在線全餾程分析儀的應(yīng)用研究
摘要: 介紹根據(jù)《GB/T6536-石油產(chǎn)品蒸餾分析法》而設(shè)計(jì)開發(fā)的在線全餾程分析儀,其檢測(cè)系統(tǒng)主要有溫度檢測(cè)和液位檢測(cè),控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)主板、數(shù)據(jù)采集板、控制板和信號(hào)調(diào)理板等組成,通過現(xiàn)場(chǎng)使用,取得了較理想的分析效果。
1 引 言
在煉油生產(chǎn)中,油品的餾程是不同組分切割的重要依據(jù),及時(shí)檢測(cè)到產(chǎn)品各點(diǎn)餾程的大小即可保證生產(chǎn)出合格產(chǎn)品,又可控制好最佳切割點(diǎn),提高附加值產(chǎn)品收率,是生產(chǎn)裝置(企業(yè))獲取最大經(jīng)濟(jì)效益的保證。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上在線測(cè)量餾程的儀器主要以單點(diǎn)檢測(cè)為主。對(duì)于煉油生產(chǎn)來講,往往需要對(duì)油品的多點(diǎn)餾程溫度同時(shí)進(jìn)行在線檢測(cè),如對(duì)汽油、煤油、柴油的初餾點(diǎn)、10%、30%、50%、90%、95%、終沸點(diǎn)等。
近幾年來,國(guó)際上推出了在線近紅外分析儀、在線核磁共振分析儀,可以對(duì)油品的全餾程進(jìn)行在線檢測(cè),但這類儀器價(jià)格昂貴,且現(xiàn)場(chǎng)建模工作量很大,不適應(yīng)我國(guó)國(guó)情。因此,國(guó)內(nèi)煉廠急需一種準(zhǔn)確性高、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、能夠測(cè)量多點(diǎn)或全餾程的在線分析儀表。本文介紹的在線全餾程自動(dòng)分析儀就是滿足以上要求的一種油品自動(dòng)分析儀。
2 儀表工作原理
儀表分析器是根據(jù)《GB/T6536-石油產(chǎn)品蒸餾分析法》蒸餾裝置進(jìn)行了在線化設(shè)計(jì),其工作原理就是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法。儀表液位跟蹤檢測(cè)及加熱控制是由光電檢測(cè)器、位移機(jī)構(gòu)、I/O控制器件等配合工業(yè)計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化檢測(cè)分析;儀表全餾程值通過RS-485通訊,送至操作室內(nèi)的上位機(jī)或DCS上;儀表具有歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和查詢功能,可儲(chǔ)存并查詢一年的在線分析結(jié)果。
3 儀表結(jié)構(gòu)
整臺(tái)儀表按功能劃分,主要由油品預(yù)處理系統(tǒng)、分析器、檢測(cè)及控制系統(tǒng)三個(gè)部分組成。
3.1 油品預(yù)處理系統(tǒng)
為了保證進(jìn)入儀器的工藝油品能符合分析器要求,采用穩(wěn)流閥來控制進(jìn)油的壓力和流量,根據(jù)油品預(yù)處理系統(tǒng)的溫度計(jì)、壓力表、流量計(jì),可以隨時(shí)調(diào)整油品的相關(guān)參數(shù),解決油品的自動(dòng)進(jìn)樣、自動(dòng)排油、加熱杯體的在線清洗及分析樣品的自動(dòng)過濾、脫水、計(jì)量等問題,保證儀表的精確分析。
3.2 分析器
儀表分析器是儀表的核心系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3.2.1 分析過程
在計(jì)算機(jī)的控制下,油品自動(dòng)定量地進(jìn)入加熱杯體。進(jìn)樣完畢后,計(jì)算機(jī)控制加熱棒;按升溫程對(duì)加熱杯體進(jìn)行加熱,當(dāng)油品溫度上升至一定值時(shí),油品開始沸騰、氣化。氣化的油品沿氣化通道上升,然后進(jìn)入冷凝管,經(jīng)冷凝管冷卻后變?yōu)橐后w,流入檢測(cè)腔體。當(dāng)光電檢測(cè)器檢測(cè)到第一滴油品滴下時(shí),計(jì)算機(jī)采集油氣溫度檢測(cè)器的溫度值,得到油品初餾點(diǎn)。隨著油品溫度的不斷升高,更多的油品經(jīng)上述氣化、冷卻過程由加熱杯體進(jìn)入檢測(cè)腔體,檢測(cè)腔體的液位不斷升高。計(jì)算機(jī)通過液位光電檢測(cè)器檢測(cè),并控制步進(jìn)電機(jī)跟蹤檢測(cè)腔體的液位上升,同時(shí)不斷采集油氣溫度檢測(cè)器的溫度值,將液位高度和對(duì)應(yīng)的溫度值記錄下來,給出油品全餾程曲線或全餾程數(shù)據(jù)表。在整個(gè)蒸餾過程中,計(jì)算機(jī)根據(jù)油品溫度的變化速率和液位的上升速率,自動(dòng)調(diào)整加熱功率,使其符合國(guó)標(biāo)對(duì)蒸餾速率的要求,保證分析準(zhǔn)確性。
3.2.2 分析方法的確定
全餾程分析方法主要有兩種,一種是采用多點(diǎn)定點(diǎn)檢測(cè),然后將未檢測(cè)點(diǎn)通過模擬曲線計(jì)算得到。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡(jiǎn)單容易、成本低,但由于模擬點(diǎn)有限,計(jì)算機(jī)不能很好地跟蹤和控制蒸餾速率,所以蒸餾結(jié)果的準(zhǔn)確性較差,特別是當(dāng)分析油品變化較大時(shí),該分析方法無法保證分析的準(zhǔn)確性。我們?cè)谀Ｐ蜆訖C(jī)研制階段通過實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn),因此決定采用另一種分析方法,即完全按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法《GB/T6536-石油產(chǎn)品蒸餾分析法》進(jìn)行全餾程跟蹤、控制和檢測(cè),這也是國(guó)際上餾程分析儀的發(fā)展方向之一。
3.2.3 液位檢測(cè)
液位檢測(cè)采用光電檢測(cè)技術(shù)。根據(jù)油品對(duì)光譜的吸收特性,我們選用了波長(zhǎng)為900 nm左右的近紅外發(fā)射、檢測(cè)器件,很好地解決了初餾點(diǎn)檢測(cè)和液位檢測(cè)問題。
液位跟蹤采用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密絲桿來實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)采用四相八排,每步轉(zhuǎn)動(dòng)角1.8°,通過絲桿傳輸后每步位移對(duì)應(yīng)餾程約為0.01%,因此可以精確地跟蹤液位的變化。
3.2.4 氣化及冷凝回路
主要解決油品由液相變氣相、氣相再變回液相過程中的氣路暢通和有效冷凝問題。通道過大,不利于油品的冷凝和油氣溫度的檢測(cè);通道過小,不利于轉(zhuǎn)化過程中氣路的暢通,氣阻過大也會(huì)影響檢測(cè)精度。通過分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)出了適合在線使用的氣化和冷凝回路。
3.2.5 檢測(cè)腔體
檢測(cè)腔體的作用是收集蒸餾出的油品,并通過光電檢測(cè)器在計(jì)算機(jī)控制下跟蹤檢測(cè)其液位的高低。檢測(cè)腔體上端與冷凝回路相連,下端由電磁閥控制與排油管線相連。
3.3 儀表檢測(cè)及控制系統(tǒng)
3.3.1 檢測(cè)及控制系統(tǒng)
檢測(cè)系統(tǒng)主要由溫度檢測(cè)和液位檢測(cè)組成,控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)主板、數(shù)據(jù)采集板、控制板和信號(hào)調(diào)理板等組成,框圖如圖2所示。
為了增加儀表長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性,計(jì)算機(jī)采用研華工業(yè)控制機(jī),信號(hào)采集板采用12位8通道PCL-818HD數(shù)據(jù)采集板,I/O控制板采用PCL-786接口板,液晶屏采用夏普彩色液晶顯示器,現(xiàn)場(chǎng)通訊采用研華232/485和485/232轉(zhuǎn)換模塊,通訊距離可達(dá)1 km以上。
3.3.2 軟件設(shè)計(jì)
3.3.2.1 數(shù)據(jù)采集功能
數(shù)據(jù)采集主要完成對(duì)全餾程油氣溫度和油溫的數(shù)據(jù)采集,考慮數(shù)據(jù)的有效性和餾程上升速率控制的需要,餾程每上升0.25%左右(步進(jìn)電機(jī)走50步),采集一次對(duì)應(yīng)餾程溫度值,并將餾程點(diǎn)和對(duì)應(yīng)溫度值儲(chǔ)存在RAM中,供控制、分析使用。餾程(液位)上升與否,需通過設(shè)計(jì)軟件定時(shí)中斷、由計(jì)算機(jī)不斷監(jiān)視光電檢測(cè)器的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。
3.3.2.2 控制功能
為了保證分析精度,儀表要求對(duì)油品蒸餾速率進(jìn)行嚴(yán)格控制,即根據(jù)餾程的上升速率對(duì)加熱功率進(jìn)行調(diào)節(jié),保證蒸餾速率在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi),由于油品是復(fù)雜的混合物,所以對(duì)蒸餾速率的控制模型,需要在理論指導(dǎo)下通過實(shí)驗(yàn)來確定,采用模糊控制原理并通過實(shí)驗(yàn)確定了軟件控制模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸餾速率的有效控制。
另外,計(jì)算機(jī)通過對(duì)液位跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,即根據(jù)光電檢測(cè)器和儀表所處的狀態(tài),控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。要求計(jì)算機(jī)必須能夠時(shí)時(shí)檢測(cè)液位的高度,根據(jù)液位的升高及時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)、跟蹤液位的變化。
3.3.2.3 人機(jī)對(duì)話、顯示、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及查詢功能人機(jī)對(duì)話功能主要有參數(shù)標(biāo)定、當(dāng)?shù)卮髿鈮狠斎?、進(jìn)油時(shí)間修改等;儀表在運(yùn)行過程中可以顯示儀表運(yùn)行狀態(tài)、蒸餾曲線、分析結(jié)果等;儀表能夠儲(chǔ)存并查詢一年的分析數(shù)據(jù)。
3.3.2.4 通訊功能
由于儀表測(cè)試指標(biāo)為全餾程,故不使用4~20 mA信號(hào)進(jìn)行傳輸,而采用數(shù)字通訊。我們?cè)O(shè)計(jì)了上、下位機(jī)通訊軟件和下位機(jī)直接通過MODBUS進(jìn)入DCS兩種通訊方式。
3.3.2.5 軟件框圖
軟件總體框圖如圖3所示。
4 儀表現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況
從2002-07-01開始至今,在蘭州石化原料動(dòng)力廠原油車間使用,應(yīng)用情況如下。
4.1 汽油全餾程分析
根據(jù)裝置工藝化驗(yàn)值對(duì)初餾點(diǎn)、10%、50%、90%、終沸點(diǎn)共5點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析,共計(jì)對(duì)比數(shù)據(jù)139個(gè),初餾點(diǎn)超差數(shù)據(jù)1個(gè),90%超差數(shù)據(jù)2個(gè),干點(diǎn)超差數(shù)據(jù)2個(gè),其它各點(diǎn)分析值均在誤差允許范圍內(nèi)。
汽油全餾程分析誤差情況如表1所示。
4.2 柴油全餾程分析
汽油試驗(yàn)結(jié)束后,我們將儀表改在柴油線上,進(jìn)行了在線分析柴油的工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)期間與工藝對(duì)比數(shù)據(jù)135個(gè),從儀表口采樣進(jìn)行化驗(yàn)分析對(duì)比數(shù)據(jù)20個(gè)。由于工藝采樣化驗(yàn)值是常一線(煤油)與常二線(柴油)混合后所采樣品的化驗(yàn)值;而儀表采樣口在常二線側(cè)線,分析的是純常二線油品。因此,90%點(diǎn)以后與工藝化驗(yàn)值都具有良好的對(duì)比性,50%以后只與儀表采樣口所采樣品的化驗(yàn)值有良好的對(duì)比性,與工藝采樣口化驗(yàn)值不作對(duì)比。
儀表分析數(shù)據(jù)與儀表取樣口化驗(yàn)值對(duì)比如表2所示。
5 小 結(jié)
由于該分析儀的分析方法與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)完全相同,是將標(biāo)準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和在線化,所以從理論上保證了儀表的分析精度。從運(yùn)行情況看,在應(yīng)用實(shí)踐中也得到了證明;同時(shí),儀表具有全餾程特點(diǎn)和較低的故障率,有較好的應(yīng)用前景。
