料组成及反应条件对反应速度及反应结果的影响，定量的关联起来，得到反应动力学模型，此处所用的反应动力学模型为六集总反应动力学模型。
所述六集总反应动力学模型把裂化原料和产品归纳成6个集总，它们分别为：蜡油(VGO)、汽油(GLN)、柴油(LCO)、液化石油气(LPG)、可燃烧气体(FG)和焦炭(CK)。
提升管内裂化反应时间相对再生器烧焦反应时间很短，因此可以建立拟稳态模型。根据牛顿定律建立固相与气相沿管长的速度分布模型，根据热量平衡的假设，气固两相的温度相同，建立沿管长的压力分布模型。
式中，Fi——集总i的质量流量，kg/s；
Fck——焦炭的质量流量，kg/s；
z——提升管长度微元，m；
εg——提升管中气体的空隙率，m3/m3；
εc——提升管中催化剂的空隙率，m3/m3；
ΩRS——提升管的截面积，m2；
——集总i到集总j的反应速率，mol/(m3·s)；
vg——空气速率，m/s；
vc——催化剂速率，m/s；
t——反应时间，s；
CD——气固两相间的摩擦系数；
ρg——气体的密度，kg/m3；
ρc——催化剂的密度，kg/m3；
dcl——催化剂团的直径，m；
g——重力加速度，9.18m/s2；
Ci——集总i的摩尔浓度，mol/m3；
Mw,I——集总i的摩尔质量，kg/mol；
R——理想气体常数，8.314J/(mol·K)；
PRS——提升管内的压力，Pa；
TRS——提升管内的温度，K；
T——反应温度，K；
△Hcrk——每单位质量VGO裂化为其他集总所吸收的热量，J/kg；
Fg——气体的质量流量，kg/s；
Fc——催化剂的质量流量，kg/s；
Cp,g——气体的平均比热，J/(kg·K)；
Cp,c——催化剂的平均比热，J/(kg·K)；
式(1)和式(2)为各集总和催化剂上的碳含量的质量平衡方程，其中，式(3)和式(4)为固相与气相沿管长的速度分布方程；式(5)为各集总沿管长的质量浓度分布；式(6)为关于反应温度的热量衡算方程；式(7)为沿管长的压力分布。
所述气提分离部分不再进行裂化反应，主要目的是分离气固两相。因此建立物料平衡和能量平衡模型。
式中，Wi，ST——各种产物在气提分离部分中的质量，kg；
Wc，ST——催化剂在气提分离部分中的质量，kg；
Fi,Rsout——进入气提分离部分各产物的质量流量，kg/s；
Fi,STout——离开气提分离部分各产物的质量流量，kg/s；
Fc,Rsout——进入气提分离部分催化剂的质量流量，kg/s；
Fc,STout——离开气提分离部分催化剂的质量流量，kg/s；
LST——气提分离部分密相层的料位，m；
ΩST——气提分离部分分离器的截面积，m2；
Fs,ST——进入气提分离部分的气提蒸汽质量流量，kg/s；
Hs,ST——进入气提分离部分的气提蒸汽的热量，J/kg；
Wg，ST——气体在气提分离部分中的质量，kg；
Pg，ST——气提分离部分分离器的压力，Pa；
TST——气提分离部分分离器内的温度，K；
Fg,Rsout——进入气提分离部分气体的质量流量，kg/s；
Fg,STout——离开气提分离部分气体的质量流量，kg/s；
Hg,Rsout——进入气提分离部分气体的热量，J/kg；
Hg,STout——离开气提分离部分气体的热量，J/kg；
Hc,Rsout——进入气提分离部分催化剂的热量，J/kg；
Hc,STout——离开气提分离部分催化剂的热量，J/kg；
Wg，ST——气体在气提分离部分中的质量，kg；
Mwg,ST——气提分离部分气体的平均分子量，kg/mol；
Tg,ST——气提分离部分内气体的温度，K；
Vg,ST——气提分离部分内气体的体积，m3。
式(8)和式(9)为产物与催化剂藏量的物料平衡；式(10)为气提分离部分的料位方程；式(11)为能量平衡方程；式(12)为气提分离部分内气体的压力。
所述再生部分再生器的燃烧反应，根据烧焦反应动力学，建立气体、碳、氢元素的摩尔平衡，催化剂质量平衡与能量平衡模型；所述稀相管部分建立拟稳态模型。
所述再生部分再生器中的燃烧主要包括两种类型，一种是燃烧经裂化反应附着在催化剂上的焦炭，此为主要的燃烧反应，另一种是由待生催化剂夹带而来的部分油气及裂化产物，因为这种夹带来的混合物的质量相对较小，所以此为次要的燃烧反应。
所述再生部分对于再生器中燃烧反应，采用烧焦反应动力学进行建模，主要包括烧炭和烧氢两种反应，具体包含5种化学反应，可得到不同组分的反应速率。根据烧焦反应动力学，建立气体、碳、氢元素的摩尔平衡，催化剂质量平衡与能量平衡模型。
式中，——再生器气体、碳、氢元素的摩尔总量，mol；
——进入再生器气体、碳、氢元素的摩尔流量，mol/s；
——离开再生器气体、碳、氢元素的摩尔流量，mol/s；
Vbed——密相床层的体积，m3；
j——反应方程式的序号，1-4；
vji——第j个化学反应方程式中i组分的反应式系数，无因次量；
Wc，RG——催化剂在再生器中的质量，kg；
Fc,RGin——进入再生器催化剂的质量流量，kg/s；
Fc,RGout——离开再生器催化剂的质量流量，kg/s；
LRG——再生器的料位，m；
ΩRG——再生器的截面积，m2；
TRG——再生器内的温度，K；
Wg，RG——气体在再生器中的质量，kg；
Fg,RGin——进入再生器气体的质量流量，kg/s；
Fg,RGout——离开再生器气体的质量流量，kg/s；
Hg,RGin——进入再生器气体的热量，J/kg；
Hg,RGout——离开再生器气体的热量，J/kg；
Hc,RGin——进入再生器催化剂的热量，J/kg；
Hc,RGout——离开再生器催化剂的热量，J/kg；
Qloss——再生器的热量损失，J；
PRG——再生器的压力，Pa；
——再生器气体的平均分子量，kg/mol；
Vg,RG——再生器内气体的体积，m3。
式(13)为气体、碳、氢元素的摩尔平衡方程；式(14)为催化剂的质量平衡方程；式(15)再生器的料位方程；式(16)为能量平衡方程。式(17)为再生器稀相层的压力。
稀相管的作用是使一段再生器中的半再生催化剂由稀相管主风吹入二段再生器中进行完全再生，即起到两段再生器的连接作用。由于催化剂与气体(主要为O2、CO2、CO、N2和水蒸汽)在稀相管停留的时间较短，与提升管反应部分类似，因此可以建立拟稳态模型。
式中，Ni,Lift——稀相管中气体及碳、氢元素的摩尔流量，mol/s；
ΩLift——稀相管的截面积，m2；
Cpi——i的平均比热，J/(kg·K)；
TLift——稀相管内的温度，K；
PLift——稀相管内的压力，Pa。
式(18)和式(19)为气体及碳、氢元素的摩尔平衡方程；式(20)为能量平衡方程；式(21)为压力沿管长的分布。
反再系统的模型不仅仅需要各个部分的模型，还要求把这些模型联系起来综合考虑，把各部分的流量、温度、压力等作为联系的手段。其中，对于所述反应分离部分，提升管出口处催化剂的流量、油气和各产物的流量、催化剂上的含碳量以及气固两相的温度作为气提分离部分入口处的边界条件。
对于所述再生部分，一段再生部分进行烧焦反应，烧焦所产生的气体以及半再生催化剂，由稀相管主风带入所述稀相管部分。稀相管主风控制催化剂的流量，一段再生器内的温度，作为稀相管部分入口处的边界条件。烧焦反应继续在稀相管中进行，稀相管出口处的温度、催化剂的流量、气体的流量又作为二段再生部分入口处的边界条件。
所述反应分离部分与再生部分之间的联系是通过催化剂的循环来完成的。气提分离部分内的待生催化剂通过待生斜管流入一段再生部分，即气提分离部分密相层的温度为待生催化剂的温度，待生催化剂流入一段再生部分，所以待生催化剂的温度可以作为一段再生部分入口边界条件。而流出气提分离部分催化剂的流量也就是流入一段再生部分催化剂的流量，一段再生部分入口处的催化剂上的含碳量也与分离气提部分相同。二段再生部分的再生催化剂通过再生斜管流入提升管反应器的底部，到达提升管反应器的底部的催化剂的温度与二段再生部分密相床层的温度相同，即提升管反应器入口条件为二段再生部分出口处的条件通过以上的分析，就可以得到反应再生整个系统的数学模型，而不是孤立的各部分的数学模型。
所述知识数据库包括装置专家知识和历史采集数据。
所述知识数据库的建立包括：
ⅰ)在建立初期，搜集生产设备、安全设备、危险源和生产活动的资料，完成基本的知识收集工作，得到故障总结情况；
ⅱ)通过对工业双段式催化裂化装置DCS端采集在线测量信号的分析，得到设备运行实际工况。
所述稳态工作点初始输入数据包括：新鲜油气的温度与流量、提升管汽化蒸汽的温度与流量、汽提蒸汽的温度与流量、主风系统的温度与风量、分馏塔与废气的压力和剂油比。
所述故障数据库的故障类型包括工艺类故障、操作类故障和设备类故障；所述工艺类故障包括进料原油带水和催化剂失活故障；所述操作类故障包括主风系统故障；所述设备类故障包括再生滑阀堵塞。
所述故障数据库的建立包括：
Ⅰ)在建立初期，通过分析知识数据库中的故障总结情况，得到设备的工艺失常状态故障树；
Ⅱ)在得到故障动态模拟结果后，分析验证故障类型，将模拟结果录入故障数据库，完善数据库。
工业过程中易发故障可分为三类：操作类故障、工艺类故障和设备类故障。其中，操作类故障是由于操作人员错误操作引起的，在实际发生的故障占有比例很大；工艺类故障是由于工艺条件随时间或外部条件发生异常变化引起的；设备类故障包括设备老化失效、设备断电、外物损坏等引起。
本发明中可选取四种特定故障开展故障动态模拟研究，在反再系统过程动态模拟运行稳定后的某一时刻，引入进料原油带水(工艺类故障)、催化剂失活故障(工艺类故障)、主风系统故障(操作类故障)、再生滑阀堵塞(设备类故障)，分析不同故障动态扰动下系统特性。
本发明的有益结果是：
在对实际生产与模型计算过程简化却不失催化裂化反再系统重要特性的基础上，建立了双段式催化裂化反再部分的动态模拟系统，并在动态模拟系统上合理设置引起异常工况的扰动因素，进行故障动态特性仿真研究，获得有效的故障数据，为进一步探索有效的故障诊断与容错控制方法提供一种新思路。
附图说明：
图1为双段式催化裂化反再系统故障动态模拟系统示意图；
图2为本发明实施例稳态工作点的求解流程图；
图3a为本发明实施例中进料原油带水故障系统动态响应图——裂化反应产率；
图3b为本发明实施例中进料原油带水故障系统动态响应图——温度；
图3c为本发明实施例中进料原油带水故障系统动态响应图——催化剂料位；
图3d为本发明实施例中进料原油带水故障系统动态响应图——压力；
图4a为本发明实施例中催化剂失活故障系统动态响应图——裂化反应产率；
图4b为本发明实施例中催化剂失活故障系统动态响应图——温度；
图4c为本发明实施例中催化剂失活故障系统动态响应图——催化剂料位；
图4d为本发明实施例中催化剂失活故障系统动态响应图——压力；
图5a为本发明实施例中主风系统故障系统动态响应图——裂化反应产率；
图5b为本发明实施例中主风系统故障系统动态响应图——温度；
图5c为本发明实施例中主风系统故障系统动态响应图——催化剂料位；
图5d为本发明实施例中主风系统故障系统动态响应图——压力；
图6a为本发明实施例中再生滑阀堵塞故障系统动态响应图——裂化反应产率；
图6b为本发明实施例中再生滑阀堵塞故障系统动态响应图——温度；
图6c为本发明实施例中再生滑阀堵塞故障系统动态响应图——催化剂料位；
图6d为本发明实施例中再生滑阀堵塞故障系统动态响应图——压力。
具体实施方式：
以下将结合附图和具体过程对本发明进行进一步的阐述和说明。
如图1所示，一种双段式催化裂化反再系统故障动态模拟系统，包括：DCS数据采集模块、双段式催化裂化反再系统动态模型库、知识数据库、故障数据库以及故障智能分析模块。
一种双段式催化裂化反再系统故障动态模拟方法，包括：
(1)建立知识数据库，整合故障数据库；
所述知识数据库的建立包括：
ⅰ)在建立初期，搜集生产设备、安全设备、危险源和生产活动的资料，完成基本的知识收集工作，得到故障总结情况，如表1所示；
表1双段式催化裂化反再系统故障总结情况表
ⅱ)通过对工业双段式催化裂化装置DCS端采集在线测量信号的分析，得到设备运行实际工况。
所述稳态工作点初始输入数据包括：新鲜油气的温度与流量、提升管汽化蒸汽的温度与流量、汽提蒸汽的温度与流量、主风系统的温度与风量、分馏塔与废气的压力和剂油比。
所述故障数据库的故障类型包括工艺类故障、操作类故障和设备类故障；所述工艺类故障包括进料原油带水和催化剂失活故障；所述操作类故障包括主风系统故障；所述设备类故障包括再生滑阀堵塞。
所述故障数据库的建立包括：
Ⅰ)在建立初期，通过分析知识数据库中的故障总结情况，得到设备的工艺失常状态故障树；
Ⅱ)在得到故障动态模拟结果后，分析验证故障类型，将模拟结果录入故障数据库，完善数据库。
(2)基于工业双段式催化裂化装置的DCS数据和工艺模型资料，在MATLAB平台上搭建双段式催化裂化反再系统动态模型，建立双段式催化裂化反再系统动态模型库；
(3)根据知识数据库，得到不同工况下的基础输入数据，求得动态模拟的稳态工作点；
本实施例的稳态工作点初始输入数据如表2所示：
表2双段式催化裂化反再系统稳态工作点初始输入数据
动态模拟的稳态工作点的求解流程如图2所示，运用MATLAB平台上的ode23求解得到稳态工作点。
(4)从故障数据库选择特定故障类型，转换为动态模型的输入偏差，进行故障动态模拟；
本实例中给出4种特定故障下的系统主要变量的动态模拟情况，分别为进料原油带水、催化剂失活、主风系统故障和再生滑阀堵塞故障。
1)进料原油带水故障动态模拟
双段式催化裂化装置反再系统中干扰反应器影响最大的操作是原料的特性变化。原油性质是所有操作条件中最重要的，制定生产方案、选择操作条件都应先了解原油的性质。
正常工况下进料温度为450.12K，不论是否存在相变，只要原油带水都会引起进料温度下降，且在有相变时引起进料温度的大幅下降。因此在双段式催化裂化反再装置动态模拟系统稳定运行后2ks后，引入进料原油温度减小的故障扰动，系统的动态响应模拟结果如图3a、3b、3c和3d所示。
从图3b、3c看到，原料带水会引起反应器催化剂料位升高，一段二段再生器出口温度降低，反应温度上升。因此，处理措施为控制反应温度，适当提高再生温度，这与实际工厂的处理措施相符合。
2)催化剂失活故障动态模拟
催化剂在生产过程中其活性随着使用时间的增长而降低，催化剂的失活甚至可以导致双段式催化裂化反再系统的非稳态操作。
催化剂失活类型很多，比如化学的、热的、机械的。催化剂在裂化反应过程中由于积碳的发生，活性组分被覆盖，导致活性降低。催化剂失活是一个复杂过程，活性衰退时，反应速率随着活性的衰退而下降。
本文通过模拟反应动力学中各反应的速率下降进行催化剂失活故障模拟，系统的动态响应模拟结果如图4a、4b、4c和4d所示。
从图4a可以看到，再生催化剂活性降低会引起原油转化率的下降，这与实际工厂经验相符。同时，反应器催化剂料位大幅下降，一段二段再生器温度与压力均上升。需及时恢复再生催化剂活性，一般通过烧焦的方法来恢复催化剂的活性，但有时烧焦温度控制失误会使再生催化剂失活。
3)主风系统故障动态模拟
再生器的作用为烧去结焦剂上的焦炭以恢复催化剂活性，同时提供裂化反应所需热量。再生用主风由主风系统提供。主风系统或可由于操作工的原因进行误操作导致主风量的改变，从而导致异常工况。
通过模拟两段再生器主风量均在2ks后上升5％以模拟主风故障，系统的动态响应模拟结果如图5a、5b、5c和5d所示。
由于主风量的变化对反应器影响不大，因此对裂化反应产率影响不大，与图5a结果相符。主风量上升，两段再生器内压力、温度均增大，与图5b和5d结果相符。
4)再生滑阀堵塞故障动态模拟
再生滑阀是催化裂化装置特殊滑阀之一，使用在高温催化剂环境下，作为催化剂循环流程中的关键设备之一，对催化裂化反应温度控制、物料调节以及压力控制起到关键作用。
通过模拟再生滑阀在2ks后堵塞100s后恢复正常的运行异常情况以进行滑阀故障分析，系统的动态响应模拟结果如图6a、6b、6c和6d所示。
再生滑阀堵塞后系统波动极大，反应器催化剂料位急剧下降，反应温度上升，此与工业现场规程描述相符。
(5)运用故障智能分析模块，验证故障类型，将模拟结果录入故障数据库，完善数据库。

Claims (4)

1.一种双段式催化裂化反再系统故障动态模拟方法，其特征在于，包括：
(1)建立知识数据库，整合故障数据库；
(2)基于工业双段式催化裂化装置的DCS数据和工艺模型资料，构建双段式催化裂化反再系统动态模型，建立双段式催化裂化反再系统动态模型库；
(3)根据知识数据库，得到不同工况下的基础输入数据，求得动态模拟的稳态工作点；
(4)从故障数据库选择特定故障类型，转换为动态模型的输入偏差，进行故障动态模拟；
(5)运用故障智能分析模块，验证故障类型，将模拟结果录入故障数据库，完善数据库。
2.如权利要求1所述的双段式催化裂化反再系统故障动态模拟方法，其特征在于，所述知识数据库包括装置专家知识和历史采集数据。
3.如权利要求1所述的双段式催化裂化反再系统故障动态模拟方法，其特征在于，所述故障数据库的故障类型包括工艺类故障、操作类故障和设备类故障；所述工艺类故障包括进料原油带水和催化剂失活故障；所述操作类故障包括主风系统故障；所述设备类故障包括再生滑阀堵塞故障。
4.如权利要求1所述的双段式催化裂化反再系统故障动态模拟方法，其特征在于，所述稳态工作点初始输入数据包括：新鲜油气的温度与流量、提升管汽化蒸汽的温度与流量、汽提蒸汽的温度与流量、主风系统的温度与风量、分馏塔与废气的压力和剂油比。
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