控制柴油加氢处理装置
APC如何解决超低硫柴油加氢装置上一个长期且繁琐的操作问题。
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在过去的几年里，炼油行业已经投入了数十亿美元，以满足越来越严格的电机燃料中的硫含量限制。这种负担落在加氢处理单元上，特别定量催化剂在氢气存在下促进高严重程度（高温）的脱硫，产生硫化氢和少量轻质烃作为副产物。主要操作目标是最终的硫含量，通常为柴油燃料5-10ppm。违反任何延长时间段的最大规格限制存在严重的惩罚，并且必须重新运行或混合具有更有价值的低硫材料。主变量操作员调制以命中目标是反应器入口温度。
频繁的实验室测试是在产品上运行，让操作员知道他或她在做的程度上。然而，实验室测试结果通常在从装置中取出样品后几个小时报告。与此同时，可能发生了过程变化，从而显着影响脱硫程度。作为一种改进，许多单位已经配备有过程分析仪，以连续地测量产物硫含量。不幸的是，这种测量仍然延迟了两到三小时的过程死区时间。在这些条件下，即使是最好的运营商也难以击中产物硫靶标。
虽然操作人员可能会简单地把反应堆温度提高到足够高，以便几乎所有的硫都发生反应，但有副作用，这是不切实际的。很高的反应器温度要求催化剂很快失活，同时消耗过多的氢气和能源，降低最终产品的产量。最佳操作点非常接近，但不超过，规格限制。这是一个典型的控制工程挑战，美国一家中型炼油厂遇到了一个经典的解决方案:先进过程控制(APC)。该炼油厂在20,000 BPD柴油加氢装置上解决了这个问题，该装置在产品流上配备了可靠的连续硫分析仪。
深度催化脱硫需要非常苛刻的反应器条件，因为一小部分含硫烃分子非常稳定，需要很高的脱硫活化能。在多床配置中，大多数脱硫发生在催化剂床的顶部或第一床，而其余的脱硫则需要消除耐脱硫的含硫烃分子。
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一旦实现了APC，该过程更加一致地运行，允许运营商将设定值更接近最佳硫含量水平。
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反应动力学和动力学
根据催化剂厂家提供的数据，对反应动力学影响最大的变量为:
进料速率影响反应器停留时间;
反应器温度影响反应动力学速率;和
原料含硫量。
另一方面，在一定的最低限度以上，氢分压的变化对最终产物硫含量的影响很小。
与加氢处理催化剂的情况一般来说，反应器转化最佳地与考虑到催化剂床中的温度变化，因为反应进行。加氢处理是放热的，因此温度升高催化剂床。经常使用的可变是加权平均床温（WABT），其中加权是通过催化剂体积。使用床中的几个位置的温度测量来计算该变量。
理论考虑和实际运行经验都表明，在不断变化的运行条件下，如果WABT保持不变，反应器运行可以显著稳定。从过程控制的角度来看，WABT最好通过调节反应器入口温度来控制，正如前面提到的，这是操作人员用来控制最终产品硫含量的一个手柄。控制产品含硫量的完整APC解决方案接下来关注的是如何根据已识别的扰动变量和产品含硫量分析仪的反馈动态调整进口温度设置点和WABT目标，以保持产品含硫量接近规格限制。
在高转化条件下（硫去除大于99％），最终反应器产物硫含量是掺杂率和反应器温度的函数高度非线性的。制造商提供的操作指南建议将这些关键操作变量的对数转换相关，如下所示：
最终含硫量的对数与进料速率的对数成线性关系;和
用WABT定量最终硫含量线性。
这些变换应用于大量的操作数据。对该数据的彻底处理分析产生了以下观察和结论：
用于计算WABT的反应堆温度测量需要可变死区时间补偿。例如，对于只有床层入口和出口温度可用的反应器床层，入口温度测量必须延迟，以便它与出口温度动态对齐。
除非WABT保持不变，否则饲料和产品硫含量之间的敏感性可能是负的——当饲料硫含量降低时，产品硫含量可能会增加!这是因为reactorΔT随着饲料中硫的减少而降低，降低了WABT和平均反应严重程度。可能会有竞争反应，如焦化柴油中烯烃分子的饱和也会影响反应器ΔT，这可能会进一步复杂化控制方案的结构，以补偿这种相互作用。控制方案是将原料硫含量的变化(和其他已知的干扰)直接前馈到反应器入口温度，以使平均反应严重程度保持恒定。
为了控制WABT和产品硫含量，需要对进料速率进行可变调节。随着进料速度的增加，WABT的变化与对产物硫的影响之间的死时间将减少，反之亦然。
通过调节反应器预热器燃料气体对反应器入口温度的控制需要前馈用于进料速率和入口温度的变化。
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这个过程依赖于调和一组数据流，以提供理想的燃料水平，以创建最理想的入口温度。
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原料硫含量是一个重要的扰动变量。虽然很少实时测量，但变更通常可以通过其他过程测量来近似。在这个加氢装置的情况下，四种不同的中间馏分产品流被送入加氢装置进料总管并在其中混合。各饲料流的硫含量基本保持不变，而相对和总饲料率变化频繁。利用测定的各饲料流的流速，混合饲料的净硫含量可以通过简单的计算连续估计。该方法提供了反应器进料硫含量变化的动态前馈信息，具有较高的实用价值。
该图说明了控制解决方案的层次结构。一个很好的特点是，当分析仪测量由于例行维护或故障而不可用时，WABT控制可以自己使用。与没有APC相比，WABT控制单独提供了显著的工艺差异减少。另一个特点是，操作人员可以输入实验室数据，以便及时调整实验室分析仪和过程分析仪之间可能存在的偏差。
董事会运营商几乎没有遇到控制旨在做的操作以及它们的工作方式。对他们来说，它们看起来像三倍级联，只有稍微复杂的是，他们在单位和炼油厂的其他部分使用的单一级联。在这些对照之前，将硫含量保持在某些合理的范围内，被认为是整个炼油厂中最加重的操作员任务。自成功调试以来，这套APC工具提供了产品硫含量的自动控制，而操作员的作业将减少以监控工具的性能。
控制器性能
图中显示了调试后两个月期间的性能，图中绘制了对数尺度上产品硫分析仪测量的每日平均值，包括大约一年的预控制数据。激活后方差的减少是很明显的。经过几天的测试，硫含量控制的设定值提高到6.0 ppm，而不是10ppm的规格限制。在接下来的两个月里，产品含硫量保持在
经过两个月的操作，分析仪数据显示，与最近的预控制数据相比，变化持续下降了70%。同时，平均硫含量从4.7 ppm增加到6.1 ppm。尽管这一举动听起来相当温和，但这一增加相当于反应堆平均温度下降了14°F。在催化剂的使用寿命内，这种变化相当于催化剂使用寿命增加约25%。对于一种三年后需要更换的催化剂，成本为200万美元，这意味着每年可以节省16.7万美元的成本。对日常操作同样重要的是，将这个恼人的问题转变为另一个需要监控和监督的控制回路。
经验教训
首先，在解决复杂的运行控制问题时，对机组运行进行详细的过程分析是必不可少的。虽然用于数据分析和APC实现的软件工具很多，但对单元操作(包括动态和稳态)有基本了解的过程工程师的经验，才是指导控制设计开发的关键。
其次，没有“食谱”或标准解决方案进行复杂的控制问题，也没有始终存在“最好的”技术。现成的现成APC软件的标准应用，不会解决此问题。在这种情况下最好的解决方案利用过去30或40年的APC技术，其中包括：
模型参数的可变调谐作为反应器空间速度的函数（进给速率）;
过程测量变量死区补偿，消除过程滞后引起的动态控制变量误差;
自适应，增量前馈控制动作;
利用对数变换线性化因变量和自变量之间的内在非线性关系;和
智能PID反馈控制动作，根据硫分析仪的反馈调整WABT。[注:这种控制算法是专门为处理带有长死区和滞后的反馈回路而开发的。它根据PV的轨迹和接近设定值的最近历史独立地确定P, I和D控制动作。]
在这种情况下，APC是在现代Foxboro DCS上实现的，只使用标准功能块和计算块。
控制问题的最佳解决方案有三个关键特征：它完成了控制目标，是最低的成本，并且具有长期可持续性。如果您始终如一地申请这一哲学，您会发现，即使在过程控制世界中，也没有成功就会成功。
| 作者信息 |
| 詹姆斯R.（JIM）福特，博士，P.E.，是商业领袖，Maverick Technologies先进的过程控制。Robert K.（Bob）Poag，Ph.D.，P.E.，P.A.，是APC顾问。 |
