本文研究了大型原油蒸馏过程能量全局优化控制问题。通过对原油蒸馏装置备用能环节能量传递关系的分析，将全装置能量系统分解为四个能量子系统。在对常压塔、减压塔、换热网络和加热炉等四个能量子系统优化控制问题求解的基础上，运用大系统理论分解协调的原理，求解了原油蒸馏过程的能量全局优化控制问题。对某炼厂大型原油蒸馏装置现场操作数据优化计算结果表明，本文提出的能量全局优化控制策略将使装置的总能耗降低8.46％

周春晖

曾文华

高衿畅

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第 期 炼油化工 自动化大型原油蒸馏过程能量全局优化控制策略曹文华 高矜畅 周春晖杭州电子工 业学院, ! !  ∀ # 浙江 大学, ! ! ∃ ∀ #〔摘要〕本文研究 了大型原油蒸馏过程能量全局优化控制问题。通过对原油蒸馏装置各用能环节能量传递关系的分析,将全装置能量系统分解为四 个能最 子系统。在对常压塔、减压塔、换热网络和加热炉等四个能量子系统优化控制 问题求解的基础 上,运用大 系统理 论分解协调的原理%求解 了原油蒸馏过程的能量全局优化控制问题。对某炼厂大型原油蒸馏装置现场操作数据 优化计算结果表明,本文提 出的能量全局优化控制策略将使装置的总能耗降低 &%∋( )。关镇词∗原油燕馏 过程 节能控制 操作优 化 大系统分解协 调方法 非线性规划引言原油蒸馏过程是一个消耗巨大能量的复杂工艺 生产过 程,其能耗 占炼 厂总能耗 的∃ ! ) 以上,因而节能 问题一直是原油蒸馏过程优化控制的一个主要问题。原油蒸馏装置包括众多的消耗和回收能量环节。至今文献中所报导的蒸馏过程节能控制都只局限于对装置中某个能量环节的控制研究。如加热炉的氧含量控制、热效率在线计算与控制+常压塔的循环 回流热值控制、过汽化率控制等。并且绝大多数节能控制方案没有直接从能耗最小的角度 去设计,而只是为了保证质量控制系统或设备的安全、平稳操作等要求。因此从能量最优的角度研究蒸馏装置中各能量环节的优化控制,就显得十分必要。由于蒸馏装置中各能量环节间存在相互关联,这使得各个能量环节的单独最优并不能保证全装置的能量最优。因此必须采用大系统的方法研究蒸馏装置的能量全局优化控制策略。本文首先通过对蒸馏装置各用能环节能量传递关 系的分析,提 出将全装置能量 系统分解为 峨个能量子系统。然后,分别求解了常压塔、减压塔、换热网络和加热炉能量子系统的优化控制问题。在此基础上,最后运用大系统的分解协调原理,求解了原油蒸馏过程能量全局优化控制问题。∃ 能, 子系统的划分图 为上海高桥石化公司炼油厂 号蒸馏装置工艺流程图。该原油蒸馏装置包括换热 网络、常压炉、减压炉、常压塔、减压塔、汽提塔、冷却器及热交换器等许多用能设备。如果从装置中各用能设备间能量的相互影响关系去分析,可以得到图 ∃ 所示 的能量传递信息图。由图 ∃ 可知,我们将整个蒸馏装置划分为 了个能量环节。常压塔的高温位产品和  个循环回流用于与原油换热,塔 产品流量 由工艺生产方案决定是不可改变的,循环回流与塔顶冷 回流一道取走塔的余热。从有效能的角度分析,塔顶冷回流无回收价值,而循环 回流热 回收率由其取热温位决定。因此通过合理分配各回流取热,使循环回流总取热 有效能 #最大,将提高换热网络的终温。减压塔有与常压塔类似 的结论。初馏塔参与换热的 为初顶 油气,其是固定的。这里将初馏塔与网络、网络 ∃ 合并一收稿 日期∗ − −  ! ∀  !炼油化工自动化 − − ∋ 年起,组成一个总的换热网络。换热网络的终温由各热源的流量、温度以 及网络 中各冷源的流量 比确定。在网络热源固定的情况下,寻找最佳的冷源流量比,使网络终温最高,将提高常压炉的进料温度,降低炉子能耗。降低减压炉的能耗是通过改善炉子的操囚汇不.换热网络换热网 减压炉常压护图 原油蒸馏装置工艺流程示意图/华 牙司0 而走血主到 1竺 1’塔图 ∃ 原油 蒸馏过程能量传递信,息图作条件,提高炉子热效率来实现。对于  台并联运行的常压炉,由于彼此之间的相互关联,要同时使每台炉子的热效率都达到最大是不可能的。如何合理分配各加热炉的热负荷,使总的热效率最大,将进一步降低加热炉的总能耗。基于上面的分析,我们将原油蒸馏过程能量全局优化问题分解为如下 ∋ 个能量子系统优化间题。常压塔的最佳 回流取热分配 减压塔的最佳 回流取热分配! 换热网络的操作优化∀多台并联运行加热炉的最佳热负荷分配。# 能皿子系统优化问题的求解下面分别讨论 ∃ 个能量子系统优化问题的求解方法。#%& 常压塔的最佳回流取热分配由于常压塔塔顶冷 回流是用空冷 ∋或水冷 (来实现 的,其热量全部浪费 而三个循环回流用去预热原油,具有较高的热 回收价值。因此最佳回流取热分配间题的 目的就是要尽量提高循环回流取热,降低冷 回流取热,故 目标函数表示为)∗ + , − .人 · / 0 人1 −23 ·心2 3 1 − #3·/#3∋ 4 (式中 5‘ , 6一 4, 7 , #—各循环回流取热量。考虑到各循环 回流取热温位不一样,其热回收率也不一样,因此在 目标函数 中引入了加权系数 −人 , 6一 &,7,#。已人的值可 由有效能分析的方法得到,这里取− 一3 8 &%9 , − 23 8 7%9 , − #3 8 7%9 。显然循环 回流取热是不能无限制提高的,当循环 回流增加后,将改变塔内汽、液相负荷的分布。这一方面会影响塔的分离效果,导致产 品质量下降甚至不合格,另一方面可能引起液泛、漏液等现象,破 坏塔 的安全操作。因此最佳回流取热分配问题必须考虑保证产品质量及塔的安全操作两方面的约束。第 期 炼油化工 自动化我们用相邻产品间重叠度表示产品的质量,故有如下保证产品质量的约束方程∗重叠度 2# 工艺要求值 2,23,∃,⋯,4∃ #塔的安全操作用一组塔板水力学参数来表示,工艺上为保证不发生漏液、液泛等现象,要求∗垅,镇嵘镇瞬&%!镇 5下镇 ∃%!4 #, :镇; <簇”= >%9簇?,成 &7%9∋ #(式中。< 、 。丫 、 。‘ 、 ?’—空塔速度、允许空塔速度、漏液 时最小空速和阀孔动能因子。我们基于对塔 内汽、液相 负荷的精确计算,将式 ∋ & (、∋7 (、∋ #( 所示的最佳回流取热分配问题,表示为如下一具有 # 个优化变量、&≅个不等式约束的非线性规划问题〔#〕 )∗ + , − 0 3 · Α , 3 1 −2 Β · Α 2 Β 1 − #Β·Α #3∋ ∃(≅%.%Χ Δ ∋ Α 3,Α 23,Α <3 (镇 9,6 8 4,7,⋯,4 ≅式 中 氏人 , 6一 &,7, #—各循环回流取热 比。采 用综合约束函数双下降法 ∋Ε − Φ Φ (求解该非线性规划问题,一组操作工况的优化计算结果如表 &所示。表 &‘常压塔最佳回流取热优化计算结果式中 产, 、两 ∗ +, 、肠 ∗ 4Γ—各侧线产品的粘度及工艺要求 的最大、最小值。粘度与各循环 回流取热比的关系由多元试验回归得到。据推导〔的 ,该非线性规划具有7个 优化 变 量、 4 Η 个不 等式 约 束。仍采 用Ε− Φ Φ 法求解,一组操作工况的优 化结果列于表 7。表 7 减压塔最佳回流取热优化计算结果Ι一线冷 减一中 减二中 循环回流回流 总和操作值,ϑ #∃%Κ 7 #>%Λ ≅ 7 Κ%Κ # Κ≅%#>优化值,ϑ 7∃%#Μ ∃7%> Λ #7%Λ ∃ Λ ≅%Κ&#%# 换热网络的操作优化换热网络的终温由参与网络换热的热源流量、温度及冷源的物料流分配比决定。在热源流量、温度固定的情况下,通过寻求最佳的冷源流量 比,使 网络换热终温最大,是换热网络操作优化的目的。定义 下面 Λ 个优化变量 ∋参见图 & ()Χ &了 ‘一 万Χ 。脚 一瓦口 4 Ν之 ,一瓦∋ Κ (ΧΚ一仇一Ο仇一岛一ΟΙ冷回流顶循环 常一中 循环回流总和帛 Π 甲操作值,ϑ ∃ ≅%#Λ &9%∃7 7>%Λ ∃ &≅%∃Λ ≅∃%Κ #优化值,ϑ #Μ%> ≅ &#%&& 7Μ%∃ Θ &Λ。Κ # Κ 9%&≅Χ #Ρ ‘一云丁不瓦Χ 了靳 一牙菜不花兀#%7 减压塔的最佳 回 流取热分配减压塔有与常压塔类似的结果,其最佳回流取热分配表示为如下的一非线性规划问题)我们通过对换热 网络的综 合模拟,将 网络换热终温 Σ。表示为二 ,一, Λ的函数关系〔们 )ΣΤ一 Υ ∋ , ,,⋯, , 了( ∋ Λ (这样,换热网络的操作优化问题表示为∗ + , Σ。8 ∗ + , Υ ∋ , ,,⋯, , ) ( ∋ > (− 0, ·Α ,,1 −2 , · Α 2 ”角 ∗ ,”簇 产)∋ Α 0” , Α 2 ” (镇 角, “ , 6 8 4,7。 。 。∃采用不需求函数导数的单纯形加速法〔了〕求解该非线性规划问题,一组操作工况 的优化计算结果列于表 #。炼油化工 自动化 − − ∋ 年表  换热网络操作优化计算结果6工 , 刃∃ 工 工∋ 工4 了( 工∀ 7 %操作值 ! 4 !%4 !%4 ! 4 ( !%& − ( !%& 4 ∃ !% ∀ ( ∃ & ∋%∀ −优化值 !%4   ! ∋ 吕! !%4 − ∋ !%4 ∃  !%& − − !%& ∋ ! !% − ( ∃ & ∀%(  ∋ 能量全局优化问题及求解由于 ∋ 个能量子系统之间存在相互关联,因而能量全局优化问题的解不能直接地表示为 ∋ 个子系统能量优化问题解的和。经分析,∋ 个能量子系统间的相互关联如 图  所示。 %∋ 多台并联运行加热炉最佳热负荷分配多台并联运行的加热炉,由于存在相互关联,每台炉子的热效率最高,并不能保证总的热效率最高。通常各台炉子的热效率是不一样的,并且热效率随操作工况变化。显然对效率高的炉子 应充分利用,对效率低的则尽量少用。即存在一个炉子热负荷的分配问题,最佳热负荷分配应使 加热炉总能耗最小。我们通过建立加热炉辐射段和对流段的热平衡模型,得到如下函数关系〔4 〕∗5‘8 9,: /5,孔,7; ∗# 28,∃, − #式中 5—每台加热炉的燃料量+: <—每台炉子的加热原油量+7=% —每台炉子的炉出口温度。加热炉最佳热负荷分配问题表示 为∗> 2? 5 + ≅ 5Α≅ 户’ 8 > 2? Β9, : 丁,7。 ,7。 ∗# ≅9Α :鉴,7。 ,7= Α#十9 ‘Χ,7。 ,7=  # ! #4%Δ%: , 5十:Α 5≅ : 58 :。#7= ,一 7 =Α 一 7=  一 7。一 7 =Ε将式 #、∃ #代入式 ! #中,则上述优化间题转化为一具有 ∃ 个优化变量的无约束非线性规划。仍采用单纯形加速法求解一组现场操作数据的优化计算结果列于表 ∋。表 ∋ 加热炉最佳热负荷分配优化结果图  能童优化子 系统 的相互关联图能量全局优化问题表示为〔的> 2? 5 + ≅ 5Α≅ 5 8 > 2? ΦΑ Γ Α ,ΗΑ#4%Δ%夕+ ∃ 8 Ι, ∃ Γ , ∃ , Γ ,  , Γ , + ,Η,#ϑ , ∗ 8 Ι,  Γ , ∗ , Γ ,  , Γ , + ,Η,#ϑ Α 8 ΙΑ Γ ∗ ,ΗΑ#ϑ ∗ 8 Ι Γ  ,Η #夕+ 8 Ι+Η+#Γ ∃8 ϑΑ , Γ 一 8 ϑ , Γ ,‘8 ϑ月 , Γ Α8 梦一∃ ,Γ  8 ϑ ‘ Γ ∗,Η #镇 !“ Η+#镇 !∃ #、资66,红炉 ∃“炉  “炉 总计力口 操作值 !  ∀ ! !  ∀ ! 】 】 !  ∀ ∋ ∀ !热原 优化值 !  − ∃ 0! ( ∃ ( 4 ! ! &   】∀ ∋ ∀ !油 Β1量燃 操作值 ! ! − ! !  ∃ ∋ ∃  ∃ 4 ∋料值 优化值 ! ∋ ∋ ! & ! ∃ ∃  ! & ∋图  及式 ∃# 中各变量的含义如下。5,—2一,∃, 邓 台常压炉的燃料量+Η、—2一 ,,∃, ,∋ + 月个能量子系统的优化 控制 #变量,参见上节的分析+夕 ∃—即网络换热终温 爪+,  —初馏塔一线产品温度+ϑ Α— 台常压炉冷进 料段烟气入 口 流量及温度+夕 —Κ , 人·研 ≅ ΚΑΛ ·ΜΑΛ≅ Κ Λ ·Μ Λ +夕‘—Κ ,” %心, ”≅ ΚΑ , %心∃ ,’ 。能量全局优化 间题式 ∃# 的 助Χ< Ν? Χ2 Ν?函数为∗△Ο 8 ΦΑ Γ ∗ ,ΗΑ# ≅ 户,∗ 7 · Γ ∃一 歹∃#≅ 尸 7 ·Γ ∗  一夕 #≅ 户, 、7 · Γ , +一 ,+#≅ 户Α 7 · Γ ∗一夕, ∃#≅户 7· Γ ∗一 , # ≅ ϑ, Α 7 ·〔梦, ∗一 Ι, ∗ Γ , ∗ , Γ ,∗ , Π , + ,Η∗#〕≅ 夕 7 ·〔夕∗一Ι,  Γ , ∗ , Γ , ∗ , Γ , + ,Η,#〕≅ 夕Α7·〔梦∃一 Ι∗ Γ ∗ ,Η∗#〕≅ 夕 7 ·〔, 一 Ι∗ Γ ∗ ,Η #〕第 期 炼油化工 自动化≅ 少+ 7 ·〔,+一 Ι+Η+#〕≅ 刀 7 · : ∗ Γ  ,Η #≅ 叮+ 7·: + Η+#8 Ο,十ΟΑ≅ Ο ≅ Ο+  #△其 中∗ Ο , 一 Θ∃ 7 · 二 ∗ ∃≅ Θ 7 · 二  ≅ Θ, 产· ‘ , +一Ρ Α7·, , ∃一 Ρ 7 · ϑ ,  ≅ 夕, Α 7 ·〔ϑ, ∃一 Ι+ ∗ Γ ,Α , Γ , ∗ ,Γ , + , Η,#〕≅ ϑ∗  7 ·〔梦,  一Ι Γ , ∗ , Γ ,∗ , Γ ∗ + ,Η∗#〕∋ #△石∃ 8 ΦΑ Γ Α ,万∗# ≅ 户Α 7 · Γ ∗一 户+ Α 7 · 梦∗ ≅ ϑΑ 7%〔即∃一ΙΑ Γ Α ,ΗΑ#〕 Σ 4 #△Ο ∗ 一 Ρ 7 · Γ ∗一 户 7 · 梦 ≅ ∀ 7 %〔夕 一 Ι Γ  ,Η #〕≅ , 7 · :  Γ  ,Η # ( #△优化间题,考虑到各能量子系统间相互关联的不同情况,下面采用一种简化的方法求解式 ∃ #的问题。通常工艺上认为常压炉 的冷进料段烟气入 口温度及流量 ϑΑ#变化不大,且其变化对网络终温影响较小+初一线产品由于流量小,其温度 +,  #变化对常压塔余热影响也不大。这样将图  中各子系统的关联都可似为只是单向的关联,如图 ∋ 所示。减压塔能量子系统Ο + . 一 户+ 7 · ϑ+ ≅ 夕+ 7 ·刀一7·: + Η。#〔梦+一 Ι+Η+#〕≅∀ #Τ Χ< Ν? Χ2 Ν? 函数 具有可 分的形式,因此能够采用大系统分解—协调原理 求解式∃ #问题。显然这是一个十分复杂的大系统图 ∋ 简化后的能量优化子 系统相 互关联图由图 ∋,能量全局优化问题式 ∃# 将通过求解下列 月个能量子系统优化问题近似实现∗表 4 原油蒸馏过程能 Δ 全局优化计算结果义令3 3操 作 数 据 及 优 化 计 算 结 果 说 明常 操作值 Υ 个一 !% ∀ Υ 全8 ∃ &%( 璐 8 4%& ∃ 循环回流压 取热增加塔 优化值 研 一 ∃%& 4 Υ全一  !%∃ − 咫8 ∀%− & (%∀ ∀ )减 操作值 挤 8  &%! − 咫 一 ∃ (%∋ 4 循环回流压 取热增加塔 优化值 招 一 ∋  %∃ − 咫 一  %∀ 4 !%4 )换 操作值Γ一 !%4 Γ Α一 !%4 Γ 一 !%4 ∃ 一8 !%4  & 换热网络热 终温增加网 优化值Γ , 8 !%4  & Γ Α 一 !%∋ & − Γ  8 !%4 & , Γ一8 !%4 4 (%∀ ∃ ℃络操作值Γ Ε 一 !%& & ∀ Γ 。一 !%& (  Γ∀8 !% & , ∀’。8 ∃ & ∃%优化值Γ Ε 8 !%& & − Γ。8 !%& 4 Γ∀8 !%∋ ! 7。8 ∃ & &%&  常 操作值 :了8 ! ∋ ∃ ! 件 8 ! ∋ ∃ ! 召Χ一 ∃ ∃ ∋ ∃ :。8  ∃ ! ( ∋ ∋ 加热炉总压 能耗降低炉 优化值 :丫8 ! − ∋ ∋ 口鉴8 ! &  &  :互一 !  ∀ :,一  ∃ ! ( ∋ ∋ &%∋ ( )操作值 尸,一 ! − 5 Α一 ! ∃  5,一 ∃ 4 ∋ 5 8  ∃ − (优化值 5Π一 ! ∋ 5Α一 ! ! 5  8 ! ! ∃ 5 一  ! ∀炼油化工 自动化 − − ∋ 年∗ + , 夕 8 ∗ + , ς ∋Ω (∋ &> (≅%.%Χ ∋ Ω (成 9得最优解为 Ω, ’ 、‘。‘ 。 ∗ + , 歹#一 ∗ + , 万# ∋ , #“ ,材# (∋ &Μ (<·.·Χ #一 ∋ , #< ,Ω # (簇9最优解为 Ω。’ 、 , #‘ 。! ∗ + , 歹&7 8 ∗ + ΟΩ Ξς 0 ) ∋ , , 7‘ ,, )怪 ,夕’ ,Ω4 (∋ 7 9 (降低装置的总能耗是蒸馏过程工艺操作、优化控制的一个主要 问题。原油蒸馏 装置包括多个直接耗能环节和能量 回收环节,各个能量环节存在着相互关联。对于这样一个复杂的工业大系统,采 用分解能量子系统的方法是研究能量全局优化的一条可行途径。针对各能量子系统 间关联的特殊情况,进一步可采用简化的方法求解能量全局优化间题。最优解为 Ω0 ’ 、 Ψ‘, ’ 。∀ ∗ 6Γ ?, 1 ? 2 1 ? # 8 ∗ 6 Γ Ρ 2 ∋ , , 7’ ,Ω2 (, ) , ) ∋ 7 & (最优解为 Ω2 ‘ 、 ·0 ,‘ 。这里 对、 , &7。为, # 、 ,4 2 的给 定值,认 为在整个优化过程中保持不变。可 以看出间题式 ∋ &> (、∋ &Μ (、∋7 9 (、∋ 7 & (分别是我们在上节中讨论过的减压塔、常压塔、换热网络和加热炉能量子系统优化问题。表≅给出了一组操作工况下,能量全局优化问题的计算结果。可以看 出,能量全局优化提高常压塔循环 回流取热 Κ%Λ ϑ,减 压塔循环回流取热提高 &9%≅ ϑ,换热网络终温增加Κ%Λ 7℃,加热炉总能耗降低 >%∃Κ ϑ。≅ 结束语原油蒸馏过 程是一个巨大 的耗能过程,参 考 文 献4 助Γ Τ ΖΤ [,∴ 二 −%?] ⊥扭 _⎯, ∴ Γ Τ _ α Ψ Ε+ ; 6Γ 罗 6Γ − _⊥ ⎯ Τ Φ 6< .6】4+Ν.6] Γ β _ ] χ Τ < <,比_ < Τ <℃+ 4Τ Ε Ψ < .Τ ∗ < , ∃∋ &Μ > #( , > &一Μ 97 北京 石油设计院%常减压蒸馏工艺计算,烃加工出版社,&Μ > 7年# 曾文华、高扮杨、周春晖,原油常压燕馏塔最佳回流取热分配控制系统,第二 届过程控制科学报告会论文 集,华东化工学院出版社, &Μ ≅ >年, δ ∃&ε ∃Λ∃ 曾文华,高拎畅,周春晖%原油蒸馏过程换热网络的最优操作,石油炼制,&Μ > Μ , φ ]%Μ , δ 4 4 ε &Κ≅ 曾文华,高抖畅,周春晖%原油燕馏过程换热网络—加热炉联合系统的最优操作,炼油 化工 自动化, &Μ Μ9, φ ]%∃ , β & Κ ε 7 &Κ 曾文华%大型原油蒸馏过程能量一收率多 目标综合优化,浙江大学博士学位论文, &Μ >Μ 年≅月Λ 范鸣玉、张莹%最优化技术基础,清华大学 出版社, &Μ> 7年∋上接 第&∃ 页(一旦感受元件故障,两副触点均失去作用,存在一定的危险性。! 意大利卡劳尔巴气相包谱仪电子卡件国内维修有困难。采样系统快速 回路箱在蒸汽 ∋ &∃≅ ℃ (加热时,箱 内温度高,供货商对元部件材质选用不当,出现变形现象。∀质量流量计,特别是用于测量氢气的热质量流量计均 为微小流量 ∋9 ε 9% #γα η Ζ (,标定有一定困难。ι 料仓料位计设计选用转翼式料位计,经使用后,发现故障率高,本装置 已改为音叉料位计。ϕ由分包商 κ β 公司提供的挤出造粒工序联锁系统设计过于繁锁,有些联锁点的设置实际工况并不需要,给满足开车条件增添了麻烦,同时产生误动作影响了装置的正常运行。

大型原油蒸馏过程能量全局优化控制策略

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/13039/%e5%a4%a7%e5%9e%8b%e5%8e%9f%e6%b2%b9%e8%92%b8%e9%a6%8f%e8%bf%87%e7%a8%8b%e8%83%bd%e9%87%8f%e5%85%a8%e5%b1%80%e4%bc%98%e5%8c%96%e6%8e%a7%e5%88%b6%e7%ad%96%e7%95%a5.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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