支路平衡系統(tǒng)在烷基化反應(yīng)器中的應(yīng)用

劉炳杰 樓伯華 江鳳月 鄒雄飛

(1.浙江中控軟件技術(shù)有限公司；2.寧波鎮(zhèn)海煉化利安德化學(xué)有限公司)

支路平衡系統(tǒng)在烷基化反應(yīng)器中的應(yīng)用

劉炳杰1樓伯華2江鳳月1鄒雄飛1

(1.浙江中控軟件技術(shù)有限公司；2.寧波鎮(zhèn)海煉化利安德化學(xué)有限公司)

利用浙江某公司先進(jìn)控制平臺(tái)APC-iSYS為烷基化反應(yīng)器設(shè)計(jì)支路平衡優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定控制、優(yōu)化工況，并降低了反應(yīng)床層溫升的偏差，從而提高了能量利用率和目標(biāo)產(chǎn)品收率。

支路平衡 APC-iSYS 工況優(yōu)化

在工藝裝置設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)特定的生產(chǎn)需求，使裝置產(chǎn)能、節(jié)能降耗等最大化，會(huì)對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性特殊設(shè)計(jì)，其中物料多支路控制方式是在煉油、石化行業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)中較常見的特定設(shè)計(jì)。比如在煉油行業(yè)常減壓裝置原油換熱多支路進(jìn)料設(shè)計(jì)、石化行業(yè)芳烴聯(lián)合裝置精餾塔系再沸加熱爐多支路進(jìn)料設(shè)計(jì)及苯乙烯裝置烷基化反應(yīng)器多床層進(jìn)料設(shè)計(jì)等。但在常規(guī)生產(chǎn)操作過程中，操作人員對(duì)于多支路操作調(diào)節(jié)存在較大困難，一是多支路增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，二是各支路的調(diào)節(jié)情況會(huì)相互影響、相互耦合，所以一般操作人員的操作方法有兩種，一種是在集散控制系統(tǒng)操作畫面中設(shè)計(jì)邏輯控制模塊，增加一獨(dú)立回路位號(hào)，該位號(hào)值將直接分別寫入各支路設(shè)定值中，即各支路等幅均值操作；另外一種是固定某幾個(gè)支路的設(shè)定值，在日常生產(chǎn)操作中，只調(diào)節(jié)一個(gè)或兩個(gè)支路設(shè)定值，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化生產(chǎn)操作。但以上兩種方式都與設(shè)備和工藝設(shè)計(jì)最初的理念相違背，限制了各設(shè)備生產(chǎn)能力的發(fā)揮，使裝置生產(chǎn)處于不優(yōu)化、不經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。基于此，支路平衡系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用就非常必要，通過該系統(tǒng)的實(shí)施，優(yōu)化各支路流量分配，實(shí)現(xiàn)支路溫差最小或反應(yīng)床層溫升偏差最小，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)工況的目的。對(duì)于支路平衡的優(yōu)化控制策略，已有較多的研究，如預(yù)測(cè)函數(shù)控制[1,2]、自適應(yīng)控制及多偏差動(dòng)法[3]等，各方法各有利弊，都在一定程度上利用不同的控制策略實(shí)現(xiàn)多支路的控制優(yōu)化問題，筆者在多偏差動(dòng)法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改造策略，將它推廣應(yīng)用于多床層反應(yīng)器的優(yōu)化控制中。

1 優(yōu)化需求

在不同行業(yè)、不同裝置中，多支路設(shè)計(jì)的目的和操作方法不同，如煉油行業(yè)常減壓裝置中的原油脫前換熱和脫后換熱網(wǎng)絡(luò)[4]，其支路平衡系統(tǒng)控制需求包括初餾塔塔釜液位的穩(wěn)定控制、原油進(jìn)料總量的自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制、支路換熱后溫度平衡控制及電脫鹽系統(tǒng)壓力穩(wěn)定控制等。

在化工行業(yè)的烷基化反應(yīng)器中，乙烯和苯發(fā)生烷基化反應(yīng)生成乙苯。為保證該反應(yīng)的高轉(zhuǎn)化率，烷基化反應(yīng)器設(shè)計(jì)了多個(gè)反應(yīng)床層串聯(lián)操作(圖1)，操作方法要求如下：

a. 乙烯進(jìn)料總量FIA自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制；

b. 各個(gè)床層溫升平衡控制；

c. 進(jìn)料苯烯比穩(wěn)定控制。

圖1 烷基化反應(yīng)器多反應(yīng)床層示意圖

2 優(yōu)化策略

乙烯進(jìn)料總量FIA調(diào)節(jié)。在生產(chǎn)操作中，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器4個(gè)乙烯進(jìn)料支路流量FC1、FC2、FC3和FC4的設(shè)定值實(shí)現(xiàn)乙烯進(jìn)料總量FIA的穩(wěn)定控制，即使FIA測(cè)量值穩(wěn)定在其優(yōu)化設(shè)定值附近。該調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)策略根據(jù)工藝生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需求不同，可以分為等比例調(diào)節(jié)和等步幅調(diào)節(jié)，在此介紹等步幅調(diào)節(jié)的控制策略計(jì)算步驟：

a. 計(jì)算乙烯進(jìn)料總量目標(biāo)設(shè)定值與實(shí)時(shí)測(cè)量值之差ΔFIA；

b. 設(shè)定消除ΔFIA計(jì)劃所需時(shí)間tΔFIA， min；

c. 計(jì)算消除ΔFIA計(jì)劃所需周期數(shù)，NCYC=tΔFIA/tCYC,其中tCYC為支路平衡系統(tǒng)執(zhí)行周期，min；

d. 計(jì)算每個(gè)周期所需消除的偏差幅度，dΔFIA=ΔFIA/NCYC。

床層溫升補(bǔ)償調(diào)節(jié)。具體步驟為：

a. 計(jì)算各床層溫升ΔT21=T2-T1,ΔT32=T3-T2,ΔT54=T5-T4,ΔT65=T6-T5；

b. 各床層溫升從低到高排序；

c. 設(shè)定偏差分布補(bǔ)償系數(shù)pΔT；

d. 計(jì)算最高溫升床層進(jìn)料支路和最低溫升床層進(jìn)料支路補(bǔ)償流量±pΔT×(FC1+FC2+FC3+FC4)；

e. 計(jì)算各床層進(jìn)料支路流量輸出值。

苯烯比跟蹤調(diào)節(jié)。首先設(shè)定最優(yōu)的苯烯比目標(biāo)設(shè)定值；然后利用反應(yīng)乙烯總進(jìn)料測(cè)量值、苯烯比目標(biāo)設(shè)定值推算苯進(jìn)料流量設(shè)定值。

3 生產(chǎn)應(yīng)用

烷基化反應(yīng)器支路平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用的開發(fā)工具為浙江某公司自主研發(fā)的先進(jìn)控制平臺(tái)APC-iSYS3.0。該平臺(tái)通過OPC服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)集散控制系統(tǒng)DCS進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互，集成了數(shù)據(jù)讀寫、存儲(chǔ)、查看及腳本程序設(shè)計(jì)等功能，滿足烷基化反應(yīng)器支路平衡控制優(yōu)化的開發(fā)需要。圖2為優(yōu)化控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)框圖。

圖2 優(yōu)化平衡系統(tǒng)程序框圖

為了提高先進(jìn)控制平臺(tái)腳本模塊的應(yīng)用性能和功能，在腳本程序設(shè)計(jì)中除了兼容了VB Script編譯語言的語法功能，如數(shù)組設(shè)計(jì)、循環(huán)設(shè)計(jì)等，還自主研發(fā)設(shè)計(jì)了很多對(duì)于變量處理便利使用的數(shù)據(jù)處理和位號(hào)處理函數(shù),并且，腳本模塊支持自定義函數(shù)功能，如本程序中涉及到的幾項(xiàng)數(shù)據(jù)處理功能：床層平均值處理，Algorithem.TagAVG(Tag,Begin_Time,Period_Time)；床層溫升排序處理，Algorithem.Sort(Tag1,Tag2,Tag3,Tag4)。同時(shí)，在平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用中，必須充分考慮生產(chǎn)安全，這是平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用推廣過程中首要考慮的問題。基于此，對(duì)平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)要求：

a. 需要設(shè)計(jì)各支路可根據(jù)生產(chǎn)需要安全投入和切除的平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)邏輯程序；

b. 平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)能夠根據(jù)投入和切除平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)的支路數(shù)量，計(jì)算各支路偏差分配；

c. 一般反應(yīng)器在同一床層不同位置都設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，為了保證對(duì)某床層溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，必須設(shè)計(jì)各測(cè)溫點(diǎn)溫度準(zhǔn)確性判斷程序，并利用經(jīng)考核后的測(cè)溫點(diǎn)取平均，所得溫度平均值作為該床層反應(yīng)溫度，進(jìn)行床層溫升計(jì)算；

d. 乙烯支路、苯進(jìn)料優(yōu)化空間約束設(shè)定，包括優(yōu)化調(diào)節(jié)上限、下限，優(yōu)化單周期最大調(diào)節(jié)步幅，反應(yīng)器聯(lián)鎖保護(hù)等邏輯程序設(shè)計(jì)。

以下給出部分程序示例。

床層溫升計(jì)算函數(shù)：

Function TempAVG_RtBed(TA,TB,TC,DTAB,DTAC,DTBC,DT,TM,F1_SW,F2_SW)

If DTAB.Value>DT And DTAC.Value>DT And DTBC.Value>DT Then

F1_SW.Value=0

F2_SW.Value=0

TM.Value=TA.Value

ElseIf DTAB.Value>DT And DTAC.Value>DT And DTBC.Value<=DT Then

TM.Value=(TB.Value+TC.Value)/2

ElseIf DTAB.Value>DT And DTAC.Value<=DT And DTBC.Value>DT Then

TM.Value=(TA.Value+TC.Value)/2

ElseIf DTAB.Value<=DT And DTAC.Value>DT And DTBC.Value>DT Then

TM.Value=(TA.Value+TB.Value)/2

Else

TM.Value=(TA.Value+TB.Value+TC.Value)/3

End If

End Function

床層溫升排序和支路流量對(duì)應(yīng)排序、平衡量計(jì)算:

ArrayBrFSW=Array(FC1_SW,FC2_SW,FC3_SW,FC4_SW)

ArrayRtDT=Array(ΔT21,ΔT32,ΔT54,ΔT65)

ArrayRtDTNo=Array(1,2,3,4)

……

FINAL_DT=0.15

IF No_MV_ON>0 THEN

ArrayRtDTONST=Algorithm.SORT(ArrayRtDTON,1)

No_DT_TMAX=ArrayRtDTONST(No_MV_ON-1).OriginalIndex

No_DT_TMIN=ArrayRtDTONST(0).OriginalIndex

VAL_CV_TMAX.VALUE=ArrayRtDTONST(No_MV_ON-1).value

VAL_CV_TMIN.VALUE=ArrayRtDTONST(0).value

NO_MV_TMAX.Value=ArrayRtDTNoON(No_DT_TMAX)

NO_MV_TMIN.Value=ArrayRtDTNoON(No_DT_TMIN)

If Abs(VAL_CV_TMAX.Value-VAL_CV_TMIN.Value)>=FINAL_DT Then

P_FCAL_TMXMN.Value=0.000115

Else

P_FCAL_TMXMN.Value=0

End If

ELSE

No_MV_TMAX.Value=0

No_MV_TMIN.Value=0

VAL_CV_TMAX.VALUE=20

VAL_CV_TMIN.VALUE=20

END IF

處理量分步調(diào)節(jié)：

……

FIA_RTDISF.VALUE=FIA_SV.VALUE-FIA_PV.VALUE

IF FIA_EXE.VALUE=0 THEN

IF ABS(FIA_RTDISF.VALUE)>0.02 THEN

FIA_ONECYC.VALUE=FIA_TOL.VALUE+FIA_RT.VALUE

ELSE

FIA_ONECYC.VALUE=FIA_TOL.VALUE

END IF

FIA_TOL_EXE.VALUE=FIA_EXENUM.VALUE

ELSE

FIA_ONECYC.VALUE=FIA_TOL.VALUE

CALL FIA_ONECYC.WRITE

END IF

ELSE

FIA_SV.VALUE=FIA_PV.VALUE

FIA_ONECYC.VALUE=FIA_TOL.VALUE

FIA_TOL_EXE.VALUE=0

FIA_DISF.VALUE=0

FIA_RTCAL.VALUE=0

FIA_RT.VALUE=0

FIA_DISFEXE.VALUE=FIA_EXENUM.VALUE

END IF

FIA_RTDISF_LAST.VALUE=FIA_RTDISF.VALUE

……

4 實(shí)踐效果

利用先進(jìn)控制平臺(tái)APC-iSYS3.0的存儲(chǔ)功能，采集平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)、對(duì)比分析平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行效果，如圖3、4所示。

圖3 反應(yīng)器支路平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)投運(yùn)前后床層溫升情況

圖4 支路平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)中反應(yīng)器處理量和進(jìn)料比例控制情況

從圖3中可以看出，支路平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)投運(yùn)后，反應(yīng)器各床層溫升偏差明顯減小，穩(wěn)定了各床層反應(yīng)工況，充分發(fā)揮各床層催化劑能力，提高反應(yīng)器單程轉(zhuǎn)化率，同時(shí)，穩(wěn)定了反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)品質(zhì)量。從圖4中可以看出，支路平衡優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用后，反應(yīng)器處理量調(diào)節(jié)、進(jìn)料比例調(diào)節(jié)均實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定控制，并且在實(shí)現(xiàn)這些調(diào)節(jié)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了各反應(yīng)床層進(jìn)料支路流量的平衡分配，使得各床層反應(yīng)溫升始終保持一致，溫升偏差最小。

5 結(jié)束語

從裝置設(shè)備設(shè)計(jì)到生產(chǎn)需求、應(yīng)用實(shí)踐都證明，支路平衡優(yōu)化系統(tǒng)可有效解決多支路調(diào)節(jié)耦合問題，實(shí)現(xiàn)裝置生產(chǎn)穩(wěn)定、優(yōu)化調(diào)節(jié)。先進(jìn)控制平臺(tái)APC-iSYS3.0的腳本程序插件，性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大，可以安全、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)和保障支路平衡優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行，具備向各行業(yè)各裝置的推廣意義。

[1] 榮岡， 蔡詠松，胡紅頁(yè).簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)函數(shù)控制在重整反應(yīng)加熱爐中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，1999，26(2)：11～14.

[2] 賴勝，孫德敏，吳剛，等.最優(yōu)自適應(yīng)廣義預(yù)測(cè)控制在常壓加熱爐中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2003，30(2)：26～31.

[3] 羅雄麟，葉松濤，許鋒.加熱爐支路平衡控制中流量控制回路的取舍分析[J].化工自動(dòng)化及儀表，2014，41(11)：1232～1235.

[4] 高維平，劉謙，鄭緒光，等.常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化節(jié)能研究[J].化工科技，1999，7(2)：49～54.

劉炳杰(1979-)，工程師，從事APC項(xiàng)目的實(shí)施與管理工作，liubingjie@supcon.com。

TH865

B

1000-3932(2017)01-0090-05

2016-06-23，

2016-11-24)