APC 系統(tǒng)在乙烯裝置上的應(yīng)用

彭志翔 郝 昭 中國(guó)石油四川石化有限責(zé)任公司 成都 611930

乙烯裝置是整個(gè)石化行業(yè)的龍頭，如何運(yùn)用先進(jìn)控制技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)控制手段，節(jié)能降耗，提高雙烯收率，提高乙烯裝置的控制水平是乙烯行業(yè)今后發(fā)展的方向。要實(shí)現(xiàn)乙烯裝置的先進(jìn)控制，需將乙烯裝置作為一個(gè)整體研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，收集測(cè)試數(shù)據(jù)及裝置運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)量化描述各變量之間的相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上辨識(shí)出數(shù)學(xué)模型，建立相應(yīng)預(yù)測(cè)控制所需的內(nèi)部模型，利用該模型預(yù)測(cè)裝置的變化，并根據(jù)實(shí)際工藝特點(diǎn)和要求選取合理的參考軌跡、操作變量約束、被控變量約束、控制結(jié)構(gòu)集成先進(jìn)的控制器。提前調(diào)節(jié)多個(gè)相關(guān)的操作變量，提高裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性，可取得良好的控制效果，提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

1 裝置簡(jiǎn)介及APC 系統(tǒng)實(shí)施背景

1.1 裝置簡(jiǎn)介

某石化公司80 萬(wàn)噸/年乙烯裝置的8 臺(tái)裂解爐采用7 臺(tái)USC-176U 型超選擇性裂解爐和1 臺(tái)USC-12M 型氣體裂解爐。急冷油塔、急冷水塔采用S&W 的具有高效、流通量大、壓降小特點(diǎn)的專利波紋塔盤。高、低壓雙塔脫丙烷使塔釜操作溫度降低，減少塔底和再沸器聚合結(jié)焦，約50%的碳三及以上重組分不進(jìn)入裂解氣壓縮機(jī)五段，節(jié)省裂解氣壓縮機(jī)功率。高壓脫丙烷塔與裂解氣壓縮機(jī)五段組成開(kāi)式熱泵，節(jié)省能耗。乙烯精餾塔與乙烯壓縮機(jī)組成開(kāi)式熱泵；乙烯塔采用低壓精餾。

1.2 APC 系統(tǒng)實(shí)施背景

該乙烯裝置是某公司APC 項(xiàng)目第二批實(shí)施裝置之一，共設(shè)計(jì)了13 個(gè)控制器，分別為裂解爐控制器、高壓脫丙烷塔控制器、尾氣精餾塔脫乙烷塔控制器、低壓脫丙烷塔脫丁烷塔控制器、丙烯塔控制器。APC 在實(shí)施后，保證了裝置的運(yùn)行平穩(wěn)，減小波動(dòng)，減輕了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)

先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)實(shí)施主要包括預(yù)測(cè)控制技術(shù)、模型辨識(shí)技術(shù)及性能監(jiān)控技術(shù)。

2.1 預(yù)測(cè)控制技術(shù)

DMC 預(yù)測(cè)控制技術(shù)是動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制，是APC 控制的一種。根據(jù)乙烯裝置機(jī)理復(fù)雜、操作方案多變、操作變量強(qiáng)耦合、參數(shù)約束強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)乙烯裝置采用DMC 多變量預(yù)測(cè)控制，預(yù)測(cè)控制主要包括預(yù)測(cè)模型、參考軌跡和滾動(dòng)優(yōu)化三個(gè)部分，其控制原理見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)

2.2 預(yù)測(cè)模型辨識(shí)技術(shù)

實(shí)驗(yàn)建模是目前先進(jìn)控制應(yīng)用中較為常用的方法。如圖2 所示，由于過(guò)程的輸入輸出一般可以測(cè)量，而過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性必然表現(xiàn)在這些輸入輸出數(shù)據(jù)中，辯識(shí)是利用相應(yīng)的算法對(duì)所獲輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以便獲得被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的過(guò)程。

圖2 模型辯識(shí)過(guò)程

利用檢測(cè)對(duì)象各通道的階躍響應(yīng)，并經(jīng)光滑處理后建立DMC 控制器模型。在建模過(guò)程中，選擇適當(dāng)?shù)谋豢刈兞緾V、操作變量MV 以及干擾變量DV，確定被控變量權(quán)重和增量抑制因子矩陣等控制器參數(shù)，再通過(guò)階躍試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定各MV、DV與CV、AV 的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型。根據(jù)裝置的特點(diǎn)和生產(chǎn)的要求，精心設(shè)計(jì)階躍試驗(yàn)計(jì)劃，選擇矯正系數(shù)矩陣，并保證試驗(yàn)的成功，從而為過(guò)程模型的辯識(shí)提供理想的數(shù)據(jù)。DMC 辯識(shí)器通過(guò)裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)際工藝特點(diǎn)和要求選取合理的參考軌跡、操作變量約束、被控變量約束、控制結(jié)構(gòu)以得到DMC 預(yù)測(cè)控制器。

2.3 性能監(jiān)測(cè)技術(shù)

采用最新技術(shù)來(lái)監(jiān)控和評(píng)估先進(jìn)控制運(yùn)行的性能，見(jiàn)圖3。

圖3 性能監(jiān)控與評(píng)價(jià)軟件與APC 系統(tǒng)結(jié)合的工作方式

3 系統(tǒng)功能方案設(shè)計(jì)

乙烯裝置生產(chǎn)過(guò)程期望的目標(biāo)是追求整體經(jīng)濟(jì)效益的最佳化，即要兼顧產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、原材料消耗及能耗的各個(gè)方面。采用先進(jìn)控制軟件，建立乙烯裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)具有復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性、純滯后、多變量、強(qiáng)耦合、變量有約束等生產(chǎn)過(guò)程，并在工況變化時(shí)具有較好的控制性能，充分發(fā)揮裝置的生產(chǎn)潛力，優(yōu)化生產(chǎn)，便于操作，運(yùn)行可靠。根據(jù)乙烯裝置以上控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)該裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4[1]。

圖4 乙烯裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

先進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)施，首先進(jìn)行詳細(xì)方案設(shè)計(jì)，然后對(duì)裝置進(jìn)行階躍測(cè)試，收集裝置過(guò)程階躍測(cè)試數(shù)據(jù)，并利用多變量模型預(yù)估辨識(shí)模塊，辨識(shí)出被控變量、約束變量與操作變量、干擾變量之間的階躍測(cè)試模型，并生成控制器在線運(yùn)行的參數(shù)文件，主要包括#1-#8 裂解爐控制器、急冷單元控制器、脫乙烷塔控制器、尾氣精餾塔控制器、低壓脫丙烷塔控制器、丙烯塔與丙烯汽提塔控制器、脫丁烷塔控制器，各控制器之間各自獨(dú)立，但也根據(jù)前后裝置物料組分的影響關(guān)系產(chǎn)生一定的內(nèi)在聯(lián)系，是一個(gè)有機(jī)整體。

從結(jié)構(gòu)上看，控制器包含3 個(gè)模塊：①預(yù)測(cè)模塊，控制器開(kāi)環(huán)的前提下，預(yù)測(cè)CV 的未來(lái)值；②線性規(guī)劃模塊，結(jié)合經(jīng)濟(jì)條件和約束條件，利用線性規(guī)劃或二次規(guī)劃的方法計(jì)算MV 和CV 優(yōu)化的穩(wěn)定目標(biāo)值，這一塊決定控制器連續(xù)不斷地向優(yōu)化方向運(yùn)行；③動(dòng)態(tài)控制模塊，利用被控變量動(dòng)態(tài)誤差最小化原理確定操作量的調(diào)節(jié)步驟，這一步?jīng)Q定控制器如何優(yōu)化動(dòng)作。在控制器中每一個(gè)CV 都被賦予一個(gè)數(shù)值以表明其在控制器中被滿足的優(yōu)先順序，根據(jù)優(yōu)先順序進(jìn)行MV 控制。

4 運(yùn)行效果分析

從2019 年8 月1 日至2019 年8 月8 日期間的對(duì)比測(cè)試結(jié)果可以看出，裝置APC 投用后，關(guān)鍵參數(shù)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)方差降低了30%以上，裝置關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

4.1 裂解爐投用APC 前后效果對(duì)比

優(yōu)化控制各進(jìn)料管的流量和燃料氣進(jìn)料，正常情況下使裂解爐的COT 溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在1℃以內(nèi)，在裂解原料切換、裂解原料物性波動(dòng)、與裂解爐操作相關(guān)的工藝或儀表出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)對(duì)裂解爐運(yùn)行產(chǎn)生的大干擾的情況下COT 標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在3℃以內(nèi)。從圖5 和圖6 可以看出，5 號(hào)爐（F1150）先控投用前第二支路COT 溫度波動(dòng)超過(guò)10℃，先控投用后溫度波動(dòng)基本在±1℃，大擾動(dòng)時(shí)溫度波動(dòng)在±3℃以內(nèi)[2]。

圖5 F1150 裂解爐投用前2 支路COT 偏差

圖6 F1150 裂解爐投用后2 支路COT 偏差

裂解爐分四組進(jìn)料，各組均有流量調(diào)節(jié)器。圖7 為F-1130 使用DCS 進(jìn)料串級(jí)控制的四個(gè)通道COT 趨勢(shì)圖，溫度波動(dòng)較大且四組趨勢(shì)分散。圖8為F-1130 使用APC 支路平衡先進(jìn)控制的COT 趨勢(shì)圖，溫度波動(dòng)明顯變小，四組趨勢(shì)集中。

圖7 F-1130 使用DCS 進(jìn)料串級(jí)控制的COT 趨勢(shì)圖

圖8 F-1130 使用APC 支路平衡先進(jìn)控制的COT 趨勢(shì)圖

4.2 急冷水塔塔釜溫度偏差投用前后運(yùn)行情況對(duì)比

通過(guò)控制急冷水流量和急冷水溫度穩(wěn)定塔11層溫度和塔底溫度，使偏差控制在1℃以內(nèi)。有效保證了裂解氣壓縮機(jī)吸入口壓力，防止急冷系統(tǒng)被抽真空。急冷水塔投用APC 前后塔釜溫對(duì)比情況見(jiàn)圖9，圖10。

圖9 投用前急冷水溫度TI12025PV

圖10 投用后急冷水溫度TI12025PV

4.3 高低壓脫丙烷塔溫度控制

通過(guò)控制高壓脫甲烷塔回流量穩(wěn)定了塔頂溫度，以盤油溫度為前饋，調(diào)整塔釜盤油量使靈敏板溫度穩(wěn)定在合理范圍。塔底再沸由塔釜側(cè)線抽出一股液相送往再沸器，通過(guò)溫度控制器與流量控制器串級(jí)控制PO 流量來(lái)給塔釜提供熱源，加熱后的氣體返回到第42 塊塔盤下。調(diào)整塔釜另一股液相抽出量控制塔釜液位。在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使塔的總收益最大。

4.4 脫乙烷塔溫度控制

脫乙烷精餾塔再沸器設(shè)有溫度串級(jí)控制。溫度串級(jí)控制回路構(gòu)成為：TE14118、TT14118、TIC14118、FT14035、TT14114、TT14115、 熱 值計(jì)算功能塊、 FJC14035、FV14035。其中副回路調(diào)節(jié)器FJC14035 的測(cè)量值是熱值計(jì)算功能塊的輸出值，設(shè)定值為主回路調(diào)節(jié)器TIC14118 的輸出。熱值功能塊的計(jì)算式如下：

計(jì)算功能塊的輸出= （TT14115- TT14114）×FT14035×水的比熱。

以進(jìn)料量和急冷水溫度為前饋，調(diào)整急冷水量，通過(guò)控制，穩(wěn)定回流罐液位。在保證液位穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定抽出量，為下游乙烯塔提供穩(wěn)定的進(jìn)料。調(diào)整脫乙烷塔塔底抽出，穩(wěn)定脫乙烷塔液位。在投入先進(jìn)控制系統(tǒng)后，精餾過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)靈敏板溫度的波動(dòng)明顯降低，控制質(zhì)量得到了改善，塔頂產(chǎn)品碳三含量控制＜1%（摩爾百分?jǐn)?shù)）、塔底產(chǎn)品基本不含碳二組分，降低了乙烯單耗，控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，大大減少了人為干預(yù)因素。 根據(jù)目前的運(yùn)行結(jié)果，保守估算節(jié)約急冷水用量達(dá)到1.0% 以上。

4.5 乙烯塔溫度控制

乙烯塔回流量的控制是以采出量為基準(zhǔn)，按一定的比值進(jìn)行控制的。回流量由兩部分組成：乙烯壓縮機(jī)K1650 三段排出的乙烯和來(lái)自E1421過(guò)冷器來(lái)的乙烯。乙烯塔中間再沸器的液位采用超馳控制。比值穩(wěn)定控制和再沸器液位穩(wěn)定控制是主要目的。整個(gè)復(fù)雜回路主要由三部分組成：①乙烯塔回流量的比值控制；②乙烯塔中間再沸器的液位超馳控制；③進(jìn)中間再沸器的乙烯流量控制。無(wú)論從乙烯壓縮機(jī)K1650 三段排出的乙烯流量增加，或是E1421 過(guò)冷器來(lái)的乙烯量增加，都會(huì)造成比值調(diào)節(jié)器的測(cè)量值增加（即比值增加），由于正作用調(diào)節(jié)器，輸出將增加，閥門的開(kāi)度將減小，流進(jìn)乙烯塔的回流量將減小，比值將減小，回到希望控制的比值上。如果乙烯塔采出的流量減小，即是經(jīng)過(guò)流量、溫度補(bǔ)償出來(lái)的值減小，也就是比值調(diào)節(jié)器的測(cè)量值增加（即比值增加），調(diào)節(jié)器輸出增加，閥門的開(kāi)度將減小，流進(jìn)乙烯塔的回流量將減小。比值將減小，回到希望控制的比值上。反之亦然。最終維持比值不變。設(shè)置一個(gè)回流采出流量比值實(shí)時(shí)顯示塊，同時(shí)設(shè)比值報(bào)警，以方便工藝人員監(jiān)測(cè)和操作。由于乙烯塔是精餾塔，需要明確比值是流量比。設(shè)置便于工藝改變比值的操作窗口，同時(shí)限制改變幅度和變化頻率。流量比值調(diào)節(jié)器的比值設(shè)定值范圍應(yīng)與比值測(cè)量計(jì)算值相對(duì)應(yīng)。

乙烯塔塔底抽出物進(jìn)入乙烯塔再沸器與來(lái)自E-1648 乙烯冷劑四段換熱后回流到乙烯塔，通過(guò)對(duì)乙烯冷劑的流量控制，來(lái)調(diào)節(jié)乙烯精餾塔的溫度。如果液位低于400mm，超馳控制FV14044 調(diào)節(jié)閥。通過(guò)控制塔釜乙烯熱源量閥位FIC14044MV值，穩(wěn)定靈敏板溫度。通過(guò)控制塔頂主回流，穩(wěn)定塔頂溫度和質(zhì)量，使塔頂甲烷含量＜200PPm、乙炔含量＜2PPm、乙烷含量＜300PPm。

4.6 碳三加氫系統(tǒng)控制

碳三加氫反應(yīng)器入口物料由三部分組成：①一部分氫氣來(lái)自甲烷化；②第二部分來(lái)自碳三加氫脫砷反應(yīng)器R-1510；③第三部分為反應(yīng)器出口部分回流。第一部分、第三部分的進(jìn)料量是依據(jù)第二部分的量，并按一定的比值進(jìn)行控制的?？刂茪錃饬?，穩(wěn)定氫氣進(jìn)料比和出口MAPD 含量。以進(jìn)料量為前饋，控制抽出量，穩(wěn)定反應(yīng)器分離罐V-1520 液位，為丙烯塔提供穩(wěn)定的進(jìn)料。APC與PID 控制器的最大區(qū)別是，它不再只是單個(gè)變量的控制，而是對(duì)被控對(duì)象的整體進(jìn)行多個(gè)變量的控制。這樣就消除了多個(gè)回路之間的相互影響，使進(jìn)料流量控制更為準(zhǔn)確。APC 調(diào)節(jié)投用后，碳三加氫反應(yīng)器出口MAPD 含量波動(dòng)范圍控制在2.0%以內(nèi)、最大波動(dòng)值≤500ppm，有效保障了給丙烯塔的進(jìn)料質(zhì)量。

碳三加氫系統(tǒng) APC 調(diào)節(jié)投用后出口MAPD 含量趨勢(shì)對(duì)比見(jiàn)圖11。

圖11 碳三加氫系統(tǒng) APC 調(diào)節(jié)投用后出口MAPD 含量趨勢(shì)對(duì)比圖

5 全流程投用APC 系統(tǒng)效果

5.1 提升目標(biāo)產(chǎn)品收率

從裝置報(bào)表中取裝置APC 之前未投用與投用后的兩個(gè)月雙烯烴收率進(jìn)行對(duì)比，如表1 所示，APC 投用后裝置雙烯收率提高了0.61%。

表1 雙烯收率對(duì)比表

5.2 降低能耗

從裝置報(bào)表中取APC 投用前后兩個(gè)月能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示，APC 投用后，裝置能耗降低了2.551%。

表2 能耗對(duì)比表

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上述乙烯裝置先進(jìn)控制APC 系統(tǒng)的投用，可以極大程度地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定裂解爐COT、延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)行周期、增強(qiáng)裝置的抗干擾能力、提高乙烯丙烯雙烯收率、高比率合格產(chǎn)品產(chǎn)出等目標(biāo)，對(duì)節(jié)能降耗、降低產(chǎn)品成本、減少操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度有重要意義。