乙苯苯乙烯裝置生產(chǎn)過程優(yōu)化和先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)用

徐彬(中海石油寧波大榭石化有限公司生產(chǎn)運(yùn)行九部，浙江 寧波 315812)

0 引言

苯乙烯用于生產(chǎn)聚苯乙烯以及苯乙烯系熱塑性彈性體等，是重要的化工原料。中海石油寧波大榭石化有限公司30萬噸/年乙苯裝置采用中石化稀乙烯制乙苯技術(shù)，28萬噸/年苯乙烯裝置采用ST 自主國產(chǎn)化乙苯絕熱脫氫恒沸順序分離節(jié)能技術(shù)，裝置于2016年6月14日開車并實(shí)現(xiàn)一次開車成功。通過開車以來實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行體會(huì)，由于乙苯/苯乙烯裝置是煉油裝置的下游裝置，應(yīng)對(duì)裝置負(fù)荷變化優(yōu)化和控制操作參數(shù)，提高裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性是有待解決的主要問題。在乙苯/苯乙烯生產(chǎn)過程中，反應(yīng)和精餾系統(tǒng)是該裝置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的好壞決定了反應(yīng)過程的原料轉(zhuǎn)化率和物耗，也是乙苯/苯乙烯裝置發(fā)揮其最佳產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且乙烯、乙苯的轉(zhuǎn)化率和苯乙烯的選擇性好，反應(yīng)系統(tǒng)的物耗和蒸汽消耗就相對(duì)降低。相應(yīng)地乙苯、苯乙烯精餾單元能耗受產(chǎn)品純度要求和中間分布組分在相鄰精餾塔塔釜、塔頂分配比例等因素影響，需要根據(jù)裝置生產(chǎn)負(fù)荷、原料組成變化，在保證產(chǎn)品質(zhì)量前提下，提高產(chǎn)品收率、降低單元操作能耗。

要解決生產(chǎn)裝置運(yùn)行中的上述問題，就必須對(duì)過程的運(yùn)行特性和機(jī)理有深刻的理解與認(rèn)識(shí)，結(jié)合生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建能反映生產(chǎn)過程運(yùn)行特性的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)全流程先進(jìn)控制，并對(duì)其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程參數(shù)優(yōu)化調(diào)整。針對(duì)大榭石化乙苯、苯乙烯裝置實(shí)際運(yùn)行情況開展智能制造的研究(過程建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制與優(yōu)化運(yùn)行工作)，重點(diǎn)研發(fā)面向先進(jìn)控制與運(yùn)行優(yōu)化的高精度模型，設(shè)計(jì)先進(jìn)控制系統(tǒng)和優(yōu)化運(yùn)行策略等關(guān)鍵技術(shù)。通過先進(jìn)控制及生產(chǎn)過程優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，提高裝置應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化的能力和生產(chǎn)運(yùn)行水平，提高裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1 項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容

1.1 構(gòu)建乙苯、苯乙烯裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)

采用模型預(yù)測(cè)控制、智能控制和軟測(cè)量技術(shù)，建立苯乙烯裝置烷基化反應(yīng)單元、乙苯精餾單元、乙苯脫氫反應(yīng)單元以及苯乙烯精餾單元的動(dòng)態(tài)控制模型，設(shè)計(jì)與開發(fā)相關(guān)單元的先進(jìn)控制器，最終實(shí)現(xiàn)苯乙烯裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。該系統(tǒng)可以處理裝置中存在的多變量、大純滯后、強(qiáng)耦合等復(fù)雜過程特性，并集成工藝工程師、操作人員長期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在工況變化時(shí)能夠保持良好的控制性能，充分挖掘乙苯苯乙烯裝置的生產(chǎn)潛力，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的卡邊優(yōu)化控制，提高裝置自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。詳見圖1。

圖1 先進(jìn)控制平臺(tái)APC-iSYS 3.1、多變量預(yù)測(cè)控制軟件APC-ADCON 10.2

1.2 完成乙苯、苯乙烯裝置離線優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)研發(fā)

開展乙苯烷基化反應(yīng)、烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)、乙苯脫氫反應(yīng)、反應(yīng)產(chǎn)物精餾過程的機(jī)理建模及關(guān)鍵操作參數(shù)的特性研究，完成乙苯、苯乙烯裝置離線優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)研發(fā)

華東理工大學(xué)和中石化上海工程有限公司綜合應(yīng)用化學(xué)工程技術(shù)、建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)及優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行全流程模擬優(yōu)化，針對(duì)干氣法烷基化制乙苯工業(yè)生產(chǎn)裝置的實(shí)際情況，開展了乙烯與苯反應(yīng)過程、烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)過程、乙苯脫氫制苯乙烯反應(yīng)過程、脫氫產(chǎn)物精餾過程的機(jī)理建模、工業(yè)裝置關(guān)鍵工藝參數(shù)操作特性研究，完成了乙苯、苯乙烯裝置離線優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)的研發(fā)。脫氫效果驗(yàn)證見圖2所示。通過優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)用，同時(shí)利用裝置運(yùn)行的歷史大數(shù)據(jù)、專家知識(shí)庫等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對(duì)裝置的持續(xù)調(diào)整優(yōu)化給予指導(dǎo)，提供理論支持。

圖2 脫氫反應(yīng)器模型預(yù)測(cè)效果驗(yàn)證

1.3 保障裝置長周期運(yùn)行

先進(jìn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，主要工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)方差降低了53.2%，使得裝置生產(chǎn)平穩(wěn)性顯著提高，保障了裝置的長周期運(yùn)行。

乙苯、苯乙烯裝置先控系統(tǒng)總共設(shè)計(jì)109個(gè)控制回路，除5個(gè)控制回路由于工藝及儀表調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)存在較大偏差，需要裝置停工后處理外，其他先控控制回路投用以來實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，目前總投運(yùn)率為95.4%。

(1)實(shí)現(xiàn)了烴化反應(yīng)負(fù)荷的平穩(wěn)控制，效果對(duì)比見表1。

表1 烴化反應(yīng)負(fù)荷投運(yùn)前后效果對(duì)比

(2)實(shí)現(xiàn)了烴化反應(yīng)苯烯比平穩(wěn)控制，效果對(duì)比見表2。

表2 烴化反應(yīng)苯烯比投運(yùn)前后效果對(duì)比

(3)實(shí)現(xiàn)了乙苯苯乙烯塔T402先進(jìn)控制，主要被控變量塔中溫度TI40505.PV。效果對(duì)比見表3。

表3 乙苯苯乙烯塔T402投運(yùn)前后效果對(duì)比

圖3 先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前后工藝參數(shù)平穩(wěn)性對(duì)比

先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前后工藝參數(shù)平穩(wěn)性對(duì)比效果圖見圖3。

1.4 裝置能耗下降

通過先進(jìn)控制系統(tǒng)卡邊操作及離線優(yōu)化系統(tǒng)提供的指導(dǎo)，乙苯苯乙烯裝置工藝操作參數(shù)得到優(yōu)化，裝置能耗下降。

先進(jìn)控制系統(tǒng)投用后，裝置的運(yùn)行平穩(wěn)性獲得很大提升，通過相關(guān)參數(shù)的調(diào)整逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)卡邊優(yōu)化，如對(duì)于精餾塔，在保證塔內(nèi)溫度分布穩(wěn)定的基礎(chǔ)上通過回流量與塔釜熱源的匹配實(shí)現(xiàn)了回流量最小化、塔頂冷后溫度的高控，以及烴化反應(yīng)條件的操作優(yōu)化，平穩(wěn)了反應(yīng)單元進(jìn)料負(fù)荷，降低了裝置生產(chǎn)能耗。乙苯裝置能耗下降約1.9kgOE/t，降幅1.47%(表4)；苯乙烯裝置能耗下降2.3kgOE/t，降幅約0.85%(表5)。

表4 乙苯裝置綜合能耗對(duì)比表

表5 苯乙烯裝置綜合能耗對(duì)比表

1.5 每年增產(chǎn)苯乙烯112噸

通過對(duì)苯乙烯精餾塔操作參數(shù)、塔頂塔釜指標(biāo)的模擬，在保證苯乙烯產(chǎn)品合格的前提下，對(duì)苯乙烯產(chǎn)品純度進(jìn)行卡邊操作，苯乙烯純度由99.92%降低至99.88%，解決了苯乙烯產(chǎn)品質(zhì)量純度過剩的難題，每年增加苯乙烯產(chǎn)量約112噸，增效約95萬元。

2 項(xiàng)目實(shí)施效益評(píng)價(jià)

乙苯苯乙烯裝置過程優(yōu)化和先進(jìn)控制系統(tǒng)的實(shí)施帶來的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1)先進(jìn)控制系統(tǒng)的成功開發(fā)和應(yīng)用，主要工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)方差降低了53.2%，使得裝置生產(chǎn)平穩(wěn)性顯著提高，保障了裝置的長周期運(yùn)行；

(2)對(duì)相關(guān)單元如精餾塔、反應(yīng)器操作進(jìn)行了優(yōu)化，降低了裝置能耗，其中乙苯裝置綜合能耗降低1.47%，苯乙烯裝置綜合能耗降低0.85%；

(3)先進(jìn)控制系統(tǒng)投用率達(dá)到95.4%左右，提高了企業(yè)的自動(dòng)化水平，顯著降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。

3 項(xiàng)目優(yōu)化及改進(jìn)建議

由于該技術(shù)對(duì)儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性要求較高，裝置有少數(shù)流量計(jì)存在一定的測(cè)量誤差及波動(dòng)，在投用先進(jìn)控制時(shí)，容易產(chǎn)生波動(dòng)。建議在裝置檢修時(shí)，更換該儀表，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

目前乙苯苯乙烯裝置只是完成了全流程建模及離線優(yōu)化，對(duì)于裝置的優(yōu)化及調(diào)整無法做到及時(shí)有效。建議對(duì)關(guān)鍵部位增加在線分析儀表，通過對(duì)反應(yīng)物料組成、塔頂塔釜物料組成進(jìn)行及時(shí)分析，及時(shí)反饋調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整功能[3]。

4 結(jié)語

通過本技術(shù)的應(yīng)用，乙苯苯乙烯裝置建立了反應(yīng)控制器、精餾控制器，并在DCS 操作站上建立人機(jī)交互界面，同時(shí)，利用苯乙烯生產(chǎn)過程工藝模型和知識(shí)庫，建立過程優(yōu)化層、模型預(yù)測(cè)控制優(yōu)化層、模型預(yù)測(cè)控制動(dòng)態(tài)層、DCS 控制層四層優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)，同時(shí)該系統(tǒng)操作界面友好，操作簡便，可在控制界面中根據(jù)需求輸入不同的控制參數(shù)及調(diào)優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)苯乙烯生產(chǎn)過程工藝操作的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)控制無縫聯(lián)接，提高生產(chǎn)優(yōu)化的可靠性和可操作性，降低裝置能耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。目前大榭石化乙苯苯乙烯裝置能耗在同行業(yè)中處于領(lǐng)先水平，該項(xiàng)目的實(shí)施，具有較強(qiáng)的推廣性及借鑒意義。