先進控制與實時優化技術在乙烯裂解爐上的應用

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業的大力投入和相關技術的突破，我國乙烯工業取得了較快的發展，但是在一些領域和國外發達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，我國乙烯工業在先進控制技術和實時優化技術方面研究不足是造成這種差距的又一主要原因。在我國乙烯工業發展過程中，先后經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水平有了顯著的提高。但是在實際應用過程中，集散控制系統只是在改善生產穩定性和可靠性方面取得了成效，很大一部分生產潛能仍然未能被發掘出來。因此為了進一步挖掘生產潛能、改善系統控制性能、提高經濟效益，研究和應用新一代的控制和優化系統已經成為了我國乙烯生產行業亟待解決的緊迫問題。

1 乙烯工業的發展現狀

為了提高我國乙烯工業發展水平、縮小和國外發達國家的差距，我國的許多乙烯生產企業都在乙烯生產過程中引入了一些國外的先進控制和優化軟件，但是由于價格和成本高居不下難以大規模使用，因此這些控制和優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，國內相關人員在優化乙烯裂解爐的操作、系統性能方面進行了大量的有益嘗試，因為技術條件的限制，這些嘗試大都停留在實現生產平穩性、提高儀表控制水平等方面，在一些制約生產和發展的關鍵領域比如裂解爐裂解深度實時控制方面至今仍然存在技術空白。

近年來，國內很多研究機夠和科研院校都在該方面做了大量的技術工作，其中北京化工研究院對乙烯裂解模型進行了長期的研究，在此基礎上開發出了多種適合不同使用環境和使用要求的數學模型。同時對裂解爐的收率預測、操作流程、工藝條件等一些列問題進行了優化研究，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化技術還處在一個研究起步的相對落后階段，與國外發達國家還存在著巨大的技術差距，未來這一方面將成為我國石油化工領域的研究熱點。

2 先進控制技術概述和應用

2.1 先進控制技術概述

先進控制技術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、模型預測控制、非線性控制三大類，其中應用最廣泛、最成功的是模型預測控制技術。這種先進的控制技術在很多方面都有著優良的使用性能，傳統的單回路控制只能對單變量進行有限的檢測和控制，因此不適合應用在很多具有綜合變量的生產過程當中。然而模型預測控制因其高穩定的多變量控制、抗干擾能力強等特點廣泛的應用在乙烯生產過程中的裂解爐控制之中。

2.2 先進控制技術的應用

以模型預測控制為核心APC技術廣泛的應用于石油化工行業，尤其是在乙烯裂解爐上的應用。作為一項過程控制技術，為了能夠將其應用于流程工業之中，相關工程技術人員就必須具備相關的工藝和流程知識。這種先進控制技術是一種綜合性的技術，在其設計理念和結構框架中常常包含著控制理論和工藝技術，因此這就決定了先進控制技術的技術要求、應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，目前先進控制技術（APC）在石油化工領域被廣泛的應用，其中在乙烯裂解裝置中的應用有著重要的意義。

2.3 控制方案原理

DMCplus是一種功能強大，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過程中的生產潛能。因為DMCplus可以實時的調整控制回路的調諧，所以可以不受約束的控制乙烯裂解爐中的各種技術參數和變量。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時間的系統變量進行邏輯計算和相關處理,其原理如圖1所示。

圖1 控制器原理圖

3 實時優化技術概述和實施流程及方法

3.1 概述

實時優化技術的實施包括以開環指導為基礎的在線優化和以閉環指導為基礎的在線優化兩種情況。這兩種優化技術方案均以從DCS采集的的現場數據為控制參數，運用相同的優化算法通過計算求得最優的參數設定點。但開環指導僅給工工程師提供參考，優化結果人為決定是否投用為相應的設定點；而閉環和開環相反，是通過系統自動判斷是否把求得的結果作為設定點自動投入控制回路。總而言之，開環優化與閉環優化的不同僅僅在于控制點投用方面。裂解爐實時優化技術的實施必須有可靠的測量儀表、可靠地常規控制系統、可靠地先進控制技術和優化模型，整個系統是一個高度集成的軟硬件體系。其系統結構圖如圖2所示：

圖2 實時優化系統結構圖

3.2 實施流程及方法

裂解爐實時優化的目標是利用相關的程序和算法進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利潤，挖掘潛在乙烯收率。

乙烯裂解爐生產乙烯的關鍵控制參數是COT和氣烴比，這兩個參數和裂解反應深度密切相關。國內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，將裂解深度設定點通過優化求解，從而形成優化深度控制，即通過裂解爐模擬模型和實時優化算法相結合，在線實時給出優化深度設定點，最終就可以實現裂解爐的RTO過程。

圖3 實時優化基本流程圖

4 結語

本文通過對課題研究的目的、意義，國內的發展現狀進行了詳細闡述，并在此基礎上對先進控制技術和實時優化技術的概念和實施的辦法和方案進行了闡述，先進控制技術和實時優化技術在裂解爐上的研究和應用對促進我國相關控制和優化技術的發展和我國乙烯工業發展有著重要的意義。

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