石油分馏塔运行状况观测器制造技术

本发明专利技术涉及一种石油分馏塔运行状况实时观测器，由实测变量实时采集处理器、出入流量观测器、塔内负荷观测器、产品质量观测器、原料性质观测器、计算结果显示存储与输出处理器顺序组成，所有功能在分布式计算机控制系统DCS上实现，每隔小于等于20秒的时间内，给出无实测值变量的实时刷新值；本发明专利技术提供了石油分馏塔运行状况的全面实时信息，提供防冲塔、防漏液、防液泛、防干板或抽空、异常工况等实时预警信息，保证了分馏塔安全运行；产品质量的实时计算改进操作、实现产品质量实时控制，提高了高价值产品产率；原料性质变化的实时判断适应了原料变化、平稳操作；若分馏塔原料来自化学反应器，原料中产品分布是反应器实时优化的依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种石油分馏塔运行状况观测器，属于生产过程动态学应用

技术介绍
本专利技术所述石油分馏塔是指具有塔顶和塔底产品外，还具有侧线产品的石油分馏塔主体和相应的外围设备。进入分馏塔的物料为高温下成为汽相的原料油，在分馏塔中经几十层塔板间的传质传热，分离成为合乎规格要求的石油气、汽油或石脑油、煤油、柴油、蜡油、润滑油原料等各种产品。正常运行的石油分馏塔是一个多变量互相影响的动态系统，反映运行状况的变量经常是随时间变化的。但不少变量变量没有实时测量仪表，塔内几十层塔板上的汽、液相石油馏分的温度只有少量的测点，塔内汽液相负荷、原料性质均无实时测量数据，运行状况、故障和异常工况难于得到及时分析，难于适应原料性质变化，产品质量靠化验分析，从采样到取得数据通常要一个小时以上，难于对产品质量进行及时控制，难于实现安全平稳优化运行。为提供石油分馏塔运行时重要但不可实测变量的实时信息，已出现了以下两类方法：一类是基于石油分馏塔运行机理的变量间稳态关系进行计算，如用克劳修斯-克拉伯隆(Clausius-Clapeyron)给出的压力补偿温度关系，近似计算石油产品的质量；或用稳态数学模型对塔内气液相负荷进行计算等，这类方法符合分馏塔稳定不变时的状态，但不适应分馏塔运行时的动态变化。另一类方法是用实测数据回归计算，如最小二乘法、或用某种人为关系，如神经元网络，估算无实测值的变量；由于未按石油分馏塔的运行机理，又常常不考虑分馏塔运行时的动态变化，或采用人为假设动态变化规律，计算结果只能适应实测变量时所相应的一个较小的变化范围，不能适应操作状况和原料性质的变化，不能确定给出的计算结果是否符合分馏塔运行机理，甚至会出现计算结果与工艺机理确定的方向相反，导致错误的操作与控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是：给出一种适应石油分馏塔运行时动态变化状况的观测器，包括流入流出分馏塔流量、塔内汽液相负荷、产品质量、原料性质等不可实测变量的实时值，以提高石油分馏塔操作水平、实现产品质量卡边控制和节能降耗、适应原料性质变化、实现安全、平稳和优化控制。1、本专利技术的基本特征：1-1石油分馏塔观测器：由以下顺序完成的各部分组成：见图11.石油分馏塔实测变量采集处理器：含故障检测，是本专利技术给出无实测变量实时值的依据。2.出入流量观测器：给出流入流出分馏塔无实测值流量的实时值，为运行状状况分析和以下各观测提供计算依据。3.塔内负荷观测器：给出进出塔内各塔段的内回流流量和汽相油品流量的实时值，为塔内运行状况、产品质量实时计算和原料性质变化判断提供实时数据，为防冲塔、防漏液、防液泛、防干板或抽空、异常工况等提供预警信息。4.产品质量观测器：依据油汽分压补偿温度、油品实时蒸馏特性和塔内负荷，给出塔顶和各侧线产品质量的实时值，为实现产品质量的实时监视和控制提供依据。5.原料性质观测器：提供流入各塔段汽相原料性质变化实时信息；若原料来自化学反应器，给出反应物产品组成的实时信息，作为反应器控制和忧化的依据。6.计算结果显示、存储与输出处理器；石油分馏塔观测器是由以上各部分组成的整体，可在已有的分布式计算机控制系统DCS上实现；其中1和6可利用已有技术实现。所有观测计算的结果可在小于等于20秒钟的周期内给出实时刷新值。1-2.依据动态变化规律和实测变量确定无实测值变量的实时值石油分馏塔运行时经常出于动态变化中，反映其运行状况的变量，无论是否有实测值，都是随时间变化的。温度变化时，积蓄的热量随之变化，塔内或容器中液位变化时，容器中积蓄的物料量随之变化。动态变化的规律是动态平衡，即物料积蓄变化量等于流入与流出物料量之差，热量积蓄变化量等于流入流出热量之差；其中流入流出热量取决于温度和热载体流量之乘积。流入和流出的物料量或热量中，有些有实测值，有些无实测值，在线实时计算给出无实测值变量的实时值，必须计算动态积蓄变化量，称为观测器。动态积蓄变化量的一般表达式为：分馏塔中常见的积蓄变化量如下：对热量积蓄变化量:x＝T＝温度，C＝温度变化一个单位所需的热量，称为热容量对容器中液相物料积蓄变化量：x＝HL＝液位高度C＝液位变化一个单位所需液相物料量，称为物料容量容器中汽相物料积蓄变化量:x＝P＝容器压力C＝压力变化一个单位所需的汽相物料量，称为物料容量当状态变量有实测值时，积蓄量变化量可用下式计算： C d x ( t ) d t = C x ( t ) - x ( t - T S ) T S - - - ( 1 - 2 ) ]]>t＝当前时刻TS＝计算周期，建议TS≤20秒；x(t)，x(t-TS)＝当前和前一周期时刻的实测状态变量值。本专利技术对状态变量实测值进行滤波后再用(1-2)式计算。可选用已有滤波方法进行滤波，如：一阶滤波、滑动加权平均滤波、限速滤波、自适应限速滤波等，可选其中一种，或以上滤波方法的组合，如自适应限速滤波与一阶滤波串联。当状态变量无实测值时，需先对无实测值状态变量进行观测计算，再按(1-2)式计算动态积蓄变化量，详见塔内负荷观测器说明。1-3.可观性与可观性的实时检验利用动态变化规律和所具有的实测变量，是否可计算给出无实测值变量的实时值，就是可观性问题。对于石油分馏塔，每层塔板上汽相与液相油品温度变化时均有明显的热量积蓄量的变化，即每层板上的液相温度和气相温度均为状态变量，但许多层塔板上的汽液相温度无实测值，流入流出各层塔板的汽液相流量也无实测值，因此，不可能由实测变量计算给出每层塔板上各有关变量的实时值，即不具备可观性。对每层板上的汽液相油品温度都设置测量仪表是不现实的，也不必要。本专利技术按塔段进行塔内汽液相负荷的观测计算，只要进出塔段的汽液相油品温度具有实测值，入出分馏塔各流量具有实时值，形成可观性，并用观测器方法给出塔段内各层板上汽液相油品积蓄热变化量，从而给出流入流出各塔段的汽液相油品流量，即塔内负荷的实时值，满足运行状况实时观测的要求，是本专利技术的特征。当观测计算中所用实测变量中任何一个变量出现故障时，就失去了可观性。若出入流量观测器失去可观性，后序各观测器也失去可观性。因此，本专利技术对可观性进行实时检验，给出不可观信息，防止出现问题。1-4.按分馏塔运行状况下油品特性进行计算石油为复杂物系，无法用其组成的各纯组分对其进行分析和计算，在石油分馏塔实际运行与操作时，常常用油品的轻重进行分析，或用原料的产品组成进行分析，因此，在观测计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石油分馏塔运行状况实时观测器，其特征在于：1‑1由实测变量实时采集处理器、出入流量观测器、塔内负荷观测器、产品质量观测器、原料性质观测器、计算结果显示存储与输出处理器顺序组成，所有功能在分布式计算机控制系统DCS上实现，每隔小于等于20秒的时间内，给出无实测值变量的实时刷新值；1‑2依据分馏塔及其相关设备的动态物料平衡和热平衡进行实时计算，即考虑物料和热量积蓄量的变化，其在线实时计算方法如下；xi,Ci＝第i个状态变量及其容量，含设备和物料的容量；t＝当前时刻TS＝计算周期，建议TS≤20秒；x(t),x(t‑TS)是当前和前一周期时刻经滤波后的状态变量值。若状态变量无实测值时，采用其观测值；1‑3根据实际可能的可观性，按塔段进行塔内负荷的实时观测计算：给出进出塔段的汽相和液相油品流量的实时值，并以此为依据，计算产品质量和原料性质的实时值，也为防冲塔、防漏液、防液泛、防干板、防抽空和异常工况提供实时信息；1‑4按油汽分压补偿温度、油品实时蒸馏特性和塔内负荷变化，给出产品质量的实时值：其中实时蒸馏特性是分馏塔实际运行情况下、不同塔段不同运行状况下实时变化的油品蒸馏特性；1‑5根据分馏塔动态特性和产品质量的实时值，给出标准产品质量下分馏塔原料中产品组成的实时值，以及各塔段进料组成变化的实时值。...

【技术特征摘要】
1.一种石油分馏塔运行状况实时观测器，其特征在于：1-1由实测变量实时采集处理器、出入流量观测器、塔内负荷观测器、产品质量观测器、原料性质观测器、计算结果显示存储与输出处理器顺序组成，所有功能在分布式计算机控制系统DCS上实现，每隔小于等于20秒的时间内，给出无实测值变量的实时刷新值；1-2依据分馏塔及其相关设备的动态物料平衡和热平衡进行实时计算，即考虑物料和热量积蓄量的变化，其在线实时计算方法如下；xi,Ci＝第i个状态变量及其容量，含设备和物料的容量；t＝当前时刻TS＝计算周期，建议TS≤20秒；x(t),x(t-TS)是当前和前一周期时刻经滤波后的状态变量值。若状态变量无实测值时，采用其观测值；1-3根据实际可能的可观性，按塔段进行塔内负荷的实时观测计算：给出进出塔段的汽相和液相油品流量的实时值，并以此为依据，计算产品质量和原料性质的实时值，也为防冲塔、防漏液、防液泛、防干板、防抽空和异常工况提供实时信息；1-4按油汽分压补偿温度、油品实时蒸馏特性和塔内负荷变化，给出产品质量的实时值：其中实时蒸馏特性是分馏塔实际运行情况下、不同塔段不同运行状况下实时变化的油品蒸馏特性；1-5根据分馏塔动态特性和产品质量的实时值，给出标准产品质量下分馏塔原料中产品组成的实时值，以及各塔段进料组成变化的实时值。2.根据权利要求1所述的石油分馏塔运行状况实时观测器，其特征在于：基于相关设备的动态特性，流入流出塔板无实测值流量的实时计算2-1塔顶馏出石油气产品流量的实时计算：考虑气相产品在塔顶和油汽分离罐中积蓄量变化和实测的油汽分离罐流出气相产品流量进行计算；2-2塔顶馏出液相产品流量的实时计算：考虑油汽分离罐液位和油水介面变化引起的积蓄变化量和实测回流罐抽出液相产品流量进行计算；2-3侧线产品流出塔板的流量：考虑汽提塔中液位变化相应积蓄变化量和实测汽提塔抽出流量进行在线实时计算；2-4进入第一层精馏塔板气相流量的实时计算：对常压塔：依据塔底物料平衡，考虑实测塔底液位变化相应的积蓄量变化和实测的原料油流量、塔底抽出流量和最下层塔板流入塔底的流量，实时计算给出进入精馏塔段最下层板的气相流量；对催化裂化主分馏塔：根据塔底液位相应的动态物料平衡、塔底和人字板动态热平衡，由实测变量计算给出进入分馏塔的反应产物流量和进入第一层塔板的气相油品流量的实时值；对延迟焦化主分馏塔：依据塔底动态物料平衡，人字板区和人字板上气相区油汽的动态热平衡和物料平衡，由实测变量计算给出焦化炉反应油气流量和进入分馏塔最下层塔板的气相油品流量的实时值。3.根据权利要求1所述石油分馏塔运行状况实时观测器，其特征在于：塔内汽液相负荷的实时观测计算：塔内负荷是指不可实测的塔内的液相回流流量和汽相油品流量；塔内负荷按塔段进行计算，有以下特点：3-1塔段划分与可观性：循环回流取热包含的所有相邻塔板为一个塔段，侧线产品抽出塔板及其上若干层塔板为一个塔段。可观性要求是：进出每个塔段的汽相油品和进出每个塔段液相油品具有温度测点，循环回流取热流量与温度以及附加入塔的液相油品流量与温度具有实测值；3-2塔段物料和热量平衡式塔段物料平衡(忽略物料积蓄量变化)：i＝自下而上的塔段序号 L i 0 = V i - 1 + F i A + L i + 1 - V i - - - ( 3 - 1 ) ]]> L i = L i 0 - G i P - - - ( 3 - 2 ) ]]>塔段热平衡： Q i D = V i - 1 H ( T i - 1 V ) - V i H ( T i V ) + L i + 1 h ( T i + 1 L ) - L i 0 h ( T i L ) - Q i R + Q i W + F i A h ( T i A ) - - - ( 3 - 3 ) ]]>含塔段内各层板及其上液相油品和两层塔板间汽相油品及塔壁的积蓄热变化量，见3-5节。H(T),h(T)＝分别为油品在温度为T时的汽相焓,液相焓3-3由第1塔段向上逐段递推计算各塔段汽液相负荷依据流入第一塔段汽相流量Vi-1＝V0和向下流出第一塔段液相流量L1均有出入流量观测器提供的实时值或实测值，由i＝1开始递推计算：首先计算内回流流量Li+1，由(3-1)(3-3)式,导出以下计算式： L i + 1 ( t ) = Q i + V ( t ) + Q i + L ( t ) - Q i + A - Q i R ( t ) - Q i D ( t ) + Q i W ( t ) S i + L i + 1 ( T i V - T i + 1 L ) + H V ( T i V ) - - - ( 3 - 4 a ) ]]>其中： Q i + V = S i + V V i - 1 ( T i - 1 V - T i V ) Q i + A = F i A [ S i + F A ( T i V - T i A ) + H V ( T i V ) ] ]]>为相应平均温度下液相油品定压比热；HV(T)＝油品在温度为T时的汽化潜热；见(3-3)式说明；下标“+”表示按塔段序号递推计算。再计算流出塔段的汽相流量，依据物料平衡式： V i = V i - 1 + F i A + L i + 1 - L i 0 - - - ( 3 - 4 b ) ]]>逐段递推计算，直到塔顶段；也可第一步计算汽相油品流量Vi，第二步计算内回流流量Li+1；3-4由塔顶段逐段向下递推计算由出入流量观测器给出塔顶馏出汽相流量和流入的塔顶冷回流流量，由塔顶段逐段向下递推计算：首先计算塔段最下层板流出液相流量(不含循环回流取热流量)： L i 0 = Q i - L + Q i - A - Q i - V + Q i R + Q i D - Q i W S i - L i 0 [ ( T i - 1 V - T i L ) + H V ( T i - 1 V ) ] - - - ( 3 - 5 a ) ]]> Q i - L = L i + 1 [ S i - L i + 1 ( T i - 1 V - T i + 1 L ) + H V ( T i - 1 V ) ] ]]> Q i - V = V i S i - V ( T i - 1 V - T i V ) Q i - A = F i A [ S i - F A ( T i - 1 V - T i A ) + H V ( T i - 1 V ) ] ]]>HV(T):见(3-4a)式说明；定义同前，下标“-”表示自塔顶段向下递推计算再计算Vi-1也可先计算Vi-1，再由(3-1)(3-2)式计算得到和Li；3-5塔段积蓄热变化量的实时计算：3-5-1段最上层板上气相油品与塔壳积蓄热变化量： Q i , n i V D ( t ) = C i , n i V dT i , n i V d t ≈ C i , n i V T i , n i V ( t ) - T i , n i V ( t - T S ) T S - - - ( 3 - 6 ) ]]>TS＝观测计算周期ni＝第i塔段塔板数量或最上层板序号3-5-2塔段最上层板上液相油品与塔板积蓄热变化量： Q i , n i L D ( t ) = C i , n i L T i , n i L ( t ) - x i , n i L ( t - T S ) T S - - - ( 3 - 7 ) ]]>通常无测点，但： C i , n i V dT i , n i V d t = Q i , n i V D ( t ) = [ S i V V i ( t ) + S i w F i w ( t ) ] [ T i , n i L ( t ) - T i , n i V ( t ) ] - - - ( 3 - 8 ) ]]>Vi,Fiw＝分别是塔段出口气相油品流量和水蒸汽流量(3-8)式中只有顶层板上液相温度未知，故有： T i , n i L ( t ) = T i , n i V ( t ) + Q i , n i V D ( t ) S i V V i ( t ) + S i w F i w ( t ) - - - ( 3 - 9 a ) ]]> T i , n i L ( t - ...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁璞，
申请(专利权)人：袁璞，
类型：发明
国别省市：北京;11