乙烯裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.doc

乙烯裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)開(kāi)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(jìn)控制系統(tǒng)開(kāi)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(ài)軍.,任麗麗,曹巍.中國(guó)石油蘭州石化分公司自動(dòng)化研究院,甘肅蘭州730060)摘要:以中國(guó)石油蘭州石化公司46萬(wàn)噸/年乙烯裝置裂解爐為對(duì)象,設(shè)計(jì)并實(shí)施了5臺(tái)sc一1型乙烯裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng),包括平均cot溫度控制,管間溫度平衡控制,總進(jìn)料流量控制.詳細(xì)描述了該系統(tǒng)的工程實(shí)施,介紹了先進(jìn)控制系統(tǒng)硬軟件結(jié)構(gòu),先進(jìn)控制與常規(guī)控制的切換邏輯,先進(jìn)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(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益.關(guān)鍵詞:乙烯裂解爐;先進(jìn)控制;溫度控制;乙烯裝置doi:10.3969/j.issn.04381157.2011.08.022中圖分類號(hào):tp273文獻(xiàn)標(biāo)志碼:a文章編號(hào):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(xiàng)目:遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(2008rc32)遼寧省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(2oo7tlo3).年來(lái)積極開(kāi)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(jìn)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(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù),有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)apc先進(jìn)控制和優(yōu)化系統(tǒng),對(duì)于充分發(fā)揮現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的運(yùn)行潛力,有效實(shí)現(xiàn)receiveddate12o110501.correspondingauthor:prof.liping,foundationitem:supportedbytheprogramforliaoningexcellenttalentsinuniversity(2008rc32)andtheprogramforcreativeteaminuniversityofliaoningprovince(2007t103).第8期李平等:乙烯裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)開(kāi)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(shí)現(xiàn)內(nèi)涵發(fā)展的必由之路.蘭州石化46萬(wàn)噸/年乙烯裝置裂解爐采用kbr和exxonmobil共同開(kāi)發(fā)的sc一1型管式裂解爐.裂解爐區(qū)包括5臺(tái)scoresc-1型裂解爐,每臺(tái)裂解爐的乙烯設(shè)計(jì)能力為16.25t?h,5臺(tái)sc一1裂解爐中有3臺(tái)(ioib,102b,103b)的設(shè)計(jì)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(tái)裂解爐(104b,105b)用來(lái)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(tái)裂解爐有8組進(jìn)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(lái)一定的困難.該乙烯裝置裂解爐原設(shè)計(jì)的平均爐出口溫度(cot)串級(jí)pid回路不能正常投運(yùn)為自動(dòng)模式,造成cot的波動(dòng)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(yàn)來(lái)頻繁調(diào)整,以保證裂解爐的平穩(wěn)運(yùn)行.這樣,操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度很大,也很難保證操作的一致性.因此,迫切需要設(shè)計(jì)裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng).乙烯裝置裂解爐先進(jìn)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(jìn)料流量,同時(shí)實(shí)現(xiàn)各組爐管間溫度的均衡控制,實(shí)現(xiàn)提高雙烯收率,降低能耗的目的.1乙烯裂解爐先進(jìn)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(jī)的,不可控的.設(shè)計(jì)爐管平均cot溫度先進(jìn)控制器,以增強(qiáng)控制回路的抗擾動(dòng)能力,縮短其對(duì)設(shè)定值變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程,并提高控制精度.對(duì)烴進(jìn)料流量(也反映了ds流量),爐膛溫度等可測(cè)的干擾變量采用前饋調(diào)節(jié),以消除或減弱其對(duì)cot的影響.采用兩重串級(jí)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(jí).圖1是裂解爐管平均cot溫度先進(jìn)控制示意圖,其中pic是常規(guī)pi調(diào)節(jié),tic采用先進(jìn)控制算法.平均cot溫度t的計(jì)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(jìn)料爐管出口溫度平衡控制裂解爐分8組進(jìn)料,各組均有流量調(diào)節(jié)器.生產(chǎn)要求各組進(jìn)料的出口溫度之間的差值不得超過(guò)某個(gè)上限值,即要求幾路進(jìn)料的出口溫度保持平衡,以使各組爐管進(jìn)料在裂解爐中的受熱一致,爐膛溫度對(duì)各組爐管的影響相同.這樣可以達(dá)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(zhǎng)爐管使用壽命和清焦周期.然而裂解爐盡管內(nèi)部各組進(jìn)料爐管和燃料燒嘴是按幾何對(duì)稱布置的,但往往因各個(gè)燒嘴燃料以及送風(fēng)量等不均衡,而出現(xiàn)偏火,進(jìn)而致使各組進(jìn)料在爐內(nèi)吸收熱量不均衡,最終導(dǎo)致各組進(jìn)料的出口溫度不平衡.各組進(jìn)料爐管出口溫度通常靠操作工改變各組進(jìn)料流量來(lái)調(diào)整,但生產(chǎn)要求總進(jìn)料流量保持常值,當(dāng)改變某組進(jìn)料流量的同時(shí),必須要調(diào)整其他各組的進(jìn)料流量以保證總進(jìn)料流量不變,而調(diào)整其他組流量,勢(shì)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(jìn)料爐管出口溫度平衡的先進(jìn)控制方案是將各組出口溫度作為被控變量,各組進(jìn)料流量調(diào)節(jié)器設(shè)定值作為操縱變量,使被調(diào)對(duì)象構(gòu)成了一個(gè)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(jìn)?2218?化工第62卷圖2裂解爐進(jìn)料爐管出口溫度平衡控制及總進(jìn)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(jìn)料流量提/降量控制方案示意圖.1.3總進(jìn)料流量提/降量控制裂解爐進(jìn)料流量提/降量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是在原料加工量需改變時(shí),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(duì)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(shí)間內(nèi)實(shí)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(jìn)料量變化引起的不良影響降至最小.這樣平穩(wěn)地實(shí)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(fù)荷.以上控制方案用于單進(jìn)料操作.在單進(jìn)料操作中,通過(guò)調(diào)節(jié)裂解爐的燃燒來(lái)控制平均爐管出口溫度.通過(guò)調(diào)節(jié)到爐管的烴流量來(lái)控制爐管出口溫度平衡和裂解爐流通量.在分區(qū)進(jìn)料狀態(tài),對(duì)主要原料用與單進(jìn)料狀態(tài)相同的控制方案.對(duì)次要原料,通過(guò)調(diào)節(jié)爐管烴流量來(lái)控制爐管出口溫度.對(duì)次要進(jìn)料爐管,由于沒(méi)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(jìn)料定義為主要原料.該進(jìn)料決定裂解爐的燃燒和總流通量.2乙烯裂解爐先進(jìn)控制的工程實(shí)施2.1先進(jìn)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(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用,配置一臺(tái)pc機(jī)作為先控上位機(jī),為乙烯裝置裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)提供計(jì)算運(yùn)行環(huán)境.該上位機(jī)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(guò)內(nèi)部協(xié)議建立了數(shù)據(jù)傳送的物理鏈接,這樣先進(jìn)控制系統(tǒng)也就與dcs控制站通過(guò)opc標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳送的物理鏈接.本項(xiàng)目采用浙江中控軟件公司開(kāi)發(fā)的espisys-a先進(jìn)控制平臺(tái)軟件作為乙烯裂解爐先進(jìn)控制的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái).espisysa提供了vb軟件編程環(huán)境,支持實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜控制和先進(jìn)控制策略.2.2先進(jìn)控制與常規(guī)控制的切換邏輯設(shè)計(jì)apc控制器運(yùn)行在pc上位機(jī)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(shí)原來(lái)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(yùn)行狀態(tài)下,于是存在一個(gè)先控運(yùn)行模式和常規(guī)運(yùn)行模式之間的切換問(wèn)題.實(shí)施兩種模式之間的無(wú)擾動(dòng)切換是十分必要的.首先,可以消除操作人員投運(yùn)先控的顧慮.其次,可以在萬(wàn)一硬軟件平臺(tái)出現(xiàn)故障,比如上位機(jī)和dcs出現(xiàn)通訊故障時(shí),從先控狀態(tài)自動(dòng)地切換到常規(guī)的控制模式,對(duì)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(diǎn)并實(shí)現(xiàn)如下的安全切換程序.(1)先進(jìn)控制系統(tǒng)的通訊監(jiān)控(包括在apc上位機(jī)和dcs上的保護(hù)程序共同組成.該程序主要功能為,當(dāng)apc上位機(jī)一定時(shí)間不響應(yīng)時(shí),視作通訊連接出現(xiàn)問(wèn)題,切除所有先進(jìn)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(yùn)條件.(3)先進(jìn)控制與常規(guī)控制的無(wú)擾動(dòng)切換.(4)先進(jìn)控制系統(tǒng)的賦值保護(hù)(切換程序?qū)崿F(xiàn)了設(shè)定值偏差保護(hù)程序,確保非正常的先控設(shè)定值不會(huì)賦值到真正回路的設(shè)定值上,從而保證安全).(5)先進(jìn)控制系統(tǒng)的異常波動(dòng)處理(對(duì)關(guān)鍵的第8期李平等:乙烯裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用?2219?受控變量和操作變量的波動(dòng)的監(jiān)控程序,監(jiān)視并自動(dòng)處理非正常的工況).裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)的切換程序在dcs中實(shí)現(xiàn).切換邏輯保證了先控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)裝置的安全,同時(shí)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(yùn)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(shí)為1,否則為0;eapcaac是先控上位機(jī)主動(dòng)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(yùn)邏輯框圖fig.3apccommissioninglogicdiagramforaveragec0ttemperature運(yùn)時(shí)置為1,如果上位機(jī)主動(dòng)切出平均cot置為0;aacsw是平均cot先控是否投運(yùn)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(yùn)邏輯與平均cot溫度apc系統(tǒng)投運(yùn)邏輯大致相同,在此省略.2.3先進(jìn)控制dcs操作界面根據(jù)apc系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,在dcs中實(shí)現(xiàn)先進(jìn)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(huà)面主要以表格形式集中給出先進(jìn)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(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn),操作人員能熟練地通過(guò)以上操作界面調(diào)整先進(jìn)控制系統(tǒng)各種操作參數(shù),以適應(yīng)乙烯裂解爐運(yùn)行狀況的改變.界面上對(duì)于參數(shù)的數(shù)據(jù)錄入有嚴(yán)格防范措施,對(duì)于不需要輸入的數(shù)據(jù),只顯示,不能選擇輸入,對(duì)于那些要操作人員調(diào)整更改的數(shù)值,也有嚴(yán)格的規(guī)定,只容許在相應(yīng)權(quán)限范圍內(nèi)進(jìn)行輸入.通過(guò)上一節(jié)的安全策略方案,apc與dcs之間可以任意進(jìn)行部分或整體的無(wú)擾動(dòng)切換,可以是切換邏輯根據(jù)裝置運(yùn)行狀況或聯(lián)鎖系統(tǒng)動(dòng)作而自動(dòng)無(wú)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(jìn)行手動(dòng)切換.3應(yīng)用效果整個(gè)5臺(tái)爐先進(jìn)控制系統(tǒng)于2010年1o月正式投入運(yùn)行.經(jīng)生產(chǎn)裝置連續(xù)運(yùn)行考驗(yàn),控制系統(tǒng)反映出良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能,改善了爐的運(yùn)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(dòng)強(qiáng)度.在此以1裂解爐為例,對(duì)先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前后的控制效果進(jìn)行對(duì)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(diǎn)7月19日10點(diǎn)的各通道cot數(shù)據(jù),采樣頻率1次/d,時(shí).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(diǎn)12月25日2點(diǎn)的各通道cot數(shù)據(jù),采樣頻率1次/d,時(shí).從圖4中可以看出相對(duì)dcs人工控制,先控系統(tǒng)對(duì)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(shí)現(xiàn)卡邊操作.圖?2220?化工第62卷l(b)apcon圖4先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前后效果對(duì)比f(wàn)ig.4effectcomparisonbeforeandafterapcsystemcommissioning中cot出現(xiàn)大幅波動(dòng)是由于裂解爐切換,提降量或工藝出現(xiàn)大波動(dòng)造成的.值得一提的是本控制系統(tǒng)沒(méi)有使用燃料氣熱值在線分析儀表,也無(wú)需建立燃料氣熱值軟測(cè)量系統(tǒng).而目前國(guó)內(nèi)外其他裂解爐先進(jìn)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(cè)量系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的1.這將增大項(xiàng)目設(shè)備投入與設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本.由于采用了先進(jìn)控制,爐出口溫度對(duì)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(dòng)幅度由投用前的5左右下降到1,大干擾來(lái)時(shí),由原來(lái)的10下降到3以內(nèi).管問(wèn)溫差由原來(lái)的6左右下降到2c以內(nèi).溫度的波動(dòng)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(shí)現(xiàn)了卡邊控制.經(jīng)乙烯車(chē)問(wèn)初步核算,裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)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(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益為每年1052.8萬(wàn)元.4結(jié)論本文開(kāi)發(fā)了裂解爐管平均cot溫度先進(jìn)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(jìn)料及總進(jìn)料流量提/降量控制系統(tǒng),并結(jié)合dcs的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了可靠的安全運(yùn)行機(jī)制,確保系統(tǒng)的安全,平穩(wěn)運(yùn)行.該系統(tǒng)已分別在5臺(tái)裂解爐上實(shí)施應(yīng)用,通過(guò)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(zhǎng)了裂解爐運(yùn)行周期,減輕了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.因此,本文的研究成果是乙烯生產(chǎn)企業(yè)實(shí)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(xì)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(xì)藕).thetechnologyofenergysavinginethylenecrackingfurnacej.petrochemicaltechnology(石油化工),2003,32(3):254-257zangliangyun(臧亮運(yùn)).newtypetemperaturecontrolofethylenecrackingheatersi-j.shandongscience(山東科學(xué)),2004,17(1):7072yushui(于水),mafengbin(馬鳳斌),libin(李彬).optimizationofcrackingfurnaceoperationtolowerenergyconsumptionofethyleneplantj.eth