乙烯裝置全流程多模型智能控制技術改造分析

楊 志

（大慶石化建設有限公司，黑龍江大慶 163000）

1 乙烯裝置存在的主要問題

某石化公司60 萬噸/年乙烯裝置在投產運行時，控制系統在設計采用的是傳統的控制方法，單一的過程控制技術使得系統整體控制難度較大，DCS 控制系統的潛力得不到充分發揮。主要是COT（Coil Outlet Temperature，裂解爐出口溫度）控制回路原設計存在缺陷，裝置投用后出現了波動幅度大、長時間偏離目標值、回調慢等問題，而且裝置投用條件限制較多，系統內各參數控制切換比較復雜，只能通過人工手動控制方式來調節燃料氣壓力，系統壓力偏差較大，無法對燃料氣和進料組成成分的變化進行及時有效的跟蹤，不能對支路COT 偏差進行精細調整，乙烯裝置的生產運行存在嚴重的安全風險。同時，由于控制系統的效果不理想，后分離系統也出現了乙烯/丙烯塔塔釜損失偏高、碳三加氫反應器加氫效果不明顯、低壓脫丙烷塔、脫乙烷塔塔頂壓力復雜控制回路無法投用等一系列問題。為了解決這些問題，對裝置的控制系統進行優化和改造。

2 乙烯裝置優化和改造內容

為解決上述問題，進一步提升乙烯裝置生產技術水平，改善生產操作過程，減少人工控制方式，緩解工人勞動強度，在DCS 系統引入全流程多模型智能控制技術。整個過程共分兩步：一是開始結合生產實際對平穩率不理想的高級控制回路進行修正；二是對DCS 控制系統進行全方位優化，引用全流程多模型智能控制技術，并結合乙烯裝置實際生產需要重新設計部分復雜控制回路。

首先，通過人工手動調節方式保證乙烯裝置大部分生產參數的平穩率保持在一定水平，然后采用內模控制技術對DCS 控制系統進行全方面的優化。主要內容有：①將COT 的開環控制方式改為更加合理的閉環控制方式；②對運行效果不好、有缺陷的復雜控制回路進行改造，增加DCS 控制系統自動化控制水平及控制精度；③重新選擇控制回路內部計算公式，首先確定整個回路的關鍵控制點，并對其優先進行優化，然后再優化其他控制點。

石化公司組織專門人員充分理解和學習整套裝置的控制思想，對各系統的特性進行深入研究，分析系統運行狀態和波動產生的原因，然后在此基礎上對裂解爐、急冷、裂解氣壓縮機、高低壓脫丙烷塔、堿洗塔及干燥器、脫乙烷及乙烯塔、碳二加氫反應器、乙烯壓縮機、乙烯產品外送、碳三加氫、丙烯塔、前冷及預切割/脫甲烷塔、火炬氣壓縮機、蒸汽及凝液等系統控制回路的PID 參數從前到后反復調整，全面優化。確保裝置中的大部分回路能夠實現自動、平穩控制，系統參數不出現進入不安全區的可能，控制回路的響應速度和品質滿足要求，出現波動后系統基本具備平穩過渡到平衡狀態的能力。

在前期的工作基礎上，聯合北京世紀隆博科技有限公司，采用“內模控制技術”對乙烯裝置控制系統的控制回路，以及控制調節方式進行優化與改造。

2.1 對裂解爐COT 閉環控制系統進行改造

2.1.1 進行平均COT 的多變量智能內模自適應控制改造

為了增強系統內控制回路的抗擾動能力、提高系統控制精度，采用COT 多變量智能內模自適應控制系統（圖1）。引進多變量智能控制系統來調整COT，不僅能確保生產安全，還能通過引入燃料氣壓力的選擇性控制來進行軟聯鎖安全保護，防止燃料氣流量太大時裂解爐脫火或流量太小時裂解爐熄火的情況發生。

2.1.2 進行爐管出口溫度均衡的智能內模自適應控制改造

在對乙烯裝置裂解爐各爐管溫度分析的基礎上，建立爐管出口溫度均衡內模控制系統（圖2）。通過對裂解爐爐管進料的調整，保證每組爐管的出口溫度與平均溫度的差值保持在規定范圍內，避免結焦導致爐管變形、堵塞或裂解反應不充分。

2.1.3 進行爐管汽/烴比的智能內模自適應控制改造

主要是根據裂解爐各組爐管的進料流量和系統設定的汽烴比進行計算，計算出裂解爐各組爐管蒸汽流量控制器的設定值。通過調整蒸汽流量優化裂解爐各組爐管的汽烴比，降低其對平均COT 的影響，又合理利用了稀釋蒸汽，減少了爐管結焦。

2.1.4 進行汽包液位的智能內模自適應控制改造

采用前饋與串級控制組成的復合內模控制系統對汽包液位進行有效控制，起到提升系統運行平穩性的作用，以有效克服“假液位”情況，減少蒸汽負荷和鍋爐給水變化產生的擾動。

圖1 COT 多變量智能內模自適應控制系統工作流程

2.2 進行缺陷控制系統及復雜控制回路改造

圖2 智能內模協調控制系統

由于原設計存在一定缺陷，低壓脫丙烷塔ET-3441、脫乙烷塔ET-3421塔頂壓力復雜控制回路無法投用，只能通過手動調節冷凝器冷劑側液位進行間接控制，導致塔壓控制不穩，不利于精餾塔的平穩操作。通過對上述這2 個塔塔頂壓力控制邏輯進行研究，找出控制關鍵點和風險點，對控制邏輯加以改造，同時對壓力、液位控制回路P（Proportion，比例）、I（Integral，積分）、D（Differential，微分）數值進行優化。

2.3 確定關鍵控制點和其他控制點并按照主次逐步進行優化

在裝置原始控制回路計算公式選擇過程中，系統內所有控制回路的計算公式都是針對ΔPV 進行計算的。此種計算方式系統反應時間長，只有當控制回路PV（Process Value，實際值）發生變化時，控制回路的MV（Manipulated Variable，操縱變量）才能進行針對性的調節，而對控制回路SV（Set Value，設定值）與實際值之間的偏差調節較弱，導致該計算方式控制相應時間偏長，易造成控制回路波形發散，在擾動產生時，不利于系統的快速穩定。

針對此種情況，結合裝置控制回路的實際特點，對系統內大部分控制回路的計算公式改為針對偏差的變化（Δe）的來計算。即重新選擇控制回路內部計算公式，確定關鍵控制點和其他控制點。這種計算方式是針對SV 與PV 的偏差進行調節的，有響應速度快、抗干擾性強的特點。

3 乙烯裝置改造后取得的效果

（1）優化裂解爐運行，延長運行周期，減少下線燒焦次數，每年可節省燃料氣消耗和高壓蒸汽消耗。

（2）對系統各控制回路進行優化調整后，系統運行損失進一步降低，乙烯塔塔釜乙烯損失降低0.175%（mol），丙烯塔塔釜丙烯損失降低1.5%（mol），提高經濟效益。

（3）優化碳三加氫系統控制，增加了碳三加氫催化劑的選擇性，床層出口MA/PD（甲基乙炔和丙二烯）濃度由1700×10-6下降至700×10-6左右，下降的MA/PD 可全部轉化為丙烷，增加經濟效益。

（4）優化碳二加氫系統控制，提高碳二加氫催化劑選擇性1.5%，增加經濟效益。

（5）優化調整后，氫氣產量增加105 kg/h，燃料氣降低105 kg/h，增加經濟效益。

4 與同類技術比較存在的問題及改進措施

裂解爐COT 自動控制的核心和難點是COT 受多個變量共同影響，調整過程中存在較大的滯后性，目前COT 自動控制的研究方向主要集中在上位機預測控制與內模控制2 種模式：上位機控制是通過前期采集數據建模后，利用實時DCS 數據通信，經上位機計算后再輸出至控制系統，增加投資（上位機），調整過程中存在較大的滯后性，容易造成系統的持續性波動；內模控制省去上位機計算及數據通信的過程，通過各子系統下的分級調整，保證了COT 的穩定，同時切換過程均為無擾動操作，從根本上規避了誤操作風險，控制方式直觀明了，更有利于相關人員操作，增強了控制回路的可靠性。

由于精餾系統流程長、控制系統相對復雜，部分控制回路間的關聯性較大，需要在對系統進行全面了解的基礎上，進行長時間、多頻次的持續優化調整，并且要根據系統負荷的變化，有計劃地調整應對思路。尤其是對前冷及“冰機”系統的優化調整，還需要持續跟蹤、優化。

內模控制也有一定弊端，例如：對于儀表準確性依賴較強，裂解爐負荷和支路COT 調整過程中如果進料或稀釋蒸汽流量測量不準，計算結果會嚴重失真。這一情況如果出現在投料初期或原料更換時，只需在對應的操作完成后對儀表進行校準即可，工作量不大。如果出現在正常運行過程中，測量值超限后控制回路會自動切換至手動狀態并提示，保證運行安全。

5 結論

對控制系統優化和改造后，乙烯裝置裂解爐COT 控制實現了串級燃料氣流量、熱值前饋修正的方式，更加精準地實現了整個控制系統的調節，生產運行狀態更加平穩，沒有發生震蕩、超調與發散等問題。

全流程多模型智能控制技術主要針對乙烯裝置控制特點及難點研究而成，主要通過技術創新、技術改造來提高裝置運行平穩性，該技術在建模技術、控制器設計、裂解爐控制上具有技術創新性、總體水平處于國際領先水平。本次技術應用，實現了裂解爐出口COT 的自動控制，降低了乙/丙烯塔塔釜損失，提高了碳三加氫反應器加氫效果、碳二加氫催化劑選擇性及氫氣產量，增加了裝置平穩率，提高了乙烯裝置穩定運行的周期，其自動化程度及系統內各項控制指標在國內均已達到一流水平，對于國內同類裝置平穩率及經濟效益的提升起到了推動作用。