先進過程控制系統(tǒng)在乙烯裝置中的應(yīng)用

寇立鵬

(中沙(天津)石化有限公司設(shè)備管理部，天津 300271)

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先進過程控制系統(tǒng)在乙烯裝置中的應(yīng)用

寇立鵬

(中沙(天津)石化有限公司設(shè)備管理部，天津 300271)

摘要：針對乙烯生產(chǎn)過程中存在的裂解深度優(yōu)化控制問題，采用先進過程控制(APC)系統(tǒng)實現(xiàn)實時控制。通過在線氣相色譜儀系統(tǒng)及在線近紅外分析儀系統(tǒng)對裂解爐氣、液相原料進行檢測；采用在線SPYRO軟件計算裂解深度；利用APC控制器，以裂解爐出口溫度COT作為操作變量實時控制裂解深度，使裂解單元達到最優(yōu)工作點，并取得良好的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：裂解單元先進過程控制在線氣相色譜儀在線近紅外分析儀

乙烯裝置是石油化工聯(lián)合企業(yè)中的核心生產(chǎn)裝置[1-2]。優(yōu)化乙烯裝置的生產(chǎn)，實現(xiàn)裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行，是當(dāng)前的迫切需求。但是，乙烯生產(chǎn)中存在著諸多的瓶頸，包括：

1) 裂解深度無法優(yōu)化操作，目的產(chǎn)品不能達到最佳收率。

2) 精餾系統(tǒng)難以實現(xiàn)精確控制，無法最大限度地減少乙烯/丙烯損失。

3) 裂解爐及壓縮機組的能耗不能有效降低。

近年來，隨著儀器儀表技術(shù)的發(fā)展，先進過程控制(APC)技術(shù)的出現(xiàn)，使得乙烯生產(chǎn)的優(yōu)化成為可能。中沙(天津)石化有限公司根據(jù)裝置特點，從生產(chǎn)需求出發(fā)，將在線分析儀表(在線氣相色譜儀與在線近紅外分析儀)與APC技術(shù)緊密結(jié)合，在DCS的基礎(chǔ)上，通過改善過程的動態(tài)性能、減少過程變量的波動，實現(xiàn)對裂解爐裂解深度的實時控制，達到優(yōu)化和穩(wěn)定工藝操作、提升控制和監(jiān)測水平的目的。同時，根據(jù)市場需求，穩(wěn)定控制乙烯/丙烯收率，實現(xiàn)了裝置的效益最大化。

1裝置簡介

該公司1.0Mt/a乙烯裝置采用某工藝專利技術(shù)，以循環(huán)乙烷/丙烷、液化石油氣(LPG)、石腦油、加氫尾油等作為原料，生產(chǎn)聚合級乙烯、聚合級丙烯、氫氣、混合C4、粗裂解汽油、裂解柴油、裂解燃料油等主、副產(chǎn)品。

乙烯裝置共有11臺裂解爐，其中包括1臺循環(huán)乙烷裂解爐、5臺輕質(zhì)原料裂解爐(以下簡稱輕油爐)和5臺重質(zhì)原料裂解爐(以下簡稱重油爐)。

2控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

乙烯裝置原采用橫河CS3000系統(tǒng)實現(xiàn)基礎(chǔ)控制，通過PID控制裂解爐出口溫度COT，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化。COT的設(shè)定值由操作人員根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗進行設(shè)定，缺乏科學(xué)的指導(dǎo)。COT控制追根溯源是裂解深度的控制，在常規(guī)儀表以及基礎(chǔ)DCS之下，無法精確實現(xiàn)。因此，該公司于2014年8月實施了APC項目，實現(xiàn)了裂解單元全流程APC控制。

3乙烯裂解先進過程控制系統(tǒng)

乙烯裂解單元APC系統(tǒng)由在線氣相色譜分析系統(tǒng)、在線近紅外分析系統(tǒng)、在線SPYRO軟件(該軟件是用于仿真和模擬乙烯裂解爐的工具，以下簡稱SPYRO)、橫河APC系統(tǒng)組成。

乙烯裂解爐的氣相進料由循環(huán)乙烷/丙烷、液化石油氣組成；液相進料由輕石腦油、重石腦油、加氫尾油組成。在線氣相色譜儀用于分析氣相進料的組成；在線近紅外分析儀用于分析輕、重石腦油的性質(zhì)。兩者的分析結(jié)果通過Modbus協(xié)議傳輸?shù)紻CS，同時，經(jīng)OPC將DCS獲得的分析結(jié)果通過控制器的專用數(shù)據(jù)通信接口輸入到SPYRO，用于模型計算。SPYRO以在線分析儀的檢測結(jié)果、裂解爐的幾何尺寸、裂解爐實時運行工況等參數(shù)作為輸入值，預(yù)測裂解爐的出口組分。利用裂解爐的出口組分信息，計算氣相爐的轉(zhuǎn)化率和液相爐的裂解深度。其中，裂解深度以丙烯和乙烯之間的質(zhì)量比(簡稱“P/E值”)表征。

在APC控制器ExaSMOC中，以裂解深度作為被控變量(CV)，以COT和進料量作為操作變量(MV)，最終實現(xiàn)將裂解深度穩(wěn)定控制在最優(yōu)的工作點上，控制邏輯如圖1所示。

圖1　控制邏輯示意

3.1在線氣相色譜分析系統(tǒng)

裂解爐氣相進料以乙烷、丙烷、正/異丁烷作為主要成分，采用橫河GC 8000型在線氣相色譜儀進行檢測。色譜儀采用雙TCD檢測器，通過3組相對獨立的分析氣路，分別對C2及之前的組分、C3組分、C4及以上組分進行測量。

3.2在線近紅外分析儀系統(tǒng)

裂解爐液相進料主要由烯烴、正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴、芳烴等組成，各組分的質(zhì)量分數(shù)簡稱為PINA值。采用Matrix-F型在線近紅外分析儀對輕、重石腦油進料進行檢測。

近紅外(NIR)光是介于可見光和中紅外光之間的電磁波，近紅外光譜區(qū)的波長范圍為700～2500nm。近紅外光譜主要是由分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的[2]。近紅外光譜記錄的主要是含氫基團X-H(X=C，N，O)振動的倍頻和合頻吸收。近紅外光譜可提供豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適合用于碳氫有機物質(zhì)的組成與性質(zhì)測量。當(dāng)建立了光譜與待測參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系(稱為分析模型)后，只要測得試樣的光譜，并通過光譜和分析模型的對照，就能得到所需要的質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)。傅立葉變換近紅外分析儀正是基于上述原理，通過測量干涉圖并經(jīng)傅立葉積分變換為光譜圖的儀器[3-4]。

石腦油中所含的雜質(zhì)、氣泡會對近紅外分析儀測量探頭的光學(xué)鏡面造成污染，使光學(xué)系統(tǒng)的能量下降，并干擾組分的測量，直接影響測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[5]。這些雜質(zhì)包括： 水、顆粒、管道鐵銹、其他雜質(zhì)以及試樣流動過程中所產(chǎn)生的氣泡。在進行樣品預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計時，需要充分考慮上述因素，有效去除尤為重要。在線近紅外分析儀樣品預(yù)處理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　在線近紅外預(yù)處理系統(tǒng)示意

1) 試樣經(jīng)自清掃過濾器進行初步的除雜過濾，并使大部分試樣返回工藝低壓點，以減少滯后。

2) 經(jīng)脫氣閥，并在達到脫氣閥的設(shè)定壓力后，將流動過程中產(chǎn)生的氣體自動排出。

3) 經(jīng)減壓和流量調(diào)節(jié)后，進行精細過濾。

4) 為防止水分在近紅外分析儀探頭部位聚結(jié)，通過PLC控制，每小時對測量探頭進行15s的氮氣吹掃。同時，將吹掃信號發(fā)送到DCS，并對該時段數(shù)據(jù)進行剔除。

5) 測量后的試樣返回工藝低壓點，避免原料浪費和環(huán)境污染。

3.3在線SPYRO軟件

SPYRO是用于仿真和模擬裂解爐的軟件。對于氣相進料，SPYRO要求輸入例如氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁烯、丁烷、異丁烷等組成數(shù)據(jù)。對于液相進料，SPYRO要求輸入石腦油的餾程、PINA值、H/C比、密度等。SPYRO安裝在OPC服務(wù)器上，可通過VB，VC，Excel與外部進行數(shù)據(jù)交互。在APC系統(tǒng)中，橫河提供接口程序，調(diào)用動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)在線分析儀與SPYRO的數(shù)據(jù)交換。同時，SPYRO實時采集裂解爐運行數(shù)據(jù)，預(yù)測裂解爐出口的組分，計算并輸出裂解深度值(P/E值，M/P)以及爐管結(jié)焦速率等參數(shù)[6-7]。

3.4APC系統(tǒng)

APC系統(tǒng)包括16個主控制器、24個子控制器。這種主-從控制器的結(jié)構(gòu)適用于大型裝置的智能控制，方便于各子控制器之間自由傳遞變量。APC系統(tǒng)將SPYRO的輸出數(shù)據(jù)作為被控變量和約束，將COT和煙道擋板開度作為操作變量，使得裂解單元處于最優(yōu)操作點。在控制穩(wěn)定的前提下，APC系統(tǒng)還可根據(jù)經(jīng)濟指標(biāo)函數(shù)(EF)，向C2產(chǎn)率最大、C3產(chǎn)率最大或者處理量最大等優(yōu)化方向進行調(diào)整。

4爐區(qū)控制器設(shè)計

4.1裂解爐主控制器

針對爐區(qū)建立11個主控制器，實現(xiàn)以下控制目標(biāo)：

1) 優(yōu)化裂解深度(P/E)。

2) 控制爐管表面溫度(TMT)，減少結(jié)焦的生成。

3) 過剩氧質(zhì)量分數(shù)最小化。

4) 穩(wěn)定操作，提高裝置運行的穩(wěn)定性。

5) 根據(jù)生產(chǎn)要求，將C2或C3產(chǎn)量最大化。

4.2控制性能分析

裂解單元以COT作為操作手段，根據(jù)原料的性質(zhì)以P/E值作為控制目標(biāo)，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)。在APC系統(tǒng)投運之前，裂解單元沒有P/E值的相應(yīng)數(shù)據(jù)，即沒有參考量的存在，所以每臺裂解爐的COT都是根據(jù)經(jīng)驗值來設(shè)定并基本維持不變。即使當(dāng)P/E值波動很大時，操作人員也無法得知。同時，由于P/E值變化較頻繁，并且裂解爐的數(shù)量較多，即使P/E值可以被實時計算，操作人員通常也無法及時對各臺裂解爐的COT進行實時調(diào)節(jié)。

在主控制器投用后，P/E值得到了有效控制?？刂破魍ㄟ^對COT在適合的范圍內(nèi)進行實時調(diào)節(jié)，來控制P/E值的變化(最大化乙烯產(chǎn)量時提高COT，最大化丙烯產(chǎn)量時降低COT)，使得裝置可以根據(jù)當(dāng)前的市場來隨時調(diào)整產(chǎn)品比例，以提高裝置效益。在APC系統(tǒng)投運后，1，2號裂解爐的乙烷和正丁烷轉(zhuǎn)化率以及其他裂解爐P/E的標(biāo)準(zhǔn)差均明顯下降。如圖3所示，將APC系統(tǒng)投用前、后的P/E值進行對比，呈現(xiàn)截然不同的狀態(tài)，APC系統(tǒng)投用后十分穩(wěn)定。

圖3　APC系統(tǒng)投用前后P/E值的對比示意

5乙烯全流程先進控制系統(tǒng)效果

乙烯裝置全流程APC系統(tǒng)從設(shè)計、投用、試運行到考核完成并正式上線，歷時16個月，技術(shù)指標(biāo)滿足協(xié)議中的規(guī)定要求，見表1所列。

表1　APC系統(tǒng)考核指標(biāo)

6結(jié)束語

乙烯裝置APC系統(tǒng)實現(xiàn)了對裂解深度的實時閉環(huán)優(yōu)化和精餾系統(tǒng)的精確控制，在提升經(jīng)濟效益的同時降低了能耗損失。儀表是控制的基礎(chǔ)，作為該系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一，在線分析儀表的穩(wěn)定運行和準(zhǔn)確測量，成為APC系統(tǒng)穩(wěn)定、長期運行的關(guān)鍵因素。

參考文獻:

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Application of Advanced Process Control System in Ethylene Installation

Kou Lipeng

(Maintenance Department, SINOPEC SABIC (Tianjin) Petrochemical Co. Ltd, Tianjin, 300271, China)

Abstract：Aiming at the control problem of deep cracking optimization for Ethylene production process, advanced process control (APC)system is adopted to realize real-time control. The gas and liquid phases raw materials are analyzed with on-line gas chromatographic analyzer and on-line near infrared spectrometer. Cracking severity is calculated with on-line SPYRO software. The outlet temperature of COT of cracking oven is used as manipulated variable to control cracking severity with APC as controller to reach optimal working point for the cracking unit with good economic benefit.

Key words:cracking unit; advanced process control; on-line gas chromatographic analyzer; on-line near infrared spectrometer

作者簡介：寇立鵬(1972—)，男，天津人，1993年畢業(yè)于天津理工學(xué)院(現(xiàn)天津理工大學(xué))自動化儀表專業(yè)，現(xiàn)就職于中沙(天津)石化有限公司設(shè)備管理部，從事儀表管理工作。

中圖分類號：TP273

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0069-04

稿件收到日期： 2016-03-03。