乙烯裂解炉先进控制系统开发与应用.doc

乙烯裂解炉先进控制系统开发与应用第62卷第8期2011年8月化工ciescjournalv01.62no.8august2011乙烯裂解炉先进控制系统开发与应用李平,李奇安,雷荣孝,(辽宁石油化工大学信息与控制工程学院,辽宁抚顺113001;陈爱军.,任丽丽,曹巍.中国石油兰州石化分公司自动化研究院,甘肃兰州730060)摘要:以中国石油兰州石化公司46万吨/年乙烯装置裂解炉为对象,设计并实施了5台sc一1型乙烯裂解炉先进控制系统,包括平均cot温度控制,管间温度平衡控制,总进料流量控制.详细描述了该系统的工程实施,介绍了先进控制系统硬软件结构,先进控制与常规控制的切换逻辑,先进控制dcs操作界面.本系统的投用极大地提高了裂解炉控制的平稳性和控制精度,带来了显着的经济效益.关键词:乙烯裂解炉;先进控制;温度控制;乙烯装置doi:10.3969/j.issn.04381157.2011.08.022中图分类号:tp273文献标志码:a文章编号:04381157(20i1)082216一o5developmentandapplicationofadvancedprocesscontrolsystemforethylenecrackingheatersliping.liqian.leirongxiao,chenaijun,renlili,caowei(schoolofinformationandcontrolengineering,liaoningshihuauniversity,fushun113001,liaoning,china;instituteofautomation,petrochinalanzhoupetrochemicalcompany,lanzhou730060,gansu,china)abstract:theadvancedprocesscontrolsystemsforthesc一1typeethylenecrackingheatersatlanzhoupetrochemicalcompany460ktaethyleneplantweredesigned,includingtheaveragecoiloutlettemperaturecontrollers,thepassoutlettemperaturebalancecontrollers,thetotalthroughoutcontrollers.thesoftwareandhardwarestructureofthecontrolsystems,theswitchinglogicbetweenadvancedcontrolanddcsregularcontrol.thedcsoperationinterfaceforadvancedcontro1wereintroduced.thecontrolsteadinessandcontrolaccuracyforcrackingheatersaregreatlyimprovedbyusingtheadvancedprocesscontrolsystems,andremarkableeconomicbenefitisobtained.keywords:ethylenecrackingheaters;advancedprocesscontrol;temperaturecontrol;ethyleneplant士丘乙烯装置是石化工业中能耗最大的装置之一.裂解炉是乙烯装置的关键设备,也是乙烯装置的能耗大户,其能耗占装置总能耗的506o.降低裂解炉的能耗是降低乙烯生产成本的重要途径之一.随着节能降耗任务的日趋紧迫,相关企业近20110501收到初稿,20100511收到修改稿.联系人及第一作者:李平(1964一),男,博士,教授.基金项目:辽宁省高等学校优秀人才支持计划(2008rc32)辽宁省高校创新团队支持计划(2oo7tlo3).年来积极开展裂解炉节能降耗的攻关,采取一系列措施,收到可喜的效果_2j.其中,采用先进控制技术,优化裂解炉操作,能够提高乙烯,丙烯收率,使乙烯装置生产能耗明显下降.因此,充分利用dcs与计算机技术的优势,运用现代控制技术,有针对性地开发apc先进控制和优化系统,对于充分发挥现有生产装置的运行潜力,有效实现receiveddate12o110501.correspondingauthor:prof.liping,foundationitem:supportedbytheprogramforliaoningexcellenttalentsinuniversity(2008rc32)andtheprogramforcreativeteaminuniversityofliaoningprovince(2007t103).第8期李平等:乙烯裂解炉先进控制系统开发与应用?2217?增产,节能,降耗的目标具有十分重要的意义,也是实现内涵发展的必由之路.兰州石化46万吨/年乙烯装置裂解炉采用kbr和exxonmobil共同开发的sc一1型管式裂解炉.裂解炉区包括5台scoresc-1型裂解炉,每台裂解炉的乙烯设计能力为16.25t?h,5台sc一1裂解炉中有3台(ioib,102b,103b)的设计结构适用于裂解混合石脑油和/或加氢尾油,为液相裂解炉.其他的两台裂解炉(104b,105b)用来裂解混合石脑油,lpg和(或)乙烷/丙烷,是气液相混合裂解炉.每台裂解炉有8组进料,这些物料由流量控制,每组有28根辐射管,共有224根辐射管.sc-1裂解炉型全部采用底部火嘴,给炉管出口温度平衡控制带来一定的困难.该乙烯装置裂解炉原设计的平均炉出口温度(cot)串级pid回路不能正常投运为自动模式,造成cot的波动较大.此外,也未采用多炉管的支路平衡控制.裂解炉操作人员主要凭经验来频繁调整,以保证裂解炉的平稳运行.这样,操作人员的劳动强度很大,也很难保证操作的一致性.因此,迫切需要设计裂解炉先进控制系统.乙烯装置裂解炉先进控制要求一般包括:在安全生产的基础上,稳定裂解炉的cot温度和总进料流量,同时实现各组炉管间温度的均衡控制,实现提高双烯收率,降低能耗的目的.1乙烯裂解炉先进控制1.1裂解炉平均cot温度控制器裂解炉炉管平均c0t温度是裂解炉最关键的被控变量.它经常受到干燥器切换,燃料变化和原料组分变化等干扰的影响,且有些因素是随机的,不可控的.设计炉管平均cot温度先进控制器,以增强控制回路的抗扰动能力,缩短其对设定值变化的动态响应过程,并提高控制精度.对烃进料流量(也反映了ds流量),炉膛温度等可测的干扰变量采用前馈调节,以消除或减弱其对cot的影响.采用两重串级控制结构,即燃料压力控制(pic)与平均cot温度控制(tic)两重串级.图1是裂解炉管平均cot温度先进控制示意图,其中pic是常规pi调节,tic采用先进控制算法.平均cot温度t的计算公式为8ftt一立(1)f图1裂解炉炉管平均cot温度控制结构fig.1controlstructureofcrackingheateraveragecottemperature式中f为第i支路流量;t为第i支路出口温度,i一1,2,7,8.1.28组进料炉管出口温度平衡控制裂解炉分8组进料,各组均有流量调节器.生产要求各组进料的出口温度之间的差值不得超过某个上限值,即要求几路进料的出口温度保持平衡,以使各组炉管进料在裂解炉中的受热一致,炉膛温度对各组炉管的影响相同.这样可以达到裂解后的各组炉管出口裂解气要求的裂解深度,并使各组炉管结焦程度相同,延长炉管使用寿命和清焦周期.然而裂解炉尽管内部各组进料炉管和燃料烧嘴是按几何对称布置的,但往往因各个烧嘴燃料以及送风量等不均衡,而出现偏火,进而致使各组进料在炉内吸收热量不均衡,最终导致各组进料的出口温度不平衡.各组进料炉管出口温度通常靠操作工改变各组进料流量来调整,但生产要求总进料流量保持常值,当改变某组进料流量的同时,必须要调整其他各组的进料流量以保证总进料流量不变,而调整其他组流量,势必又将使其他各组的出口温度发生变化,因此人工调节十分困难.裂解炉的8组进料炉管出口温度平衡的先进控制方案是将各组出口温度作为被控变量,各组进料流量调节器设定值作为操纵变量,使被调对象构成了一个八输入八输出的系统.支路出口温度平衡控制的数学描述为l_9一i_tj(2)f一o(3)fff(4)ffaf,(5)式中f!为第i支路流量调节量,下角标min和max分别表示约束的低限和高限.图2是裂解炉进?2218?化工第62卷图2裂解炉进料炉管出口温度平衡控制及总进料流量提/降量控制方案示意图fig.2schematicdiagramofpassoutlettemperaturebalancecontrolandtotalthroughoutcontrolforcrackingheater料炉管出口温度平衡控制及总进料流量提/降量控制方案示意图.1.3总进料流量提/降量控制裂解炉进料流量提/降量控制系统的设计原则是在原料加工量需改变时,控制系统能根据当前操作状况合理地分配裂解炉各组的流量,以尽量减少流量变化对裂解炉出口温度的影响.为此,提/降量控制系统在规定的时间内实现规定的提/降量,并与各组cot温度平衡控制系统一起协调工作(图2),以将进料量变化引起的不良影响降至最小.这样平稳地实现提/降量控制,既保证了裂解炉的平稳操作,又改变了生产负荷.以上控制方案用于单进料操作.在单进料操作中,通过调节裂解炉的燃烧来控制平均炉管出口温度.通过调节到炉管的烃流量来控制炉管出口温度平衡和裂解炉流通量.在分区进料状态,对主要原料用与单进料状态相同的控制方案.对次要原料,通过调节炉管烃流量来控制炉管出口温度.对次要进料炉管,由于没有多余的可调变量,故其流通量不能控制.最大质量流量的进料定义为主要原料.该进料决定裂解炉的燃烧和总流通量.2乙烯裂解炉先进控制的工程实施2.1先进控制系统硬软件结构乙烯裂解炉原有常规控制建立在emerson公司deltav系统上,为满足先进控制技术的应用,配置一台pc机作为先控上位机,为乙烯装置裂解炉先进控制系统提供计算运行环境.该上位机与安装有opcserver的dcs操作站相连.由于该操作站与dcs控制站通过内部协议建立了数据传送的物理链接,这样先进控制系统也就与dcs控制站通过opc标准接口实现了数据传送的物理链接.本项目采用浙江中控软件公司开发的espisys-a先进控制平台软件作为乙烯裂解炉先进控制的二次开发平台.espisysa提供了vb软件编程环境,支持实现多种复杂控制和先进控制策略.2.2先进控制与常规控制的切换逻辑设计apc控制器运行在pc上位机上,其输出的操作变量为dcs上调节回路的设定值.常规控制时原来设定值是由操作人员手工设定,而apc控制器的输出作为基本回路的设定值之前须使当前调节回路处在先控运行状态下,于是存在一个先控运行模式和常规运行模式之间的切换问题.实施两种模式之间的无扰动切换是十分必要的.首先,可以消除操作人员投运先控的顾虑.其次,可以在万一硬软件平台出现故障,比如上位机和dcs出现通讯故障时,从先控状态自动地切换到常规的控制模式,对生产和操作的安全不发生任何的影响_1.根据生产装置apc系统的安全要求,在dcs中建点并实现如下的安全切换程序.(1)先进控制系统的通讯监控(包括在apc上位机和dcs上的保护程序共同组成.该程序主要功能为,当apc上位机一定时间不响应时,视作通讯连接出现问题,切除所有先进控制,并切换到常规控制).(2)检查回路当前状况,判断是否具备投运条件.(3)先进控制与常规控制的无扰动切换.(4)先进控制系统的赋值保护(切换程序实现了设定值偏差保护程序,确保非正常的先控设定值不会赋值到真正回路的设定值上,从而保证安全).(5)先进控制系统的异常波动处理(对关键的第8期李平等:乙烯裂解炉先进控制系统开发与应用?2219?受控变量和操作变量的波动的监控程序,监视并自动处理非正常的工况).裂解炉先进控制系统的切换程序在dcs中实现.切换逻辑保证了先控系统对生产装置的安全,同时最大限度地满足了操作人员的操作习惯.平均c0t温度apc系统投运逻辑如图3所示.其中,c0mstatus是通讯状态标示位,通讯正常时为1,否则为0;eapcaac是先控上位机主动切出平均cot先控的标示位,先控投图3平均cot温度apc系统投运逻辑框图fig.3apccommissioninglogicdiagramforaveragec0ttemperature运时置为1,如果上位机主动切出平均cot置为0;aacsw是平均cot先控是否投运的标示位,先控状态下aacsw一1,否则为0.图中,pid是指燃料气压力pid控制器,apcpic代表燃料气压力先控缓冲值.支路平衡apc系统投运逻辑与平均cot温度apc系统投运逻辑大致相同,在此省略.2.3先进控制dcs操作界面根据apc系统的设计要求,在dcs中实现先进控制操作界面,界面中包含各种需操作和观察的信息.dcs上的apc操作画面主要以表格形式集中给出先进控制系统的相关信息,便于操作人员查阅与操作,经过简单培训,操作人员能熟练地通过以上操作界面调整先进控制系统各种操作参数,以适应乙烯裂解炉运行状况的改变.界面上对于参数的数据录入有严格防范措施,对于不需要输入的数据,只显示,不能选择输入,对于那些要操作人员调整更改的数值,也有严格的规定,只容许在相应权限范围内进行输入.通过上一节的安全策略方案,apc与dcs之间可以任意进行部分或整体的无扰动切换,可以是切换逻辑根据装置运行状况或联锁系统动作而自动无扰切换,也可以是操作人员等依据相应权限在dcs界面上进行手动切换.3应用效果整个5台炉先进控制系统于2010年1o月正式投入运行.经生产装置连续运行考验,控制系统反映出良好的动态和稳态性能,改善了炉的运行状态,提高了控制品质,大幅度降低了操作人员的劳动强度.在此以1裂解炉为例,对先进控制系统投用前后的控制效果进行对比.图4(a)是i炉未投用先控系统的控制效果,选2009年7月1日1o点7月19日10点的各通道cot数据,采样频率1次/d,时.图4(b)是1炉投用先控系统的控制效果,选2010年12月7日2点12月25日2点的各通道cot数据,采样频率1次/d,时.从图4中可以看出相对dcs人工控制,先控系统对cot的控制非常有效,表现为各通道cot曲线积聚在一起,各通道之间的cot偏差很小,各通道的cot控制指标已实现卡边操作.图?2220?化工第62卷l(b)apcon图4先进控制系统投用前后效果对比fig.4effectcomparisonbeforeandafterapcsystemcommissioning中cot出现大幅波动是由于裂解炉切换,提降量或工艺出现大波动造成的.值得一提的是本控制系统没有使用燃料气热值在线分析仪表,也无需建立燃料气热值软测量系统.而目前国内外其他裂解炉先进控制系统为保证控制精度,cot温度控制都是建立在燃料气热值测量系统基础之上的1.这将增大项目设备投入与设备运行维护成本.由于采用了先进控制,炉出口温度对目标值变化的响应快速,只需几分钟.正常情况下,平均cot温度波动幅度由投用前的5左右下降到1,大干扰来时,由原来的10下降到3以内.管问温差由原来的6左右下降到2c以内.温度的波动小了,超高温现象减少,最大设定出口温度可以提高35c,实现了卡边控制.经乙烯车问初步核算,裂解炉先进控制系统投运后,每吨乙烯能耗下降5.6kg标油.每千克标油折合4元人民币,每年470kt乙烯产量,则仅能耗下降一项经济效益为每年1052.8万元.4结论本文开发了裂解炉管平均cot温度先进控制系统,裂解炉各组炉管出口温度平衡控制系统,总进料及总进料流量提/降量控制系统,并结合dcs的特点,设计了可靠的安全运行机制,确保系统的安全,平稳运行.该系统已分别在5台裂解炉上实施应用,通过卡边操作,提高了目标产品的收率和装置的处理能力,降低了燃料消耗,延长了裂解炉运行周期,减轻了操作人员劳动强度,取得了显着的经济效益和社会效益.因此,本文的研究成果是乙烯生产企业实现平稳操作,安全生产,提高产品质量,收率和节能减排的有力武器,可在各类乙烯裂解炉,炼油加热炉上推广应用.referenceseliwangsonghan(王松汉),hexioh(何细藕).ethyleneplantoperationandtechnology(乙烯装置操作和技术)em.beijing:chinapetrochenficalpress,2009:297452wangdaniu(王丹菊),yangwenwu(杨文武).themeasureofconsumptionreducingandenergysavingaboutfuelgassystemofpyrolyzerinmaomingethylenej.guangdongchemicalindustry(广东化工),2009,36(5):195196zhanglijun(张利军).applicationofenergyconservationandemissionreductiontechniquesinethyleneplantsj.sinoglobalenergy(中外能源),2009,14(6):9094xiaoxuejun(肖雪军),hexiou(何细藕).thetechnologyofenergysavinginethylenecrackingfurnacej.petrochemicaltechnology(石油化工),2003,32(3):254-257zangliangyun(臧亮运).newtypetemperaturecontrolofethylenecrackingheatersi-j.shandongscience(山东科学),2004,17(1):7072yushui(于水),mafengbin(马凤斌),libin(李彬).optimizationofcrackingfurnaceoperationtolowerenergyconsumptionofethyleneplantj.eth