支路平衡系統在烷基化反應器中的應用

劉炳杰 樓伯華 江鳳月 鄒雄飛

(1.浙江中控軟件技術有限公司；2.寧波鎮(zhèn)海煉化利安德化學有限公司)

支路平衡系統在烷基化反應器中的應用

劉炳杰1樓伯華2江鳳月1鄒雄飛1

(1.浙江中控軟件技術有限公司；2.寧波鎮(zhèn)海煉化利安德化學有限公司)

利用浙江某公司先進控制平臺APC-iSYS為烷基化反應器設計支路平衡優(yōu)化系統，實現了穩(wěn)定控制、優(yōu)化工況，并降低了反應床層溫升的偏差，從而提高了能量利用率和目標產品收率。

支路平衡 APC-iSYS 工況優(yōu)化

在工藝裝置設備設計時，為實現特定的生產需求，使裝置產能、節(jié)能降耗等最大化，會對不同設備進行針對性特殊設計，其中物料多支路控制方式是在煉油、石化行業(yè)的連續(xù)生產裝置設計中較常見的特定設計。比如在煉油行業(yè)常減壓裝置原油換熱多支路進料設計、石化行業(yè)芳烴聯合裝置精餾塔系再沸加熱爐多支路進料設計及苯乙烯裝置烷基化反應器多床層進料設計等。但在常規(guī)生產操作過程中，操作人員對于多支路操作調節(jié)存在較大困難，一是多支路增加了操作人員的勞動強度，二是各支路的調節(jié)情況會相互影響、相互耦合，所以一般操作人員的操作方法有兩種，一種是在集散控制系統操作畫面中設計邏輯控制模塊，增加一獨立回路位號，該位號值將直接分別寫入各支路設定值中，即各支路等幅均值操作；另外一種是固定某幾個支路的設定值，在日常生產操作中，只調節(jié)一個或兩個支路設定值，以降低勞動強度，簡化生產操作。但以上兩種方式都與設備和工藝設計最初的理念相違背，限制了各設備生產能力的發(fā)揮，使裝置生產處于不優(yōu)化、不經濟的狀態(tài)?；诖耍菲胶庀到y的研發(fā)與應用就非常必要，通過該系統的實施，優(yōu)化各支路流量分配，實現支路溫差最小或反應床層溫升偏差最小，從而實現優(yōu)化生產工況的目的。對于支路平衡的優(yōu)化控制策略，已有較多的研究，如預測函數控制[1,2]、自適應控制及多偏差動法[3]等，各方法各有利弊，都在一定程度上利用不同的控制策略實現多支路的控制優(yōu)化問題，筆者在多偏差動法的基礎上進一步改造策略，將它推廣應用于多床層反應器的優(yōu)化控制中。

1 優(yōu)化需求

在不同行業(yè)、不同裝置中，多支路設計的目的和操作方法不同，如煉油行業(yè)常減壓裝置中的原油脫前換熱和脫后換熱網絡[4]，其支路平衡系統控制需求包括初餾塔塔釜液位的穩(wěn)定控制、原油進料總量的自動調節(jié)和穩(wěn)定控制、支路換熱后溫度平衡控制及電脫鹽系統壓力穩(wěn)定控制等。

在化工行業(yè)的烷基化反應器中，乙烯和苯發(fā)生烷基化反應生成乙苯。為保證該反應的高轉化率，烷基化反應器設計了多個反應床層串聯操作(圖1)，操作方法要求如下：

a. 乙烯進料總量FIA自動調節(jié)和穩(wěn)定控制；

b. 各個床層溫升平衡控制；

c. 進料苯烯比穩(wěn)定控制。

圖1 烷基化反應器多反應床層示意圖

2 優(yōu)化策略

乙烯進料總量FIA調節(jié)。在生產操作中，通過調節(jié)反應器4個乙烯進料支路流量FC1、FC2、FC3和FC4的設定值實現乙烯進料總量FIA的穩(wěn)定控制，即使FIA測量值穩(wěn)定在其優(yōu)化設定值附近。該調節(jié)的實現策略根據工藝生產現場的需求不同，可以分為等比例調節(jié)和等步幅調節(jié)，在此介紹等步幅調節(jié)的控制策略計算步驟：

a. 計算乙烯進料總量目標設定值與實時測量值之差ΔFIA；

b. 設定消除ΔFIA計劃所需時間tΔFIA， min；

c. 計算消除ΔFIA計劃所需周期數，NCYC=tΔFIA/tCYC,其中tCYC為支路平衡系統執(zhí)行周期，min；

d. 計算每個周期所需消除的偏差幅度，dΔFIA=ΔFIA/NCYC。

床層溫升補償調節(jié)。具體步驟為：

a. 計算各床層溫升ΔT21=T2-T1,ΔT32=T3-T2,ΔT54=T5-T4,ΔT65=T6-T5；

b. 各床層溫升從低到高排序；

c. 設定偏差分布補償系數pΔT；

d. 計算最高溫升床層進料支路和最低溫升床層進料支路補償流量±pΔT×(FC1+FC2+FC3+FC4)；

e. 計算各床層進料支路流量輸出值。

苯烯比跟蹤調節(jié)。首先設定最優(yōu)的苯烯比目標設定值；然后利用反應乙烯總進料測量值、苯烯比目標設定值推算苯進料流量設定值。

3 生產應用

烷基化反應器支路平衡優(yōu)化控制系統實踐應用的開發(fā)工具為浙江某公司自主研發(fā)的先進控制平臺APC-iSYS3.0。該平臺通過OPC服務器與現場集散控制系統DCS進行雙向數據交互，集成了數據讀寫、存儲、查看及腳本程序設計等功能，滿足烷基化反應器支路平衡控制優(yōu)化的開發(fā)需要。圖2為優(yōu)化控制系統程序設計框圖。

圖2 優(yōu)化平衡系統程序框圖

為了提高先進控制平臺腳本模塊的應用性能和功能，在腳本程序設計中除了兼容了VB Script編譯語言的語法功能，如數組設計、循環(huán)設計等，還自主研發(fā)設計了很多對于變量處理便利使用的數據處理和位號處理函數,并且，腳本模塊支持自定義函數功能，如本程序中涉及到的幾項數據處理功能：床層平均值處理，Algorithem.TagAVG(Tag,Begin_Time,Period_Time)；床層溫升排序處理，Algorithem.Sort(Tag1,Tag2,Tag3,Tag4)。同時，在平衡優(yōu)化控制系統實踐應用中，必須充分考慮生產安全，這是平衡優(yōu)化控制系統在實際生產應用推廣過程中首要考慮的問題?；诖?，對平衡優(yōu)化控制系統的程序設計提出以下幾點要求：

a. 需要設計各支路可根據生產需要安全投入和切除的平衡優(yōu)化控制系統邏輯程序；

b. 平衡優(yōu)化控制系統能夠根據投入和切除平衡優(yōu)化控制系統的支路數量，計算各支路偏差分配；

c. 一般反應器在同一床層不同位置都設置測溫點，為了保證對某床層溫度的準確測量，必須設計各測溫點溫度準確性判斷程序，并利用經考核后的測溫點取平均，所得溫度平均值作為該床層反應溫度，進行床層溫升計算；

d. 乙烯支路、苯進料優(yōu)化空間約束設定，包括優(yōu)化調節(jié)上限、下限，優(yōu)化單周期最大調節(jié)步幅，反應器聯鎖保護等邏輯程序設計。

以下給出部分程序示例。

床層溫升計算函數：

Function TempAVG_RtBed(TA,TB,TC,DTAB,DTAC,DTBC,DT,TM,F1_SW,F2_SW)

If DTAB.Value>DT And DTAC.Value>DT And DTBC.Value>DT Then

F1_SW.Value=0

F2_SW.Value=0

TM.Value=TA.Value

ElseIf DTAB.Value>DT And DTAC.Value>DT And DTBC.Value<=DT Then

TM.Value=(TB.Value+TC.Value)/2

ElseIf DTAB.Value>DT And DTAC.Value<=DT And DTBC.Value>DT Then

TM.Value=(TA.Value+TC.Value)/2

ElseIf DTAB.Value<=DT And DTAC.Value>DT And DTBC.Value>DT Then

TM.Value=(TA.Value+TB.Value)/2

Else

TM.Value=(TA.Value+TB.Value+TC.Value)/3

End If

End Function

床層溫升排序和支路流量對應排序、平衡量計算:

ArrayBrFSW=Array(FC1_SW,FC2_SW,FC3_SW,FC4_SW)

ArrayRtDT=Array(ΔT21,ΔT32,ΔT54,ΔT65)

ArrayRtDTNo=Array(1,2,3,4)

……

FINAL_DT=0.15

IF No_MV_ON>0 THEN

ArrayRtDTONST=Algorithm.SORT(ArrayRtDTON,1)

No_DT_TMAX=ArrayRtDTONST(No_MV_ON-1).OriginalIndex

No_DT_TMIN=ArrayRtDTONST(0).OriginalIndex

VAL_CV_TMAX.VALUE=ArrayRtDTONST(No_MV_ON-1).value

VAL_CV_TMIN.VALUE=ArrayRtDTONST(0).value

NO_MV_TMAX.Value=ArrayRtDTNoON(No_DT_TMAX)

NO_MV_TMIN.Value=ArrayRtDTNoON(No_DT_TMIN)

If Abs(VAL_CV_TMAX.Value-VAL_CV_TMIN.Value)>=FINAL_DT Then

P_FCAL_TMXMN.Value=0.000115

Else

P_FCAL_TMXMN.Value=0

End If

ELSE

No_MV_TMAX.Value=0

No_MV_TMIN.Value=0

VAL_CV_TMAX.VALUE=20

VAL_CV_TMIN.VALUE=20

END IF

處理量分步調節(jié)：

……

FIA_RTDISF.VALUE=FIA_SV.VALUE-FIA_PV.VALUE

IF FIA_EXE.VALUE=0 THEN

IF ABS(FIA_RTDISF.VALUE)>0.02 THEN

FIA_ONECYC.VALUE=FIA_TOL.VALUE+FIA_RT.VALUE

ELSE

FIA_ONECYC.VALUE=FIA_TOL.VALUE

END IF

FIA_TOL_EXE.VALUE=FIA_EXENUM.VALUE

ELSE

FIA_ONECYC.VALUE=FIA_TOL.VALUE

CALL FIA_ONECYC.WRITE

END IF

ELSE

FIA_SV.VALUE=FIA_PV.VALUE

FIA_ONECYC.VALUE=FIA_TOL.VALUE

FIA_TOL_EXE.VALUE=0

FIA_DISF.VALUE=0

FIA_RTCAL.VALUE=0

FIA_RT.VALUE=0

FIA_DISFEXE.VALUE=FIA_EXENUM.VALUE

END IF

FIA_RTDISF_LAST.VALUE=FIA_RTDISF.VALUE

……

4 實踐效果

利用先進控制平臺APC-iSYS3.0的存儲功能，采集平衡優(yōu)化控制系統運行數據，統計、對比分析平衡優(yōu)化控制系統運行效果，如圖3、4所示。

圖3 反應器支路平衡優(yōu)化控制系統投運前后床層溫升情況

圖4 支路平衡優(yōu)化控制系統中反應器處理量和進料比例控制情況

從圖3中可以看出，支路平衡優(yōu)化控制系統投運后，反應器各床層溫升偏差明顯減小，穩(wěn)定了各床層反應工況，充分發(fā)揮各床層催化劑能力，提高反應器單程轉化率，同時，穩(wěn)定了反應產物的產品質量。從圖4中可以看出，支路平衡優(yōu)化控制系統應用后，反應器處理量調節(jié)、進料比例調節(jié)均實現了穩(wěn)定控制，并且在實現這些調節(jié)的同時，實現了各反應床層進料支路流量的平衡分配，使得各床層反應溫升始終保持一致，溫升偏差最小。

5 結束語

從裝置設備設計到生產需求、應用實踐都證明，支路平衡優(yōu)化系統可有效解決多支路調節(jié)耦合問題，實現裝置生產穩(wěn)定、優(yōu)化調節(jié)。先進控制平臺APC-iSYS3.0的腳本程序插件，性能穩(wěn)定、功能強大，可以安全、穩(wěn)定地實現和保障支路平衡優(yōu)化系統的運行，具備向各行業(yè)各裝置的推廣意義。

[1] 榮岡， 蔡詠松，胡紅頁.簡化預測函數控制在重整反應加熱爐中的應用[J].化工自動化及儀表，1999，26(2)：11～14.

[2] 賴勝，孫德敏，吳剛，等.最優(yōu)自適應廣義預測控制在常壓加熱爐中的應用[J].化工自動化及儀表，2003，30(2)：26～31.

[3] 羅雄麟，葉松濤，許鋒.加熱爐支路平衡控制中流量控制回路的取舍分析[J].化工自動化及儀表，2014，41(11)：1232～1235.

[4] 高維平，劉謙，鄭緒光，等.常減壓換熱網絡的優(yōu)化節(jié)能研究[J].化工科技，1999，7(2)：49～54.

劉炳杰(1979-)，工程師，從事APC項目的實施與管理工作，liubingjie@supcon.com。

TH865

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1000-3932(2017)01-0090-05

2016-06-23，

2016-11-24)