基于近紅外的快速評(píng)價(jià)及在線分析在煉化廠的應(yīng)用

2022-08-26 12:34郭瑞生

廣州化工 2022年15期

郭瑞生

(南京富島信息工程有限公司，江蘇南京 210061)

近幾年來，我國大多數(shù)煉化企業(yè)都面臨著原油產(chǎn)地多元、種類復(fù)雜、性質(zhì)多變的問題，總體傾向是劣質(zhì)及重質(zhì)原油比例持續(xù)升高，嚴(yán)重影響原油加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。為了及時(shí)準(zhǔn)確的了解煉廠原料及產(chǎn)品性質(zhì)，快速分析已經(jīng)逐漸成為必不可少的手段。

本文介紹了煉廠基于近紅外的原油快速評(píng)價(jià)、餾分油快速檢測(cè)、裝置在線分析、成品油輸送中的應(yīng)用情況，解決了傳統(tǒng)化驗(yàn)時(shí)效性問題。

1 原油快速評(píng)價(jià)

煉化企業(yè)在設(shè)計(jì)建造時(shí)就確定了加工原油的性質(zhì)要求，不同性質(zhì)的原油對(duì)設(shè)備的材料、加工工藝的配套有嚴(yán)格的要求，尤其是對(duì)二次加工裝置的負(fù)荷、目的產(chǎn)品的質(zhì)量和收率影響很大。因此每種原油在首次加工前都要原油評(píng)價(jià)以確定其能否在裝置上進(jìn)行加工，產(chǎn)品分布和質(zhì)量能否滿足要求。傳統(tǒng)化驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)時(shí)間需要2～3月。

基于近紅外光譜分析技術(shù)的原油評(píng)價(jià)具有操作簡(jiǎn)便、樣品用量小、無損檢測(cè)、分析耗時(shí)短、性質(zhì)準(zhǔn)確等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)原油的快速常規(guī)評(píng)價(jià)；根據(jù)包含煉廠各裝置原料、中間產(chǎn)品及最終產(chǎn)品指標(biāo)的專家?guī)欤Y(jié)合全球歷史數(shù)據(jù)庫，可以實(shí)現(xiàn)原油的綜合評(píng)價(jià)。原油快評(píng)從拿到樣品到完成綜合評(píng)價(jià)整個(gè)過程不超過30 min。原油快評(píng)系統(tǒng)主要包括預(yù)處理、近紅外分析儀、計(jì)量學(xué)軟件及模型、原油管理軟件及原油歷史數(shù)據(jù)庫，主要流程為原油樣品通過預(yù)處理恒溫恒壓除雜后，在高壓樣品池內(nèi)采集近紅外譜圖，化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件及模型對(duì)譜圖進(jìn)行預(yù)測(cè)得到常規(guī)評(píng)價(jià)報(bào)告，結(jié)合定制的企業(yè)原油歷史數(shù)據(jù)庫及專家?guī)斓玫皆妥罱K的綜合評(píng)價(jià)報(bào)告。原油快評(píng)流程如圖1所示。

圖1 原油快速評(píng)價(jià)流程圖

原油快評(píng)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)主要包括六個(gè)部分：

文字描述，主要描述原油及各寬餾分關(guān)鍵性質(zhì)，建議的加工路線，對(duì)于不滿足二次裝置進(jìn)料要求的給出加工注意事項(xiàng)及預(yù)處理方案。

快速評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，包括：原油的密度、硫含量、氮含量、酸值、傾點(diǎn)、殘?zhí)肌⒛z質(zhì)、瀝青質(zhì)、實(shí)沸點(diǎn)收率等。

原油詳細(xì)性質(zhì)數(shù)據(jù)，包括元素分析、金屬含量、組成等。

關(guān)鍵餾分分類，按250～275 ℃、395～425 ℃關(guān)鍵餾分段確定原油類別為石蠟基、中間基或環(huán)烷基。

實(shí)沸點(diǎn)及窄餾分性質(zhì)，包括18個(gè)窄餾分實(shí)沸點(diǎn)及各餾分密度、硫、酸、粘度等。

寬餾分性質(zhì)，可以根據(jù)煉廠需要輸出不同寬餾分性質(zhì)，也可增加懸擺餾分。

通過快速分析除可得到綜合評(píng)價(jià)報(bào)告外，還可得到樣品的性質(zhì)文件，各餾分性質(zhì)以曲線形式存在，相比傳統(tǒng)分析報(bào)告形式更方便應(yīng)用及對(duì)比，如可以根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)調(diào)整各餾分溫度段重新輸出報(bào)告、可對(duì)一段時(shí)間內(nèi)性質(zhì)變化情況進(jìn)行跟蹤、可任意混合得到混合原油的綜合評(píng)價(jià)報(bào)告。

通過對(duì)進(jìn)廠原油快評(píng)分析，一可以對(duì)不同批次同一原油從吸收譜圖直接對(duì)比差異性；二可以獲得原油綜合評(píng)價(jià)報(bào)告，及時(shí)驗(yàn)證與采購時(shí)預(yù)期的性質(zhì)對(duì)比，便于及時(shí)調(diào)整加工方案。通過對(duì)脫前樣的快速分析，可以對(duì)制定的加工計(jì)劃做驗(yàn)證，預(yù)測(cè)側(cè)線理論收率及性質(zhì)。目前國內(nèi)應(yīng)用該技術(shù)的煉廠有：茂名石化、中科煉化、北海煉化、中化泉州、云南石化、齊魯石化等近二十家企業(yè)。

2 餾分油快速檢測(cè)

以某煉化企業(yè)為例，加工能力500萬噸/年，主要生產(chǎn)裝置16套。統(tǒng)計(jì)原油、石腦油、煤油、柴油、蠟油、渣油等中間原料或產(chǎn)品分析頻次，如表1所示。

為了及時(shí)了解原料及產(chǎn)品質(zhì)量情況，煉廠以往只能維持高頻次的采樣，而傳統(tǒng)分析具用分析時(shí)間長、分析效率低、工作量大、分析成本高的特點(diǎn)，化驗(yàn)只能對(duì)關(guān)鍵性質(zhì)進(jìn)行傳統(tǒng)化驗(yàn)。通過上表可以看出，傳統(tǒng)分析主要以密度、餾程為主，而僅依靠簡(jiǎn)單性質(zhì)不可能準(zhǔn)確了解油品情況。

表1 傳統(tǒng)分析現(xiàn)狀

基于近紅外光譜分析技術(shù)的餾分油快速分析可批量檢測(cè)，一次檢測(cè)只需3 min，可同時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出多組物性及組成數(shù)據(jù)。應(yīng)用餾分油快速檢測(cè)系統(tǒng)，可大大節(jié)省分析時(shí)間，降低分析、人力成本及儀器損耗，并及時(shí)為裝置提供物性數(shù)據(jù)。圖2、圖3為部分輕質(zhì)油性質(zhì)對(duì)比曲線。

圖2 石腦油初餾點(diǎn)、終餾點(diǎn)近紅外與傳統(tǒng)分析對(duì)比

圖3 S-Zorb精制汽油芳烴及烯烴含量近紅外與傳統(tǒng)分析對(duì)比

該煉廠已使用近紅外檢測(cè)替代傳統(tǒng)分析，包括：直餾石腦油、直餾柴油、催化穩(wěn)定汽油、催化柴油、加氫精制柴油、航煤等。近紅外分析項(xiàng)包括：密度、餾程、十六烷值、飽和蒸汽壓、組成、凝點(diǎn)、閃點(diǎn)、冰點(diǎn)等。

近紅外除對(duì)流動(dòng)性較好餾分油汽油、煤油、柴油等檢測(cè)外，對(duì)于凝點(diǎn)及粘度較高的蠟油、渣油檢測(cè)也有應(yīng)用，該類樣品檢測(cè)采用光譜儀+可溫控自動(dòng)進(jìn)樣器+控溫流通池方式檢測(cè)，可溫控自動(dòng)進(jìn)樣器+控溫流通池可設(shè)定樣品和管道在室溫～100 ℃，并保持恒溫，保證樣品流動(dòng)性。

某煉廠利用該技術(shù)對(duì)蠟渣油進(jìn)行快速檢測(cè)，檢測(cè)溫度為 65 ℃，檢測(cè)性質(zhì)包括，蠟油：閃點(diǎn)、傾點(diǎn)、凝固點(diǎn)、密度、酸值、粘度、餾程、四組分；渣油：針入度、密度、餾程、硫含量、氮含量、殘?zhí)?、四組分。圖4、圖5為蠟渣油部分性質(zhì)對(duì)比曲線。

圖4 潤滑油運(yùn)動(dòng)粘度、酸值、閃點(diǎn)近紅外與傳統(tǒng)分析對(duì)比

圖5 渣油加氫原料、渣油中殘?zhí)技傲蚝拷t外與傳統(tǒng)分析對(duì)比

3 近紅外在線分析

目前各煉廠加工原油品種來源的多樣化，而不同產(chǎn)地的原油所提煉的油品性質(zhì)存在較大差異，這對(duì)工藝操作帶來很大的難度。隨著智能煉廠在國內(nèi)煉油企業(yè)的推廣應(yīng)用，越來越多的企業(yè)利用APC先進(jìn)控制、RTO實(shí)時(shí)優(yōu)化等信息系統(tǒng)來解決煉廠實(shí)際生產(chǎn)問題，以提高煉廠的經(jīng)濟(jì)效益，降低能耗[2]。而APC先進(jìn)控制、RTO在線優(yōu)化等智能優(yōu)化、控制系統(tǒng)的實(shí)施需要大量的過程參量與之配合，而當(dāng)下，眾多過程參量尚未實(shí)現(xiàn)在線化制約了APC、RTO等新技術(shù)的實(shí)施[3]。

基于近紅外的實(shí)驗(yàn)室餾分油快速檢測(cè)的成功推廣使用，推動(dòng)了近紅外在線分析的應(yīng)用。從原油采購到加工再到成品油調(diào)合、輸送整個(gè)環(huán)節(jié)，近紅外實(shí)時(shí)在線分析系統(tǒng)可為先進(jìn)控制、實(shí)時(shí)優(yōu)化、調(diào)合優(yōu)化系統(tǒng)提供物化性質(zhì)，為裝置的平穩(wěn)操作和優(yōu)化生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)。

某煉廠常減壓在線分析如圖6所示。

在線近紅外分析系統(tǒng)主要包括采樣和樣品預(yù)處理系統(tǒng)、在線近紅外分析儀、在線近紅外分析工作站以及分析小屋等；軟件包括在線光譜采集和控制軟件、化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件等。使用樣品預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)物料進(jìn)行恒溫(溫度波動(dòng)±2 ℃)、恒壓、過濾(脫除水分、機(jī)械雜質(zhì)、氣泡)處理、控制樣品的溫度和流速后進(jìn)入樣品檢測(cè)池中，通過分析小屋中的多通道近紅外光譜儀采集樣品光譜，保證樣品譜圖的及時(shí)性和代表性。

國外常減壓側(cè)線在線分析大都采用近紅外分析技術(shù)[4]。典型的是SK基于實(shí)時(shí)近紅外測(cè)量的原油蒸餾裝置優(yōu)化運(yùn)行的全面解決方案。根據(jù)在線近紅外測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合APC或聯(lián)機(jī)優(yōu)化器，提供原料和產(chǎn)品的實(shí)時(shí)質(zhì)量數(shù)據(jù)，直接對(duì)質(zhì)量進(jìn)行控制并提供最佳操作目標(biāo)。

圖6 在線近紅外分析系統(tǒng)構(gòu)成

國內(nèi)首套在線近紅外原油快評(píng)系統(tǒng)在青島煉化成功應(yīng)用，系統(tǒng)采用五通道獨(dú)立檢測(cè)方式，避免了用單通道分析輪流切換檢測(cè)五種樣品的方式所帶來的樣品交叉污染風(fēng)險(xiǎn)，分析模型精度的判斷更直觀，分析數(shù)據(jù)更可信，完成全部樣品的檢測(cè)周期僅為2 min/次。繼青島煉化后，金陵石化三常于2020年也新增常減壓在線檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)性質(zhì)包括：原油及7條側(cè)線(初頂石腦油、常頂一級(jí)石腦油、常一線、常二線、常三線、淺減二線、減三線)。圖7為青島煉化2020年6-7月常一線盲樣驗(yàn)證對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 常一線航煤模型精度比對(duì)表

廣州石化二號(hào)重整裝置、天津重整于2020年完成在線近紅外系統(tǒng)建設(shè)并成功應(yīng)用，用于重整進(jìn)料與生成油的辛烷值及PNA 在線分析。系統(tǒng)完成后，化驗(yàn)對(duì)餾程及PNA組成檢測(cè)從每天一次縮減為每周一次。脫戊烷塔底油RON對(duì)比如圖7所示。

除常減壓、重整在線分析外，在線近紅外分析在加氫異構(gòu)、s-zorb、催化裂化等裝置均有應(yīng)用案例。

圖7 重整在線分析脫戊烷塔底油RON對(duì)比

4 在線近紅外混油界面檢測(cè)

隨著成品油長輸管道事業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了在一條管道中按照一定批量和次序，連續(xù)輸送不同種類油品的輸送方式，即順序輸送[4]。順序輸送過程中會(huì)出現(xiàn)兩種油品混合，在管道內(nèi)形成一定量的混油段。為了及時(shí)準(zhǔn)確地掌握混油段位置，減少因發(fā)生混油段檢測(cè)誤差造成油品質(zhì)量損失，需在順序輸送過程中進(jìn)行界面檢測(cè)，準(zhǔn)確跟蹤混油位置，進(jìn)行油品切割，減少混油損失及后期混油處理能耗損失，保證管線安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

目前判斷混油界面的方式是先通過觀察密度變化，不同牌號(hào)汽油密度差別微小或有重疊現(xiàn)象，就會(huì)給該檢測(cè)帶來一定的麻煩。因此需要在線實(shí)時(shí)監(jiān)控管輸成品油界面變化情況，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握混油段位置，可以避免油品質(zhì)量損失。

圖8 管道混油界面檢測(cè)構(gòu)成圖

近紅外在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過判斷不同油品的近紅外指紋峰變化情況，進(jìn)行油品分類識(shí)別，可有效解決成品油管輸混油界面判斷不準(zhǔn)確問題，減少原先的混油段長度，對(duì)于不同牌號(hào)汽油混油，可以減少高牌號(hào)汽油損失；對(duì)于汽柴油混油，一方面較少油品質(zhì)量損失，一方面減少混油量可有效降低后期混油處理能耗損失。在線分析探頭采用插拔式，將光譜采集探頭插入管道中，直接采集的油樣光譜再通過光纖傳至近紅外分析儀進(jìn)行檢測(cè)分析，實(shí)時(shí)區(qū)分不同牌號(hào)汽油、柴油，檢測(cè)汽油和柴油、不同牌號(hào)汽油之間的混油界面。系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。

圖9為92#汽油、 95#汽油、0#柴油光譜空間分布明顯，根據(jù)光譜分布無需建?？芍苯油ㄟ^近紅外光譜區(qū)分92#汽油、 95#汽油、0#柴油。

圖9 汽柴油近紅外譜圖在光譜空間的分布

如圖10所示，95#汽油和92#汽油過渡，油品光譜空間分布趨勢(shì)圖與研究法辛烷值在線分析值變化趨勢(shì)一致，均可對(duì) 95#汽油和92#汽油進(jìn)行區(qū)分。

圖10 95#汽油和92#汽油過渡識(shí)別

5 結(jié) 語

基于近紅外的快速檢測(cè)及在線分析系統(tǒng)可以有效的解決石化企業(yè)從原油采購、調(diào)合、裝置加工、產(chǎn)品調(diào)合、成品油輸送等過程中的性質(zhì)預(yù)測(cè)問題。原油快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)基于歷史數(shù)據(jù)庫可指導(dǎo)計(jì)劃部門進(jìn)行原油采購、測(cè)算，加工前的快速評(píng)價(jià)可對(duì)加工方案優(yōu)化，結(jié)合原油調(diào)合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從進(jìn)廠到常減壓加工性質(zhì)的可視化；實(shí)驗(yàn)室餾分油快速檢測(cè)大大縮短檢測(cè)時(shí)間，提高分析效率，減輕分析工作量，減少人員與危險(xiǎn)化學(xué)品的接觸；在線檢測(cè)為不僅實(shí)時(shí)跟蹤裝置裝置運(yùn)行情況及產(chǎn)品質(zhì)量，還可為APC、RTO提高數(shù)據(jù)支撐，提高裝置運(yùn)行穩(wěn)定性，在汽油調(diào)合中可為優(yōu)化方案制定提供依據(jù)；混油界面的快速檢測(cè)減少了質(zhì)量浪費(fèi)，直接提高經(jīng)濟(jì)效益。