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(yè)的龍頭，其生產操作的穩(wěn)定性、控制手段的可靠性、管理技術的
先進性，對企業(yè)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(yōu)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(tǒng)模擬與分析，確定裝置的最佳操作條件，提高石化企業(yè)的經
濟效益和市場競爭力，成為企業(yè)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(yōu)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(tǒng)，如)$#*+ #,-$、#./0!、*!$$ 等雖可用于原油加工過程，
但需要有獨立的運行環(huán)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(yōu)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(fā)成功過程模擬分析系統(tǒng)，并在齊魯石化公司某煉油裝置上
實現了嚴格在線模擬優(yōu)化分析( 計算得到的模擬和優(yōu)化數據既為實現裝置的實時控制與優(yōu)化操作打下
了基礎，又可作為在線數據校正系統(tǒng)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(huán)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(guī)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(wěn)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( $=H=L= 提出了一種新的逐板計算法，使用拉格朗日乘子將
蒸餾計算轉化為多塔板的優(yōu)化問題，但該法的計算量較大(
%(6(6 矩陣法這種算法將方程組按類別組合，用矩陣法對各板同時求解( 常用的有三對角矩陣法、
牛頓—拉普遜法等(
三對角矩陣法可分為流量加和法（$. 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(huán)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(huán)境等方面的限制，不能滿足在線嚴格模擬與優(yōu)
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(yōu)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(tǒng)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(huán)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(huán)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