林文燕
(福建聯(lián)合石油化工有限公司,福建 泉州 362800)
先進(jìn)控制APC(Advanced Process Control)技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)和控制網(wǎng)絡(luò)為信息載體,運(yùn)用科學(xué)、先進(jìn)的控制理論和控制方法,對(duì)工藝生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算,在常規(guī)控制基礎(chǔ)上建立生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,將傳統(tǒng)的常規(guī)PID 控制升級(jí)到多變量(多輸入多輸出)的模型預(yù)估控制。乙烯裝置是石化企業(yè)的“龍頭老大”,提高乙烯、丙烯等高價(jià)值產(chǎn)品收率,降低裝置能耗,可以有效增加公司的生產(chǎn)效益,而裂解爐則是乙烯裝置提高乙烯等高附加值產(chǎn)品收率、降低能耗的關(guān)鍵設(shè)備,因此在裂解爐上實(shí)施先進(jìn)控制技術(shù),是企業(yè)提高控制水平、增加效益的重要手段[1-5]。本文介紹了該公司在原有DCS 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上利用霍尼韋爾公司多變量預(yù)測(cè)先進(jìn)控制軟件Profit Controller 和TECHNIP 公司的SPYRO 裂解爐機(jī)理模型在10 臺(tái)乙烯裂解爐上開(kāi)發(fā)了裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的在線應(yīng)用優(yōu)化。
該公司乙烯裝置裂解爐生產(chǎn)過(guò)程具有原料類型種類繁多、進(jìn)料性質(zhì)變化大、進(jìn)料類型切換頻繁以及同一臺(tái)裂解爐加工多種原料的特點(diǎn)。DCS 控制系統(tǒng)采用的是Emerson 公司的DeltaV 系統(tǒng),生產(chǎn)過(guò)程主要通過(guò)常規(guī)PID 回路進(jìn)行控制,控制方案設(shè)計(jì)中包括裂解爐總負(fù)荷控制及支路溫差控制、燃料氣熱值控制、汽烴比控制等,自控投用率較高,但是裂解深度采用離線指導(dǎo)通過(guò)調(diào)節(jié)爐出口溫度COT 來(lái)進(jìn)行控制,在裂解爐負(fù)荷調(diào)整及原料性質(zhì)波動(dòng)時(shí)就會(huì)存在無(wú)法精確及時(shí)調(diào)整COT 獲得最佳的裂解深度和裂解產(chǎn)品收率的情況,這就會(huì)造成經(jīng)濟(jì)效益的損失[6];裂解爐的燃燒負(fù)荷控制中,底部燃燒熱負(fù)荷由爐子COT 變化控制,而側(cè)壁負(fù)荷往往因需要操作工去手動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)算而未及時(shí)調(diào)整;裂解爐過(guò)剩煙氣氧含量的控制主要通過(guò)操作工的觀察來(lái)調(diào)節(jié)通風(fēng)量,這樣容易存在比較大的調(diào)節(jié)滯后,平均過(guò)剩煙氣氧含量偏大,使得爐子熱效率降低,導(dǎo)致燃料氣浪費(fèi),裝置能耗提高。
1)通過(guò)在線裂解爐機(jī)理模型的運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)裂解深度在線優(yōu)化,達(dá)到可靈活實(shí)現(xiàn)單臺(tái)裂解爐高附加值產(chǎn)品、雙烯產(chǎn)品價(jià)值最大化或乙烯產(chǎn)率最大的選擇;
2)維持裂解爐底部和側(cè)壁燃燒熱負(fù)荷的合理分配,保裂解爐在工藝和設(shè)備約束下優(yōu)化運(yùn)行;
3)降低裂解爐煙氣氧含量波動(dòng),提高裂解爐熱效率,降低裝置能耗和操作工勞動(dòng)強(qiáng)度。
裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)是建立在目前運(yùn)行的DCS控制系統(tǒng)之上,結(jié)構(gòu)上主要包含了先進(jìn)控制系統(tǒng)相關(guān)的功能模塊以及數(shù)據(jù)接口(Socket)模塊。
2.2.1 裂解深度在線優(yōu)化
裂解深度是衡量裂解爐內(nèi)裂解反應(yīng)進(jìn)行程度的重要指標(biāo)。由于裂解原料各不相同,所以裂解深度在相同的條件下,裂解過(guò)程中所產(chǎn)生的目標(biāo)產(chǎn)品收率也可能會(huì)存在一定的差異,這就需要根據(jù)不同裂解原料和實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)準(zhǔn)確調(diào)整好裂解深度,以便目標(biāo)產(chǎn)品收率達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài),實(shí)現(xiàn)裂解爐爐在運(yùn)行中效益最大化的目標(biāo)[7]。在線SPYRO 裂解爐模型SAPC 是TECHNIP 公司用于乙烯裝置的控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化的機(jī)理模型軟件,將SAPC 基于霍尼韋爾的UniSim Design 流程模擬軟件平臺(tái)運(yùn)行,并通過(guò)相應(yīng)的輸入?yún)?shù)如進(jìn)料組分、進(jìn)料流量、COT 及COP等,計(jì)算出裂解深度(丙烯/乙烯質(zhì)量比,簡(jiǎn)稱P/E)或轉(zhuǎn)化率、最大爐管表面溫度TMT 和裂解產(chǎn)物分布等不可測(cè)的工藝參數(shù)[6]。在裂解爐操作中裂解深度隨著進(jìn)料組分變化而變化,因此在裂解深度優(yōu)化模型設(shè)計(jì)中,模型的增益也應(yīng)該隨著進(jìn)料組分的變化而變化。先進(jìn)控制軟件Profit Controller 中具有按產(chǎn)品價(jià)值優(yōu)化的功能(PVO),允許用戶利用靈活的與價(jià)格相關(guān)聯(lián)的二次目標(biāo)函數(shù),按照需求設(shè)定優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化目標(biāo)包括了高附加值產(chǎn)品價(jià)值最大、雙烯產(chǎn)品價(jià)值最大化或乙烯產(chǎn)率最大等,將SAPC 模型與PVO 相結(jié)合,計(jì)算的結(jié)果在線連續(xù)修改Profit Controller 中的裂解深度和各組分產(chǎn)品的產(chǎn)率與爐出口溫度的模型增益,從而為被控變量和操作變量提供了目標(biāo)和方向,實(shí)現(xiàn)了在滿足操作約束的前提下將整個(gè)裝置推向最為經(jīng)濟(jì)的操作區(qū)域[8],PVO 與SAPC 結(jié)合優(yōu)化關(guān)系如圖1 所示。
2.2.2 裂解爐先進(jìn)控制器
采用先進(jìn)控制軟件對(duì)每一臺(tái)裂解爐設(shè)計(jì)一個(gè)控制器,一共包含了10 個(gè)先進(jìn)控制器,每個(gè)控制器的子模型變量包括了被控變量(CV):裂解深度(P/E)、氧含量、爐膛負(fù)壓、最大TMT、爐膛側(cè)壁熱量占比以及多個(gè)用于裂解深度優(yōu)化的優(yōu)化變量;干擾變量(DV):稀釋比DSR、爐膛出口壓力COP;操作變量(MV):COT、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)門(mén)、側(cè)壁熱量。
2.2.3 數(shù)據(jù)接口模塊(Socket)
數(shù)據(jù)接口模塊包含3 個(gè)數(shù)據(jù)接口(Socket):輸入數(shù)據(jù)接口(Socket1)、輸出數(shù)據(jù)接口(Socket2)和模型增益接口(Socket3)。輸入數(shù)據(jù)包括裂解爐幾何尺寸、操作條件輸入數(shù)據(jù)等,操作條件輸入?yún)?shù)需要先進(jìn)行有效性檢驗(yàn)和計(jì)算才能輸入到模型中,Socket1 用于向SAPC 裂解模型程序?qū)懭霐?shù)據(jù);輸出數(shù)據(jù)主要指的是通過(guò)SAPC 模型計(jì)算獲得的裂解深度(P/E 比、M/P 比、轉(zhuǎn)化率)、各組分產(chǎn)品產(chǎn)率等,Socket2 用于從SAPC 裂解模型程序讀取數(shù)據(jù);Socket3 就是用于從SAPC 裂解模型程序提取相關(guān)增益值,通過(guò)與10 個(gè)Profit Controller 控制器相連接并對(duì)控制器中關(guān)鍵模型進(jìn)行實(shí)時(shí)增益更新,如圖2 所示。
圖2 裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)架構(gòu)
在裂解爐型已確定的情況下,控制不同的裂解原料以及運(yùn)行狀況下裂解爐運(yùn)行的最佳裂解深度,是提高乙烯、丙烯收率以及其他經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的最有效措施,該公司乙烯裝置裂解深度在線優(yōu)化主要采用了雙烯產(chǎn)品價(jià)值最大化或者乙烯產(chǎn)率最大模式進(jìn)行生產(chǎn),在滿足爐子的約束條件下,通過(guò)對(duì)COT在合適的范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),優(yōu)化裂解深度,提高裝置效益[9]。選取原料性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定并且具有代表性的時(shí)間段進(jìn)行裂解深度在線優(yōu)化投用前后效果進(jìn)行測(cè)算,以雙烯產(chǎn)品價(jià)值最大化為優(yōu)化目標(biāo),考慮對(duì)比期間系統(tǒng)工況變化對(duì)雙烯收率提高的影響,將裂解爐在先進(jìn)控制器投用前后的雙烯收率進(jìn)行計(jì)算分析,可以得出雙烯產(chǎn)率提高0.42%,每年可增加將近3 000 萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)效益。圖3 為采用石腦油作為原料的裂解爐,選擇雙烯產(chǎn)品價(jià)值最大,根據(jù)求解目標(biāo): PVO=乙烯產(chǎn)品產(chǎn)率×乙烯產(chǎn)品價(jià)格+丙烯產(chǎn)品產(chǎn)率×丙烯產(chǎn)品價(jià)格,將乙烯丙烯的產(chǎn)率跟市場(chǎng)價(jià)格聯(lián)系起來(lái),可以尋找到當(dāng)前操作條件下的最佳裂解深度(P/E)以及對(duì)應(yīng)的COT 值,通過(guò)PVO的動(dòng)態(tài)優(yōu)化求解方案,使得裂解爐始終在滿足控制器約束的條件下優(yōu)化運(yùn)行,從而創(chuàng)造更多效益。
圖3 PVO 和 P/E 關(guān)系圖
裂解爐的燃燒熱量由側(cè)壁燒嘴和底部燒嘴燃燒聯(lián)合提供,側(cè)壁燃燒器提供基本的燃燒負(fù)荷,底部熱負(fù)荷大小由爐管出口溫度COT 決定,且側(cè)壁和底部燃燒器提供的熱量負(fù)荷存在一定的比例,以優(yōu)化爐膛底部至拱頂?shù)妮椛錈嵬康姆植?,因此?dāng)爐管出口溫度變化時(shí),底部和側(cè)壁的燃燒負(fù)荷都要進(jìn)行相應(yīng)改變。先進(jìn)控制的投用提供了通過(guò)對(duì)不同裂解負(fù)荷下對(duì)側(cè)壁燃燒負(fù)荷的區(qū)間控制確保了當(dāng)COT改變,底部燃燒熱量隨之變化時(shí),側(cè)壁和底部燃燒負(fù)荷比例仍能保持在固定的區(qū)間值內(nèi),通過(guò)計(jì)算燃燒負(fù)荷比例控制比投用前平均標(biāo)準(zhǔn)偏差降低78.16%,從而保證了爐膛整體的熱量分布,控制效果如表1 所示。
表1 燃燒負(fù)荷比例控制
裂解爐爐內(nèi)過(guò)剩空氣和負(fù)壓的控制是燃燒器操作好壞的關(guān)鍵。通常過(guò)剩空氣系數(shù)除了滿足燃料完全燃燒以外,還應(yīng)考慮一定余量[10]。先進(jìn)控制器通過(guò)協(xié)調(diào)裂解爐風(fēng)門(mén)開(kāi)度和引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)裂解爐過(guò)剩煙氣氧含量、爐膛壓力的區(qū)間控制,并設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)來(lái)確保滿足正常燃燒工況的前提下將過(guò)剩煙氣氧含量從投用前的平均2.0%降至1.8%左右,過(guò)剩氧含量控制平均標(biāo)準(zhǔn)偏差降低70.01%,且操作員操作次數(shù)降幅70%以上。對(duì)裂解爐氧含量實(shí)施先進(jìn)控制,不僅提高了裂解爐的熱效率,降低裝置能耗,同時(shí)也大大降低了操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了精細(xì)和平穩(wěn)控制,控制效果如表2 所示。
表2 裂解爐氧含量控制和優(yōu)化
先進(jìn)控制技術(shù)在該公司乙烯裂解爐上的應(yīng)用效果表明,常規(guī)DCS 控制系統(tǒng)是石化企業(yè)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ),而先進(jìn)控制技術(shù)則進(jìn)一步提升了DCS 控制系統(tǒng)的控制能力,解決了常規(guī)PID 控制對(duì)復(fù)雜工業(yè)控制的效果問(wèn)題,是企業(yè)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化操作和管理、創(chuàng)造效益的有效工具。如何更好地設(shè)計(jì)出適合企業(yè)生產(chǎn)的先進(jìn)控制模型進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐,需要先進(jìn)控制軟件實(shí)施人員和企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)管理人員的共同努力和配合。