乙烯装置先进控制系统(APC)调研报告

乙烯装置先进控制系统（APC）调研报告1A公司乙烯装置概况A公司乙烯装置改造后，现有两个裂解炉区、两个急冷系统、两个裂解气压缩系统，两股裂解气经混合干燥后，进入一个顺序分离系统。装置主要产品有乙烯、丙烯、C4馏份等，同时副产氢气、甲烷、轻重燃料油、裂解汽油等。2A公司乙烯装置APC构成2.1系统硬件构成先进控制技术是以DCS系统为基础的，AspenTech的APC软件都要求在上位机系统实现。A公司乙烯装置先进控制硬件采用三台上位机系统，均为运行WindowsNT4.0操作系统的DELL服务器，装置DCS系统为YOKOGAWA的CS/CS3000，两系统采用AspenTech开发的通讯接口软件Cimio以Client/Server结构双向通讯。三台服务器各有分工，LJDMC运行DMCplus，LJWEB运行Infoplus.21和SPYRO，LJDMCWATCH运行AspenWatch。三台服务器采用TCP/IP协议相互连网，实现APC的各功能。APC控制系统硬件构成简图如图1。2.2DMC控制器及CLP结构图项目采用了DMCPlus多变量预估控制技术和CLP复合线性规划技术。DMCPlus及CLP控制器框架结构如图2所示。整个乙烯装置总计开发23个主控制器、18个子控制器和2个CLP控制器。具体控制器如下：老区裂解炉控制器：每台裂解炉采用1个DMCPlus控制器，共11个控制器。IP.21ServerIP.21ServerServerName:LJWEBSpyroDongleattachedhere.IPAddress:172.16.17.20Functions:IP.21,SpyroforAPC,ProductionControlWebServer,LocalSecurityServerDMCplusServerServerName:LJDMCAspenDongleattachedhereIPAddress:172.16.17.18Functions:DMCplusOnlineandDMCplusDesktop,LicenseManagerAspenWatchServerServerName:LJDMCWatchIPAddress:172.16.17.19Functions:AspenWatchServerOPCServerOneServerName:STN0250连接老区裂解炉DCSOPCServerTwoServerName:STN0132连接分离系统DCSCIMIOOPCServer3ServerName:STN0132连接新区裂解炉及急冷压缩系统DCS图1APC控制系统硬件构成简图老区裂解老区裂解炉控制器DMCPlus老区急冷控制器DMCPlus老区压缩控制器DMCPlus冷区控制器DMCPlus乙烯塔温度控制器DMCPlus脱丙烷塔控制器DMCPlus丙烯精馏塔控制器DMCPlus新区裂解炉控制器DMCPlus新区急冷控制器DMCPlus新区压缩控制器DMCPlus老区裂解炉进料最大化DMCPlusCLP新区裂解炉进料最大化DMCPlusCLP乙烯装置图2DMCPlus控制器和CLP结构图老区急冷控制器：采用1个DMCPlus控制器，包括汽油分馏塔和急冷水塔2个子控制器。老区压缩控制器：采用1个DMCPlus控制器。脱丙烷塔控制器：采用1个DMCPlus控制器，包括高、低压脱丙烷塔2个子控制器。丙烯精馏塔控制器：采用1个DMCPlus控制器，包括新、老丙烯塔2个子控制器。乙烯塔温度控制器：采用1个DMCPlus控制器，包括新、老乙烯塔2个子控制器。冷区控制器：采用1个DMCPlus控制器，包括：物料平衡、脱甲烷塔、2个脱乙烷塔、2个乙烯精馏塔、2个丙烯制冷压缩机等8个子控制器。新区裂解炉控制器：每台裂解炉采用1个DMCPlus控制器，共４个控制器。新区急冷控制器：采用1个DMCPlus控制器，包括汽油分馏塔和急冷水塔2个子控制器。新区压缩控制器：采用1个DMCPlus控制器。老区裂解炉进料最大化控制器：采用1个CLP控制器。新区裂解炉进料最大化控制器：采用1个CLP控制器。该先进控制系统与Technip的裂解炉深度计算软件（SPYRO）相连接，SPRYO实时计算裂解深度作为裂解炉DMCPlus控制器的输入。结构图如图3和图4所示。装置安装了石脑油原料的近红外在线分析仪NIR。NIR能够实时分析原料性质的变化，比常规的手工分析来得更及时，这为先进控制提供了有效的原料性质信息。NIR给出的是原料的ASTM馏程分析、密度、族组成等信息，而裂解深度计算的SAPC程序需要的原料性质输入是细分到128种纯组分的组成数据。为此，开发了一个接口程序，把NIR给出的ASTM馏程分析、密度、族组成等信息转换为细分到128种纯组分的组成数据，这样，从NIR到SAPC再到DMCPlus控制器就成为一个闭环控制的集成体。NIR,SpyroforAPC和DMCPlus系统结构如图5所示。图3裂解炉先进控制SpyroforAPCDCSSpyroforAPCDCS裂解炉DMCPlus控制器裂解深度和TMT裂解炉工艺操作条件裂解炉炉型尺寸、原料性质和模型参数裂解炉COT设定和进料量设定AspenIP.21DatabaseAspenIP.21Database&AspenCalcDCSSpyroforAPCSAPC.DLLfromTechnipAspenCIM-IOAspenSqlQueries&DatabaseConfiguration图4SpyroforAPC结构图石脑油石脑油NIRASTM,DensityPINAandetc.原料细化到128种纯组分的组成SAPCSeverityCalculation裂解炉几何尺寸数据裂解炉操作条件数据裂解炉M/P裂解深度计算SAPC程序DMCPlus裂解炉多变量控制器HGO/HVGO分析数据手动录入FeedCharacterization原料特性化接口程序图5NIR，SpyroforAPC和DMCPlus结构图2.3与其它系统的关联该先进控制系统还具备与实时优化系统相连接的能力。实时优化系统计算出装置的稳态优化目标值并实时传送到先进控制系统，先进控制系统通过多变量预估控制DMCPlus把工艺操作点推向实时优化系统计算出的优化操作点。 该先进控制系统还与DCS集散控制系统相联，先进控制的输入源和输出源都是DCS。在该项目中，有三种不同版本的横河DCS与先进控制系统相联。系统结构如图6所示。YokogawaCS3000YokogawaCS3000老区裂解炉区YokogawaCS老区裂解炉区YokogawaCS3000新区YokogawaXL压缩分离区YokogawaExaOPC1#AspenCIM-IOforOPCInterfaceYokogawaExaOPC2#YokogawaExaOPC3#乙烯装置网络转换器DMCPlusandCLP图6DCS和APC系统结构图3A公司乙烯APC总体运行情况老区裂解炉DMCPlus控制器于2004年8月实现在线投运，其它DMCPlus控制器和CLP应用也都在2007年5月至9月间陆续投用。现系统运行正常，控制器投用率较高，目前只有裂解炉深度计算软件SPYRO根据在线裂解原料分析数据实时计算裂解深度，作为裂解炉DMCPlus控制器的输入来控制裂解炉COT这一系统未投用（现依据不定期的原料的人工分析数据，输入SPYRO软件，计算出合适的COT后，人工调整裂解炉的COT控制范围。），其余所有控制器全部投用，只有在仪表出现故障时，才将单个控制回路摘除。4对于我公司乙烯装置采用APC的几点认识先控项目的前提条件是相关仪表保持好用且有足够的精度，自控率100%，否则阶跃测试做不下去。为此，燕山项目利用了两次检修机会更新和新增加了大量的与先控相关的仪表：流量计、调节阀、在线分析仪表等。4.1通过此次在A公司乙烯装置对APC的调研，我们认识到乙烯装置全流程的先进控制在线应用，可以加深操作人员对工艺过程的认识，提高操作人员的技术水平，降低操作人员的劳动强度，减少人为的操作失误和生产过程上下游的相互干扰，实现卡边操作，提高产品产量，能够取得显著的经济效益。同时CLP的实施实现了裂解炉负荷的智能分配，在提高装置的处理能力的基础上，延长了裂解炉的运行周期。实施全装置先进控制，不仅大大提高了装置运行的平稳度，有利于装置长周期运行，而且提升了装置的运行水平和企业的市场竞争力。因此，在我装置采用APC是十分必要的。4.2在我装置采用APC先进控制必须确保所有仪表准确好用，自控率100%，而我装置目前仪表存在很多问题，准确地讲，自控率应该不超过80%。裂解炉系统要将单组进料流量表全部更换为质量流量计（目前我装置15台裂解炉，只有14#、15#、16#炉的液体原料和11#炉的气体原料是质量流量计）；增加原料在线近红外分析仪；保证裂解炉出口裂解气组成在线分析仪的数据可靠；增加分离系统各塔系塔顶、塔釜在线分析仪表（燕山乙烯的脱甲烷塔、脱乙烷塔、脱丙烷塔、乙烯精馏塔、丙烯精馏塔均有塔顶、塔釜在线分析仪表，而我装置乙烯精馏塔和丙烯精馏塔只有塔顶在线分析仪表，其余各塔系均无在线分析仪表）。4.3由于APC是DCS控制上层的高级控制，它的作用需要通过DCS控制来实现，因而要求装置的常规控制回路必须能够投自动/串级，这对装置的仪表自动投用率要求很高。另外，在线分析仪表是否好用对APC的运行也有很大的影响。因此，我们必须有更高的装置仪表维护水平。4.4由于乙烯装置是一个非常大的先进控制应用环境，工艺流程复杂，控制器个数多，规模大，要保持控制器能够长期高效地发挥作用，工艺人员对APC的理解非常重要，搞好培训，确保控制器的投用率是将先进控制维护好的关键。4.5建议一旦我装置实施先控项目，必须要有专人长期负责APC，加强系统日常维护，适时修改控制器的模型或控制参数，使AP