延迟焦化装置全流程建模与仿真培训系统的研究
摘要
随着原油油质变重变劣和轻质油品需求量上升,延迟焦化工艺凭借自身优势,在渣油加工中发挥着巨大的作用。本文以中石化北京燕山石化公司140万吨/年延迟焦化装置DCS仿真培训系统项目为背景,分别对延迟焦化装置全流程建模和仿真系统的开发进行了研究,具体内容分为以下几个方面:
本文依据延迟焦化装置的反应原理,对现有建模方法进行改进,关联加热炉出口温度、反应压力、循环比和原料性质四个主要工艺影响因素求取反应动力学参数k,开发了延迟焦化六集总反应动力学模型。在相关假设的基础上,建立了延迟焦化装置反应部分的动态模型,并对模型进行了动态特性的仿真研究,仿真结果与工艺分析结果相一致。还针对燕化延迟焦化装置分馏塔中存在的集油器结构的特点,对分馏塔的基本塔段模型进行改进得到了含集油器结构的塔段模型。
根据仿真培训系统的需要和延迟焦化装置开工过程的工艺特点,建立了装置的全工况模型,该模型能够较准确的描述开工过程中参数大范围变化的动态特性。在仿真培训系统中实现了装置典型事故现象和联锁保护系统的模拟,并开发了评分系统对操作成绩进行评定。本文开发的延迟焦化装置仿真系统实现了培训内容选择、成绩评定、事故设置等功能,已交付燕化公司炼油厂用于对装置操作人员进行岗前培训,为装置能够一次开工成功提供了有力的保障。
With crude oil quality being worse and the demand of the light fuel oil increasing rapidly, delayed coking unit plays an important role in the oil refining industry. On the background of the simulation training project of the 140×10 4t y delayed coking unit of Beijing Yanshan Refinery, the study on modeling of the unit and simulation training system is performed. The main work of the dissertation can be summarized as follows:
According to reaction mechanism, a novel six-lumping kinetic model of delayed coking is proposed, whose reaction kinetic parameter k integrates furnace outlet temperature, reaction pressure, recycle ratio, residua character four main process factors. Then the dynamic model of delayed coking reaction in the coke drum is developed based on the proposed kinetic model and some hypothesis. Simulation studies are performed and the influences are analyzed. The simulation results show good agreement with the industrial process mechanism. In order to describe the oil trap structure of the main fractionating tower, the basic tray model is improved by embedding oil trap model.
Considering the needs of the training simulation system and the characteristics of startup procedure of delayed coking unit, a dynamic model for simulation training purposes is developed, which can be applied to describe both the routine operation and the startup process of the unit. The simulation results are consistent with the mechanism of the startup procedure. In the training simulation system, typical unit accidents and the ESD/SIS actions are also simulated. The operations evaluation system is developed to judge operators’performance. The simulation training system has been put into use in Beijing Yanshan Refinery, and it will help guarantee the success of startup of the unit.
本文依据延迟焦化装置的反应原理,对现有建模方法进行改进,关联加热炉出口温度、反应压力、循环比和原料性质四个主要工艺影响因素求取反应动力学参数k,开发了延迟焦化六集总反应动力学模型。在相关假设的基础上,建立了延迟焦化装置反应部分的动态模型,并对模型进行了动态特性的仿真研究,仿真结果与工艺分析结果相一致。还针对燕化延迟焦化装置分馏塔中存在的集油器结构的特点,对分馏塔的基本塔段模型进行改进得到了含集油器结构的塔段模型。
根据仿真培训系统的需要和延迟焦化装置开工过程的工艺特点,建立了装置的全工况模型,该模型能够较准确的描述开工过程中参数大范围变化的动态特性。在仿真培训系统中实现了装置典型事故现象和联锁保护系统的模拟,并开发了评分系统对操作成绩进行评定。本文开发的延迟焦化装置仿真系统实现了培训内容选择、成绩评定、事故设置等功能,已交付燕化公司炼油厂用于对装置操作人员进行岗前培训,为装置能够一次开工成功提供了有力的保障。
With crude oil quality being worse and the demand of the light fuel oil increasing rapidly, delayed coking unit plays an important role in the oil refining industry. On the background of the simulation training project of the 140×10 4t y delayed coking unit of Beijing Yanshan Refinery, the study on modeling of the unit and simulation training system is performed. The main work of the dissertation can be summarized as follows:
According to reaction mechanism, a novel six-lumping kinetic model of delayed coking is proposed, whose reaction kinetic parameter k integrates furnace outlet temperature, reaction pressure, recycle ratio, residua character four main process factors. Then the dynamic model of delayed coking reaction in the coke drum is developed based on the proposed kinetic model and some hypothesis. Simulation studies are performed and the influences are analyzed. The simulation results show good agreement with the industrial process mechanism. In order to describe the oil trap structure of the main fractionating tower, the basic tray model is improved by embedding oil trap model.
Considering the needs of the training simulation system and the characteristics of startup procedure of delayed coking unit, a dynamic model for simulation training purposes is developed, which can be applied to describe both the routine operation and the startup process of the unit. The simulation results are consistent with the mechanism of the startup procedure. In the training simulation system, typical unit accidents and the ESD/SIS actions are also simulated. The operations evaluation system is developed to judge operators’performance. The simulation training system has been put into use in Beijing Yanshan Refinery, and it will help guarantee the success of startup of the unit.
引文
[1] 宋春财等.延迟焦化工艺及其发展趋势.抚顺石油学院学报,2000;20(3):1-7
[2] 晁可绳.延迟焦化工艺技术及其进展.炼油设计,2001;31(10):1-5
[3] 崔丽香.催化裂化反应再生系统建模与仿真培训系统的开发:[硕士学位论文],中国石油大学(华东),东营:2005
[4] 张克进.延迟焦化装置模型化与控制研究:[博士学位论文],华东理工大学,上海:2000
[5] 陆经纬.延迟焦化过程计算机稳态建模研究:[硕士学位论文],浙江大学,杭州:2002
[6] R.DeBiase 等.延迟焦化工艺的现状和进展.杨华琮译.重油加工译文集,中国石化出版社,1990:444-452
[7] Harry,R.Janssen 等.改进焦化设计可提高液体产物收率.杨华琮译.重油加工译文集,中国石化出版社,1990:475-481
[8] 陆廷荣,李桂华.一个反映重油平均分子结构的特征参数.石油炼制与化工,1997;28(9):59-62
[9] 石铁磐,胡云翔等.减压渣油特征化参数的研究.石油学报(石油加工),1997;13(2):1-7
[10] 董洪斌,赵锁奇等.渣油的特征化参数.石油学报(石油加工),2002;18(3):54-59
[11] 范启明,杨继涛.减压渣油物性与焦化反应产品分布的关联.石油大学学报(自然科学版),2001;25(3):5-7
[12] 守富宽等.重质油焦化反应模型.张英华译.重油加工译文集,中国石化出版社,1990;453-463
[13] 范启明,杨继涛.减压渣油焦化反应六集总动力学模型的建立及其算法.石油大学学报(自然科学版),2001;25(4):79-81
[14] 刘现峰,彭飞等.延迟焦化动态机理模型的开发.炼油设计,2002;32(2):30-33
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[16] 周晓龙,陈绍洲等.残渣油族组分热转化性能的研究.华东理工大学学报,1995;21(6):654-658
[17] 马伯文,黄慧敏等.延迟焦化装置优化控制模型的建立与应用.炼油设计,1998;28(4):53-57
[18] 刘先广.FCCU 主分馏塔产品质量模型及软测量技术:[硕士学位论文],石油大学(北京),北京:2002
[19] 丛松波.FCCU 主分馏塔动态模型与先进控制:[博士学位论文],石油大学(北京),北京:1996
[20] 朱宝轩.乙醛氧化生产醋酸装置仿真培训系统的开发:[硕士学位论文],北京化工大学,北京:2005
[21] 曹炜.延迟焦化过程的模型建立和先进控制策略:[硕士学位论文],华东理工大学,上海:1999
[22] 徐梅清,孙在春等.减压渣油热反应行为的实验研究:石油与天然气化工,1998;28-31
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