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基于国产DCS系统乙烯裂解炉进料负荷自动分配功能设计及实施

发表时间：2020/9/27 来源：《基层建设》2020年第17期作者：何超罡

[导读] 摘要：基于某国产集散控制系统（DCS）以及该公司先进控制系统（APC），建立一套完整的裂解炉先进控制系统，通过先进控制器相关操作策略提高百万吨级乙烯装置裂解炉炉管出口温度（COT）运行稳定性，实现各支路COT 温度均衡优化控制，达到稳定裂解炉进料量与自动负荷控制的目的。

        国家能源集团宁夏煤业有限责任公司烯烃二分公司宁夏银川 750400
        摘要：基于某国产集散控制系统（DCS）以及该公司先进控制系统（APC），建立一套完整的裂解炉先进控制系统，通过先进控制器相关操作策略提高百万吨级乙烯装置裂解炉炉管出口温度（COT）运行稳定性，实现各支路COT 温度均衡优化控制，达到稳定裂解炉进料量与自动负荷控制的目的。
        关键词：乙烯装置；国产DCS；裂解炉；先进控制；负荷分配
        1 引言
        裂解炉的目标产物是乙烯和丙烯，关键控制点在于裂解炉COT，COT反应裂解反应的裂解深度，从而决定了裂解产物的分布，直接影响产品收率，如果COT控制不稳定，将直接影响目标产品质量，造成产品收率降低，装置能耗升高。裂解炉COT控制主要通过调整原料流量和燃烧气流量来实现稳定控制。原料与稀释蒸汽流量和燃烧气流量对COT均能产生影响，在常规控制中，优先调整燃料气流量，使COT稳定后，再微调每组进料流量，减少各路进料COT的偏差。控制过程主要通过对COT温度，各支路原料、稀释蒸汽、燃料气进料量这几个重要参数的调整，控制方式大致上为COT与燃烧气流量串级控制，COT作为主回路，燃料气作为副回路，其中加入高低压保护器，防止燃料气压力过高或过低，同时将燃料气热值进行换算，换算后与主回路的输出值相加，输出至副回路，作为副回路的设定值。为了实现生产装置平稳控制，DCS常规控制系统采用如串级控制、比值控制、选择控制等多种复杂控制策略，由于常规控制系统主要是从单输入单输出对象的角度来考虑问题，很难处理像反应器、精馏塔这样具有多变量、多约束、强耦合特性，也无法将先进工艺思想和操作经验时刻作用于生产装置，对维持生产实现既保证产品质量又维持高转化率、低消耗的实时工艺优化控制存在较大困难。常规控制无法根据实际需要提升管出口温度自动调节，采用先进控制后，根据收率及选择性，进行逐步优化，提高装置运行效率。
        2裂解炉自动负荷分配优化控制策略
        先进控制系统根据乙烯裂解炉的工艺特点，设计裂解炉相关生产单元设备的多变量协调优化，以达到稳定操作，“卡边”生产等目的。裂解炉子控制器主要的优化控制策略如下：
        2.1COT 温度稳定与支路平衡优化控制
        平均 COT 温度是裂解炉的关键指标之一，它是否平稳决定裂解炉生产状况的好坏，COT温度对乙烯收率的影响非常可观。因此，把裂解炉COT温度的控制得更精确，波动范围更小，是裂解深度优化的前提。裂解炉出口温度受很多因素影响，例如燃料流量、压力、热值的变化，各炉管进料流量、压力、稀释比的变化等等，相互干扰的因素比较多，控制器通过预测模型，较好的解决了上述干扰的影响，提高了平均COT温度的控制精度、平稳率，缩短平均COT跟踪设定目标的动态响应时间。

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神华宁煤百万吨级烯烃智能制造新模式推广应用-乙烯装置先进控制系统功能方案选择合适的裂解深度，兼顾较高的双烯收率和较长的裂解炉运行周期，这要求裂解炉管间的操作条件相近，避免了过大的偏差。由于裂解炉内部温度场分布和炉管间热效率的差异，各支路COT温度总存在偏差，通常可以通过调整各支路进料流量，实现COT温度的一致性。COT温度均衡优化控制的目的是在保证总进料量不变的前提下，根据各组炉管COT温度，调整各组炉管流量，与常规支路平衡控制策略有区别的是，各支路COT温度根据裂解炉管运行状态的进行适当补偿，该补偿量用于修正由于炉管流量差异导致停留时间变化而引起的裂解深度偏差。
        2.2 裂解炉处理量稳定与自动提降控制
        裂解炉的生产负荷有多种控制需求，如稳定在某个固定量，根据指令调整负荷，或在满足工艺条件下最大化处理等。先进控制器的操作策略是：满足某个固定量，操作人员设定裂解炉的总处理量后，控制器会根据各支炉管 COT 温度分布情况，合理分配各支炉管所调整的负荷，同时为了保证 COT温度的稳定性，燃料气和用氧量自动匹配，以同时满足COT稳定和裂解炉处理量调整的要求。根据指令调整负荷，在原料加工量需改变时，根据当前操作状况合理地分配裂解炉各炉管的流量，同时为了保证 COT 温度的稳定性，燃料气和用氧量自动匹配，以尽量减少流量变化对裂解炉出口温度的影响。
        3安全切换逻辑设计
        先进控制器所在的上位机是直接采用 OPC 标准接口来实现过程设备和先进控制系统的双向数据交换的重要设备，同时，乙烯装置工程师站是控制系统的核心部分，它担负着系统组态，维护和工艺参数记录等功能，因此对网络安全管理要有明确的规定，同时还应设置通讯监控程序以及安全切换程序，保证在异常状态下能够实现先控运行模式无扰切换至常规运行模式。
        4平台搭建及实施
        以某国产DCS系统为依托搭建先进控制系统硬件及软件平台，随后在先进控制平台上进行阶跃测试，以便为离线建模、控制器设计提供必要的基础数据，进入投用阶段后首先要对安全切换逻辑进行测试，确保先控系统投运的安全性，先控系统的投运目标是使先进控制系统能适用于现场工艺生产的需求，包括各种工况的变化，保证装置的平稳生产，并达到预期的优化目的。在投运的原则上采用“先回路后单元”，“从个体到整体” 和“从简单到复杂” 的顺序。
        5 结束语
        利用国产DCS系统为平台搭建的先进控制系统，使得乙烯装置裂解炉实现负荷自动分配的功能，通过精准的控制来提高产品收率以及原料利用率，有利于保持装置良好的运行状态，提升装置运行效率和经济效益。
        参考文献：
        [1] 张立军，乙烯装置裂解炉群进料负荷配置建模和优化计算机与应用化学 2014，31（11）