炼油厂工艺远程诊断平台开发与应用

1概述

2015年,中国石化在《财富》全球500强中排名第二,石油炼制能力位居世界第二,是中国最大的石油炼制商,成品油市场份额占国内市场56%以上。中国石化愿景是:“建设成为世界一流能源化工公司”。炼油板块要率先实现世界一流,其中积极推进信息化和炼油业务的融合,是率先实现世界一流的重要举措。中国石化下属31家炼油企业共1000余套生产装置,分布在全国17个省市自治区,同时随着近些年原油劣质化和产品质量升级,大量新工艺、新技术、新型催化剂、新装置不断涌现应对生产过程中的技术难题,以往采用技术专家现场服务的方式,而中国石化科研院所及设计院专家资源总数不足100人,面对庞大的技术服务需求,传统的方式已难以为继。急需开发一个信息平台,整合中国石化炼油专家资源、数据资源、模型资源,实现对炼厂进行远程工艺技术分析、事故诊断,提升中国石化炼

油板块的精细化管理水平。

2008年,中国石化首先启动了加氢装置的炼油工艺远程诊断平台建设,随后在2010年启动了常减压、催化裂化、延迟焦化、催化重整、 Zorb装置的炼油工艺远程诊断平台建设1。截至2015年年底,中国石化325套(见表1)炼油主要生产装置全部实现上线运行。

2 炼油工艺远程诊断平台的开发

中国石化炼厂已普遍完成DCS、LIMS、MES、实时数据库等系统的建设,为炼油工艺远

程诊断平台的构建提供了基础条件。

2.1技术架构

为了保证炼油工艺远程诊断平台的高内聚、松耦合,技术架构采用“纵向分层、横向扩展”的架构体系。根据炼油工艺远程诊断应用的要求,技术架构划分为5层,从下至上分别是数据源、数据集成、数据管理、应用服务和信息展示,如图1所示。

图1炼油工艺远程诊断平台技术架构

数据源主要指位于中国石化下属企业的装置生产实时数据、质量数据以及MES物料平衡数据。数据集成主要承担企业数据的定义、抽取、转换与清洗和加载的工作,实现企业数

据到总部生产营运平台的汇聚。数据管理层将集成的数据划分为生产实时数据、生产管理数据、历史数据和专业知识分类存储,为炼油工艺远程诊断平台提供业务数据管理。应用服务层提供不同类别的应用组件,包括业务构件服务、专业知识搜索服务、实时报警服务等,使用这些应用组件,能够根据用户提出的新需求便捷地开发出分析应用功能,满足用户的使用要求。信息展示层提供了支持数据、监控和报表的展示控件,为用户呈现出直观、丰富的界面展现风格。

2.2主要功能

由于不同的炼油装置具有完全不同的特性,因此该平台按照装置类别分为了“7+1”个子系统,如图2所示,包括7个装置子系统(常减压子系统、催化裂化子系统、延迟焦化子系统、催化重整子系统、 Zorb子系统、加氢子系统、硫黄回收子系统)和1个综合运行子系统。

图2炼油工艺远程诊断平台功能架构

各装置子系统包含相同的功能模块,分为装置运行监控、装置技术分析、工艺学习、科研设计分析、巡检及诊断、技术报告、系统管理等7大模块。但各模块的具体内容按照每类装置的特点及业务应用重点进行分别设计,图为催化裂化装置子系统的功能图

图3催化裂化装置子系统功能

各类装置的功能设计重点如下:

①常减压装置。常减压装置是炼油企业的龙头装置,其工艺管理的核心是加热炉、换热器、装置腐蚀等方面。该装置子系统开发了加热炉效率监控、装置换热终温预测、装置腐蚀关键部位的腐蚀评估、三顶水的监控等功能。

②催化裂化装置。该装置是炼厂生产汽柴油的主力装置,其核心是反再系统。该装置子系统开发了产品收率预测、反再工艺核算、原料裂化性能评估、催化剂活性评估等功能。

③催化重整装置。催化重整装置是炼厂氢气的重要来源,其催化剂为贵金属催化剂,在其子系统中开发了催化剂积炭、原料芳潜、氢气产率、产品芳烃、生成油收率等功能。

④焦化装置。焦化装置主要处理渣油,其加热炉是装置的核心,在其子系统中开发了加热炉炉管温度监控、加热炉管介质停留时间计算、弹丸焦生成预判、产品收率预测等功能。

⑤加氢装置。加氢装置主要采用固定床反应器,其催化剂的寿命对装置生产影响很大。在加氢类装置子系统中,设计开发了催化剂剩余寿命预测功能,实时预测催化剂的剩余寿命,指导企业生产;同时系统还对装置的反应温度、原料油性质、精制油性质等参数进行监测。加氢还面临着高压空冷的腐蚀问题,在系统中开发了装置的氢化胺浓度、K值、酸性水监测等功能,实现对装置腐蚀情况的分析评估。

⑥ Zorb装置。Zorb装置是炼厂生产国V汽油的关键装置,在该装置子系统中围绕吸附剂、汽油辛烷值等开发相应的系统功能包括监测△RON实际值,并与模型测算值进行对比和趋势分析,指导生产;开发了吸附剂活性预测模型,通过监测待生吸附剂的硫及硅酸锌含量的实际值,实时指导企业吸附剂置换。

⑦硫黄回收。硫黄回收装置是炼厂的关键环保装置,在硫黄回收装置子系统中设计开发了催化剂剩余寿命预测和催化剂转化率计算功能,实时预测催化剂的剩余寿命并计算催化剂的转化率,指导企业生产,同时系统还对装置的原料性质、工艺防腐等参数进行监测。由于硫黄回收装置为环保装置,系统中还开发了烟气二氧化硫排放情况的监测功能,实现对装置烟气排放情况的分析评估。

2.3主要模型

在平台开发建设中,对325套炼油主要生产装置开发了3250个工艺数理模型。这些模型可实时对催化剂剩余寿命进行预估,对产品收率进行在线预测,评估装置的腐蚀风险等。

①装置运行评估模型。针对各类装置的运行状况进行评估,包括常减压换热终温预测、常减压装置能耗分析、催化装置能耗分析、催化劣化原料裂化指数、重整装置反应温度预测等模型

②工艺核算模型。针对常减压、催化裂化、焦化、重整等装置日常进行的工艺计算开发了工艺核算模型,如催化裂化装置的反再工艺核算模型,可以根据每天的化验分析数据及生产操作参数,进行反应器、再生器的工艺计算实现动态的催化裂化两器热平衡计算和压力平衡计算,包括剂油比、提升管油气平均停留时间、提升管出口处气体线速、提升再生三

旋入口线速、提升沉降器气体线速、提升大油气管线气速等。

③动力学模型。针对各类装置开发的机理模型,实现了机理模型的在线运行,包括催化裂化产品收率预测、焦化产品收率预测、焦化加热炉介质停留时间等模型。催化裂化产品收率预测模型是一个六集总的动力学模型,该模型将物料分为6个集总,共15个参数,通过与生产实时数据结合,动态预测生产装置的产品分布,提供操作方向指导。

④催化剂评估模型。针对加氢、半再生重整等固定床反应器的装置开发了催化剂剩余

寿命模型。该类模型根据装置运行参数,实时评估催化剂的使用情况,帮助科研设计单位、

企业合理安排装置检修换剂或进行催化剂再生。

⑤质量评估模型。针对原料、产品质量开发了质量预测模型,包括催化裂化原料可裂化指数、重整生成油辛烷值预测、 Zorb装置辛烷值损失预测、抗爆指数损失预测等模型,帮助企业及时评估装置原料和产品的性质,保证生产出合格产品。

⑥装置腐蚀评估模型。装置腐蚀是造成非计划停工的重要原因,在平台中针对各类装置的腐蚀问题,开发了相关的腐蚀评估模型,如常减压高温腐蚀速率、常减压低温腐蚀速率、常减压露点腐蚀、催化裂化低温腐蚀速率、催化裂化露点腐蚀、焦化低温腐蚀趋势、焦化高温腐蚀趋势、焦化露点腐蚀等模型,实时评估装置腐蚀状况,帮助企业及时避免因装置腐蚀造成的非计划停工。

3炼油工艺远程诊断平台的应用方向

炼油工艺远程诊断平台的建设遵循中国石化信息化建设“统一规划、统一标准、统一设计、统一投资、统一建设、统一管理”原则,利用中国石化30年发展过程中积累的专有技术、专家知识,开发各种工艺、数学模型及管理规则,建立中国石化炼油工艺远程诊断平台,实现对装置的实时监测、动态评估及精细化管理。

通过中国石化总部层面的炼油工艺远程诊断数据平台的建设,实现对31家炼厂生产实时数据、LIMS数据及MES数据共16万点数据的综合管理;形成企业和总部两层平台的架构模式,建设了企业与总部数据传输的通道,保证16万点分钟级数据的正常传输;在平台中建立了数据整定机制,对异常数据实时发现、即时处理,保证数据传输的准确。

平台整合了中国石化专家资源,通过搭建生产营运诊断平台,进行网上巡检及远程事故诊断;同时建成了炼油知识管理平台,可以自动生成企业及总部级的装置技术分析报告,积累专家诊断案例,沉淀专家知识和经验,指导企业工艺生产操作,提升企业工艺技术管理水平。

3.1装置运行远程监控

利用炼油工艺远程诊断平台,在中国石化总部可以同步获得31家炼油企业325套生产装置实时运行工况及指标完成情况,可以实现对装置生产过程的动态监控,细化工艺管理粒度;在平台中实现了装置动态竞赛,通过采用一致的竞赛规则,根据各企业装置的实时工艺数据、产品质量数据等进行综合评判,实时刷新各炼油企业装置的竞赛排名(见图4);通过开发出的一系列模型与计算公式,可随时分析掌握装置的运行情况,并提出生产指导;通过该平台可以自动生成各装置的技术日报、周报、月报、年报及基础数据表6300多份,帮助技术人员完成常规工作,解放他们的劳动力,使他们有更大的精力投入到生产优化管理中。

该平台设立了工艺参数、原料及产品质量、操作波动报警等约16000余。平台实时监控并及时捕获装置发生的超标报警情况以及非计划停工等异常情况,并对报警情况进行实时

的统计分析,总部可以即时获取各装置的报警汇总,做到对装置生产状态的实时掌握。

3.2工艺模型在线计算

本平台开发的工艺模型主要分为六大类:①12类装置运行评估预测模型,如常减压装置换热终温、各类装置基准能耗模型等;②16类装置运行工艺核算模型,如催化裂化反再热平衡及压力平衡计算模型、常/减压塔取热比例计算模型等;③9类动力学模型,如催化产品收率预测模型、焦化加热炉结焦趋势预测模型等;④7类催化剂评估模型,如加氢装置催化剂剩余寿命模型、催化裂化装置催化剂活性评估模型等;⑤8类原料及产品质量评估及预测,如催化裂化原料可裂化指数、半再生重整生成油辛烷值预测模型等;⑥8类装置腐蚀预测模型,如常减压高温腐蚀速率、常减压露点腐蚀预测等。通过按需插拔式管理,实现了这些工艺模型的在线化。这些数学模型的实时计算可以帮助装置工艺技术管理人员对本装置运行工况进行深入分析、指导优化生产,帮助专家更好地分析问题、帮助管理人员更好地进行技术管理。

3.3报警及风险评估

平台可以及时捕获装置发生的工艺参数、原料及产品质量、操作波动等超标报警情况以及非计划停工等异常报警,并对报警情况进行实时的统计分析及并主动推送,总部可以即时获取各装置的报警汇总,做到对装置生产状态的实时掌握。在平台中运用大数据分析技术,自动提炼主要的报警点清单,提取并分析标准报警指标,进行报警原因关联与推导分析,扩展报警监控指标维度,提出操作改进意见,同步动态指导工厂操作。

系统对装置生产运行风险开发了在线评估功能,特别是对装置腐蚀风险评估。在平台中实现了对装置主要腐蚀部位的全面监控及实时评估,帮助企业及时掌握设备腐蚀情况,及时对装置生产进行调整,对腐蚀设备进行更换有利于延长装置的安全稳定运行时间。如在平台中实现了快速、准确计算各塔器高温部位低温部位的腐蚀速率,及时评估炼油装置腐蚀风险,提出腐蚀预警。

3.4专家网上巡检、事故远程诊断

该平台率先提出并实现了专家网上巡检的理念与功能,设计并提供了辅助专家网上巡检的工具,专家对其负责的装置运行状况进行网上检查,并给出运行评估意见及指导,企业技术人员可以参照专家的指导及现场情况进行生产的调整;通过专家的巡检,还可以及时发现装置运行的问题,防患于未然。

以往在装置出现问题时,多采用现场服务的方式,但是成本高、周期长、专家资源紧张等因素限制了技术服务高效的进行。本项目开发了远程诊断的模式,设置了装置的诊断流程,明确了装置问题提出、任务分配、诊断结论诊断结果审核等诊断步骤,保证了远程诊断的质量;同时也明确了专家对问题的响应时间要求,保证了装置问题诊断的及时性。

专家还可以通过平台实时共享企业的生产运行数据。这些数据是科研设计单位实验数据、设计数据的延伸和补充,为进一步改善催化剂制备工艺、完善工艺流程、改进工程设计提供了数据支撑,增强了生产、设计、科研结合的紧密度。

3.5实现炼油知识管理

中国石化炼油工艺远程诊断平台整合了中国石化所属科研院所、设计院及生产企业等单位的上百位专家,建立了专家库,将专家作为诊断资源,满足企业装置诊断的需求。平台存储的装置历史数据量达到了55TB,且以每年增长18TB的速度不断增加,利用大数据挖掘分析技术从数据中挖掘知识,形成数据知识沉淀,帮助企业技术人员进行装置运行分析。平台中建立了案例库,积累专家诊断案例,沉淀专家知识和经验,帮助技术人员分析问题,解决问题。平台中还建立了炼油工艺知识库,存储装置各类技术报告、设计方案、操作规程、工艺卡片及用户交流经验,指导企业工艺生产操作,提升企业工艺技术管理水平。

4炼油工艺远程诊断平台应用效果

炼油工艺远程诊断平台已成功应用在燕山、齐鲁、茂名、镇海、青岛等31家企业的325套装置上,取得了良好应用效果。

4.1炼油工艺技术管理在线化

对31家炼油企业生产实时数据、LIMS数据、MES数据进行集成,对装置运行发生的报警信息进行分类统计分析、主动实时推送,对企业级和集团公司级的各类装置运行技术报表定期、自动地生成,对装置运行竞赛设立标杆装置,每日动态更新,实现在线的工艺技术管理,增强工艺技术管理的时效性。

4.2动态解决生产热点问题

在系统应用过程中,炼油事业部、科研单位及生产企业相互配合,通过系统跟踪并解决生产热点问题。截至2015年年底,已连续开展了加氢裂化超温诊断、加氢裂化生成油氮含量超标、催化多产汽油、减少原油氯超标影响、常一线增产航煤、改善催化原料裂化性能、焦化炉管有效除焦等多项生产热点问题的分析研究,制定并实施了相应问题解决方案。

如2013年下半年,胜利原油出现高有机氯问题,对华北和沿江地区10家炼油企业的安全生产造成严重影响,其中加氢装置受到的冲击最大,集中表现为换热系统结盐、换热器腐蚀,进而造成济南、胜利、齐鲁、沧州、金陵、荆门多家企业加氢装置停工,造成重大损失。面对这一问题,系统及时发布了加氢类装置氯化铵结晶温度测算模型和原油氯超标解决方案,可以在线计算加氢装置换热器氯化铵结晶风险,并给出操作条件底限值指导操作,使装置运行处于受控状态。

4.3工艺模型实时指导生产

炼油技术分析及远程诊断系统实现了60类工艺模型的在线实时计算,指导生产,在生产优化、平稳操作、降本增效中取得良好的效果。

面向加氢装置,系统实现了催化剂剩余寿命的实时预测,可以根据催化剂的特性、装置的生产条件变化实时预测加氢催化剂的剩余使用时间。企业根据计算结果优化操作,延长催化剂使用寿命,合理安排换剂工作,同时系统从床层最高温度、床层压降、装置能耗、液收、氢气利用率、负荷率等多个维度建设了加氢同类装置比对模型,以优化装置操作。系统建设了加热炉露点腐蚀的实时评估模型,能够实时计算加热炉的露点腐蚀温度,用于指导企业在加热炉操作,保持合理的排烟温度,一方面实现加热炉的节能降耗,另一方面规避加热炉的腐蚀风险。如镇海石化根据系统内部比较后,对重整加热炉进行对流室改造,加热炉热效率提高0.5个百分点,年效益增加436万元。茂名石化对重整加热炉进行对流室改造,排烟温度降低45℃,余热锅炉产汽量增加6t/,年效益增加595万元。

面向常减压系统实现了换热终温预测模型,通过实时夹点计算,给出原油最佳换热终温,开发了基准能耗计算模型,用于实时评估装置当前能耗与理论能耗的差距,帮助企业找出节能潜力。系统开发了焦化装置加热炉结焦评估系列模型,2012年6月,中国石化炼油事业部组织相关单位利用该模型对焦化加热炉两种除焦模式(机械清焦法、烧焦法)进行了比对分析,发现燕山焦化加热炉机械清焦后,管壁温度下降121℃,而茂名、齐鲁焦化装置采用烧焦法除焦后,管壁温度下降仅30℃左右,随后向系统内推广了机械清焦法,取得了良好的应用效果。

4.4网上巡检提升技术服务响应速度

整合科研院专家资源,开展网上巡检和远程诊断,及时发现并解决企业生产运行存在的隐患。通过专家网上工作室在企业技术人员与专家之间建立紧密联系,及时反馈问题,研究讨论并快速解决。目前中国石化石油化工科学研究院和抚顺石油化工研究院已经成立了远程诊断服务团队,利用系统进行装置网上巡检及远程诊断分析工作。专家每月开展网上装置巡检或专项诊断约600人次,平均每月解决企业生产问题50余项,提高了服务效率,缩短响应时间。

4.5网上练兵提升操作人员知识技能

2013~2016年,炼油事业部分别开展了加氢精制操作工、 Zorb操作工及催化重整技能竞赛,这3次技能竞赛都利用本平台进行支撑分别在网上开展网上练兵、网上培训等活动。针对技能竞赛,在该平台中专门开辟了每周一题、仿真模拟、专家在线答疑等专区,帮助操作人员提高技能知识,熟悉现场考试环境,支持了技能竞赛的顺利开展。专家每周发布一道工艺操作热点问题,竞赛选手踊跃参与解答,同专家给出的参考答案对照后,找出存在的差距,从而不断提高自身操作技能。在对加氢精制操作工技能竞赛的支撑中,每周一题访问量就达7000余次,荆门加氢专家陆明发布的“加氢装置日常生产监控要点有哪些?”问题,访问量达465人次;利用系统提供的在线仿真功能,帮助操作人员熟悉考试环境,参加仿真模拟的访问量达1306人次。

5结论

该平台是国内首次应用信息化手段实现特大型石化企业集团总部在线远程工艺管理、技术分析和诊断,是炼油管理手段的重大创新,也是世界首创。平台率先实现了炼油行业在线技术分析、远程诊断和技术服务,技术服务工作由事后变成了事中、事前,为装置长周期平稳运行保驾护航;平台实现了知识的共享,将中国石化