乙烯裂解爐先進控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用.doc

乙烯裂解爐先進控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用第62卷第8期2011年8月化工ciescjournalv01.62no.8august2011乙烯裂解爐先進控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用李平,李奇安,雷榮孝,(遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,遼寧撫順113001;陳愛軍.,任麗麗,曹巍.中國石油蘭州石化分公司自動化研究院,甘肅蘭州730060)摘要:以中國石油蘭州石化公司46萬噸/年乙烯裝置裂解爐為對象,設(shè)計并實施了5臺sc一1型乙烯裂解爐先進控制系統(tǒng),包括平均cot溫度控制,管間溫度平衡控制,總進料流量控制.詳細描述了該系統(tǒng)的工程實施,介紹了先進控制系統(tǒng)硬軟件結(jié)構(gòu),先進控制與常規(guī)控制的切換邏輯,先進控制dcs操作界面.本系統(tǒng)的投用極大地提高了裂解爐控制的平穩(wěn)性和控制精度,帶來了顯著的經(jīng)濟效益.關(guān)鍵詞:乙烯裂解爐;先進控制;溫度控制;乙烯裝置doi:10.3969/j.issn.04381157.2011.08.022中圖分類號:tp273文獻標(biāo)志碼:a文章編號:04381157(20i1)082216一o5developmentandapplicationofadvancedprocesscontrolsystemforethylenecrackingheatersliping.liqian.leirongxiao,chenaijun,renlili,caowei(schoolofinformationandcontrolengineering,liaoningshihuauniversity,fushun113001,liaoning,china;instituteofautomation,petrochinalanzhoupetrochemicalcompany,lanzhou730060,gansu,china)abstract:theadvancedprocesscontrolsystemsforthesc一1typeethylenecrackingheatersatlanzhoupetrochemicalcompany460ktaethyleneplantweredesigned,includingtheaveragecoiloutlettemperaturecontrollers,thepassoutlettemperaturebalancecontrollers,thetotalthroughoutcontrollers.thesoftwareandhardwarestructureofthecontrolsystems,theswitchinglogicbetweenadvancedcontrolanddcsregularcontrol.thedcsoperationinterfaceforadvancedcontro1wereintroduced.thecontrolsteadinessandcontrolaccuracyforcrackingheatersaregreatlyimprovedbyusingtheadvancedprocesscontrolsystems,andremarkableeconomicbenefitisobtained.keywords:ethylenecrackingheaters;advancedprocesscontrol;temperaturecontrol;ethyleneplant士丘乙烯裝置是石化工業(yè)中能耗最大的裝置之一.裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備,也是乙烯裝置的能耗大戶,其能耗占裝置總能耗的506o.降低裂解爐的能耗是降低乙烯生產(chǎn)成本的重要途徑之一.隨著節(jié)能降耗任務(wù)的日趨緊迫,相關(guān)企業(yè)近20110501收到初稿,20100511收到修改稿.聯(lián)系人及第一作者:李平(1964一),男,博士,教授.基金項目:遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃(2008rc32)遼寧省高校創(chuàng)新團隊支持計劃(2oo7tlo3).年來積極開展裂解爐節(jié)能降耗的攻關(guān),采取一系列措施,收到可喜的效果_2j.其中,采用先進控制技術(shù),優(yōu)化裂解爐操作,能夠提高乙烯,丙烯收率,使乙烯裝置生產(chǎn)能耗明顯下降.因此,充分利用dcs與計算機技術(shù)的優(yōu)勢,運用現(xiàn)代控制技術(shù),有針對性地開發(fā)apc先進控制和優(yōu)化系統(tǒng),對于充分發(fā)揮現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的運行潛力,有效實現(xiàn)receiveddate12o110501.correspondingauthor:prof.liping,foundationitem:supportedbytheprogramforliaoningexcellenttalentsinuniversity(2008rc32)andtheprogramforcreativeteaminuniversityofliaoningprovince(2007t103).第8期李平等:乙烯裂解爐先進控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用?2217?增產(chǎn),節(jié)能,降耗的目標(biāo)具有十分重要的意義,也是實現(xiàn)內(nèi)涵發(fā)展的必由之路.蘭州石化46萬噸/年乙烯裝置裂解爐采用kbr和exxonmobil共同開發(fā)的sc一1型管式裂解爐.裂解爐區(qū)包括5臺scoresc-1型裂解爐,每臺裂解爐的乙烯設(shè)計能力為16.25t?h,5臺sc一1裂解爐中有3臺(ioib,102b,103b)的設(shè)計結(jié)構(gòu)適用于裂解混合石腦油和/或加氫尾油,為液相裂解爐.其他的兩臺裂解爐(104b,105b)用來裂解混合石腦油,lpg和(或)乙烷/丙烷,是氣液相混合裂解爐.每臺裂解爐有8組進料,這些物料由流量控制,每組有28根輻射管,共有224根輻射管.sc-1裂解爐型全部采用底部火嘴,給爐管出口溫度平衡控制帶來一定的困難.該乙烯裝置裂解爐原設(shè)計的平均爐出口溫度(cot)串級pid回路不能正常投運為自動模式,造成cot的波動較大.此外,也未采用多爐管的支路平衡控制.裂解爐操作人員主要憑經(jīng)驗來頻繁調(diào)整,以保證裂解爐的平穩(wěn)運行.這樣,操作人員的勞動強度很大,也很難保證操作的一致性.因此,迫切需要設(shè)計裂解爐先進控制系統(tǒng).乙烯裝置裂解爐先進控制要求一般包括:在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,穩(wěn)定裂解爐的cot溫度和總進料流量,同時實現(xiàn)各組爐管間溫度的均衡控制,實現(xiàn)提高雙烯收率,降低能耗的目的.1乙烯裂解爐先進控制1.1裂解爐平均cot溫度控制器裂解爐爐管平均c0t溫度是裂解爐最關(guān)鍵的被控變量.它經(jīng)常受到干燥器切換,燃料變化和原料組分變化等干擾的影響,且有些因素是隨機的,不可控的.設(shè)計爐管平均cot溫度先進控制器,以增強控制回路的抗擾動能力,縮短其對設(shè)定值變化的動態(tài)響應(yīng)過程,并提高控制精度.對烴進料流量(也反映了ds流量),爐膛溫度等可測的干擾變量采用前饋調(diào)節(jié),以消除或減弱其對cot的影響.采用兩重串級控制結(jié)構(gòu),即燃料壓力控制(pic)與平均cot溫度控制(tic)兩重串級.圖1是裂解爐管平均cot溫度先進控制示意圖,其中pic是常規(guī)pi調(diào)節(jié),tic采用先進控制算法.平均cot溫度t的計算公式為8ftt一立(1)f圖1裂解爐爐管平均cot溫度控制結(jié)構(gòu)fig.1controlstructureofcrackingheateraveragecottemperature式中f為第i支路流量;t為第i支路出口溫度,i一1,2,7,8.1.28組進料爐管出口溫度平衡控制裂解爐分8組進料,各組均有流量調(diào)節(jié)器.生產(chǎn)要求各組進料的出口溫度之間的差值不得超過某個上限值,即要求幾路進料的出口溫度保持平衡,以使各組爐管進料在裂解爐中的受熱一致,爐膛溫度對各組爐管的影響相同.這樣可以達到裂解后的各組爐管出口裂解氣要求的裂解深度,并使各組爐管結(jié)焦程度相同,延長爐管使用壽命和清焦周期.然而裂解爐盡管內(nèi)部各組進料爐管和燃料燒嘴是按幾何對稱布置的,但往往因各個燒嘴燃料以及送風(fēng)量等不均衡,而出現(xiàn)偏火,進而致使各組進料在爐內(nèi)吸收熱量不均衡,最終導(dǎo)致各組進料的出口溫度不平衡.各組進料爐管出口溫度通?？坎僮鞴じ淖兏鹘M進料流量來調(diào)整,但生產(chǎn)要求總進料流量保持常值,當(dāng)改變某組進料流量的同時,必須要調(diào)整其他各組的進料流量以保證總進料流量不變,而調(diào)整其他組流量,勢必又將使其他各組的出口溫度發(fā)生變化,因此人工調(diào)節(jié)十分困難.裂解爐的8組進料爐管出口溫度平衡的先進控制方案是將各組出口溫度作為被控變量,各組進料流量調(diào)節(jié)器設(shè)定值作為操縱變量,使被調(diào)對象構(gòu)成了一個八輸入八輸出的系統(tǒng).支路出口溫度平衡控制的數(shù)學(xué)描述為l_9一i_tj(2)f一o(3)fff(4)ffaf,(5)式中f!為第i支路流量調(diào)節(jié)量,下角標(biāo)min和max分別表示約束的低限和高限.圖2是裂解爐進?2218?化工第62卷圖2裂解爐進料爐管出口溫度平衡控制及總進料流量提/降量控制方案示意圖fig.2schematicdiagramofpassoutlettemperaturebalancecontrolandtotalthroughoutcontrolforcrackingheater料爐管出口溫度平衡控制及總進料流量提/降量控制方案示意圖.1.3總進料流量提/降量控制裂解爐進料流量提/降量控制系統(tǒng)的設(shè)計原則是在原料加工量需改變時,控制系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)前操作狀況合理地分配裂解爐各組的流量,以盡量減少流量變化對裂解爐出口溫度的影響.為此,提/降量控制系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)實現(xiàn)規(guī)定的提/降量,并與各組cot溫度平衡控制系統(tǒng)一起協(xié)調(diào)工作(圖2),以將進料量變化引起的不良影響降至最小.這樣平穩(wěn)地實現(xiàn)提/降量控制,既保證了裂解爐的平穩(wěn)操作,又改變了生產(chǎn)負荷.以上控制方案用于單進料操作.在單進料操作中,通過調(diào)節(jié)裂解爐的燃燒來控制平均爐管出口溫度.通過調(diào)節(jié)到爐管的烴流量來控制爐管出口溫度平衡和裂解爐流通量.在分區(qū)進料狀態(tài),對主要原料用與單進料狀態(tài)相同的控制方案.對次要原料,通過調(diào)節(jié)爐管烴流量來控制爐管出口溫度.對次要進料爐管,由于沒有多余的可調(diào)變量,故其流通量不能控制.最大質(zhì)量流量的進料定義為主要原料.該進料決定裂解爐的燃燒和總流通量.2乙烯裂解爐先進控制的工程實施2.1先進控制系統(tǒng)硬軟件結(jié)構(gòu)乙烯裂解爐原有常規(guī)控制建立在emerson公司deltav系統(tǒng)上,為滿足先進控制技術(shù)的應(yīng)用,配置一臺pc機作為先控上位機,為乙烯裝置裂解爐先進控制系統(tǒng)提供計算運行環(huán)境.該上位機與安裝有opcserver的dcs操作站相連.由于該操作站與dcs控制站通過內(nèi)部協(xié)議建立了數(shù)據(jù)傳送的物理鏈接,這樣先進控制系統(tǒng)也就與dcs控制站通過opc標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳送的物理鏈接.本項目采用浙江中控軟件公司開發(fā)的espisys-a先進控制平臺軟件作為乙烯裂解爐先進控制的二次開發(fā)平臺.espisysa提供了vb軟件編程環(huán)境,支持實現(xiàn)多種復(fù)雜控制和先進控制策略.2.2先進控制與常規(guī)控制的切換邏輯設(shè)計apc控制器運行在pc上位機上,其輸出的操作變量為dcs上調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值.常規(guī)控制時原來設(shè)定值是由操作人員手工設(shè)定,而apc控制器的輸出作為基本回路的設(shè)定值之前須使當(dāng)前調(diào)節(jié)回路處在先控運行狀態(tài)下,于是存在一個先控運行模式和常規(guī)運行模式之間的切換問題.實施兩種模式之間的無擾動切換是十分必要的.首先,可以消除操作人員投運先控的顧慮.其次,可以在萬一硬軟件平臺出現(xiàn)故障,比如上位機和dcs出現(xiàn)通訊故障時,從先控狀態(tài)自動地切換到常規(guī)的控制模式,對生產(chǎn)和操作的安全不發(fā)生任何的影響_1.根據(jù)生產(chǎn)裝置apc系統(tǒng)的安全要求,在dcs中建點并實現(xiàn)如下的安全切換程序.(1)先進控制系統(tǒng)的通訊監(jiān)控(包括在apc上位機和dcs上的保護程序共同組成.該程序主要功能為,當(dāng)apc上位機一定時間不響應(yīng)時,視作通訊連接出現(xiàn)問題,切除所有先進控制,并切換到常規(guī)控制).(2)檢查回路當(dāng)前狀況,判斷是否具備投運條件.(3)先進控制與常規(guī)控制的無擾動切換.(4)先進控制系統(tǒng)的賦值保護(切換程序?qū)崿F(xiàn)了設(shè)定值偏差保護程序,確保非正常的先控設(shè)定值不會賦值到真正回路的設(shè)定值上,從而保證安全).(5)先進控制系統(tǒng)的異常波動處理(對關(guān)鍵的第8期李平等:乙烯裂解爐先進控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用?2219?受控變量和操作變量的波動的監(jiān)控程序,監(jiān)視并自動處理非正常的工況).裂解爐先進控制系統(tǒng)的切換程序在dcs中實現(xiàn).切換邏輯保證了先控系統(tǒng)對生產(chǎn)裝置的安全,同時最大限度地滿足了操作人員的操作習(xí)慣.平均c0t溫度apc系統(tǒng)投運邏輯如圖3所示.其中,c0mstatus是通訊狀態(tài)標(biāo)示位,通訊正常時為1,否則為0;eapcaac是先控上位機主動切出平均cot先控的標(biāo)示位,先控投圖3平均cot溫度apc系統(tǒng)投運邏輯框圖fig.3apccommissioninglogicdiagramforaveragec0ttemperature運時置為1,如果上位機主動切出平均cot置為0;aacsw是平均cot先控是否投運的標(biāo)示位,先控狀態(tài)下aacsw一1,否則為0.圖中,pid是指燃料氣壓力pid控制器,apcpic代表燃料氣壓力先控緩沖值.支路平衡apc系統(tǒng)投運邏輯與平均cot溫度apc系統(tǒng)投運邏輯大致相同,在此省略.2.3先進控制dcs操作界面根據(jù)apc系統(tǒng)的設(shè)計要求,在dcs中實現(xiàn)先進控制操作界面,界面中包含各種需操作和觀察的信息.dcs上的apc操作畫面主要以表格形式集中給出先進控制系統(tǒng)的相關(guān)信息,便于操作人員查閱與操作,經(jīng)過簡單培訓(xùn),操作人員能熟練地通過以上操作界面調(diào)整先進控制系統(tǒng)各種操作參數(shù),以適應(yīng)乙烯裂解爐運行狀況的改變.界面上對于參數(shù)的數(shù)據(jù)錄入有嚴格防范措施,對于不需要輸入的數(shù)據(jù),只顯示,不能選擇輸入,對于那些要操作人員調(diào)整更改的數(shù)值,也有嚴格的規(guī)定,只容許在相應(yīng)權(quán)限范圍內(nèi)進行輸入.通過上一節(jié)的安全策略方案,apc與dcs之間可以任意進行部分或整體的無擾動切換,可以是切換邏輯根據(jù)裝置運行狀況或聯(lián)鎖系統(tǒng)動作而自動無擾切換,也可以是操作人員等依據(jù)相應(yīng)權(quán)限在dcs界面上進行手動切換.3應(yīng)用效果整個5臺爐先進控制系統(tǒng)于2010年1o月正式投入運行.經(jīng)生產(chǎn)裝置連續(xù)運行考驗,控制系統(tǒng)反映出良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能,改善了爐的運行狀態(tài),提高了控制品質(zhì),大幅度降低了操作人員的勞動強度.在此以1裂解爐為例,對先進控制系統(tǒng)投用前后的控制效果進行對比.圖4(a)是i爐未投用先控系統(tǒng)的控制效果,選2009年7月1日1o點7月19日10點的各通道cot數(shù)據(jù),采樣頻率1次/d,時.圖4(b)是1爐投用先控系統(tǒng)的控制效果,選2010年12月7日2點12月25日2點的各通道cot數(shù)據(jù),采樣頻率1次/d,時.從圖4中可以看出相對dcs人工控制,先控系統(tǒng)對cot的控制非常有效,表現(xiàn)為各通道cot曲線積聚在一起,各通道之間的cot偏差很小,各通道的cot控制指標(biāo)已實現(xiàn)卡邊操作.圖?2220?化工第62卷l(b)apcon圖4先進控制系統(tǒng)投用前后效果對比fig.4effectcomparisonbeforeandafterapcsystemcommissioning中cot出現(xiàn)大幅波動是由于裂解爐切換,提降量或工藝出現(xiàn)大波動造成的.值得一提的是本控制系統(tǒng)沒有使用燃料氣熱值在線分析儀表,也無需建立燃料氣熱值軟測量系統(tǒng).而目前國內(nèi)外其他裂解爐先進控制系統(tǒng)為保證控制精度,cot溫度控制都是建立在燃料氣熱值測量系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的1.這將增大項目設(shè)備投入與設(shè)備運行維護成本.由于采用了先進控制,爐出口溫度對目標(biāo)值變化的響應(yīng)快速,只需幾分鐘.正常情況下,平均cot溫度波動幅度由投用前的5左右下降到1,大干擾來時,由原來的10下降到3以內(nèi).管問溫差由原來的6左右下降到2c以內(nèi).溫度的波動小了,超高溫現(xiàn)象減少,最大設(shè)定出口溫度可以提高35c,實現(xiàn)了卡邊控制.經(jīng)乙烯車問初步核算,裂解爐先進控制系統(tǒng)投運后,每噸乙烯能耗下降5.6kg標(biāo)油.每千克標(biāo)油折合4元人民幣,每年470kt乙烯產(chǎn)量,則僅能耗下降一項經(jīng)濟效益為每年1052.8萬元.4結(jié)論本文開發(fā)了裂解爐管平均cot溫度先進控制系統(tǒng),裂解爐各組爐管出口溫度平衡控制系統(tǒng),總進料及總進料流量提/降量控制系統(tǒng),并結(jié)合dcs的特點,設(shè)計了可靠的安全運行機制,確保系統(tǒng)的安全,平穩(wěn)運行.該系統(tǒng)已分別在5臺裂解爐上實施應(yīng)用,通過卡邊操作,提高了目標(biāo)產(chǎn)品的收率和裝置的處理能力,降低了燃料消耗,延長了裂解爐運行周期,減輕了操作人員勞動強度,取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益.因此,本文的研究成果是乙烯生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)平穩(wěn)操作,安全生產(chǎn),提高產(chǎn)品質(zhì)量,收率和節(jié)能減排的有力武器,可在各類乙烯裂解爐,煉油加熱爐上推廣應(yīng)用.referenceseliwangsonghan(王松漢),hexioh(何細藕).ethyleneplantoperationandtechnology(乙烯裝置操作和技術(shù))em.beijing:chinapetrochenficalpress,2009:297452wangdaniu(王丹菊),yangwenwu(楊文武).themeasureofconsumptionreducingandenergysavingaboutfuelgassystemofpyrolyzerinmaomingethylenej.guangdongchemicalindustry(廣東化工),2009,36(5):195196zhanglijun(張利軍).applicationofenergyconservationandemissionreductiontechniquesinethyleneplantsj.sinoglobalenergy(中外能源),2009,14(6):9094xiaoxuejun(肖雪軍),hexiou(何細藕).thetechnologyofenergysavinginethylenecrackingfurnacej.petrochemicaltechnology(石油化工),2003,32(3):254-257zangliangyun(臧亮運).newtypetemperaturecontrolofethylenecrackingheatersi-j.shandongscience(山東科學(xué)),2004,17(1):7072yushui(于水),mafengbin(馬鳳斌),libin(李彬).optimizationofcrackingfurnaceoperationtolowerenergyconsumptionofethyleneplantj.eth