先進過程控制系統在乙烯裝置中的應用

寇立鵬

(中沙(天津)石化有限公司設備管理部，天津 300271)

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先進過程控制系統在乙烯裝置中的應用

寇立鵬

(中沙(天津)石化有限公司設備管理部，天津 300271)

摘要：針對乙烯生產過程中存在的裂解深度優化控制問題，采用先進過程控制(APC)系統實現實時控制。通過在線氣相色譜儀系統及在線近紅外分析儀系統對裂解爐氣、液相原料進行檢測；采用在線SPYRO軟件計算裂解深度；利用APC控制器，以裂解爐出口溫度COT作為操作變量實時控制裂解深度，使裂解單元達到最優工作點，并取得良好的經濟效益。

關鍵詞：裂解單元先進過程控制在線氣相色譜儀在線近紅外分析儀

乙烯裝置是石油化工聯合企業中的核心生產裝置[1-2]。優化乙烯裝置的生產，實現裝置的安、穩、長、滿、優運行，是當前的迫切需求。但是，乙烯生產中存在著諸多的瓶頸，包括：

1) 裂解深度無法優化操作，目的產品不能達到最佳收率。

2) 精餾系統難以實現精確控制，無法最大限度地減少乙烯/丙烯損失。

3) 裂解爐及壓縮機組的能耗不能有效降低。

近年來，隨著儀器儀表技術的發展，先進過程控制(APC)技術的出現，使得乙烯生產的優化成為可能。中沙(天津)石化有限公司根據裝置特點，從生產需求出發，將在線分析儀表(在線氣相色譜儀與在線近紅外分析儀)與APC技術緊密結合，在DCS的基礎上，通過改善過程的動態性能、減少過程變量的波動，實現對裂解爐裂解深度的實時控制，達到優化和穩定工藝操作、提升控制和監測水平的目的。同時，根據市場需求，穩定控制乙烯/丙烯收率，實現了裝置的效益最大化。

1裝置簡介

該公司1.0Mt/a乙烯裝置采用某工藝專利技術，以循環乙烷/丙烷、液化石油氣(LPG)、石腦油、加氫尾油等作為原料，生產聚合級乙烯、聚合級丙烯、氫氣、混合C4、粗裂解汽油、裂解柴油、裂解燃料油等主、副產品。

乙烯裝置共有11臺裂解爐，其中包括1臺循環乙烷裂解爐、5臺輕質原料裂解爐(以下簡稱輕油爐)和5臺重質原料裂解爐(以下簡稱重油爐)。

2控制系統現狀

乙烯裝置原采用橫河CS3000系統實現基礎控制，通過PID控制裂解爐出口溫度COT，實現生產的自動化。COT的設定值由操作人員根據生產經驗進行設定，缺乏科學的指導。COT控制追根溯源是裂解深度的控制，在常規儀表以及基礎DCS之下，無法精確實現。因此，該公司于2014年8月實施了APC項目，實現了裂解單元全流程APC控制。

3乙烯裂解先進過程控制系統

乙烯裂解單元APC系統由在線氣相色譜分析系統、在線近紅外分析系統、在線SPYRO軟件(該軟件是用于仿真和模擬乙烯裂解爐的工具，以下簡稱SPYRO)、橫河APC系統組成。

乙烯裂解爐的氣相進料由循環乙烷/丙烷、液化石油氣組成；液相進料由輕石腦油、重石腦油、加氫尾油組成。在線氣相色譜儀用于分析氣相進料的組成；在線近紅外分析儀用于分析輕、重石腦油的性質。兩者的分析結果通過Modbus協議傳輸到DCS，同時，經OPC將DCS獲得的分析結果通過控制器的專用數據通信接口輸入到SPYRO，用于模型計算。SPYRO以在線分析儀的檢測結果、裂解爐的幾何尺寸、裂解爐實時運行工況等參數作為輸入值，預測裂解爐的出口組分。利用裂解爐的出口組分信息，計算氣相爐的轉化率和液相爐的裂解深度。其中，裂解深度以丙烯和乙烯之間的質量比(簡稱“P/E值”)表征。

在APC控制器ExaSMOC中，以裂解深度作為被控變量(CV)，以COT和進料量作為操作變量(MV)，最終實現將裂解深度穩定控制在最優的工作點上，控制邏輯如圖1所示。

圖1　控制邏輯示意

3.1在線氣相色譜分析系統

裂解爐氣相進料以乙烷、丙烷、正/異丁烷作為主要成分，采用橫河GC 8000型在線氣相色譜儀進行檢測。色譜儀采用雙TCD檢測器，通過3組相對獨立的分析氣路，分別對C2及之前的組分、C3組分、C4及以上組分進行測量。

3.2在線近紅外分析儀系統

裂解爐液相進料主要由烯烴、正構烷烴、異構烷烴、環烷烴、芳烴等組成，各組分的質量分數簡稱為PINA值。采用Matrix-F型在線近紅外分析儀對輕、重石腦油進料進行檢測。

近紅外(NIR)光是介于可見光和中紅外光之間的電磁波，近紅外光譜區的波長范圍為700～2500nm。近紅外光譜主要是由分子振動的非諧振性使分子振動從基態向高能級躍遷時產生的[2]。近紅外光譜記錄的主要是含氫基團X-H(X=C，N，O)振動的倍頻和合頻吸收。近紅外光譜可提供豐富的結構和組成信息，非常適合用于碳氫有機物質的組成與性質測量。當建立了光譜與待測參數之間的對應關系(稱為分析模型)后，只要測得試樣的光譜，并通過光譜和分析模型的對照，就能得到所需要的質量分數數據。傅立葉變換近紅外分析儀正是基于上述原理，通過測量干涉圖并經傅立葉積分變換為光譜圖的儀器[3-4]。

石腦油中所含的雜質、氣泡會對近紅外分析儀測量探頭的光學鏡面造成污染，使光學系統的能量下降，并干擾組分的測量，直接影響測量的準確性和穩定性[5]。這些雜質包括： 水、顆粒、管道鐵銹、其他雜質以及試樣流動過程中所產生的氣泡。在進行樣品預處理系統設計時，需要充分考慮上述因素，有效去除尤為重要。在線近紅外分析儀樣品預處理系統如圖2所示。

圖2　在線近紅外預處理系統示意

1) 試樣經自清掃過濾器進行初步的除雜過濾，并使大部分試樣返回工藝低壓點，以減少滯后。

2) 經脫氣閥，并在達到脫氣閥的設定壓力后，將流動過程中產生的氣體自動排出。

3) 經減壓和流量調節后，進行精細過濾。

4) 為防止水分在近紅外分析儀探頭部位聚結，通過PLC控制，每小時對測量探頭進行15s的氮氣吹掃。同時，將吹掃信號發送到DCS，并對該時段數據進行剔除。

5) 測量后的試樣返回工藝低壓點，避免原料浪費和環境污染。

3.3在線SPYRO軟件

SPYRO是用于仿真和模擬裂解爐的軟件。對于氣相進料，SPYRO要求輸入例如氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁烯、丁烷、異丁烷等組成數據。對于液相進料，SPYRO要求輸入石腦油的餾程、PINA值、H/C比、密度等。SPYRO安裝在OPC服務器上，可通過VB，VC，Excel與外部進行數據交互。在APC系統中，橫河提供接口程序，調用動態鏈接庫，實現在線分析儀與SPYRO的數據交換。同時，SPYRO實時采集裂解爐運行數據，預測裂解爐出口的組分，計算并輸出裂解深度值(P/E值，M/P)以及爐管結焦速率等參數[6-7]。

3.4APC系統

APC系統包括16個主控制器、24個子控制器。這種主-從控制器的結構適用于大型裝置的智能控制，方便于各子控制器之間自由傳遞變量。APC系統將SPYRO的輸出數據作為被控變量和約束，將COT和煙道擋板開度作為操作變量，使得裂解單元處于最優操作點。在控制穩定的前提下，APC系統還可根據經濟指標函數(EF)，向C2產率最大、C3產率最大或者處理量最大等優化方向進行調整。

4爐區控制器設計

4.1裂解爐主控制器

針對爐區建立11個主控制器，實現以下控制目標：

1) 優化裂解深度(P/E)。

2) 控制爐管表面溫度(TMT)，減少結焦的生成。

3) 過剩氧質量分數最小化。

4) 穩定操作，提高裝置運行的穩定性。

5) 根據生產要求，將C2或C3產量最大化。

4.2控制性能分析

裂解單元以COT作為操作手段，根據原料的性質以P/E值作為控制目標，實現動態調節。在APC系統投運之前，裂解單元沒有P/E值的相應數據，即沒有參考量的存在，所以每臺裂解爐的COT都是根據經驗值來設定并基本維持不變。即使當P/E值波動很大時，操作人員也無法得知。同時，由于P/E值變化較頻繁，并且裂解爐的數量較多，即使P/E值可以被實時計算，操作人員通常也無法及時對各臺裂解爐的COT進行實時調節。

在主控制器投用后，P/E值得到了有效控制。控制器通過對COT在適合的范圍內進行實時調節，來控制P/E值的變化(最大化乙烯產量時提高COT，最大化丙烯產量時降低COT)，使得裝置可以根據當前的市場來隨時調整產品比例，以提高裝置效益。在APC系統投運后，1，2號裂解爐的乙烷和正丁烷轉化率以及其他裂解爐P/E的標準差均明顯下降。如圖3所示，將APC系統投用前、后的P/E值進行對比，呈現截然不同的狀態，APC系統投用后十分穩定。

圖3　APC系統投用前后P/E值的對比示意

5乙烯全流程先進控制系統效果

乙烯裝置全流程APC系統從設計、投用、試運行到考核完成并正式上線，歷時16個月，技術指標滿足協議中的規定要求，見表1所列。

表1　APC系統考核指標

6結束語

乙烯裝置APC系統實現了對裂解深度的實時閉環優化和精餾系統的精確控制，在提升經濟效益的同時降低了能耗損失。儀表是控制的基礎，作為該系統的重要環節之一，在線分析儀表的穩定運行和準確測量，成為APC系統穩定、長期運行的關鍵因素。

參考文獻:

[1]陳濱，姚伯平，茅文星，等.乙烯工學[M].北京： 化學工業出版社，1997： 1-5.

[2]王松漢.乙烯裝置技術與運行[M].北京： 中國石化出版社，2009.

[3]陸婉珍，袁洪福，褚小立.近紅外光譜儀器[M].北京： 化學工業出版社，2010.

[4]王瑞，徐海燕，邢龍春.乙烯裂解原料在線近紅外光譜分析模型的建立與評價[J].現代化工，2013，33(04)： 136-139.

[5]王謹.在線近紅外分析儀在加氫尾油裂解單元中的應用[J].現代科學儀器,2013(02)： 157-159.

[6]王澤鋒.先進控制技術在乙烯裝置裂解爐上的應用[J].石化技術,2006,13(02)： 41-44.

[7]陳德燁，金宗賢.先進控制技術在燕化乙烯裝置上的應用[J].乙烯工業,2008,20(02)： 34-38.

Application of Advanced Process Control System in Ethylene Installation

Kou Lipeng

(Maintenance Department, SINOPEC SABIC (Tianjin) Petrochemical Co. Ltd, Tianjin, 300271, China)

Abstract：Aiming at the control problem of deep cracking optimization for Ethylene production process, advanced process control (APC)system is adopted to realize real-time control. The gas and liquid phases raw materials are analyzed with on-line gas chromatographic analyzer and on-line near infrared spectrometer. Cracking severity is calculated with on-line SPYRO software. The outlet temperature of COT of cracking oven is used as manipulated variable to control cracking severity with APC as controller to reach optimal working point for the cracking unit with good economic benefit.

Key words:cracking unit; advanced process control; on-line gas chromatographic analyzer; on-line near infrared spectrometer

作者簡介：寇立鵬(1972—)，男，天津人，1993年畢業于天津理工學院(現天津理工大學)自動化儀表專業，現就職于中沙(天津)石化有限公司設備管理部，從事儀表管理工作。

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0069-04

稿件收到日期： 2016-03-03。