先进控制技术在乙烯装置上的应用

先进控制技术在乙烯装置上的应用陈俊宇（福建联合石油化工有限公司，福建泉州362800）The Applicat ion of Advanced Process Cont rol Technology in t he Et hyleneCracking unitChen jun yu(Fujian Refinery and Ethylene Project,QuanZhou,Fujian362800)摘要：某公司乙烯装置在现有DCS平台基础上，利用SPY⁃RO模型进行裂解深度优化控制，开发了以profit®Controller 鲁棒多变量预估技术为主的先进控制系统及性能监控应用，该系统投用后，装置操作波动减小，乙烯、丙烯产品收率提高，装置经济效益显著提高。

本文结合该项目实施及应用情况进行分析。

关键词：乙烯；先进控制；裂解深度优化；性能监控Abstract：Based on the existing DCS platform,Ethylene plant of a company used the SPYRO model to optimize the crack⁃ing severity control,and developed the advanced control system based on the profit Controller robust multivariable prediction tech⁃nology and performance monitoring application.After the system was put into use,The operation fluctuation of the unit is reduced, the yield of ethylene and propylene products is increased,and the economic benefit of the unit is improved significantly.This paper analyzes the implementation and application of the project.Key words：Ethylene APC Cracking severity optimization Performance monitor目前，国外大型的石油化工企业正越来越深入地利用信息技术解决生产实际问题，一些成熟的软件和硬件技术已经为企业经济效益的提升提供了潜力巨大的、空间广阔的平台，成为企业技术应用中投入较少、增效较快的措施。

乙烯是石化产品中最为重要的中间产品，从乙烯生产中不断挖潜增效的能力成为企业竞争力的重要体现。

[1-4]作为一项操作控制优化技术，先进控制可通过减少关键变量的波动幅度，改善工业生产过程动态品质、使其更接近于理想目标值，从而实现提高装置控制约束下的加工负荷，降低燃料消耗，进一步提高装置运行的平稳性，提高目标产品收率，最大化装置经济效益的目的[5]。

为优化运行，国内某公司乙烯装置采用霍尼韦尔profit®Controller鲁棒多变量预估技术进行先进控制开发，本文围绕该项目实施及应用效果开展分析。

1乙烯装置概况装置原设计年产80万吨，采用美国鲁姆斯公司的专利技术，裂解单元采用SINOPEC/ABB LUMMUS联合开发的SL型裂解炉，分离单元采用深冷顺序流程，经2013年装置扩能改造，实现年产99万吨聚合级乙烯，54.3万吨聚合级丙烯的规模。

装置利用直馏轻石脑油和直馏重石脑油、加氢裂化尾油+轻石脑油、炼厂液化气、来自于芳烃抽提装置的C6提余油、干气回收装置来的饱和干气、循环乙烷、循环丙烷等原料，通过高温裂解、急冷压缩、深冷分离产出聚合级乙烯和聚合级丙烯、混合C4产品、甲烷、高纯H2、粗裂解汽油、裂解柴油和裂解燃料油等。

该装置采用艾默生公司的DeltaV集散控制系统(DCS)，控制方案以单回路和串级回路PID控制为主，控制仪表情况良好，具备了应用APC的条件。

在日常操作中，该装置存在以下几个方面控制约束：裂解炉生产过程具有原料类型种类繁多、进料性质变化大、进料类型切换频繁以及同一台裂解炉加工多种原料的特点；裂解炉烟气氧含量、炉膛负压波动较大，频繁调整造成操作人员劳动强度较大；日常C2、C3生产操作中面临产品质量控制不稳的问题，有时质量过剩太多，有时塔底循环丙烷中丙烯含量过高，存在过加氢现象；分离单元原有控制方案较简单，扰动因素多，导致塔顶塔釜存在乙烯、丙烯损失。

2先进控制技术及系统构成本装置先进控制（简称APC）实施采用霍尼韦尔Profit Suite系列软件，充分融合工艺技术人员及操作人员的实践经验，以Spyro裂解深度计算及其它辅助计算作为补充，安装CPM-APC 性能监控，以保障APC的长周期运行。

为使得APC系统的完整性及各单元操作的相对独立性，Profit®Controller控制器按以下工艺设备/单元进行设计：·10台裂解炉·汽油分馏塔/急冷水塔·裂解气压缩机/凝液汽提塔/汽油汽提塔·冷箱/脱甲烷塔·乙炔转化器·脱乙烷塔·乙烯精馏塔·脱丙烷塔·MAPD转化器·丙烯精馏塔·脱丁烷塔·丙烯制冷系统Profit®Controller控制器内部包含了一个可根据实际工况定义的目标函数，通过对其进行组态实现操作优化。

目标函数为被控变量（CV）和操纵变量（MV）提供了优化目标和方向，从而实现在满足操作约束的前提下将整个装置操作优化推向最为经济的区域。

APC系统主要由软件和硬件两部分构成，结构采取上位机方式，通过OPC节点与DCS进行实时数据交换，调整DCS上的常规PID控制回路设定值SP或输出值OUT来实现APC控制功能。

2.1系统软件构成Profit®Controller：该软件基于鲁棒性多变量预估控制技术(RMPCT),为存在交互作用的工业装置提供先进控制和优化功能，提高控制器鲁棒性和优化算法的性能，使复杂的工艺过程运行平稳，从而使过程接近其最佳操作点。

在线SPYRO：Technip公司用于裂解炉运行仿真的软件，其中在线SPYRO是SPYRO的在线版本，通过相应的输入参数：如原料性质(包括POINA值、恩式蒸馏指标和比重)、进料流量、CIT、COT、COP和稀释蒸汽比等，计算输出诸如：裂解深度、裂解炉吸收热量、炉管压降、最大TMT和结焦率分布等不可测的工艺参数，用于乙烯装置的裂解炉在线控制及实时优化。

CPM-APC：用于APC控制性能监视的软件，可用于持续监视和评估先进过程控制（APC）的控制效果，从而使维护人员对CV和MV的性能进行跟踪。

2.2系统硬件构成装置先进控制采用3台DELL服务器作为上位机系统，运行Windows2008操作系统，采用霍尼韦尔开发的通讯接口软件Bridge实现与DCS的双向通讯。

3台服务器各有分工，S50APC⁃CR201用于裂解炉APC服务器和SPYRO软件，S50APCCR202用于分离APC服务器，S50APCCR203用于CPM-APC服务器．服务器间采用TCP／IP协议相互连网。

APC系统硬件配置拓扑结构如图1所示。

3控制方案设计根据装置的运行约束情况及控制的目标，共设计23个控制器，其中裂解炉包含10个控制器，急冷分离包含13个控制器。

各控制器组成及目标如下：裂解炉10个控制器共329个CV，64个MV，控制目标包括：最大化裂解炉处理能力；保持优化的裂解深度；优化烟气氧含量，降低燃料气消耗；维持裂解炉运行周期；维持燃料气底部和侧壁热负荷的分配；保持裂解炉在工艺和设备约束下运行。

汽油分馏塔控制器共3个CV，2个MV，控制目标包括：稳定汽油分馏塔操作；在保证急冷油黏度的前提下，实现能量回收利用的最大化。

急冷水塔控制器共3个CV，2个MV，控制目标包括：稳定急冷水塔操作，减少急冷水塔顶温度波动对后续压缩工序的影响；优化急冷水循环，满足各等级温度急冷水用户热量需求。

图1APC系统硬件配置示意汽油、凝液汽提塔控制器共3个CV ，2个MV ，控制目标包括：稳定汽油、凝油汽提塔塔釜温度，优化塔釜组分控制。

新老冷箱负荷分配控制器共4个CV ，3个MV ，控制目标包括：稳定新老冷箱操作；优化新老冷箱负荷分配，最大冷量回收。

脱甲烷塔控制器共7个CV ，4个MV ，控制目标包括：稳定脱甲烷系统操作；优化脱甲烷塔产品质量控制，减少C2损失。

脱乙烷塔控制器共10个CV ，4个MV ，控制目标包括：稳定脱乙烷系统操作；优化脱乙烷塔产品质量控制，减少C2损失。

乙炔加氢反应器控制器（A/B ）每个反应器6个CV ，6个MV ，控制目标包括：稳定C2加氢系统操作，优化C2加氢反应选择性。

乙烯精馏塔控制器共6个CV ，4个MV ，控制目标包括：乙烯产品中乙烷含量优化控制；循环乙烷中乙烯含量优化控制；丙烯冷剂用户最大阀位控制。

脱丙烷塔控制器共9个CV ，6个MV ，控制目标包括：高压脱丙烷塔顶各C4组成含量控制和优化；高压脱丙烷塔顶馏出MAPD 含量控制和优化；高压脱丙烷塔底MAPD 含量控制；低压脱丙烷塔顶MAPD 含量控制；低压脱丙烷塔底各C3组成含量控制；最小回流量优化控制。

MAPD 加氢反应器控制器共2个CV ，3个MV ，控制目标包括：稳定MAPD 加氢反应器操作；优化MAPD 加氢反应器转化率控制。

丙烯精馏塔控制器共5个CV ，4个MV ，控制目标包括：稳定丙烯精馏塔操作；丙烯产品质量控制和优化。

脱丁烷塔控制器共5个CV ，2个MV ，控制目标包括：稳定脱丁烷塔操作；脱丁烷塔产品质量控制和优化。

4运行效果分析经过数据采集、功能设计、组态调试、测试运行等阶段，乙烯APC 项目于2018年1月全部实施完成，并正式上线投用。

以下选用APC 投用前后装置运行情况进行分析。

4.1丙烯、乙烯收率提高乙烯在线SPYRO 模型中包含进料特性化（USRWFC ）和裂解炉裂解模型（SAPC ）两部分，与裂解炉控制器相连接，并对控制器中关键模型进行实时增益更新（Gain Update ），实现乙烯收率、双烯收率等优化模式。

通过调节裂解炉出口温度（COT ）进行裂解深度优化控制，调节裂解气中丙烯/乙烯组成比。

以8号裂解炉为例，APC 投用前后运行情况见图2。

图28号裂解炉COT 及PE 比变化趋势由图中看出，在APC 投用前，COT 及PE 比稳定在一定区间运行，APC 投用后，实现裂解深度的优化控制，根据乙烯原料及裂解炉运行情况计算出适宜的COT ，及时自动调整操作，以取得较好的丙烯和乙烯收率。