CN112782378B - 常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，其包括：在线水质分析单元，其用于实时检测常减压装置塔顶的组分浓度；参数采集单元，其用于采集常减压装置的实时生产参数；以及结垢预测单元，其包括结垢预测模型，该结垢预测模型采用组分浓度和实时生产参数作为输入，用于执行常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测。本发明还公开了一种常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测方法。本发明将在线监测和模型预测相结合，实现了常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的实时预测；在线监测能够应对炼厂加工原料和工艺参数变化频繁的特点，结垢风险预测的准确性高。

Description

常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统及方法

技术领域

本发明涉及石油化工设备结垢风险管控领域，特别涉及一种常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统及方法。

背景技术

近年来，原油性质的劣质化、来源的多样化造成许多炼油厂常减压装置结垢风险增加，严重影响着装置的长周期安全稳定运行，其中塔顶低温系统的结垢堵塞和垢下腐蚀是较为普遍的问题之一。原油中本身含有的和经过高温反应生成的NH₃、HCl馏出反应塔后，随着物料温度降低，结合生成NH₄Cl结晶，沉积在设备内表面，增大系统压降，阻碍油气的流动，并容易导致垢下腐蚀的发生。塔顶注入的中和剂中含有大量胺类物质，与HCl结合产生的有机胺盐也同样能够对设备产生不良影响。对于塔顶系统的氮化物盐类结垢，企业大多根据系统压力的变化判断是否有堵塞，停工检修或设备出现垢下腐蚀穿孔时才能进行分析确认，并没有实现实时预测风险、及时调整加工方案。因此，在加工原料性质复杂多变的前提下，进行在线的铵/胺盐结垢预测，判断结盐腐蚀风险，从而采取重点部位密切监测和防腐蚀工艺措施及时优化是至关重要的。

现有涉及装置结盐的相关技术，大多关注装置结盐后的清洗、装置结盐的预防等方面，如专利文献CN101880543B公开了一种常压塔塔盘结盐的在线清洗方法，其为依托原有工艺流程，通过连接临时流程和调整操作参数解决常压塔塔盘结盐的在线清洗方法；专利文献CN102373067B公开了一种防止分馏塔结盐的方法，该方法在装置不停工或降量的情况下通过加入结盐抑制剂防止分馏塔结盐；专利文献CN107050909A公开了一种脱除腐蚀性杂质防止分馏塔结盐腐蚀的装置，该装置利用磁场和电场作用去除能导致结盐的腐蚀性杂质。然而，这些公开技术均未涉及铵/胺盐的结盐腐蚀风险预测。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的之一在于，提供一种常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统及方法，从而避免现有技术中判断结垢风险的滞后性。

本发明的另一目的在于，提供一种常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统及方法，从而提高现有技术中结垢风险预测的准确性。

本发明的另一目的在于，提供一种常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统及方法，从而根据预测结果优化系统控制，减少结垢堵塞及垢下腐蚀的发生率，延长装置运行时间、降低生产成本。

为实现上述一个或多个目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，其包括：在线水质分析单元，其用于实时检测常减压装置塔顶的组分浓度；参数采集单元，其用于采集常减压装置的实时生产参数；以及结垢预测单元，其包括结垢预测模型，该结垢预测模型采用组分浓度和实时生产参数作为输入，用于执行常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测。

进一步，上述技术方案中，常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统还包括：数据处理单元，其用于执行组分浓度和实时生产参数的标准化处理和存储。

进一步，上述技术方案中，在线水质分析单元通过塔顶水样抽出旁路与常减压装置塔顶相连接。

进一步，上述技术方案中，塔顶水样抽出旁路能够调节进入在线水质分析单元的水样的样品量、流速和温度。

进一步，上述技术方案中，在线水质分析单元与常减压装置塔顶非接触设置。

进一步，上述技术方案中，在线水质分析单元包括水油分离器。

进一步，上述技术方案中，实时生产参数至少包括温度、压力和物料流量。

进一步，上述技术方案中，结垢风险预测模型包括塔顶氮化物盐类结晶温度的计算。

进一步，上述技术方案中，常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测包括结垢风险等级。

进一步，上述技术方案中，常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测还包括结垢风险部位和/或最优注水点位置。

进一步，上述技术方案中，组分浓度包括氨氮浓度、氯离子浓度和硫化氢浓度。

进一步，上述技术方案中，组分浓度还包括有机胺浓度。例如，乙醇胺浓度、甲胺浓度、乙胺浓度、二甲胺浓度、三甲胺浓度、乙二胺浓度、三乙醇胺浓度中的一种或几种。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测方法，该方法采用如上述技术方案中任意一项的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，该方法至少包括如下步骤：建立结垢风险预测模型；采集常减压装置塔顶的水样；分析水样中的组分浓度；采集常减压装置的实时生产参数；以及根据组分浓度和实时生产参数，通过结垢风险预测模型进行常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测。

进一步，上述技术方案中，该方法还包括步骤：将组分浓度和实时生产参数进行标准化处理。

进一步，上述技术方案中，标准化处理包括单位标准化和时间尺度标准化。

进一步，上述技术方案中，实时生产参数包括常减压装置塔顶不同部位的系统温度，建立结垢风险预测模型包括计算塔顶氮化物盐类结晶温度。

进一步，上述技术方案中，常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测包括结垢风险等级，结垢风险等级根据系统温度与结晶温度的差值ΔT分为三级：

当ΔT＞15℃时，结垢风险等级为低风险；

当0℃≤ΔT≤15℃时，结垢风险等级为中风险；以及

当ΔT＜0℃时，结垢风险等级为高风险。

进一步，上述技术方案中，建立结垢风险预测模型还包括利用流体模拟计算常减压装置塔顶不同部位的相分布、流速分布、温度分布、压力分布和介质浓度分布。

进一步，上述技术方案中，常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测还包括结垢风险部位和/或最优注水点位置。

与现有技术相比，本发明具有如下一个或多个有益效果：

1.将在线监测和模型预测相结合，实现了常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的实时预测。

2.在线监测能够应对炼厂加工原料和工艺参数变化频繁的特点，结垢风险预测的准确性高。

3.具有数据处理单元，能够与多种装置相兼容，适用范围更广。

4.在线水质分析单元与常减压装置塔顶并不接触，便于维护；进入在线水质分析单元的水样能够调节，使用寿命更长；在线水质分析单元设有水油分离器，避免水样中带油，提高分析结果的准确度。

5.预测模型结合流体模拟计算，预测结果对系统优化具有指导作用。

6.与装置非接触式连接，仅需通过旁路引入检测物料，安全性、便携性和普适性良好。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1是根据本发明的一实施方式的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统示意图。

图2是根据本发明的一实施方式的在线水质分析单元的结构示意图。

主要附图标记说明：

10-在线水质分析单元，11-水油分离器，12-样品池，13-排油口，14-排水口，15-水样抽出旁路，151-控制阀门，20-参数采集单元，30-数据处理单元，40-结垢预测单元，50-分液罐。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

如图1所示，根据本发明具体实施方式的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统包括：通信连接的在线水质分析单元10、参数采集单元20和结垢预测单元40。在线水质分析单元10用于实时检测常减压装置塔顶的组分浓度。示例性地，组分浓度可以为组分的质量浓度和/或摩尔浓度，本发明并不以此为限。参数采集单元20用于采集常减压装置的实时生产参数。结垢预测单元40包括结垢预测模型，该结垢预测模型采用组分浓度和实时生产参数作为输入，用于执行常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测。示例性地，常减压装置塔顶包括初馏塔顶、常压塔顶或减压塔顶。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统还包括：数据处理单元30，其用于执行组分浓度和实时生产参数的标准化处理和存储。由于采集的数据从不同的设备而来，存在数据格式、采集频率、单位不统一等问题，数据处理单元30能够对这些数据进行标准化处理，使得后续用于计算分析的数据都统一至相同单位和时间尺度。示例性地，标准化处理包括对数据进行时间尺度统一，如果某个时段采集数据中有缺失，则通过线性插值方法进行补充。示例性地，标准化处理包括对数据单位进行统一，例如，将数据统一为国际单位。

进一步地，结合图2所示，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，在线水质分析单元10通过塔顶水样抽出旁路15与常减压装置塔顶相连接。示例性地，连接位置可以为常减压装置塔顶的分液罐50。分液罐50与塔顶水样抽出旁路15之间管道上设有阀门151。优选而非限制性地，塔顶水样抽出旁路15能够调节进入在线水质分析单元10的样品池12的水样的样品量、流速和温度。在线水质分析单元10与常减压装置塔顶非接触设置，以保护分析设备。优选而非限制性地，在线水质分析单元10包括水油分离器11，避免进入样品池12的水样中带油，影响分析结果。在线水质分析单元10设有排油口13和排水口14。示例性地，在线水质分析单元10的样品池12具有自清洗功能。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，实时生产参数至少包括温度、压力和物料流量；组分浓度包括氨氮浓度、氯离子浓度和硫化氢浓度。示例性地，组分浓度还包括有机胺浓度，例如，乙醇胺浓度、甲胺浓度、乙胺浓度、二甲胺浓度、三甲胺浓度、乙二胺浓度、三乙醇胺浓度中的一种或几种。示例性地，组分浓度还包括铁离子浓度，其可以辅助预测系统的腐蚀。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，结垢预测单元40的结垢风险预测模型包括塔顶氮化物盐类结晶温度的计算。例如，氯化铵的结晶温度为氯化铵实际反应平衡常数值随温度变化曲线与结晶平衡曲线的交点。经数据处理单元30获得的标准化的组分浓度、实时生产参数中的温度、压力作为边界条件输入即可得到相应的氯化铵的结晶温度。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测包括结垢风险等级。优选地，常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测还包括结垢风险部位和/或最优注水点位置。

根据本发明一个或多个实施方式的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测方法，该方法采用如上述技术方案中任意一项的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，该方法至少包括如下步骤：建立结垢风险预测模型；采集常减压装置塔顶的水样；分析水样中的组分浓度；采集常减压装置的实时生产参数；以及根据组分浓度和实时生产参数，通过结垢风险预测模型进行常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，该方法还可以包括步骤：将组分浓度和实时生产参数进行标准化处理。示例性地，标准化处理包括单位标准化和时间尺度标准化。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，实时生产参数可以包括常减压装置塔顶不同部位的系统温度，建立结垢风险预测模型可以包括计算塔顶氮化物盐类结晶温度。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测包括结垢风险等级。示例性地，结垢风险等级根据系统温度与结晶温度的差值ΔT分为三级：当ΔT＞15℃时，结垢风险等级为低风险；当0℃≤ΔT≤15℃时，结垢风险等级为中风险；以及当ΔT＜0℃时，结垢风险等级为高风险。

进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，建立结垢风险预测模型还包括利用流体模拟计算常减压装置塔顶不同部位的相分布、流速分布、温度分布、压力分布和介质浓度分布。示例性地，本发明还可以确定结垢风险部位和/或最优注水点位置。

参考图1和图2所示，根据本发明的一个或多个实施方式的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统的工作过程如下：

水样抽出旁路15从常减压装置的分液罐50的排水口处抽出侧线，打开水样抽出旁路15的控制阀门151后，塔顶切水流入旁路，经管路进入在线水质分析单元10。在线水质分析单元10的水油分离器11将水样中混入的油预处理分离后再进入样品池12进行组分浓度分析。分析完毕后，水样从排水口14排出，分离出的油从排油口13排出。组分浓度分析结果传输至数据处理单元30。

参数采集单元20提取常减压装置生产实时数据库中的温度、压力、流量等实时生产参数，传输至数据处理单元30。

数据处理单元30将输入的实时生产参数和组分浓度进行标准化校正处理，传输至结垢预测单元40。

结垢预测单元40中的结垢预测模型工作，数据处理单元30传输来的数据信息通过结垢预测模型计算，从而确定氮化物盐类结晶温度。通过对比结晶温度与塔顶目标部位的温度差，判断此处的结垢风险等级。结垢预测模型还可以通过流体模拟获得系统温度分布、速度分布、压力分布、相分布和介质浓度分布等，进而确定具体结垢风险部位，并根据该结果优化注水注剂操作和加工原料的质量控制。应了解的是，塔顶目标部位和数量通常是根据使用者的需求定制的，例如，挥发线后、换热器入口前或注水口等，本发明并不以此为限。

对本发明的适用的常减压装置来说，初馏塔和常压塔的塔顶系统压力属于低压范围，减压塔顶系统压力低于大气压，系统中含有的HCl和H₂S都是微量的，同一温度下，硫化氢铵的结晶系数比氯化铵的结晶系数高很多，一般不会达到硫化氢铵的结垢沉积条件。因此，常减压装置塔顶系统中主要考虑氯化铵结晶。

下面以实施例更具体地说明本发明的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统和方法的内容，应了解的是，本发明并不以此为限。

实施例1

本实施例的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统连接至常减压装置塔顶分液罐旁路，安装调试完成后开展结垢风险预测。本实施例中原油的品种为辽河原油，系统稳定运行24小时时，在线水质分析单元10检测到的组分浓度参见表1-1，参数采集单元20提取的实时生产参数参见表1-2。该时刻，结垢预测单元40输出的预测结果参见表1-3。

实施例2

本实施例为实施例1中的系统运行100小时时，在线水质分析单元10检测到的组分浓度参见表1-1，参数采集单元20提取的实时生产参数参见表1-2。该时刻，结垢预测单元40输出的预测结果参见表1-3。

实施例3

本实施例为实施例1中的系统运行200小时时，在线水质分析单元10检测到的组分浓度参见表1-1，参数采集单元20提取的实时生产参数参见表1-2。该时刻，结垢预测单元40输出的预测结果参见表1-3。

实施例1～3根据实时监测数据预测了同一系统不同时刻的结垢风险，预测结果及时、准确性高。此外，预测结果能够对系统控制进行优化指导，例如，得到最优注水点位置。常减压装置塔顶系统注水量对氯化铵的结晶温度影响较小，因此，注水量的大小与原油的质量相适应，并且能够对结盐起到良好的冲洗效果即可。原则上，注水量要求所注的水有25％不被汽化，一般在塔顶物流量的5～8％。通过优化注水点位置，可以在不产生严重沉积的情况下节约水资源、降低生产成本。相应地，注水点位置应设置在氯化铵结晶沉积位置的上游，且保证注水均匀分散，才能起到良好的喷淋冲洗和减缓沉积堵塞的作用，因此预测氯化铵结晶沉积位置对注水点的布置具有指导作用。

表1-1组分浓度(单位：mg/L)

表1-2实时生产参数

表1-3预测结果

实施例4

本实施例的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统连接至常减压装置塔顶分液罐旁路，安装调试完成后开展结垢风险预测。本实施例中原油的品种为中东高硫原油，稳定运行24小时，在线水质分析单元10检测到的组分浓度参见表4-1，参数采集单元20提取的实时生产参数参见表4-2。该时刻，结垢预测单元40输出的预测结果参见表4-3。

实施例5

本实施例为实施例5中的系统运行100小时时，在线水质分析单元10检测到的组分浓度参见表4-1，参数采集单元20提取的实时生产参数参见表4-2。该时刻，结垢预测单元40输出的预测结果参见表4-3。

实施例4和5能够实现对系统结垢风险、结垢位置的实时预测。根据不同需求输出预测结果，例如，不同位置的氮化物盐类结垢风险等级。

表4-1组分浓度(单位：mg/L)

表4-2实时生产参数

表4-3典型部位结垢风险预测结果

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，其特征在于，包括：

在线水质分析单元，其用于实时检测常减压装置塔顶的组分浓度，该组分浓度包括氨氮浓度、氯离子浓度、硫化氢浓度和有机胺浓度；

参数采集单元，其用于采集常减压装置的实时生产参数，该实时生产参数至少包括温度、压力和物料流量；以及

结垢预测单元，其包括结垢风险预测模型，该结垢风险预测模型的建立包括塔顶氮化物盐类结晶温度的计算以及利用流体模拟计算常减压装置塔顶不同部位的相分布、流速分布、温度分布、压力分布和介质浓度分布；该结垢风险预测模型采用所述组分浓度和所述实时生产参数作为输入，用于执行常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测。

2.根据权利要求1所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，其特征在于，还包括：

数据处理单元，其用于执行所述组分浓度和所述实时生产参数的标准化处理和存储。

3.根据权利要求1所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，其特征在于，所述在线水质分析单元通过塔顶水样抽出旁路与所述常减压装置塔顶相连接；所述塔顶水样抽出旁路用于调节进入所述在线水质分析单元的水样的样品量、流速和温度。

4.根据权利要求3所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，其特征在于，所述在线水质分析单元与所述常减压装置塔顶非接触设置。

5.根据权利要求4所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，其特征在于，所述在线水质分析单元包括水油分离器。

6.根据权利要求1所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，其特征在于，所述常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测包括结垢风险等级。

7.根据权利要求6所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，其特征在于，所述常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测还包括结垢风险部位和/或最优注水点位置。

8.一种常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1~7中任意一项所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测系统，该方法至少包括如下步骤：

建立结垢风险预测模型；

采集所述常减压装置塔顶的水样；

分析所述水样中的组分浓度；

采集所述常减压装置的实时生产参数；以及

根据所述组分浓度和所述实时生产参数，通过所述结垢风险预测模型进行常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测。

9.根据权利要求8所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测方法，其特征在于，该方法还包括步骤：将所述组分浓度和所述实时生产参数进行标准化处理。

10.根据权利要求9所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测方法，其特征在于，所述标准化处理包括单位标准化和时间尺度标准化。

11.根据权利要求8所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测方法，其特征在于，所述实时生产参数包括所述常减压装置塔顶不同部位的系统温度，所述建立结垢风险预测模型包括计算塔顶氮化物盐类结晶温度。

12.根据权利要求11所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测方法，其特征在于，所述常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测包括结垢风险等级，所述结垢风险等级根据所述系统温度与所述结晶温度的差值ΔT分为三级：

当ΔT＞15℃时，所述结垢风险等级为低风险；

当0℃≤ΔT≤15℃时，所述结垢风险等级为中风险；以及

当ΔT＜0℃时，所述结垢风险等级为高风险。

13.根据权利要求12所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测方法，其特征在于，所述建立结垢风险预测模型还包括利用流体模拟计算常减压装置塔顶不同部位的相分布、流速分布、温度分布、压力分布和介质浓度分布。

14.根据权利要求13所述的常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险预测方法，其特征在于，所述常减压装置塔顶氮化物盐类结垢风险的至少一种预测还包括结垢风险部位和/或最优注水点位置。

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