Использование поточных анализаторов на нефтеперегонных установках сокращает потери производства, вызванные несоответствующими технологическими условиями и изменением состава сырья.

Нефтеперерабатывающие заводы являются одними из самых сложных технологических участков.
Они охватывают множество, в корне различных, физических и химических процессов. Эти процессы включают атмосферную и вакуумную перегонку, а также такие химические реакции как крекинг, изомеризацию, гидрирование, обессеривание, ароматизацию и смешение. Многие из этих процессов взаимосвязаны. Продукт одной установки служит сырьем для других последующих процессов. Любой сбой, остановка или потеря контроля над одним из этих процессов незамедлительно повлияет на последующие поэтапно процессы а также на эффективность всего завода в целом, его доходы, прибыли и убытки.

Большая часть предприятий химической промышленности перерабатывает сырье, обладающее определенными характеристиками. Нефтеперерабатывающими заводы находятся в прямой зависимости от изменений в составе сырья а так же его отклонения от спецификаций. Тенденции и различия в стоимости сырой нефти, размеры танкеров обеспечивающие поставки нефтеперерабатывающим заводам, политическая нестабильность в странах-экспортерах нефти и изменения в спецификациях производимого продукта диктуют необходимость в периодическом изменении исходного сырья а так же в его смешении.

Смешение сырья также является одной из практик, применяемых нефтеперерабатывающими заводами для повышения маржи между стоимостью сырья и доходами от продажи товарных продуктов.
Различия в составе сырья, получаемого из различных источников, влияют на способность нефтеперерабатывающего завода поставлять на рынок требуемый, согласно принятым обязательствам объем дистиллятов.

Экономика нефтепереработки является еще более сложной, поскольку каждый нефтеперерабатывающий завод уникален. Многие из этих заводов спроектированы специально для достижения первоначальной цели, направленной на производство определенного ряда нефтепродуктов из сырья определенного качества.

Сегодня нефтеперерабатывающие заводы должны быть достаточно гибкими, чтобы быстро реагировать на изменения в составе сырья и требованиям к продукции в результате глобальных изменений в экономике.

Гибкость требуемая в управлении над нефтеперерабатывающим заводом, а также над комплексом различных процессов, сырья и дистиллятов, можно добиться только путем строгого мониторинга качественных параметров компонентов и продуктов по каждой заводской установке. Ни один из продуктовых потоков не является независимым. В основе каждого потока стоит подаваемая на перегонную установку сырая нефть.

Задача оптимизации нефтеперегонной установки

Эффективность производства нефтеперерабатывающим заводом нефтяных дистиллятов непосредственно связана с:

  • Качеством Сырой нефти, подаваемой на нефтеперерабатывающий завод
  • Оборудованием завода
  • Максимальной производительностью по сырью и нефтепродуктам
  • Возможностью получения максимального выхода наиболее ценных дистиллятов.

Оптимизация условий процесса нефтеперегонной установки является основной задачей каждого нефтеперерабатывающего завода. Прибыль повывается за счет достижения максимального выхода требуемого ряда дистиллятов при минимальных затратах. В процессе достижения этой цели полный мониторинг и управление в режиме реального времени каждым входящим сырьевым потоком и исходящим потоком дистиллята является необходимым требованием для обеспечения:

  • Минимального влияния изменений сырья на производительность по каждому необходимому дистилляту
  • Минимального влияния переключения сырья на качественные параметры дистиллятов
  • Максимального производства наиболее ценных дистиллятов. Характерные диапазоны кипения для каждой из соседних фракций нефтеперерабатывающего завода перекрываются. Максимальная прибыль в перегонке достигается посредством:
  • Сдвига границ разделения фракций в сторону получения наиболее ценных продуктов
    Максимальной стабильности качественных параметров каждого дистиллята на протяжении всего процесса перегонки
  • Минимизации получения продукции не соответствующей спецификации или некондиционных материалов с потребностью в их повторной переработке или смешении.

Качество и стоимость сырой нефти зависит от ее источника. Для снижения стоимости перерабатываемого нефтяного сырья и для адаптации сырой нефти с тем, чтобы она могла надлежащим образом перерабатываться на оборудовании, установленном на нефтеперерабатывающем заводе, требуется смешение различных типов нефти. Разновидность сырой нефти характеризуемая различным качеством приводит к изменению распределения дистиллятов, производимых нефтеперегонной установкой при одних и тех же технологических условиях. Для достижения максимальной производственной эффективности и выхода ценных продуктов необходимо постоянное регулирование и коректировка рабочих условий.

Непрерывные лабораторные анализы дороги и отнимают много времени. Большой промежуток времени между отбором пробы и представлением аналитического отчета повышает вероятность получения не соответствующих спецификации продуктов или некондиционных материалов. Замедленное получение информации об отклонении качественных параметров дистиллятов задерживает регулирование технологического процесса. В связи с этим нефтеперегонная установка может работать неэффективном режиме в течение долгого времени. К тому же, любой сбой или нарушение работы нефтеперегонной установки может привести к понижению производительности или даже общей остановке завода, если эти нарушения не будут незамедлительно устранены.

Для оптимизации параметров технологических процесса, с целью получения наиболее высокого выхода требуемого ряда дистиллятов и принимая во внимание характеристики перерабатываемого сырья, очень важным является строгий и адекватный мониторинг всех потоков, обеспечивающий максимальную эффективность нефтеперегонной установки.

Полного контроля качества продукции можно достичь при помощи интегрированной системы поточных анализаторов сырья и дистиллятов. Анализатор должен обеспечивать непрерывное и мгновенное получение информации о качественных параметрах и физических свойствах поступающего сырья и исходящих потоков дистиллятов – нафты, керосина, легкого и тяжелого газойля, а также продуктов вакуумной перегонки – легкого и тяжелого вакуумного газойля.

Для обеспечения оптимальной работы нефтеперегонной установки необходимо выполнять корректирующие действия в режиме реального времени.

Для этого была разработана интегрированная система, обеспечивающая полное управление работой нефтеперегонной установки.

Она охватывает весь процесс, начиная с поступающего в аппарат обессоливания сырья и заканчивая товарными дистиллятами, производимыми в атмосферной и вакуумной перегонных колоннах.

Интегрированная система включает:

  • Анализатор сырой нефти (управление обессоливанием)
  • Анализаторы ближнего ИК излучения (NIR)
  • Анализаторы магнитно-резонансной спектроскопии (MRS)
  • Программное обеспечение управления анализаторами
  • Программное обеспечение автоматической валидации для поточных анализаторов.

Управление обессоливанием

Количество воды, солей и примесей в сырой нефти, получаемой нефтеперерабатывающими заводами, сильно различается и находится в прямой зависимости от источника сырья, предварительной очисткой на месте добычи и средств транспортировки сырья от места добычи до нефтеперерабатывающего завода.

Сырая нефть поступает на нефтеперерабатывающий завод, загрязненная водой, соляным раствором, солями, частично кристаллизованными и растворенными в нефти, сульфидами, примесями и следами тяжелых металлов. Некоторая часть солевого раствора эмульгирована в нефтяной фракции, поэтому необходимо проводить деэмульгирование и отделение водяной фракции от органических веществ. Сырая нефть очищается химикатами и промывается водой для удаления из нее растворенных неорганических солей. Для расслоения эмульсии и улучшения разделения нефтяной и водяной фаз применяется электростатическое разделение.

Удаление солей, ионов галогенов и сульфидов является очень важным для предотвращения коррозии и чрезмерного загрязнения трубопроводов и другого оборудования нефтеперерабатывающего завода. Установка специализированного анализатора сырой нефти обеспечивает непрерывную оценку важнейших параметров сырьевого потока.
Данная система измерения содержания солей основана на влиянии электромагнитных полей эмульсию соленой воды/ сырой нефти. Основным преимуществом анализатора сырой нефти является отсутствие необходимости в каких-либо дополнительных растворителях. Поточное измерение любого отклонения числа API, содержания солей, H2S и воды в сырой нефти позволяет регулировать рабочие условия аппарата обессоливания в режиме реального времени. Технологические химикаты и воды могут подаваться в достаточном – но не избыточном — количестве в процесс обессоливания с целью удаления нежелательных солей и H2S.

Поточный анализ качества сырой нефти производимый в аппарате обессоливания в режиме реального времени , повышает ь эффективность самого процесса обессоливания с последующим получением готового для перегонки сырья.
При непрерывном мониторинге качества нефтяного сырья подаваемого на нефтеперегонную установку, можно проводить незамедлительную коррекцию технологических условий в аппарате обессоливания для поддержания постоянных качественных параметров обессоливаемой нефти и их непосредственного регулирования при переключении сырья.

Применение анализатора сырой нефти понижает затраты, поскольку сокращает потребление деэмульгатором энергии и расход чистой воды, уменьшает коррозию трубопроводов и оборудования, а также прогнозирует показатель API сырья, поступающего на нефтеперегонную установку.

Оптимальная работа всего процесса достигается при установке анализаторов на входе, между и на выходе из аппаратов обессоливания.

Нефтеперегонная установка

Предварительно очищенная в аппарате обессоливания сырая нефть подается на нефтеперегонную установку для разделения на различные дистилляты в соответствии с из диапазонами кипения:

• Газы с низкой температурой кипения (≤32°C)
• Легкая прямогонная нафта (32–88°C)
• Тяжелая прямогонная нафта (88–193°C)
• Керосин (193–271°C)
• Легкий газойль (271–321°C)
• Тяжелый газойль (321– 427°C)
• Вакуумный газойль (427–566°C).
Точные границы разделения между дистиллятами определяются в отношении начальной и конечной температуры кипения, согласно регламентам локальных и международных стандартов, или по требуемым для последующей переработки физическим параметрам. Диапазоны кипения соседних дистиллятов частично перекрываются. Каждый нефтеперерабатывающий завод стремится сдвинуть точные границы разделения фракций в сторону достижения максимальной производительности наиболее ценных дистиллятов. Выход дистиллятов можно прогнозировать при помощи технологии алгоритмов, например, линейного программирования (LP). Тем не менее, любое неожиданное расхождение между реальными параметрами сырья и моделью LP прямо повлияет на эффективность перегонки.
Управление процессом на современных нефтеперерабатывающих заводах в большей степени компьютеризировано.
Тем не менее, человеческий фактор не может быть полностью исключен из всего процесса наблюдения и управления. И автоматическое, и проводимое человеком управление установками нефтеперерабатывающего завода требует получения непрерывного потока данных в режиме реального времени для их обработки. Любая задержка повлияет на решение относительно принятия необходимых мер для поддержания постоянной производительности в соответствии с предварительно определенной программой. Для достижения надлежащего уровня управления технологическими установками на нефтеперерабатывающих заводах классические аналитические методики непригодны. Лабораторные анализы дороги и отнимают много времени, а также включают множество процедур, таких как отбор пробы, ее очистку, подготовку, проведение измерений, обработку данных и представление отчетов. Задержка между отбором пробы и получением результатов анализа не дает корректировать технологические условия на ранних стадиях в случае каких-либо несоответствий. Эффективная работа нефтеперегонной установки имеет следующие минимальные требования:

• Информация поступающая в режиме реального времени о важнейших параметрах, характеризующих перерабатываемую сырую нефть или сырьевую смесь
• Эффективное управление атмосферной и вакуумной колоннами с целью получения наиболее ценных дистиллятов с наиболее эффективным выходом
• Точный и надежный мониторинг качественных параметров продуктов в режиме реального времени на любой стадии процесса перегонки нефти
• Возможность корреляции между качественными параметрами поступающего нефтяного сырья и исходящих потоков дистиллятов.

Поточные анализаторы на базе спектрометрии

Общий анализ физических свойств дистиллята или товарной смеси является операцией, требующей большие затраты времени. Каждый анализ проводится отдельно в соответствии с установленным методом ASTM. Специализированные поточные анализаторы работающие в соответствии со стандартным методом измерения ASTM, дороги. Каждое отдельное измеряемое физическое свойство требует отдельный анализатор. Полный мониторинг требует закупки большого числа анализаторов с сопутствующими затратами на их обслуживание и калибровку.

Физические свойства сырой нефти, дистиллятов или смесей определяются типами присутствующих в них химических соединений. Идентификация этих соединений обеспечивает количественное прогнозирование физических свойств всей смеси. Поскольку физические свойства взаимосвязаны с их химическим составом, для количественного прогнозирования физических параметров можно применять спектроскопические методы. Они позволяют быстро получать информацию о соответствии продуктов установленным качественным параметрам.

Для управления технологическими установками нефтеперерабатывающего завода широко используются два спектрометрических метода: спектрометрия основанная на измерении в области ближнего ИК диапазона и спектрометрия по принципу магнитного резонанса.

Спектрометрия БИК

Технология ИК спектроскопии (БИК) основана на поглощения ближнего ИК диапазона спектра. Это диапазон позволяет охватывать спектр оптической активности нефтепродуктов. Каждый нефтепродукт обладает своим собственным отпечатком в области БИК спектра, который представляет состав продукта. Статистическая корреляция между данными БИК и результатами лабораторного анализа позволяет прогнозировать физические свойства с большой точностью.
Технология БИК включает анализатор БИК, соединенный с полевыми измерительным модулем посредством стандартного оптоволоконного кабеля. Полевое устройство монтируется на байпасном трубопроводе измеряемого потока.

Оно может быть установлен в любой точке нефтеперерабатывающего завода, на расстоянии до 3.2 км от анализатора NIR. Длина оптического волокна не влияет на оптический сигнал.

Преимуществом технологии БИК является то, что измеряемый дистиллят непрерывно протекает через полевой измерительный модуль. Это позволяет проводить измерения в непрерывном режиме. Анализатор БИК использующий оптический метод измерения не содержит механической частей а а так же оптический мультиплексор обеспечивает быстрый анализ одновременно нескольких различных по составу потоков. Полевые измерительные модули просты и не требуют обслуживания. Они не содержат каких-либо механических частей .

Источник света передается анализатором на полевое устройство посредством оптоволокна. Луч проходит через дистиллят, который непрерывно протекает через полевой пробоотборник. Пропущенный свет возвращается по оптическому волокну обратно на детектор анализатора. Спектральные данные обрабатываются хемометрическим методом и преобразуются в качественные значения. Поскольку это оптический метод, применение технологии БИК ограничивается только прозрачными растворами. Вторым недостатком технологии БИК является отсутствие линейного отклика. В некоторых ИК диапазонах поглощение света не находится в прямой зависимости с концентрациями химических соединений согласно закону Ламберта-Беера. Более того, на линейный отклик также влияет частичное наложение спектральных пиков и невысокое разрешение между пиками, относящимися к различным молекулярным связям. Это в основном вызвано различными энергиями возбуждения для каждой химической связи.

Спектрометрия магнитного резонанса

Магнитного резонансная Спектроскопия (МРС) представляет собой не оптический метод, который позволяет определять молекулярный состав на базе химической структуры. Он основан на различиях в поведении атомов водорода под влиянием магнитного поля. Если группу ядер с ненулевым спином поместить в статическое магнитное поле 60 МГц, каждый спин выстраивается в соответствии с направлением этого магнитного поля. С образованием малых магнитных полей, противоположных внешнему полю, налагаемому на ядро, его эффективное магнитное поле ослабевает. Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы, что позволяет определять ее химическую структуру.

МРС является электронным методом и имеет преимущество в том, что может в равной степени применяться для измерения прозрачных, непрозрачных и густых растворов. Его можно применять для оценки физических свойств сырой нефти, всего ряда дистиллятов или любых других продуктов нефтеперерабатывающего завода.
Концепция поточных анализаторов МРС основана на распределении и количественной оценке различных типов водородных атомов органических молекул или воды, присутствующих в дистиллятах или сырой нефти.
Линейный спектральный отклик в точности отражает распределение водородных атомов в различных веществах. На спектр оказывает влияние характер соседних углерод-углеродных связей и соседних не углеродных атомов в структуре молекулы. Можно поставить задачей определение того, являются ли эти молекулы парафинами линейной или разветвленной структуры, олефинами, моноароматическими, полиароматическими, гетероциклическими углеводородами, нафтенами, кислотами, кислородсодержащими веществами или водой.

Большинство существующих сегодня поточных анализаторов характеризуется высокой чувствительностью к малейшим колебаниям температуры. Новые разработки поточных анализаторов МРС включают инновационное оборудование и программное обеспечение, которое позволяет исключить чувствительность к температуре.

Спектрометрические методы на нефтеперегонных установках

Эффективная работа перегонки нефти зависит от поддержания надлежащего профиля температур внутри атмосферной и вакуумной колонн. Это прямая связь с составом сырой нефти и разнообразием и количеством получаемых дистиллятов.

Состав каждого отдельного дистиллята и его результирующие физические свойства связаны с составом сырой нефти. Для достижения максимального выхода в процессе перегонки базовым требованием является поточный мониторинг состава сырой нефти.

При помощи поточного мониторинга физических свойств и анализа поступающего нефтяного сырья можно установить МРС.

При переключении сырья только поточный мониторинг проб сырой нефти минимизирует влияние этого переключения на производительность.

Регулирование технологических условий можно проводить без задержки, что сокращает влияние переключения сырья на выход продуктов и их качественные показатели.

Такие ограничения спектрометрии БИК, как оптический метод, делает это приложение непригодным для сырой нефти и тяжелых дистиллятов. По этой причине только анализаторы МРС могут применяться для мониторинга нефти. Сочетание нескольких измеряемых параметров количественного анализа и других физических свойств сырой нефти — например, показателя API, содержания воды, температуры потери текучести и температуры вспышки — одним анализатором может обеспечить полную оценку и управление поступающего потока сырой нефти.

Мониторинг дистиллятов из атмосферной колонны можно проводить частично либо поточным анализатором БИК, либо анализатором МРС (см. Рисунок 5). Выбор метода зависит от прозрачности потоков измеряемых дистиллятов. В принципе, нафта, керосин и дизельное масло можно измерять в равной степени методами БИК и МРС.

Однако следы гетероатомных молекул, присутствующие в различной степени в сырой нефти, будут перегоняться наряду с требуемыми дистиллятами. Эти молекулы поглощают свет в БИК области. Если они не включены в хемометрическую модель, интерференция от них повлияет на точность результатов анализа. Это не относится к спектрометрии МРС.
Более тяжелые дистилляты, такие как тяжелый газойль, остатки атмосферной колонны и продукты вакуумной перегонки: легкий и тяжелый вакуумный газойль и донный остаток, анализируются преимущественно методом МРС. Сочетание технологий БИК и МРС является эффективным инструментарием для управления всеми потоками нефтеперегонной колонны и тонкого регулирования рабочих условий с целью максимального выхода дистиллятов.

Поточный мониторинг каждого дистиллята позволяет точно определять верхнюю температуру перегонки (T90 — КТК) и нижнюю температуру перегонки (НТК-T10). Он позволяет точно сдвигать границу разделения фракций для двух соседних дистиллятов в сторону наиболее ценного продукта (керосин в дизельном топливе, дизельное топливо в AGO) от более тяжелых фракций.

Это достигается посредством регулирования температурного профиля перегонной колонны. Неконтролируемое регулирование рабочих условий может привести к получению не соответствующих спецификации дистиллятов. Поточный мониторинг качественных параметров отгоняемой нафты, керосина и дизельного топлива контролирует стабильность процесса и предотвращает неконтролируемый выход за пределы спецификации при изменении технологических условий.

Кроме этого, любое отклонение в ходе процесса или качественных параметрах продукта можно немедленно устранить. Риск получения не соответствующих спецификации или промежуточных продуктов значительно сокращается, тем самым исключая необходимость повторного смешения или переработки. Легкий тюнинг технологических условий можно выполнять без риска выхода за установленные пределы, и любое несоответствие или сбой на нефтеперегонной установке можно незамедлительно устранить.

Полное управление поточными анализаторами

Оба анализатора МРС и БИК представляют собой соотносительные методы. Для достижения наивысшей степени точности анализаторов было разработано полностью распределенная система управления анализаторами. Она представляет собой эффективный инструментарий обслуживания, калибровки и оценки анализаторных систем. Она сконфигурирована с целью подключения к удаленным системам. Она проводит мониторинг и регистрирует рабочее состояние установленного оборудования и оценивает широкий ряд анализаторов и приборов.
Программное обеспечение может проводить мониторинг и управление для широкого ряда анализаторов.
Графическое отображение данных от нескольких анализаторов дает возможность получения данных истории по работе анализаторов. Наивысшая точность достигается посредством применения двух различных режимов оценки и калибровки анализаторов:

• Посредством прогона проб с известными количественными значениями требуемых физических параметров
• Посредством непрерывного сравнения считываний анализаторов с лабораторными результатами, относящимися к тому же самому времени отбора пробы.

Программное обеспечение управляет процедурами оценки в соответствии с ASTM D3764. Оно проводит управление сигнализациями и управляет активными потоками, поступающими на анализатор.
Все измерения, полученные от поточных анализаторов различных потоков, локализуются на одном отдельном дисплее. Точный обзор качественных параметров всех отдельных технологических потоков передается оператору, который осуществляет эффективную коррекцию технологических условий. Для поддержания высочайшей точности настоятельно рекомендуется проводить постоянную калибровку анализатора.

Заключение

Строгий мониторинг компонентов и продуктов нефтеперегонной установки представляет собой наивысший приоритет для обеспечения оптимальной работы процесса перегонки.

Лабораторные анализы отнимают много времени и вызывают задержку между устранением каких-либо несоответствий качественных параметров продуктов и ответными корректирующими действиями. Оптимальной работы нефтеперегонной установки можно достичь только в режиме непрерывных поточных измерений физических свойств и качественных параметров каждого потока точными, откалиброванными поточными анализаторами. Это обеспечивает как текущую корреляцию между сырой нефтью и различными дистиллятами, так и между самими дистиллятами. Для достижения этой цели требуется множество специализированных анализаторов на базе ASTM. Однако затраты на их установку и обслуживание высоки.

Коррелятивные анализаторы способны проводить одновременно несколько измерений множества физических параметров.

Коррелятивные поточные анализаторы на полностью охватывают все поступающие и исходящие потоки и позволяют оператору проводить незамедлительную технологическую коррекцию. Этот инструментарий обеспечивает ровную и эффективную работу нефтеперегонной установки с получением максимального выхода требуемых дистиллятов. Они также позволяют минимизировать влияние переключения сырья и повысить производительность и выход требуемых дистиллятов соответствующим сдвигом границ раздела фракций в сторону требуемых дистиллятов.

Обязательства каждого НПЗ в отношении повышения маржи напрямую связаны с его готовностью к установке многопоточных анализаторов. Перед принятием решения о том, какая анализаторная система является наиболее эффективной для НПЗ, необходимо учесть различия в свойствах у методов БИК и МРС. Однако наилучшей работы можно достичь только объединением обеих технологий измерений.

 

Документы

iconDocument_PDF_24Интегрированный мониторинг для оптимизации процесса перегонки нефти

See More