常壓蒸餾塔模擬分析

中石油建設hy

常減壓煉油裝置作為石油化工行業的龍頭，其生產操作的穩定性、控制手段的可靠性、管理技術的
先進性，對企業的效益影響很大) 近年來，隨著常減壓裝置生產過程的在線優化控制技術的推廣應用，
如何利用高質量的裝置操作數據，通過系統模擬與分析，確定裝置的最佳操作條件，提高石化企業的經
濟效益和市場競爭力，成為企業迫切需要解決的課題) 為充分利用裝置在線測量數據信息，優化操作參
數，降低成本和能耗，提高管理水平，對工藝過程嚴格在線模擬分析技術的應用研究越來越受到人們的

重視，已成為!"#$ 的重要組成部分［% & ’］(
目前國內使用的幾種化工流程模擬系統，如)$#*+ #,-$、#./0!、*!$$ 等雖可用于原油加工過程，
但需要有獨立的運行環境，只能離線操作，不能直接用于裝置的在線模擬分析［’ & 1，%2］( 本工作通過分析
模擬優化技術的現狀，結合常減壓蒸餾裝置實際工藝流程，建立了常壓塔和減壓塔的嚴格數學模型，提
出了常減壓蒸餾裝置的模擬新策略，設計開發成功過程模擬分析系統，并在齊魯石化公司某煉油裝置上
實現了嚴格在線模擬優化分析( 計算得到的模擬和優化數據既為實現裝置的實時控制與優化操作打下
了基礎，又可作為在線數據校正系統的參考依據，用于過失誤差的偵破與剔除，同時還可作為神經網絡
訓練樣本的數據來源［1，%3］(
% 常壓塔數學模型
!(! 裝置簡介
齊魯石化公司某常減壓裝置建于%423 年，原油處理能力為每年’55 萬噸，主要加工孤島原油，并根
據孤島原油含輕質油少的特點，采用了兩段汽化蒸餾、不設初餾塔的工藝流程，可生產重整原料、汽油、
燈油、航煤、輕柴、重柴、蠟油燃料油、瀝青共九種產品( 輕質油收率約為657，總拔出率約為357［1］(
!(" 流程分析
進料原油經脫前換熱器、電脫鹽設備、脫后換熱器及常壓加熱爐加熱至一定的溫度，油汽和未汽化
原油經轉油線進入常壓塔被分餾切割為數個餾分油，分別是常頂油（汽油）、常一線（煤油）、常二線（輕柴
油）、常三線（重柴油）、常四線（過汽化油）和塔底重油等(
常壓塔設有% 個塔頂冷回流、6 個中段循環回流和% 個三段側線汽提塔，這是一個具有多級多組
分、多側線、多股換熱的復雜分離過程(
對于原油常減壓蒸餾裝置的過程模擬，其核心是常壓塔和減壓塔的建模和求解! 常規模擬方法是
把原油分割成虛擬組分，然后對各平衡級建立各虛擬組分的物料平衡方程（" 方程）、相平衡方程（# 方
程）以及各平衡級的熱平衡方程（$ 方程）和摩爾分率歸一化方程（ % 方程），最后聯立求解非線性"#%$
大型方程組，求得塔內汽液相物流的流率、組成、溫度等逐板分布及各出口物流的溫度、組成等［3］! 目前
對該方程組的求解方法大致有下述幾種［2 & %’］(
%(6(% 逐板計算法這類算法的特點是將各類方程按板組合，逐板進行求解( ,89:; 和<=>?8;@A 及
B?:8C8 和D8EE8; 提出了適合于各類精餾計算的逐板數學模型( 為了避免,89:;0<=>?8;@A 法在塔頂和塔底
組分契合時所出現的負組分流，F=AA8G 提出在組分修正時，只對輕組分和重組分進行，中間組分可作部
分校正或完全不校正( 同時，,H;>8G 為了加快收斂速度，在全塔物料平衡方程式中，引入校正因子!( 為
了適合具有側線提餾蒸餾塔計算的需要，I:JK8H 和!8J?8>>: 修改了原!法的校正公式，采用了側線提餾
的校正因子(
由于逐板計算舍入的誤差傳播影響大，數值上不甚穩定，尤其是在復雜塔計算時較難收斂，計算時
間長( 因此，逐板計算法的應用受到了限制( $=H=L= 提出了一種新的逐板計算法，使用拉格朗日乘子將
蒸餾計算轉化為多塔板的優化問題，但該法的計算量較大(
%(6(6 矩陣法這種算法將方程組按類別組合，用矩陣法對各板同時求解( 常用的有三對角矩陣法、
牛頓—拉普遜法等(
三對角矩陣法可分為流量加和法（$. 法），泡點法（F# 法）兩種( $. 法的計算速度較快，應用于烴類
吸收過程和一些萃取過程頗有效，對于精餾過程不能保證其收斂性( F# 法主要適用于烴類物系的精餾
計算，對吸收塔則收斂性較差( 對于原油蒸餾這樣多組分多級分離過程，該法具有較大的局限性(
牛頓—拉普遜法直接求解% 和$ 方程組，收斂速度快，無需進行費時的泡點計算，但該法占用內存
仍較大，且收斂性易受初值選取的影響(
,=AM #( 聯合使用F# 法和$. 法，提出一種用于原油蒸餾的新方法( 該法的特點是在精餾段使用
第6期孔玲，等：常壓蒸餾塔模擬分析N%
萬方數據
!" 法，提餾段和側線提餾段使用#$ 法% 仿真表明該法具有良好的收斂性，對初值要求不高，通常&’ (
)’ 次迭代后足以達到工程計算的精度要求% 但在解的附近，該法收斂較慢%
*%+%, - 因子法該法不是用虛擬組分來進行計算，而以各側線產品為基本“組分”，其計算特點是直
接由塔段的熱量平衡關系計算各側線、循環回流及進料段的汽—液負荷，從而得到- 因子，并由./01234
提供的方法計算相鄰側線油品重疊度% 由溫度、壓力校正后直接估算產品性能和塔的操作狀況% 該法
計算簡單、速度快、占用內存少，比較適合于實時仿真過程，但計算精度不高%
綜上所述，現有的方法受求解速度、模擬精度、運行環境等方面的限制，不能滿足在線嚴格模擬與優
化控制的要求% 本工作結合實際工藝流程，通過研究分析原油常壓蒸餾塔的結構特點，提出了模擬常壓
蒸餾裝置的序貫模塊法收斂求解策略［,，**，*+］，即把該裝置分解為精餾、吸收、閃蒸等單元操作的模塊組
合，可方便地利用已有的嚴格數學模型、解算方法等成熟模塊進行常壓塔的模擬分析，克服了現有模擬
方法的局限性，為準確有效地用于裝置的嚴格在線模擬，進一步研究優化控制打下了基礎%
!%" 數學模型
通過分析原油常壓蒸餾塔設計和操作的特點，本文提出了單元模塊組合法，即以流程模擬的思想來
求解常壓塔的新策略% 該方法的基本思路是：將原油常壓蒸餾塔劃分為多個功能模塊，則該塔可作為一
般意義上的流程模擬，從而可用流程模擬的序貫模塊法進行系統模擬分析研究%
*%,%* 原油經常壓加熱爐加熱后，部分汽化，生成的油汽混合物再經常壓轉油線后進一步汽化，溫度稍
降，進入常壓塔% 該過程可視為一個兩相閃蒸器模塊，其閃蒸壓力為油汽分壓%
*%,%+ 入塔后汽相沿塔上升，液相沿塔下降，且含重組分較多% 對常壓塔底部來說，塔內無上部下流的
液相（液相全部采出），塔底通入大量的過熱水蒸汽以降低油汽分壓，并汽提其中的輕組分；重組分進入
塔釜，形成常底重油% 所以常壓塔的底部可作為一汽提塔，采用復雜吸收塔的方法（#$ 法）進行求解%
*%,%, 常壓塔的中上部上升的汽相含輕組分較多，塔中有多股側線采出及中段循環回流取熱，采用復
雜精餾塔的方法（!" 法）進行求解%
*%,%5 側線汽提塔作為汽提模塊處理%
*%,%& 塔頂油汽經過冷凝冷卻換熱，部分液化，在受液罐中再經液液分層使油水分離% 液相水循環使
用（常頂注水），脫水后的常頂油冷回流入塔，移取大部分熱量% 未冷凝的油氣再經冷凝冷卻后形成產品
油出塔% 可將該過程視為一個三相閃蒸器模塊，即產生液相油、液相水和氣相油汽，并將液相油作為冷
回流，氣相油汽作為常頂油產品%
!*：兩相閃蒸器!+：復雜吸收塔!,：收斂模塊
!5：復雜精餾塔!&：三相閃蒸器!)：收斂模塊
圖! 原油常壓蒸餾模塊化結構
因此原油常壓蒸餾模塊化結構，共由
6 個功能模塊所組成% 見圖*%
!%# 模型解算方法
*%5%* 復雜精餾塔模型塔為復雜的多
組分精餾塔，從上到下有!"
塊理論板，
如塔頂為全凝器時，有!" 7 *
塊理論板#
每級均可有進料$%
，汽相采出&’%
，液相
采出&(%
及中間進入或采出能流)%
，采用
三對角矩陣法求解［8，*,］%
*%5%+ 復雜吸收塔采用新松弛法與流
量加和法相結合的方法［*5］求解% 該法與