乙烯裝置全流程多模型智能控制技術(shù)改造分析

楊 志

（大慶石化建設(shè)有限公司，黑龍江大慶 163000）

1 乙烯裝置存在的主要問(wèn)題

某石化公司60 萬(wàn)噸/年乙烯裝置在投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)采用的是傳統(tǒng)的控制方法，單一的過(guò)程控制技術(shù)使得系統(tǒng)整體控制難度較大，DCS 控制系統(tǒng)的潛力得不到充分發(fā)揮。主要是COT（Coil Outlet Temperature，裂解爐出口溫度）控制回路原設(shè)計(jì)存在缺陷，裝置投用后出現(xiàn)了波動(dòng)幅度大、長(zhǎng)時(shí)間偏離目標(biāo)值、回調(diào)慢等問(wèn)題，而且裝置投用條件限制較多，系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)控制切換比較復(fù)雜，只能通過(guò)人工手動(dòng)控制方式來(lái)調(diào)節(jié)燃料氣壓力，系統(tǒng)壓力偏差較大，無(wú)法對(duì)燃料氣和進(jìn)料組成成分的變化進(jìn)行及時(shí)有效的跟蹤，不能對(duì)支路COT 偏差進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，乙烯裝置的生產(chǎn)運(yùn)行存在嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于控制系統(tǒng)的效果不理想，后分離系統(tǒng)也出現(xiàn)了乙烯/丙烯塔塔釜損失偏高、碳三加氫反應(yīng)器加氫效果不明顯、低壓脫丙烷塔、脫乙烷塔塔頂壓力復(fù)雜控制回路無(wú)法投用等一系列問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，對(duì)裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改造。

2 乙烯裝置優(yōu)化和改造內(nèi)容

為解決上述問(wèn)題，進(jìn)一步提升乙烯裝置生產(chǎn)技術(shù)水平，改善生產(chǎn)操作過(guò)程，減少人工控制方式，緩解工人勞動(dòng)強(qiáng)度，在DCS 系統(tǒng)引入全流程多模型智能控制技術(shù)。整個(gè)過(guò)程共分兩步：一是開(kāi)始結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)平穩(wěn)率不理想的高級(jí)控制回路進(jìn)行修正；二是對(duì)DCS 控制系統(tǒng)進(jìn)行全方位優(yōu)化，引用全流程多模型智能控制技術(shù)，并結(jié)合乙烯裝置實(shí)際生產(chǎn)需要重新設(shè)計(jì)部分復(fù)雜控制回路。

首先，通過(guò)人工手動(dòng)調(diào)節(jié)方式保證乙烯裝置大部分生產(chǎn)參數(shù)的平穩(wěn)率保持在一定水平，然后采用內(nèi)?？刂萍夹g(shù)對(duì)DCS 控制系統(tǒng)進(jìn)行全方面的優(yōu)化。主要內(nèi)容有：①將COT 的開(kāi)環(huán)控制方式改為更加合理的閉環(huán)控制方式；②對(duì)運(yùn)行效果不好、有缺陷的復(fù)雜控制回路進(jìn)行改造，增加DCS 控制系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平及控制精度；③重新選擇控制回路內(nèi)部計(jì)算公式，首先確定整個(gè)回路的關(guān)鍵控制點(diǎn)，并對(duì)其優(yōu)先進(jìn)行優(yōu)化，然后再優(yōu)化其他控制點(diǎn)。

石化公司組織專門人員充分理解和學(xué)習(xí)整套裝置的控制思想，對(duì)各系統(tǒng)的特性進(jìn)行深入研究，分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和波動(dòng)產(chǎn)生的原因，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)裂解爐、急冷、裂解氣壓縮機(jī)、高低壓脫丙烷塔、堿洗塔及干燥器、脫乙烷及乙烯塔、碳二加氫反應(yīng)器、乙烯壓縮機(jī)、乙烯產(chǎn)品外送、碳三加氫、丙烯塔、前冷及預(yù)切割/脫甲烷塔、火炬氣壓縮機(jī)、蒸汽及凝液等系統(tǒng)控制回路的PID 參數(shù)從前到后反復(fù)調(diào)整，全面優(yōu)化。確保裝置中的大部分回路能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)、平穩(wěn)控制，系統(tǒng)參數(shù)不出現(xiàn)進(jìn)入不安全區(qū)的可能，控制回路的響應(yīng)速度和品質(zhì)滿足要求，出現(xiàn)波動(dòng)后系統(tǒng)基本具備平穩(wěn)過(guò)渡到平衡狀態(tài)的能力。

在前期的工作基礎(chǔ)上，聯(lián)合北京世紀(jì)隆博科技有限公司，采用“內(nèi)?？刂萍夹g(shù)”對(duì)乙烯裝置控制系統(tǒng)的控制回路，以及控制調(diào)節(jié)方式進(jìn)行優(yōu)化與改造。

2.1 對(duì)裂解爐COT 閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造

2.1.1 進(jìn)行平均COT 的多變量智能內(nèi)模自適應(yīng)控制改造

為了增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)控制回路的抗擾動(dòng)能力、提高系統(tǒng)控制精度，采用COT 多變量智能內(nèi)模自適應(yīng)控制系統(tǒng)（圖1）。引進(jìn)多變量智能控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整COT，不僅能確保生產(chǎn)安全，還能通過(guò)引入燃料氣壓力的選擇性控制來(lái)進(jìn)行軟聯(lián)鎖安全保護(hù)，防止燃料氣流量太大時(shí)裂解爐脫火或流量太小時(shí)裂解爐熄火的情況發(fā)生。

2.1.2 進(jìn)行爐管出口溫度均衡的智能內(nèi)模自適應(yīng)控制改造

在對(duì)乙烯裝置裂解爐各爐管溫度分析的基礎(chǔ)上，建立爐管出口溫度均衡內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)（圖2）。通過(guò)對(duì)裂解爐爐管進(jìn)料的調(diào)整，保證每組爐管的出口溫度與平均溫度的差值保持在規(guī)定范圍內(nèi)，避免結(jié)焦導(dǎo)致?tīng)t管變形、堵塞或裂解反應(yīng)不充分。

2.1.3 進(jìn)行爐管汽/烴比的智能內(nèi)模自適應(yīng)控制改造

主要是根據(jù)裂解爐各組爐管的進(jìn)料流量和系統(tǒng)設(shè)定的汽烴比進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出裂解爐各組爐管蒸汽流量控制器的設(shè)定值。通過(guò)調(diào)整蒸汽流量?jī)?yōu)化裂解爐各組爐管的汽烴比，降低其對(duì)平均COT 的影響，又合理利用了稀釋蒸汽，減少了爐管結(jié)焦。

2.1.4 進(jìn)行汽包液位的智能內(nèi)模自適應(yīng)控制改造

采用前饋與串級(jí)控制組成的復(fù)合內(nèi)模控制系統(tǒng)對(duì)汽包液位進(jìn)行有效控制，起到提升系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性的作用，以有效克服“假液位”情況，減少蒸汽負(fù)荷和鍋爐給水變化產(chǎn)生的擾動(dòng)。

圖1 COT 多變量智能內(nèi)模自適應(yīng)控制系統(tǒng)工作流程

2.2 進(jìn)行缺陷控制系統(tǒng)及復(fù)雜控制回路改造

圖2 智能內(nèi)模協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

由于原設(shè)計(jì)存在一定缺陷，低壓脫丙烷塔ET-3441、脫乙烷塔ET-3421塔頂壓力復(fù)雜控制回路無(wú)法投用，只能通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)冷凝器冷劑側(cè)液位進(jìn)行間接控制，導(dǎo)致塔壓控制不穩(wěn)，不利于精餾塔的平穩(wěn)操作。通過(guò)對(duì)上述這2 個(gè)塔塔頂壓力控制邏輯進(jìn)行研究，找出控制關(guān)鍵點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)控制邏輯加以改造，同時(shí)對(duì)壓力、液位控制回路P（Proportion，比例）、I（Integral，積分）、D（Differential，微分）數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 確定關(guān)鍵控制點(diǎn)和其他控制點(diǎn)并按照主次逐步進(jìn)行優(yōu)化

在裝置原始控制回路計(jì)算公式選擇過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)所有控制回路的計(jì)算公式都是針對(duì)ΔPV 進(jìn)行計(jì)算的。此種計(jì)算方式系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，只有當(dāng)控制回路PV（Process Value，實(shí)際值）發(fā)生變化時(shí)，控制回路的MV（Manipulated Variable，操縱變量）才能進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)節(jié)，而對(duì)控制回路SV（Set Value，設(shè)定值）與實(shí)際值之間的偏差調(diào)節(jié)較弱，導(dǎo)致該計(jì)算方式控制相應(yīng)時(shí)間偏長(zhǎng)，易造成控制回路波形發(fā)散，在擾動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，不利于系統(tǒng)的快速穩(wěn)定。

針對(duì)此種情況，結(jié)合裝置控制回路的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)大部分控制回路的計(jì)算公式改為針對(duì)偏差的變化（Δe）的來(lái)計(jì)算。即重新選擇控制回路內(nèi)部計(jì)算公式，確定關(guān)鍵控制點(diǎn)和其他控制點(diǎn)。這種計(jì)算方式是針對(duì)SV 與PV 的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，有響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。

3 乙烯裝置改造后取得的效果

（1）優(yōu)化裂解爐運(yùn)行，延長(zhǎng)運(yùn)行周期，減少下線燒焦次數(shù)，每年可節(jié)省燃料氣消耗和高壓蒸汽消耗。

（2）對(duì)系統(tǒng)各控制回路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，系統(tǒng)運(yùn)行損失進(jìn)一步降低，乙烯塔塔釜乙烯損失降低0.175%（mol），丙烯塔塔釜丙烯損失降低1.5%（mol），提高經(jīng)濟(jì)效益。

（3）優(yōu)化碳三加氫系統(tǒng)控制，增加了碳三加氫催化劑的選擇性，床層出口MA/PD（甲基乙炔和丙二烯）濃度由1700×10-6下降至700×10-6左右，下降的MA/PD 可全部轉(zhuǎn)化為丙烷，增加經(jīng)濟(jì)效益。

（4）優(yōu)化碳二加氫系統(tǒng)控制，提高碳二加氫催化劑選擇性1.5%，增加經(jīng)濟(jì)效益。

（5）優(yōu)化調(diào)整后，氫氣產(chǎn)量增加105 kg/h，燃料氣降低105 kg/h，增加經(jīng)濟(jì)效益。

4 與同類技術(shù)比較存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施

裂解爐COT 自動(dòng)控制的核心和難點(diǎn)是COT 受多個(gè)變量共同影響，調(diào)整過(guò)程中存在較大的滯后性，目前COT 自動(dòng)控制的研究方向主要集中在上位機(jī)預(yù)測(cè)控制與內(nèi)模控制2 種模式：上位機(jī)控制是通過(guò)前期采集數(shù)據(jù)建模后，利用實(shí)時(shí)DCS 數(shù)據(jù)通信，經(jīng)上位機(jī)計(jì)算后再輸出至控制系統(tǒng)，增加投資（上位機(jī)），調(diào)整過(guò)程中存在較大的滯后性，容易造成系統(tǒng)的持續(xù)性波動(dòng)；內(nèi)模控制省去上位機(jī)計(jì)算及數(shù)據(jù)通信的過(guò)程，通過(guò)各子系統(tǒng)下的分級(jí)調(diào)整，保證了COT 的穩(wěn)定，同時(shí)切換過(guò)程均為無(wú)擾動(dòng)操作，從根本上規(guī)避了誤操作風(fēng)險(xiǎn)，控制方式直觀明了，更有利于相關(guān)人員操作，增強(qiáng)了控制回路的可靠性。

由于精餾系統(tǒng)流程長(zhǎng)、控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，部分控制回路間的關(guān)聯(lián)性較大，需要在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面了解的基礎(chǔ)上，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、多頻次的持續(xù)優(yōu)化調(diào)整，并且要根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的變化，有計(jì)劃地調(diào)整應(yīng)對(duì)思路。尤其是對(duì)前冷及“冰機(jī)”系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整，還需要持續(xù)跟蹤、優(yōu)化。

內(nèi)?？刂埔灿幸欢ū锥?，例如：對(duì)于儀表準(zhǔn)確性依賴較強(qiáng)，裂解爐負(fù)荷和支路COT 調(diào)整過(guò)程中如果進(jìn)料或稀釋蒸汽流量測(cè)量不準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果會(huì)嚴(yán)重失真。這一情況如果出現(xiàn)在投料初期或原料更換時(shí)，只需在對(duì)應(yīng)的操作完成后對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)即可，工作量不大。如果出現(xiàn)在正常運(yùn)行過(guò)程中，測(cè)量值超限后控制回路會(huì)自動(dòng)切換至手動(dòng)狀態(tài)并提示，保證運(yùn)行安全。

5 結(jié)論

對(duì)控制系統(tǒng)優(yōu)化和改造后，乙烯裝置裂解爐COT 控制實(shí)現(xiàn)了串級(jí)燃料氣流量、熱值前饋修正的方式，更加精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)更加平穩(wěn)，沒(méi)有發(fā)生震蕩、超調(diào)與發(fā)散等問(wèn)題。

全流程多模型智能控制技術(shù)主要針對(duì)乙烯裝置控制特點(diǎn)及難點(diǎn)研究而成，主要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)改造來(lái)提高裝置運(yùn)行平穩(wěn)性，該技術(shù)在建模技術(shù)、控制器設(shè)計(jì)、裂解爐控制上具有技術(shù)創(chuàng)新性、總體水平處于國(guó)際領(lǐng)先水平。本次技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了裂解爐出口COT 的自動(dòng)控制，降低了乙/丙烯塔塔釜損失，提高了碳三加氫反應(yīng)器加氫效果、碳二加氫催化劑選擇性及氫氣產(chǎn)量，增加了裝置平穩(wěn)率，提高了乙烯裝置穩(wěn)定運(yùn)行的周期，其自動(dòng)化程度及系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)控制指標(biāo)在國(guó)內(nèi)均已達(dá)到一流水平，對(duì)于國(guó)內(nèi)同類裝置平穩(wěn)率及經(jīng)濟(jì)效益的提升起到了推動(dòng)作用。