催化裂化装置自动化解决方案

一、前言

中控WebField系列控制系统在炼油、石化的典型装置上得到了广泛应用，在国内炼油和石化行业市场占有率一直居于领先地位，是国内唯一的与中石化建立了MES建设战略合作伙伴关系的DCS厂家。 中控在石化行业有着完善的装置解决方案，丰富的工程实施经验。目前WebField系列控制系统已在诸如常减压蒸馏、催化裂化、加氢精制、延迟焦化、溶剂脱沥青、气体分离、各类制氢、硫磺回收、PVC、苯酐、苯胺、环己酮等炼油及石化行业的各个主流装置得到广泛应用，包括中石化、中石油所属的镇海炼化、扬子石化、茂名石化、齐鲁石化、大庆石化等大中型石化企业中均已采用中控提供的控制系统和解决方案实现了对炼油及石化生产过程的控制。目前，中控WebField系列控制系统在催化裂化装置都有成功应用的工程案例。

二、工艺流程简介

催化裂化是在热裂化工艺上发展起来的，是提高原油加工深度，生产优质汽油、柴油最重要的工艺操作。原料主要是原油蒸馏或其他炼油装置的350~540℃馏分的重质油，催化裂化装置分为三个主要部分：反应再生部分、分馏部分和吸收稳定部分，催化裂化所得的产物经分馏后可得到气相油品、汽油、柴油和重质馏份油，见图1所示。

三、催化裂化装置控制策略

3.1 控制方案

在炼油厂，催化裂化装置是工艺复杂、操作难度大的装置之一。世界上许多国家都把催化裂化工艺作为原油深加工和提高炼厂经济效益的重要手段。因此，工艺、设备、控制等方面有较小的改进，都可能会产生很大的效益。

对催化裂化装置来说最终目标一方面是平稳操作，另一方面是要求产品分配达到最优。

 反应器温度控制

反应温度是影响催化裂化装置产品产率和产品分布的关键参数，它直接影响产品的质量和数量，可以通过调节再生催化剂的循环量来控制。本方案引入提升管温度TI01与再生滑阀差压组成低值选择控制，其中再生滑阀差压起到超驰控制的作用，以实现再生滑阀低压差软限保护，防止催化剂倒流，如图2所示。 1）正常工况时,再生塞阀TV101（风开阀FC）上有较高压差，用于维持催化剂的正常流化，所以再生滑阀差压PDI105测量值PV总是大于设定值SV，调节器PDICA105设置为正作用，而且其比例带P和积分时间常数T设置得都比较小，所以其输出值较大，正常情况下总是大于温度调节器TICA101的输出值，低选择器ORST101一般是选中TICA101的输出来控制再生塞阀TV101动作，达到温度控制的目的，当提升管温度TI101降低时，调节器TICA101设置为反作用，其输出增大，控制再阀TV101增大开度，加大催化剂循环量，使温度升高。

2) 异常情况下, 二个系统之间压差减小或当再生塞阀TV101开度太大，阀上的压差就会减小，当压差小于设定值SV时，调节器PDICA105输出会迅速减小，当它小于温度TICA101输出时就被选中去控制再生塞阀TV101，使阀门开度减小以维持阀门的压差，以确保油气催化剂能正常循环，防止出现倒流造成事故。 这种在不同工况下实现对再阀TV101控制权的转换，是本控制方案的核心所在。

 反应沉降器压力－分馏塔顶压力控制

反应器压力可以根据不同工况阶段通过选择开关控制三个不同的阀来实现： 两器烘炉及流化阶段:利用安装在沉降器顶出口油气管线上的放空调节阀来控制。

反应器进油前建立汽封至两器流化升温阶段：由测压点设在催化分馏塔顶的压力调节器调节塔顶出口油气蝶阀的开度来控制两器压力。

反应器进油至启动富气压缩机前阶段：通过调节气压机入口富气放火炬小阀的开度来控制，并遥控与放火炬小阀并联的大口径阀以保证进油阶段反应压力稳定。

正常生产阶段：富气压缩机投入运行后，反应器压力由催化分馏塔顶压力调节器控制汽轮机调速器，通过控制汽轮机转速来保正反应压力的稳定。同时防喘振投自动，富气压缩机入口压力调节器控制压缩机入口富气放火炬大阀投自动。

 沉降器和再生器之间差压、再生器压力控制以及烟机转速控制

大型催化装置一般有烟机，再生器出来的烟气驱动烟机同时回收压力能量。再生器的压力控制、再生器与沉降器之间的压力差维持以及烟机转速控制显得尤为重要，也是整个控制方案的难点。

沉降器和再生器之间差压由差压调节器控制，它设置为正作用，当反应器（沉降器）不正常，压力下降时，沉降器与再生器的差压变小，当小于安全给定范围以下时,差压调节器的输出很快减小（它的比例带P和积分时间常数T设置得小），低选器1选中再生器与沉降器的差压调节器的输出信号，无扰动地取代再生器压力调节器的输出信号。使双动滑阀和高温蝶阀的开度增加，以降低再生器的压力，维持沉降器与再生器差压在给定值范围内。所以这个沉降器与再生器的差压信号起到超驰软限保护。当反应器压力恢复后,系统又会无扰动地自动转入再生器压力控制烟机入口高温蝶阀和烟气双动滑阀。

再生器压力调节器同时与烟机转速调节器组成超弛(低选)控制回路，实现烟机超转速软限保护。其控制流程如图4所示。

 分馏塔温度控制

1）为了取走分馏塔过剩热量而使塔内气、液负荷分布均匀，在塔的不同位置一般设有4个循环回流：顶循环回流、一中段回流、二中段回流、和油浆循环回流,回流流量设定值调节。

2）分馏塔顶温度控制采用串级控制方案,主回路是分馏塔顶温度控制，副回路是回流粗汽油（顶循环回流）流量调节；

 稳定塔的控制

1）稳定塔提馏段设灵敏板温度（含塔顶）温度控制回路和液化石油气组分（C5、C2）控制回路，作为液化石油气质量的间接和直接指标，塔顶温度控制与塔顶回流流量设串级调节系统，也可选择与液化石油气产品的抽出流量组成串级控制系统。

2）为了将产品抽出量与塔顶回流流量相关联，稳定塔顶回流灌液位与顶回流泵入口流量作串级控制系统。

3）稳定塔顶压力控制设置为典型的热旁路控制（分程控制）。为了保证热旁路控制的投用，在不凝气聚集过多时，可由不凝气排放阀排放，使热旁路控制恢复正常。

 主风机防喘振控

引起喘振飞动的原因是机组入口流量低和出口压力高。主风机防喘振控制由防喘振调节器调节主风机出口放空阀。在正常运行时，机组总是在大于喘振限小于阻塞限的区域内运行，放空阀全关。当风量达到防喘振流量限制值时，自动开启放空阀。以保护机组处于安全的运行状态。当生产出现反应器温度低，主风流量低等异常工况时，ESD必须联锁动作，以保护装置安全。

3.2 先进和优化控制

我公司一直致力于FCCU先进控制方面的研究与实践，并取得了较满意的效果和业绩。其中已在福建炼油厂年处理140万吨的催化裂化生产装置上实现成功应用，所提供的APC软件，对于催化裂化生产过程的原料性质变化和生产负荷变化都有较强适应能力，系统投运后，可使整个生产装置总轻质油收率提高0.5%以上。提高了轻柴油的收率，年创利500多万元。取得了良好经济收益和社会效益。

特色控制策略：

★ 建立了催化裂化生产过程反再系统32个动态数学模型，为多变量预测控制打下基础；

★ 给出了催化裂化反应热计算，催化剂循环量估计，再生器烧焦状况观测，粗气油干点，轻柴油倾点和产品分布观测等11个软测量模型，解决了重要生产过程状态和产品质量指标不可在线测量的困难，同时为产品质量卡边控制提供条件；

★ 设计了汽剂比控制，反应器温度分布控制，反应再生系统多变量预估协调控制，轻柴油质量卡边控制和粗汽油干点质量卡边控制等7个先进控制系统，保证生产过程平稳操作和产品质量卡边，从而提高整个装置的经济效益；

★ 针对催化裂化反再系统工艺流程复杂，操作条件要求苛刻，为防止装置工艺设备、测量系统等故障状态的发生，开发出一套基于物料、压力和能量平衡的智能故障检测预报系统。该系统可迅速、直观地预报装置的异常状态，确保生产过程安全、稳定地运行，从而提高轻柴油的收率，年创利500多万元。同时，可以降低催化裂化生产过程能源消耗，降低能耗指数。另一方面，生产过程操作更加安全、平稳，防止意外事故的发生。

新技术的应用，可以进一步提高催化裂化生产过程自动化应用水平、管理水平，减轻劳动强度，也可为企业培养一批使用高新技术的人才，促进企业的技术进步和提高企业的技术素质。