APC 系統(tǒng)在乙烯裝置上的應用

彭志翔 郝 昭 中國石油四川石化有限責任公司 成都 611930

乙烯裝置是整個石化行業(yè)的龍頭，如何運用先進控制技術來改造傳統(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。要實現(xiàn)乙烯裝置的先進控制，需將乙烯裝置作為一個整體研究對象，通過現(xiàn)場測試，收集測試數(shù)據(jù)及裝置運行歷史數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)量化描述各變量之間的相互關系，在此基礎上辨識出數(shù)學模型，建立相應預測控制所需的內(nèi)部模型，利用該模型預測裝置的變化，并根據(jù)實際工藝特點和要求選取合理的參考軌跡、操作變量約束、被控變量約束、控制結構集成先進的控制器。提前調節(jié)多個相關的操作變量，提高裝置運行的平穩(wěn)性，可取得良好的控制效果，提高裝置的經(jīng)濟效益。

1 裝置簡介及APC 系統(tǒng)實施背景

1.1 裝置簡介

某石化公司80 萬噸/年乙烯裝置的8 臺裂解爐采用7 臺USC-176U 型超選擇性裂解爐和1 臺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焦，約50%的碳三及以上重組分不進入裂解氣壓縮機五段，節(jié)省裂解氣壓縮機功率。高壓脫丙烷塔與裂解氣壓縮機五段組成開式熱泵，節(jié)省能耗。乙烯精餾塔與乙烯壓縮機組成開式熱泵；乙烯塔采用低壓精餾。

1.2 APC 系統(tǒng)實施背景

該乙烯裝置是某公司APC 項目第二批實施裝置之一，共設計了13 個控制器，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 在實施后，保證了裝置的運行平穩(wěn)，減小波動，減輕了操作工的勞動強度。

2 先進過程控制技術

先進過程控制技術實施主要包括預測控制技術、模型辨識技術及性能監(jiān)控技術。

2.1 預測控制技術

DMC 預測控制技術是動態(tài)矩陣預測控制，是APC 控制的一種。根據(jù)乙烯裝置機理復雜、操作方案多變、操作變量強耦合、參數(shù)約束強的特點，對乙烯裝置采用DMC 多變量預測控制，預測控制主要包括預測模型、參考軌跡和滾動優(yōu)化三個部分，其控制原理見圖1。

圖1 預測控制結構

2.2 預測模型辨識技術

實驗建模是目前先進控制應用中較為常用的方法。如圖2 所示，由于過程的輸入輸出一般可以測量，而過程的動態(tài)特性必然表現(xiàn)在這些輸入輸出數(shù)據(jù)中，辯識是利用相應的算法對所獲輸入輸出數(shù)據(jù)進行分析以便獲得被控對象數(shù)學模型的過程。

圖2 模型辯識過程

利用檢測對象各通道的階躍響應，并經(jīng)光滑處理后建立DMC 控制器模型。在建模過程中，選擇適當?shù)谋豢刈兞緾V、操作變量MV 以及干擾變量DV，確定被控變量權重和增量抑制因子矩陣等控制器參數(shù)，再通過階躍試驗數(shù)據(jù)確定各MV、DV與CV、AV 的對應關系模型。根據(jù)裝置的特點和生產(chǎn)的要求，精心設計階躍試驗計劃，選擇矯正系數(shù)矩陣，并保證試驗的成功，從而為過程模型的辯識提供理想的數(shù)據(jù)。DMC 辯識器通過裝置的試驗數(shù)據(jù)來建立過程的數(shù)學模型，并根據(jù)實際工藝特點和要求選取合理的參考軌跡、操作變量約束、被控變量約束、控制結構以得到DMC 預測控制器。

2.3 性能監(jiān)測技術

采用最新技術來監(jiān)控和評估先進控制運行的性能，見圖3。

圖3 性能監(jiān)控與評價軟件與APC 系統(tǒng)結合的工作方式

3 系統(tǒng)功能方案設計

乙烯裝置生產(chǎn)過程期望的目標是追求整體經(jīng)濟效益的最佳化，即要兼顧產(chǎn)品產(chǎn)量、質量、原材料消耗及能耗的各個方面。采用先進控制軟件，建立乙烯裝置先進控制系統(tǒng)，應對具有復雜動態(tài)特性、純滯后、多變量、強耦合、變量有約束等生產(chǎn)過程，并在工況變化時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，運行可靠。根據(jù)乙烯裝置以上控制目標，設計該裝置先進控制系統(tǒng)總體結構如圖4[1]。

圖4 乙烯裝置先進控制系統(tǒng)總體結構

先進控制系統(tǒng)實施，首先進行詳細方案設計，然后對裝置進行階躍測試，收集裝置過程階躍測試數(shù)據(jù)，并利用多變量模型預估辨識模塊，辨識出被控變量、約束變量與操作變量、干擾變量之間的階躍測試模型，并生成控制器在線運行的參數(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立，但也根據(jù)前后裝置物料組分的影響關系產(chǎn)生一定的內(nèi)在聯(lián)系，是一個有機整體。

從結構上看，控制器包含3 個模塊：①預測模塊，控制器開環(huán)的前提下，預測CV 的未來值；②線性規(guī)劃模塊，結合經(jīng)濟條件和約束條件，利用線性規(guī)劃或二次規(guī)劃的方法計算MV 和CV 優(yōu)化的穩(wěn)定目標值，這一塊決定控制器連續(xù)不斷地向優(yōu)化方向運行；③動態(tài)控制模塊，利用被控變量動態(tài)誤差最小化原理確定操作量的調節(jié)步驟，這一步?jīng)Q定控制器如何優(yōu)化動作。在控制器中每一個CV 都被賦予一個數(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)先順序進行MV 控制。

4 運行效果分析

從2019 年8 月1 日至2019 年8 月8 日期間的對比測試結果可以看出，裝置APC 投用后，關鍵參數(shù)的運行標準方差降低了30%以上，裝置關鍵參數(shù)運行更加平穩(wěn)。

4.1 裂解爐投用APC 前后效果對比

優(yōu)化控制各進料管的流量和燃料氣進料，正常情況下使裂解爐的COT 溫度標準偏差控制在1℃以內(nèi)，在裂解原料切換、裂解原料物性波動、與裂解爐操作相關的工藝或儀表出現(xiàn)波動時對裂解爐運行產(chǎn)生的大干擾的情況下COT 標準偏差控制在3℃以內(nèi)。從圖5 和圖6 可以看出，5 號爐（F1150）先控投用前第二支路COT 溫度波動超過10℃，先控投用后溫度波動基本在±1℃，大擾動時溫度波動在±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

裂解爐分四組進料，各組均有流量調節(jié)器。圖7 為F-1130 使用DCS 進料串級控制的四個通道COT 趨勢圖，溫度波動較大且四組趨勢分散。圖8為F-1130 使用APC 支路平衡先進控制的COT 趨勢圖，溫度波動明顯變小，四組趨勢集中。

圖7 F-1130 使用DCS 進料串級控制的COT 趨勢圖

圖8 F-1130 使用APC 支路平衡先進控制的COT 趨勢圖

4.2 急冷水塔塔釜溫度偏差投用前后運行情況對比

通過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 前后塔釜溫對比情況見圖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。塔底再沸由塔釜側線抽出一股液相送往再沸器，通過溫度控制器與流量控制器串級控制PO 流量來給塔釜提供熱源，加熱后的氣體返回到第42 塊塔盤下。調整塔釜另一股液相抽出量控制塔釜液位。在保證產(chǎn)品質量合格的前提下，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有溫度串級控制。溫度串級控制回路構成為：TE14118、TT14118、TIC14118、FT14035、TT14114、TT14115、 熱 值計算功能塊、 FJC14035、FV14035。其中副回路調節(jié)器FJC14035 的測量值是熱值計算功能塊的輸出值，設定值為主回路調節(jié)器TIC14118 的輸出。熱值功能塊的計算式如下：

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

以進料量和急冷水溫度為前饋，調整急冷水量，通過控制，穩(wěn)定回流罐液位。在保證液位穩(wěn)定的基礎上，穩(wěn)定抽出量，為下游乙烯塔提供穩(wěn)定的進料。調整脫乙烷塔塔底抽出，穩(wěn)定脫乙烷塔液位。在投入先進控制系統(tǒng)后，精餾過程關鍵參數(shù)靈敏板溫度的波動明顯降低，控制質量得到了改善，塔頂產(chǎn)品碳三含量控制＜1%（摩爾百分數(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)自動運行，大大減少了人為干預因素。 根據(jù)目前的運行結果，保守估算節(jié)約急冷水用量達到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，按一定的比值進行控制的。回流量由兩部分組成：乙烯壓縮機K1650 三段排出的乙烯和來自E1421過冷器來的乙烯。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。整個復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進中間再沸器的乙烯流量控制。無論從乙烯壓縮機K1650 三段排出的乙烯流量增加，或是E1421 過冷器來的乙烯量增加，都會造成比值調節(jié)器的測量值增加（即比值增加），由于正作用調節(jié)器，輸出將增加，閥門的開度將減小，流進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)過流量、溫度補償出來的值減小，也就是比值調節(jié)器的測量值增加（即比值增加），調節(jié)器輸出增加，閥門的開度將減小，流進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。設置一個回流采出流量比值實時顯示塊，同時設比值報警，以方便工藝人員監(jiān)測和操作。由于乙烯塔是精餾塔，需要明確比值是流量比。設置便于工藝改變比值的操作窗口，同時限制改變幅度和變化頻率。流量比值調節(jié)器的比值設定值范圍應與比值測量計算值相對應。

乙烯塔塔底抽出物進入乙烯塔再沸器與來自E-1648 乙烯冷劑四段換熱后回流到乙烯塔，通過對乙烯冷劑的流量控制，來調節(jié)乙烯精餾塔的溫度。如果液位低于400mm，超馳控制FV14044 調節(jié)閥。通過控制塔釜乙烯熱源量閥位FIC14044MV值，穩(wěn)定靈敏板溫度。通過控制塔頂主回流，穩(wěn)定塔頂溫度和質量，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

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

碳三加氫系統(tǒng) APC 調節(jié)投用后出口MAPD 含量趨勢對比見圖11。

圖11 碳三加氫系統(tǒng) APC 調節(jié)投用后出口MAPD 含量趨勢對比圖

5 全流程投用APC 系統(tǒng)效果

5.1 提升目標產(chǎn)品收率

從裝置報表中取裝置APC 之前未投用與投用后的兩個月雙烯烴收率進行對比，如表1 所示，APC 投用后裝置雙烯收率提高了0.61%。

表1 雙烯收率對比表

5.2 降低能耗

從裝置報表中取APC 投用前后兩個月能耗數(shù)據(jù)進行對比，如表2 所示，APC 投用后，裝置能耗降低了2.551%。

表2 能耗對比表

6 結語

通過對上述乙烯裝置先進控制APC 系統(tǒng)的投用，可以極大程度地實現(xiàn)穩(wěn)定裂解爐COT、延長裂解爐運行周期、增強裝置的抗干擾能力、提高乙烯丙烯雙烯收率、高比率合格產(chǎn)品產(chǎn)出等目標，對節(jié)能降耗、降低產(chǎn)品成本、減少操作人員勞動強度有重要意義。