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)計開發(fā)的在線全餾程分析儀,其檢測系統(tǒng)主要有溫度檢測和液位檢測,控制系統(tǒng)主要由計算機(jī)主板、數(shù)據(jù)采集板、控制板和信號調(diào)理板等組成,通過現(xiàn)場使用,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),及時檢測到產(chǎn)品各點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,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。目前國內(nèi)外市場上在線測量餾程的儀器主要以單點檢測為主。對于煉油生產(chǎn)來講,往往需要對油品的多點餾程溫度同時進(jìn)行在線檢測,如對汽油、煤油、柴油的初餾點、10%、30%、50%、90%、95%、終沸點等。
近幾年來,國際上推出了在線近紅外分析儀、在線核磁共振分析儀,可以對油品的全餾程進(jìn)行在線檢測,但這類儀器價格昂貴,且現(xiàn)場建模工作量很大,不適應(yīng)我國國情。因此,國內(nèi)煉廠急需一種準(zhǔn)確性高、現(xiàn)場適應(yīng)性強、能夠測量多點或全餾程的在線分析儀表。本文介紹的在線全餾程自動分析儀就是滿足以上要求的一種油品自動分析儀。
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,其工作原理就是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法。儀表液位跟蹤檢測及加熱控制是由光電檢測器、位移機(jī)構(gòu)、I/O控制器件等配合工業(yè)計算機(jī)來實現(xiàn),實現(xiàn)了全自動化檢測分析;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)儲存和查詢功能,可儲存并查詢一年的在線分析結(jié)果。
3 儀表結(jié)構(gòu)
整臺儀表按功能劃分,主要由油品預(yù)處理系統(tǒng)、分析器、檢測及控制系統(tǒng)三個部分組成。
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、壓力表、流量計,可以隨時調(diào)整油品的相關(guān)參數(shù),解決油品的自動進(jìn)樣、自動排油、加熱杯體的在線清洗及分析樣品的自動過濾、脫水、計量等問題,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
在計算機(jī)的控制下,油品自動定量地進(jìn)入加熱杯體。進(jìn)樣完畢后,計算機(jī)控制加熱棒;按升溫程對加熱杯體進(jìn)行加熱,當(dāng)油品溫度上升至一定值時,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,流入檢測腔體。當(dāng)光電檢測器檢測到第一滴油品滴下時,計算機(jī)采集油氣溫度檢測器的溫度值,得到油品初餾點。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)入檢測腔體,檢測腔體的液位不斷升高。計算機(jī)通過液位光電檢測器檢測,并控制步進(jìn)電機(jī)跟蹤檢測腔體的液位上升,同時不斷采集油氣溫度檢測器的溫度值,將液位高度和對應(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。在整個蒸餾過程中,計算機(jī)根據(jù)油品溫度的變化速率和液位的上升速率,自動調(diào)整加熱功率,使其符合國標(biāo)對蒸餾速率的要求,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,一種是采用多點定點檢測,然后將未檢測點通過模擬曲線計算得到。這種方法的優(yōu)點是實現(xiàn)起來相對簡單容易、成本低,但由于模擬點有限,計算機(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,該分析方法無法保證分析的準(zhǔn)確性。我們在模型樣機(jī)研制階段通過實驗證明了這一點,因此決定采用另一種分析方法,即完全按照國家標(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,這也是國際上餾程分析儀的發(fā)展方向之一。
3.2.3 液位檢測
液位檢測采用光電檢測技術(shù)。根據(jù)油品對光譜的吸收特性,我們選用了波長為900 nm左右的近紅外發(fā)射、檢測器件,很好地解決了初餾點檢測和液位檢測問題。
液位跟蹤采用計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動精密絲桿來實現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)采用四相八排,每步轉(zhuǎn)動角1.8°,通過絲桿傳輸后每步位移對應(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;通道過小,不利于轉(zhuǎn)化過程中氣路的暢通,氣阻過大也會影響檢測精度。通過分析計算和實驗,設(shè)計出了適合在線使用的氣化和冷凝回路。
3.2.5 檢測腔體
檢測腔體的作用是收集蒸餾出的油品,并通過光電檢測器在計算機(jī)控制下跟蹤檢測其液位的高低。檢測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 儀表檢測及控制系統(tǒng)
3.3.1 檢測及控制系統(tǒng)
檢測系統(tǒng)主要由溫度檢測和液位檢測組成,控制系統(tǒng)主要由計算機(jī)主板、數(shù)據(jù)采集板、控制板和信號調(diào)理板等組成,框圖如圖2所示。
為了增加儀表長期運行的穩(wěn)定性,計算機(jī)采用研華工業(yè)控制機(jī),信號采集板采用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
3.3.2.1 數(shù)據(jù)采集功能
數(shù)據(jù)采集主要完成對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),采集一次對應(yīng)餾程溫度值,并將餾程點和對應(yīng)溫度值儲存在RAM中,供控制、分析使用。餾程(液位)上升與否,需通過設(shè)計軟件定時中斷、由計算機(jī)不斷監(jiān)視光電檢測器的狀態(tài)來實現(xiàn)。
3.3.2.2 控制功能
為了保證分析精度,儀表要求對油品蒸餾速率進(jìn)行嚴(yán)格控制,即根據(jù)餾程的上升速率對加熱功率進(jìn)行調(diào)節(jié),保證蒸餾速率在國標(biāo)范圍內(nèi),由于油品是復(fù)雜的混合物,所以對蒸餾速率的控制模型,需要在理論指導(dǎo)下通過實驗來確定,采用模糊控制原理并通過實驗確定了軟件控制模型,實現(xiàn)了對蒸餾速率的有效控制。
另外,計算機(jī)通過對液位跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,即根據(jù)光電檢測器和儀表所處的狀態(tài),控制步進(jìn)電機(jī)的運轉(zhuǎn)。要求計算機(jī)必須能夠時時檢測液位的高度,根據(jù)液位的升高及時控制步進(jìn)電機(jī)、跟蹤液位的變化。
3.3.2.3 人機(jī)對話、顯示、數(shù)據(jù)儲存及查詢功能人機(jī)對話功能主要有參數(shù)標(biāo)定、當(dāng)?shù)卮髿鈮狠斎?、進(jìn)油時間修改等;儀表在運行過程中可以顯示儀表運行狀態(tài)、蒸餾曲線、分析結(jié)果等;儀表能夠儲存并查詢一年的分析數(shù)據(jù)。
3.3.2.4 通訊功能
由于儀表測試指標(biāo)為全餾程,故不使用4~20 mA信號進(jìn)行傳輸,而采用數(shù)字通訊。我們設(shè)計了上、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)場應(yīng)用情況
從2002-07-01開始至今,在蘭州石化原料動力廠原油車間使用,應(yīng)用情況如下。
4.1 汽油全餾程分析
根據(jù)裝置工藝化驗值對初餾點、10%、50%、90%、終沸點共5點進(jìn)行對比分析,共計對比數(shù)據(jù)139個,初餾點超差數(shù)據(jù)1個,90%超差數(shù)據(jù)2個,干點超差數(shù)據(jù)2個,其它各點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。試驗期間與工藝對比數(shù)據(jù)135個,從儀表口采樣進(jìn)行化驗分析對比數(shù)據(jù)20個。由于工藝采樣化驗值是常一線(煤油)與常二線(柴油)混合后所采樣品的化驗值;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%點以后與工藝化驗值都具有良好的對比性,50%以后只與儀表采樣口所采樣品的化驗值有良好的對比性,與工藝采樣口化驗值不作對比。
儀表分析數(shù)據(jù)與儀表取樣口化驗值對比如表2所示。
5 小 結(jié)
由于該分析儀的分析方法與國家標(biāo)準(zhǔn)完全相同,是將標(biāo)準(zhǔn)方法實現(xiàn)了自動化和在線化,所以從理論上保證了儀表的分析精度。從運行情況看,在應(yīng)用實踐中也得到了證明;同時,儀表具有全餾程特點和較低的故障率,有較好的應(yīng)用前景。
