先進(jìn)控制與實時優(yōu)化技術(shù)在乙烯裂解爐上的應(yīng)用

汪曄曄（中石化北京燕山石油化工股份有限公司，北京 102500）

近年來，隨著國家對石油化工產(chǎn)業(yè)的大力投入和相關(guān)技術(shù)的突破，我國乙烯工業(yè)取得了較快的發(fā)展，但是在一些領(lǐng)域和國外發(fā)達(dá)國家相比仍然存在著不足和較大差距。除了裂解原料性能的差異，我國乙烯工業(yè)在先進(jìn)控制技術(shù)和實時優(yōu)化技術(shù)方面研究不足是造成這種差距的又一主要原因。在我國乙烯工業(yè)發(fā)展過程中，先后經(jīng)歷了電動儀表控制時代、集散控制時代（DCS），在這個代際跨越過程中其自動化生產(chǎn)水平有了顯著的提高。但是在實際應(yīng)用過程中，集散控制系統(tǒng)只是在改善生產(chǎn)穩(wěn)定性和可靠性方面取得了成效，很大一部分生產(chǎn)潛能仍然未能被發(fā)掘出來。因此為了進(jìn)一步挖掘生產(chǎn)潛能、改善系統(tǒng)控制性能、提高經(jīng)濟(jì)效益，研究和應(yīng)用新一代的控制和優(yōu)化系統(tǒng)已經(jīng)成為了我國乙烯生產(chǎn)行業(yè)亟待解決的緊迫問題。

1 乙烯工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

為了提高我國乙烯工業(yè)發(fā)展水平、縮小和國外發(fā)達(dá)國家的差距，我國的許多乙烯生產(chǎn)企業(yè)都在乙烯生產(chǎn)過程中引入了一些國外的先進(jìn)控制和優(yōu)化軟件，但是由于價格和成本高居不下難以大規(guī)模使用，因此這些控制和優(yōu)化軟件所起到的作用也隨之降低。近年來為了改變這種局面，國內(nèi)相關(guān)人員在優(yōu)化乙烯裂解爐的操作、系統(tǒng)性能方面進(jìn)行了大量的有益嘗試，因為技術(shù)條件的限制，這些嘗試大都停留在實現(xiàn)生產(chǎn)平穩(wěn)性、提高儀表控制水平等方面，在一些制約生產(chǎn)和發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域比如裂解爐裂解深度實時控制方面至今仍然存在技術(shù)空白。

近年來，國內(nèi)很多研究機(jī)夠和科研院校都在該方面做了大量的技術(shù)工作，其中北京化工研究院對乙烯裂解模型進(jìn)行了長期的研究，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了多種適合不同使用環(huán)境和使用要求的數(shù)學(xué)模型。同時對裂解爐的收率預(yù)測、操作流程、工藝條件等一些列問題進(jìn)行了優(yōu)化研究，取得了巨大成就。但是整體來說我國乙烯裂解爐的控制與優(yōu)化技術(shù)還處在一個研究起步的相對落后階段，與國外發(fā)達(dá)國家還存在著巨大的技術(shù)差距，未來這一方面將成為我國石油化工領(lǐng)域的研究熱點。

2 先進(jìn)控制技術(shù)概述和應(yīng)用

2.1 先進(jìn)控制技術(shù)概述

先進(jìn)控制技術(shù)具體的講就是一種高效的控制策略，這種控制策略具有比單回路控制更優(yōu)良的控制性能。通常簡稱為APC（Advancedprocesscontrol），通常包括變增益控制、模型預(yù)測控制、非線性控制三大類，其中應(yīng)用最廣泛、最成功的是模型預(yù)測控制技術(shù)。這種先進(jìn)的控制技術(shù)在很多方面都有著優(yōu)良的使用性能，傳統(tǒng)的單回路控制只能對單變量進(jìn)行有限的檢測和控制，因此不適合應(yīng)用在很多具有綜合變量的生產(chǎn)過程當(dāng)中。然而模型預(yù)測控制因其高穩(wěn)定的多變量控制、抗干擾能力強(qiáng)等特點廣泛的應(yīng)用在乙烯生產(chǎn)過程中的裂解爐控制之中。

2.2 先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用

以模型預(yù)測控制為核心APC技術(shù)廣泛的應(yīng)用于石油化工行業(yè)，尤其是在乙烯裂解爐上的應(yīng)用。作為一項過程控制技術(shù)，為了能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于流程工業(yè)之中，相關(guān)工程技術(shù)人員就必須具備相關(guān)的工藝和流程知識。這種先進(jìn)控制技術(shù)是一種綜合性的技術(shù)，在其設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)框架中常常包含著控制理論和工藝技術(shù)，因此這就決定了先進(jìn)控制技術(shù)的技術(shù)要求、應(yīng)用特點會因流程的不同，控制對象的差異而存在多樣化的特點，目前先進(jìn)控制技術(shù)（APC）在石油化工領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，其中在乙烯裂解裝置中的應(yīng)用有著重要的意義。

2.3 控制方案原理

DMCplus是一種功能強(qiáng)大，性能出色的高效變量控制軟件，可以最大限度的挖掘乙烯生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)潛能。因為DMCplus可以實時的調(diào)整控制回路的調(diào)諧，所以可以不受約束的控制乙烯裂解爐中的各種技術(shù)參數(shù)和變量。其控制原理是DMCplus軟件通過子控制器在控制器中對具有不同響應(yīng)時間的系統(tǒng)變量進(jìn)行邏輯計算和相關(guān)處理,其原理如圖1所示。

圖1 控制器原理圖

3 實時優(yōu)化技術(shù)概述和實施流程及方法

3.1 概述

實時優(yōu)化技術(shù)的實施包括以開環(huán)指導(dǎo)為基礎(chǔ)的在線優(yōu)化和以閉環(huán)指導(dǎo)為基礎(chǔ)的在線優(yōu)化兩種情況。這兩種優(yōu)化技術(shù)方案均以從DCS采集的的現(xiàn)場數(shù)據(jù)為控制參數(shù)，運(yùn)用相同的優(yōu)化算法通過計算求得最優(yōu)的參數(shù)設(shè)定點。但開環(huán)指導(dǎo)僅給工工程師提供參考，優(yōu)化結(jié)果人為決定是否投用為相應(yīng)的設(shè)定點；而閉環(huán)和開環(huán)相反，是通過系統(tǒng)自動判斷是否把求得的結(jié)果作為設(shè)定點自動投入控制回路?？偠灾?，開環(huán)優(yōu)化與閉環(huán)優(yōu)化的不同僅僅在于控制點投用方面。裂解爐實時優(yōu)化技術(shù)的實施必須有可靠的測量儀表、可靠地常規(guī)控制系統(tǒng)、可靠地先進(jìn)控制技術(shù)和優(yōu)化模型，整個系統(tǒng)是一個高度集成的軟硬件體系。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 實時優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 實施流程及方法

裂解爐實時優(yōu)化的目標(biāo)是利用相關(guān)的程序和算法進(jìn)行計算從而得出最佳利潤下的裂解深度，以最大限度的提高裂解生產(chǎn)利潤，挖掘潛在乙烯收率。

乙烯裂解爐生產(chǎn)乙烯的關(guān)鍵控制參數(shù)是COT和氣烴比，這兩個參數(shù)和裂解反應(yīng)深度密切相關(guān)。國內(nèi)對于裂解爐的裂解深度控制方案的方案流程如圖3所示，裂解深度為裂解氣中的甲烷和丙烯之比，將裂解深度設(shè)定點通過優(yōu)化求解，從而形成優(yōu)化深度控制，即通過裂解爐模擬模型和實時優(yōu)化算法相結(jié)合，在線實時給出優(yōu)化深度設(shè)定點，最終就可以實現(xiàn)裂解爐的RTO過程。

圖3 實時優(yōu)化基本流程圖

4 結(jié)語

本文通過對課題研究的目的、意義，國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并在此基礎(chǔ)上對先進(jìn)控制技術(shù)和實時優(yōu)化技術(shù)的概念和實施的辦法和方案進(jìn)行了闡述，先進(jìn)控制技術(shù)和實時優(yōu)化技術(shù)在裂解爐上的研究和應(yīng)用對促進(jìn)我國相關(guān)控制和優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展和我國乙烯工業(yè)發(fā)展有著重要的意義。

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