先進控制系統應用助推乙烯裝置績效提升

陸向東

（中國石化鎮海煉化分公司烯烴部，浙江寧波 315207）

乙烯產業是重要的石化基礎產業，對國民經濟發展起著舉足輕重的作用，乙烯產量的大小是衡量一個國家石油化工發展水平的重要標志之一。傳統管式爐裂解工藝仍然是目前獲得乙烯產品的重要途徑，裝置運行過程中由于裂解原料組分時時發生著變化，僅依靠傳統控制手段無法實現裝置運行效益最大化，采用先進控制技術是助推裝置取得更大效益的重要措施。

1 裝置簡介和控制優化背景

1.1 裝置簡介

某乙烯裝置設計產能100萬t/a，采用傳統的魯姆斯公司順序深冷分離技術，共有12 臺管式裂解爐。裂解原料主要來自上游煉廠裝置，有石腦油、加氫裂化尾油、輕石腦油、液化氣及煉廠富乙烷氣。

1.2 控制優化背景

中國石化一直倡導信息化和工業化的深度融合發展，過程綜合自動化技術是推進“兩化融合”的關鍵，而在線實時優化技術是目前最先進的過程優化控制技術，此項技術可在不修改原工藝流程、不增減現場設備的情況下，僅通過調整部分操作參數，使裝置處于最優運行狀態，以獲得最大的運行效益。

某乙烯裝置于2011 年開始實施先進工藝控制（APC）和實時優化控制（RTO）技術的應用。項目分兩期進行，一期主要是裂解爐先進控制和實時優化技術的應用，主要內容包括裂解爐管出口溫度（COT）、裂解爐深度（SEV）先進控制和裂解爐單元實時優化技術應用。二期主要是裂解氣壓縮和分離單元的先進控制和實時優化技術的應用，主要設備包括冷箱、分離精餾塔、碳二加氫反應器和碳三加氫反應器。整個項目實施完成后，裝置將實現根據原料組分的變化，以及原料、產品和公用工程市場價格的變化，及時調整生產操作參數，實現運行效益的最大化。

2 先進控制系統概述

2.1 先進控制系統架構

系統優化過程中，乙烯裝置運行生產數據由DCS 系統傳遞到實時數據庫，導入到基于在線優化平臺的裝置模型中，由裝置模型實時進行數據整定、儀表誤差診斷和生成優化操作點，優化操作點設定值自動下載后通過先進控制系統（APC）對裝置實行閉環操作。具體構架見圖1。

圖1 優化系統控制架構

2.2 控制器及優化變量

乙烯裝置共設置了29個控制器，112個優化變量。具體分布見表1。

表1 控制器及優化變量

對于裂解爐單元，原則上每臺裂解爐配置一個控制器，但對同一臺裂解爐的不同操作模式，如液體進料、氣體進料和分組進料時分別配置不同的控制器；對于壓縮單元，汽油汽提塔和凝液汽提塔為一個控制器，裂解氣堿洗塔為一個控制器，冷箱及脫甲烷塔為一個控制器；對于分離單元，原則上每個塔系對應一個控制器，碳二和碳三反應器分別配置一個控制器。

3 一期APC 和RTO 控制策略及實施績效

一期主要內容是裂解爐先進控制（APC）和實時優化（RTO）技術應用。

3.1 裂解爐APC 控制策略和實施績效

裂解爐APC 先進控制內容主要包括裂解爐溫度控制和裂解爐深度控制。主要技術指標有：①實現裂解爐爐管平均出口溫度控制在設定值±0.8℃以內；②裂解深度軟測量預測模型輸出丙乙比與在線色譜分析儀輸出的實際裂解深度預測誤差控制在3%以內；③裂解爐裂解深度控制系統投用后，裂解深度的波動范圍小于0.02。

3.1.1 主要控制策略

裂解爐出口溫度（COT）對乙烯裝置的穩定運行十分重要，原設計的控制方案采用熱值反饋控制模式，該控制方式在燃料氣熱值變化較大時，熱值儀的測量滯后會影響COT 控制的穩定性，同時熱值在線分析儀的運行狀態也對系統的投用有直接影響。為此，新設計的COT控制方案新增了“COT—流量控制”，并采用熱值前饋控制方式[1]，裂解爐出口溫度控制策略如圖2所示。

圖2 裂解爐出口溫度控制策略

裂解爐裂解深度的控制策略是采用基于神經網絡預測模型的智能Smith 預估控制方案，如圖3所示。通過分析油品特性、裂解爐負荷、汽烴比、COT等主要參數與裂解深度因子（丙乙比）之間的關系，建立裂解深度預測模型，從而根據裂解爐的運行狀況預測當前的裂解深度，并利用在線分析儀分析結果對裂解深度預測模型的輸出進行校正并作為裂解深度控制器的PV 值。然后通過深度控制器自動設定COT控制器的設定值。

3.1.2 裂解爐先進控制（APC）實施績效

1）裂解爐出口溫度（COT）變化幅度

裂解爐出口溫度（COT）變化幅度見表2。選取一臺裂解爐COT設定值（SP）調整頻繁，并且變化幅度較大的BA104，由變化趨勢可以看出，調整過程中PV 值跟蹤SP 值效果較好，滿足生產需求。具體見圖4。

圖3 裂解爐深度控制策略

表2 裂解爐COT 變化幅度

圖4 BA-104 COT設定值與測量值變化趨勢

2）裂解深度（丙乙比）模擬偏差

通過對模型輸出值和在線分析儀數據的比對，各裂解爐的偏差很小，詳見表3，確認了模型的準確性。

表3 裂解深度模擬與在線測量數據偏差

表4 裂解深度SP 與PV 偏差

3）裂解深度波動范圍

裂解深度SP 與PV 偏差見表4。從表2 ～4 的運行數據可以看出，通過裂解爐COT和裂解深度先進控制的實施，優化了裂解爐操作條件，使系統COT波動幅度由投用前的2～3℃降低到1℃以內，穩定了裂解爐操作，延長了運行周期；同時裂解深度也相對穩定，實現了預期效果。

3.2 裂解爐RTO 控制策略和實施績效

裂解爐在線實時優化主要針對裂解爐實施在線閉環優化，優化目標是經濟效益最大化。主要技術指標有：①噸乙烯產品效益增加15.5 元/噸；②APC整體投用率達90%以上；③優化軟件系統收斂投用率達80%以上。

3.2.1 主要控制策略

利用在線優化模擬軟件，搭建起反映實際運行情況的裝置模型，此模型以物理化學平衡機理為基礎，實現集離線分析、實時優化、數據調理及線上監控等功能為一體的控制技術。模型對裝置生產的操作條件，產品及公用工程的價格體系進行優化配置，在預設的操作約束內以裝置經濟效益最大化為目標函數，實現最終的經濟效益最大化[2]。

3.2.2 裂解爐先進控制（RTO）實施績效

為保證實施績效的準確性，分別選取空白工況和優化工況進行驗證。空白工況是僅維持當前APC投用的狀況，相應的優化模型不投用，優化工況是將優化模型投用，根據優化模型實時進行操作參數調整。為防止外部條件影響驗證效果，特設定如下約束條件：①空白與優化工況下每種原料的進料量偏差小于1 t/h。②原料品質要盡量相同，特別是石腦油和輕石腦油的烷烴含量小于1.5%。③每種工況下原料和產品總量基本相同。④相同的價格體系，產品類型盡可能細化。

1）關鍵工藝參數對比

裂解爐原料投料量對比見表5。

表5 原料投料量對比 t/h

從采用的兩次實際優化的時間來看，裂解爐原料進料量基本一致，符合驗證要求。實際各種產品收率情況對比見表6。

從主要產品的收率和總量來看，兩次時間段的產品收率和總量基本一致，符合驗證要求。原料品質情況對比見表7。

原料品質對驗證結果影響比較明顯，從此次驗證過程中原料品質來看，影響產品質量的主要指標基本一致，符合驗證要求。

2）優化投用后裝置效益增量

表6 產品量對比 t/h

表7 原料品質

裝置運行效益（毛利潤）計算公式為：

效益＝∑（產品產量×產品價格）-∑（原料量×原料價格）-∑（公用工程量×價格）

優化前后效益增量見表8。

經計算，兩次優化效益增量的加權平均值為3 529元/h，折合噸乙烯增量為26.34元。若按照年生產時間365 天計算，則裂解爐優化模型投用后年效益增量可達3 091萬元。

3.2.3 主要DCS 操作界面及功能說明

為實時掌握優化模型的優化結果等運行信息，在DCS操作畫面中增加了相應的操作界面，主要有RTO運行總貌、APC控制器投用畫面、RTO優化變量投用情況及價格體系。

RTO 總貌畫面包含RTO 和APC 投用率、每次優化及月度效益、原料、產品及公用工程的優化目標，見圖5。APC 控制器畫面包含控制器的操作變量MV、優化變量CV、干擾變量FV 投用情況及上下限約束。RTO 優化變量畫面包含控制器投用情況、當日優化次數及裂解原料選擇及優化變量投用信息。價格體系包含進行效益測算所需要的原料、產品及公用工程價格。

表8 效益增量

圖5 RTO總貌畫面

4 二期APC 和RTO 控制策略和實施績效

二期項目主要針對冷箱、分離精餾塔單元、碳二加氫反應器、碳三加氫反應器等系統進行在線閉環優化建設，組建了與優化相匹配的APC系統，并與一期項目相結合，實現了乙烯裝置全流程在線閉環優化運行。

4.1 二期APC 實施策略和績效

4.1.1 APC 實施策略

在滿足裝置約束條件下，APC平穩接收優化系統給出的優化目標，通過APC 模型逐步實現優化目標。為提高模型中關鍵組分測量的實時性，減小在線測量儀表分析滯后對控制系統性能的影響，應用了人工神經網絡和過程數據協調與校正技術，建立了裝置關鍵變量的人工神經網絡軟測量模型，保證了模型的準確性。軟測量模型結構如圖6 所示。APC的主要技術指標是實現關鍵被控變量的標準偏差降低20%以上。

4.1.2 APC 實施績效

從關鍵被控變量的標準偏差（表9）降低數據和具體投用前后的運行效果（圖7、8）來看，通過APC的實施，裝置的穩定性大幅度提高，滿足了技術指標要求。

圖6 軟測量模型結構

表9 APC實施后關鍵被控變量的標準偏差

圖7 APC實施前后DA301頂乙烯濃度變化

圖8 APC實施前后DA301塔底溫度變化

4.2 二期RTO 實施策略和績效

4.2.1 RTO 實施策略

二期RTO 優化的實施策略與一期裂解爐的相同，均是利用在線優化模擬軟件搭建的模型，在預設的操作約束內以裝置經濟效益最大化為目標函數，實現最終的經濟效益最大化。主要技術指標有：①噸乙烯產品收益增加9 元/噸；②模型收斂率達80%以上；③APC整體投用率達90%以上；④碳二和碳三加氫反應器選擇性分別提高5%以上。

4.2.2 RTO 實施績效

為保證實施績效的準確性，空白工況和優化工況的選取要求滿足同一期實時優化的驗證條件。裂解爐原料投料量對比見表10，產品產量對比見表11。

從表10和表11的統計表可以看出，兩種工況下主要裂解原料的品質基本一致，但優化工況下裂解爐進料流量增加了2.32 t/h，需要剔除由于原料增加對效益的影響。

4.2.3 優化工況下裝置效益增量

由于優化工況下裂解原料增加了2.32 t/h，根據價格體系，增加的原料量約合8 498元/h。通過利用在線裂解爐模擬軟件，對原料增加而引起的相應產物增加進行測算，增加的產品量見表12。

表10 裂解爐原料投料量對比

表11 產品量對比 t/h

表12 投料增加對產品的影響 t/h

根據產品價格體系，產品增加約13 120 元/h，因此計算出裂解原料增加對裝置經濟效益的增加值為4 622元/h。

二期經濟效益測算繼續沿用一期的計算方式，經測算，二期優化控制投用前裝置毛利為820 561元/h，投用后裝置毛利為826 676元/h，扣除由于原料增加對裝置經濟效益的增加值為4 622元/h，實際效益增加值為1 493元/h，則二期優化投用后年效益增加值為1 308萬元，折合11.14元/噸乙烯。

同時，二期優化控制措施投用后，碳二加氫反應器平均選擇性由未投用前52.7%提高到了59.5%，碳三加氫反應器由85%提高至92%，均超過了指標要求的5%，優化效益顯著。同時，關鍵被控變量的標準方差均降低20%以上。

5 結論

裝置通過應用先進控制技術，在不改變工藝流程和增加設備投資的情況下，穩定了裂解爐出口溫度，大幅降低了關鍵被控變量的標準方差，提高了裝置的穩定性和自動化程度，同時僅僅通過改變部分操作參數，即可實現年增效近5 000萬元。因此，先進控制技術的應用不僅僅是運用科學技術手段提升化工裝置控制水平，也是實現降低職工崗位勞動強度，增強裝置運行績效水平，提高裝置整體競爭力的有效措施。