基本信息
- 项目名称：
- 乙烯裂解炉温度高级控制系统的开发与应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 乙烯裂解炉是乙烯装置的龙头和耗能大户，其操作好坏对装置能耗及后序单元的运行起着关键作用。本项目利用极点配置技术及仿人智能控制技术，开发出炉管温度高级控制系统、炉管支路出口温度平衡控制系统及总进料流量提降量控制系统，设计了先控与常规控制的安全切换逻辑，大大增强了裂解炉的抗干扰能力，提高了乙烯、丙烯收率，减少了炉管结焦，延长了炉子的运行周期，减轻了操作员劳动强度，实现了提高效益，节能降耗的目标。
- 详细介绍：
- 1.项目背景 石油化工是重要的原材料工业,是国民经济的基础工业。乙烯，被称为“石化工业之母”，常常作为衡量一个国家和地区石油化工生产水平的标志。乙烯过程通常由于容量大，设计复杂，能耗高以及操作条件经常变化等因素，成为先进控制应用的主要对象之一。本项目充分利用先进控制（APC）技术与现代DCS的优势, 开发并实施了乙烯裂解炉温度高级控制系统，充分发挥了现有生产装置的运行潜力，实现了增产、节能、降耗的目标。 2．乙烯裂解的工艺特点和控制要求 兰州石化46万吨/年乙烯装置裂解炉采用KBR和ExxonMobil共同开发的SC-1型管式裂解炉。裂解炉区包括 5台SCORE SC-1型裂解炉，每台裂解炉的乙烯设计能力为16.25吨/小时，五台SC-1裂解炉中有三台(101B，102B，103B）的设计结构适用于裂解混合石脑油和/或加氢尾油，为液相裂解炉。其它的两台裂解（104B，105B）用来裂解混合石脑油、LPG 和（或）乙烷/丙烷，是气液相混合裂解炉。每台裂解炉有8组进料,这些物料由流量控制，每组有28根辐射管，共有224根辐射管。SC-1裂解炉型全部采用底部火嘴，给炉管出口温度平衡控制带来一定的困难。乙烯装置裂解炉控制要求一般包括：在安全生产的基础上，稳定裂解炉的COT温度和总进料流量，同时实现各组炉管间温度的均衡控制，实现提高“双烯”收率、降低能耗的目的。 3．项目原理 本项目利用极点配置及仿人智能控制技术，通过裂解炉平均出口温度先进控制和各组炉管温度均衡先进控制，提高乙烯裂解炉操作平稳性和双烯收率，降低炉管结焦速度和局部结焦的可能性，减少操作人员的劳动强度,实现提高效益、节能降耗的目标。 4 .项目实现 乙烯裂解炉温度高级控制系统是在DCS平台之上实施的，采用先进控制上位机方式实现，以浙江中控开发的ESP -iSYS-A先进控制平台软件作为乙烯裂解炉先进控制的二次开发平台，设计开发了先进控制软件。 APC控制器主要运行在上位机上，其输出的操作变量为DCS上调节回路的设定值。这里存在一个先控运行模式和常规运行模式之间的切换问题。本项目在DCS中建点并实现了一系列安全程序，主要包括先进控制系统的通讯监控、先进控制与常规控制的无扰动切换、先进控制系统的赋值保护和先进控制系统的异常波动处理程序。从而实现了先控模式与常规控制模式之间的无扰动切换，确保了安全生产。 根据APC系统的设计要求，在DCS中实现了先进控制操作界面，主要以表格形式集中给出先进控制系统的相关信息，便于操作人员调整先进控制系统各种参数，对乙烯裂解炉运行状况的各种数据进行查阅和操作。 5．项目应用 本项目开发的乙烯裂解炉温度高级控制系统于2010年10月10日在中国石油兰州石化公司正式投入运行。由于采用了先进控制,炉出口温度对目标值变化的响应快速,只需几分钟。正常情况下,平均COT温度波动幅度由投用前的±5 ℃左右下降到±1 ℃,大干扰来时,由原来的±10℃下降到±3℃以内。管间温差由原来的6℃左右下降到2℃以内。温度的波动小了，超高温现象减少，最大设定出口温度可以提高3—5℃，实现了卡边控制。约束控制使炉子的平均进料量也得以提高。温度的平稳控制使裂解炉的燃料用量减少，热效率提高。经乙烯车间核算，系统投运后生产每吨乙烯能耗下降5.6kg标油，每千克标油折合4元人民币，每年470kt乙烯产量，则仅能耗下降一项经济效益为1052.8万元/年。值得一提的是本控制系统没有使用燃料气热值在线分析仪表，也无需建立燃料气热值软测量系统。而目前国内外其它裂解炉先进控制系统为保证控制精度，COT温度控制都是建立在燃料气热值测量系统基础之上的。这将增大项目设备投入与设备运行维护成本。 6. 项目意义 本项目针对中国石油兰州石化分公司46万吨/年乙烯裂解炉装置，在原有EMERSON公司DeltaVTM DCS系统的基础上，开发了乙烯裂解炉温度高级控制系统，并成功投运。通过标定和统计考核对比，项目不仅达到了预期的目标，而且应用效果比较显著。 总之，通过实施先进控制，可以大大提高工业生产过程操作和控制的稳定性，改善工业生产过程动态性能，减少关键变量的操作波动幅度，使其更接近于优化目标值，从而将工业生产过程推向更接近装置约束边界条件下运行，最终达到增强工业生产过程的稳定性和安全性，保证产品质量的均匀性，提高目标产品的收率，提高生产装置的处理能力，降低生产过程运行成本以及减少环境污染等目的。由于操作平稳，保证了生产的安全，减轻了操作强度，节约了劳动力，提高了乙烯生产过程的整体生产技术水平。因此，先进控制是流程工业企业节能降耗和减排的有力武器。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本项目的目的:在安全生产的基础上，通过裂解炉平均出口温度先进控制和各组炉管温度均衡先进控制，提高乙烯裂解炉操作平稳性和双烯收率，降低炉管结焦速度和局部结焦的可能性，减少操作人员的劳动强度,实现提高效益、节能降耗的目标。 本项目的基本思路:利用极点配置、前馈控制及仿人智能控制思想开发温度高级控制系统，在DCS上配置上位机实现。 本项目的创新点: 1）利用炉膛可测信息进行前馈控制，取代传统的燃料气热值分析系统； 2）采用先控技术实现系统稳、准、快的性能要求； 3）控制系统的鲁棒性好，在运行过程中不需要随负荷，工况的变化进行控制器参数的调整，基本免维护； 4）开发了高级控制与常规控制的安全切换逻辑，确保了生产操作的安全。 主要技术指标：平均COT温度对目标值的标准偏差小于1℃，大干扰情况下控制在3℃以内；各通道COT温度对平均COT温度的标准偏差小于1℃，大干扰情况下控制在3℃以内；总进料流量波动小于0.5%。
科学性、先进性
- 现有的乙烯裂解生产过程采用DCS进行常规控制，没有充分发挥DCS的计算潜力。本项目在DCS基础上配置上位机实施先进控制，达到了如下目的： （1）克服了燃料热值波动导致裂解炉出口温度的大幅波动，保证了裂解炉的平稳操作，降低了装置的能耗，提高了双烯收率； （2）实现了各支路温度的平衡控制，降低了炉管结焦速率、延长了炉子投运时间； （3）实现了加工总量的提降量控制，为整个乙烯装置的平稳、安全生产创造了条件。 目前国内外其它裂解炉温度高级控制系统的均建立在燃料气热值测量系统的基础之上，而本系统可以不使用燃料气热值在线分析仪表，也无需建立燃料气热值软测量系统。这将大大减少设备投入和维护费用。 本项目开发的控制软件已获国家软件著作权证书。
获奖情况及鉴定结果
- 获第十届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖
作品所处阶段
- 已进入生产实际应用阶段
技术转让方式
- 提供技术服务
作品可展示的形式
- 图片,磁盘,现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该系统是在DCS基础上，配置上位机，用VB开发先进控制软件实施的。投运后，裂解炉温度控制平稳，燃料用量减少，热效率提高，运行周期延长，双烯收率有所增加。该项目可在各种裂解炉及炼油加热炉中推广应用，是企业实现平稳操作、安全生产、提高产品质量、收率和节能减排的有力武器。经测算，系统投运后生产每吨乙烯能耗下降约5千克标油，每千克标油折合4元人民币，每年470kt乙烯产量，则仅能耗下降一项经济效益每年就达千万元。
同类课题研究水平概述
- 国外的情况： 国外从 1960 年至今，对乙烯生产过程的先进控制和优化技术进行了大量的理论和应用研究。Warren Huang 对石脑油裂解炉的优化操作进行了研究；Apostolos 介绍了在美国德州毕蒙特的 Mobil 化学公司乙烯装置中实施的一种新型闭环稳态实时优化系统（CLRTO）的情况。APC 技术在乙烯装置中用得最成功的是动态矩阵控制 DMC，代表产品是AspenTech 公司的 DMCPlus。据报道，至 2004年底，全世界已实施的乙烯工厂 APC 项目中，采用DMCPlus 的占70 %以上。其开发的烯烃装置计算机优化控制系统采用了稳定化控制、约束控制、局部优化控制和整体优化控制的四级递阶控制策略，并在实际应用中取得了很好的的效果。据该公司称，采用这种优化控制软件包，在相同的烃进料下，可提高乙烯产量3%-5% ，降低能耗 10%-15%，且在较高的裂解深度下裂解炉的运行时间可延长 30%。另外， ABB Simcon公司也开发了烯烃装置模拟和优化软件包OPSO，已在多套乙烯装置上成功应用。 国内的情况：国内乙烯装置裂解炉在生产技术和装置规模与国外相比有一定的差距，自动控制水平也相对落后。近几年来，在计算机技术发展的促进下，加上先进控制软件方面的技术进步， DCS 控制系统及各种新型仪表已经在乙烯装置得到了广泛应用，大大提高了乙烯装置裂解炉的自动控制水平。李平等对 CBL-II 型乙烯裂解炉的先进控制进行了研究；匡卓贤等对乙烯装置的在线优化技术进行了分析；钱锋等研究了大型工业裂解炉的优化问题；扬子石化股份有限公司和华东理工大学合作，开发的“乙烯装置中丙烯精馏系统先进控制技术”项目，综合应用了化学工程、自动化控制、人工智能以及计算机应用等学科中新思想和新技术，研制了乙烯装置中丙烯精馏系统的先进控制技术和控制软件，并已在工业装置中实际应用. 在DCS等计算机控制系统日益普及的今天，打破过去仅仅用传统的简单PID调节，采用计算机在乙烯装置裂解炉中应用以模型预测控制为代表的先进控制技术，结合各种复杂控制策略进一步实现过程优化，将有助于提高乙烯裂解炉的综合自动化水平。另一方面，从“投入-产出”的观点来看，采用先进控制技术对于提高现有 DCS 系统应用水平、发挥其更大的效益是非常必要的。
