基本信息
- 項目名稱：
- 乙烯裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 乙烯裂解爐是乙烯裝置的龍頭和耗能大戶，其操作好壞對裝置能耗及后序單元的運行起著關鍵作用。本項目利用極點配置技術及仿人智能控制技術，開發(fā)出爐管溫度高級控制系統(tǒng)、爐管支路出口溫度平衡控制系統(tǒng)及總進料流量提降量控制系統(tǒng)，設計了先控與常規(guī)控制的安全切換邏輯，大大增強了裂解爐的抗干擾能力，提高了乙烯、丙烯收率，減少了爐管結焦，延長了爐子的運行周期，減輕了操作員勞動強度，實現(xiàn)了提高效益，節(jié)能降耗的目標。
- 詳細介紹：
- 1.項目背景 石油化工是重要的原材料工業(yè),是國民經濟的基礎工業(yè)。乙烯，被稱為“石化工業(yè)之母”，常常作為衡量一個國家和地區(qū)石油化工生產水平的標志。乙烯過程通常由于容量大，設計復雜，能耗高以及操作條件經常變化等因素，成為先進控制應用的主要對象之一。本項目充分利用先進控制（APC）技術與現(xiàn)代DCS的優(yōu)勢, 開發(fā)并實施了乙烯裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了現(xiàn)有生產裝置的運行潛力，實現(xiàn)了增產、節(jié)能、降耗的目標。 2．乙烯裂解的工藝特點和控制要求 蘭州石化46萬噸/年乙烯裝置裂解爐采用KBR和ExxonMobil共同開發(fā)的SC-1型管式裂解爐。裂解爐區(qū)包括 5臺SCORE SC-1型裂解爐，每臺裂解爐的乙烯設計能力為16.25噸/小時，五臺SC-1裂解爐中有三臺(101B，102B，103B）的設計結構適用于裂解混合石腦油和/或加氫尾油，為液相裂解爐。其它的兩臺裂解（104B，105B）用來裂解混合石腦油、LPG 和（或）乙烷/丙烷，是氣液相混合裂解爐。每臺裂解爐有8組進料,這些物料由流量控制，每組有28根輻射管，共有224根輻射管。SC-1裂解爐型全部采用底部火嘴，給爐管出口溫度平衡控制帶來一定的困難。乙烯裝置裂解爐控制要求一般包括：在安全生產的基礎上，穩(wěn)定裂解爐的COT溫度和總進料流量，同時實現(xiàn)各組爐管間溫度的均衡控制，實現(xiàn)提高“雙烯”收率、降低能耗的目的。 3．項目原理 本項目利用極點配置及仿人智能控制技術，通過裂解爐平均出口溫度先進控制和各組爐管溫度均衡先進控制，提高乙烯裂解爐操作平穩(wěn)性和雙烯收率，降低爐管結焦速度和局部結焦的可能性，減少操作人員的勞動強度,實現(xiàn)提高效益、節(jié)能降耗的目標。 4 .項目實現(xiàn) 乙烯裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)是在DCS平臺之上實施的，采用先進控制上位機方式實現(xiàn)，以浙江中控開發(fā)的ESP -iSYS-A先進控制平臺軟件作為乙烯裂解爐先進控制的二次開發(fā)平臺，設計開發(fā)了先進控制軟件。 APC控制器主要運行在上位機上，其輸出的操作變量為DCS上調節(jié)回路的設定值。這里存在一個先控運行模式和常規(guī)運行模式之間的切換問題。本項目在DCS中建點并實現(xiàn)了一系列安全程序，主要包括先進控制系統(tǒng)的通訊監(jiān)控、先進控制與常規(guī)控制的無擾動切換、先進控制系統(tǒng)的賦值保護和先進控制系統(tǒng)的異常波動處理程序。從而實現(xiàn)了先控模式與常規(guī)控制模式之間的無擾動切換，確保了安全生產。 根據(jù)APC系統(tǒng)的設計要求，在DCS中實現(xiàn)了先進控制操作界面，主要以表格形式集中給出先進控制系統(tǒng)的相關信息，便于操作人員調整先進控制系統(tǒng)各種參數(shù)，對乙烯裂解爐運行狀況的各種數(shù)據(jù)進行查閱和操作。 5．項目應用 本項目開發(fā)的乙烯裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)于2010年10月10日在中國石油蘭州石化公司正式投入運行。由于采用了先進控制,爐出口溫度對目標值變化的響應快速,只需幾分鐘。正常情況下,平均COT溫度波動幅度由投用前的±5 ℃左右下降到±1 ℃,大干擾來時,由原來的±10℃下降到±3℃以內。管間溫差由原來的6℃左右下降到2℃以內。溫度的波動小了，超高溫現(xiàn)象減少，最大設定出口溫度可以提高3—5℃，實現(xiàn)了卡邊控制。約束控制使爐子的平均進料量也得以提高。溫度的平穩(wěn)控制使裂解爐的燃料用量減少，熱效率提高。經乙烯車間核算，系統(tǒng)投運后生產每噸乙烯能耗下降5.6kg標油，每千克標油折合4元人民幣，每年470kt乙烯產量，則僅能耗下降一項經濟效益為1052.8萬元/年。值得一提的是本控制系統(tǒng)沒有使用燃料氣熱值在線分析儀表，也無需建立燃料氣熱值軟測量系統(tǒng)。而目前國內外其它裂解爐先進控制系統(tǒng)為保證控制精度，COT溫度控制都是建立在燃料氣熱值測量系統(tǒng)基礎之上的。這將增大項目設備投入與設備運行維護成本。 6. 項目意義 本項目針對中國石油蘭州石化分公司46萬噸/年乙烯裂解爐裝置，在原有EMERSON公司DeltaVTM DCS系統(tǒng)的基礎上，開發(fā)了乙烯裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)，并成功投運。通過標定和統(tǒng)計考核對比，項目不僅達到了預期的目標，而且應用效果比較顯著。 總之，通過實施先進控制，可以大大提高工業(yè)生產過程操作和控制的穩(wěn)定性，改善工業(yè)生產過程動態(tài)性能，減少關鍵變量的操作波動幅度，使其更接近于優(yōu)化目標值，從而將工業(yè)生產過程推向更接近裝置約束邊界條件下運行，最終達到增強工業(yè)生產過程的穩(wěn)定性和安全性，保證產品質量的均勻性，提高目標產品的收率，提高生產裝置的處理能力，降低生產過程運行成本以及減少環(huán)境污染等目的。由于操作平穩(wěn)，保證了生產的安全，減輕了操作強度，節(jié)約了勞動力，提高了乙烯生產過程的整體生產技術水平。因此，先進控制是流程工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗和減排的有力武器。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 本項目的目的:在安全生產的基礎上，通過裂解爐平均出口溫度先進控制和各組爐管溫度均衡先進控制，提高乙烯裂解爐操作平穩(wěn)性和雙烯收率，降低爐管結焦速度和局部結焦的可能性，減少操作人員的勞動強度,實現(xiàn)提高效益、節(jié)能降耗的目標。 本項目的基本思路:利用極點配置、前饋控制及仿人智能控制思想開發(fā)溫度高級控制系統(tǒng)，在DCS上配置上位機實現(xiàn)。 本項目的創(chuàng)新點: 1）利用爐膛可測信息進行前饋控制，取代傳統(tǒng)的燃料氣熱值分析系統(tǒng)； 2）采用先控技術實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)、準、快的性能要求； 3）控制系統(tǒng)的魯棒性好，在運行過程中不需要隨負荷，工況的變化進行控制器參數(shù)的調整，基本免維護； 4）開發(fā)了高級控制與常規(guī)控制的安全切換邏輯，確保了生產操作的安全。 主要技術指標：平均COT溫度對目標值的標準偏差小于1℃，大干擾情況下控制在3℃以內；各通道COT溫度對平均COT溫度的標準偏差小于1℃，大干擾情況下控制在3℃以內；總進料流量波動小于0.5%。
科學性、先進性
- 現(xiàn)有的乙烯裂解生產過程采用DCS進行常規(guī)控制，沒有充分發(fā)揮DCS的計算潛力。本項目在DCS基礎上配置上位機實施先進控制，達到了如下目的： （1）克服了燃料熱值波動導致裂解爐出口溫度的大幅波動，保證了裂解爐的平穩(wěn)操作，降低了裝置的能耗，提高了雙烯收率； （2）實現(xiàn)了各支路溫度的平衡控制，降低了爐管結焦速率、延長了爐子投運時間； （3）實現(xiàn)了加工總量的提降量控制，為整個乙烯裝置的平穩(wěn)、安全生產創(chuàng)造了條件。 目前國內外其它裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)的均建立在燃料氣熱值測量系統(tǒng)的基礎之上，而本系統(tǒng)可以不使用燃料氣熱值在線分析儀表，也無需建立燃料氣熱值軟測量系統(tǒng)。這將大大減少設備投入和維護費用。 本項目開發(fā)的控制軟件已獲國家軟件著作權證書。
獲獎情況及鑒定結果
- 獲第十屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽特等獎
作品所處階段
- 已進入生產實際應用階段
技術轉讓方式
- 提供技術服務
作品可展示的形式
- 圖片,磁盤,現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 該系統(tǒng)是在DCS基礎上，配置上位機，用VB開發(fā)先進控制軟件實施的。投運后，裂解爐溫度控制平穩(wěn)，燃料用量減少，熱效率提高，運行周期延長，雙烯收率有所增加。該項目可在各種裂解爐及煉油加熱爐中推廣應用，是企業(yè)實現(xiàn)平穩(wěn)操作、安全生產、提高產品質量、收率和節(jié)能減排的有力武器。經測算，系統(tǒng)投運后生產每噸乙烯能耗下降約5千克標油，每千克標油折合4元人民幣，每年470kt乙烯產量，則僅能耗下降一項經濟效益每年就達千萬元。
同類課題研究水平概述
- 國外的情況： 國外從 1960 年至今，對乙烯生產過程的先進控制和優(yōu)化技術進行了大量的理論和應用研究。Warren Huang 對石腦油裂解爐的優(yōu)化操作進行了研究；Apostolos 介紹了在美國德州畢蒙特的 Mobil 化學公司乙烯裝置中實施的一種新型閉環(huán)穩(wěn)態(tài)實時優(yōu)化系統(tǒng)（CLRTO）的情況。APC 技術在乙烯裝置中用得最成功的是動態(tài)矩陣控制 DMC，代表產品是AspenTech 公司的 DMCPlus。據(jù)報道，至 2004年底，全世界已實施的乙烯工廠 APC 項目中，采用DMCPlus 的占70 %以上。其開發(fā)的烯烴裝置計算機優(yōu)化控制系統(tǒng)采用了穩(wěn)定化控制、約束控制、局部優(yōu)化控制和整體優(yōu)化控制的四級遞階控制策略，并在實際應用中取得了很好的的效果。據(jù)該公司稱，采用這種優(yōu)化控制軟件包，在相同的烴進料下，可提高乙烯產量3%-5% ，降低能耗 10%-15%，且在較高的裂解深度下裂解爐的運行時間可延長 30%。另外， ABB Simcon公司也開發(fā)了烯烴裝置模擬和優(yōu)化軟件包OPSO，已在多套乙烯裝置上成功應用。 國內的情況：國內乙烯裝置裂解爐在生產技術和裝置規(guī)模與國外相比有一定的差距，自動控制水平也相對落后。近幾年來，在計算機技術發(fā)展的促進下，加上先進控制軟件方面的技術進步， DCS 控制系統(tǒng)及各種新型儀表已經在乙烯裝置得到了廣泛應用，大大提高了乙烯裝置裂解爐的自動控制水平。李平等對 CBL-II 型乙烯裂解爐的先進控制進行了研究；匡卓賢等對乙烯裝置的在線優(yōu)化技術進行了分析；錢鋒等研究了大型工業(yè)裂解爐的優(yōu)化問題；揚子石化股份有限公司和華東理工大學合作，開發(fā)的“乙烯裝置中丙烯精餾系統(tǒng)先進控制技術”項目，綜合應用了化學工程、自動化控制、人工智能以及計算機應用等學科中新思想和新技術，研制了乙烯裝置中丙烯精餾系統(tǒng)的先進控制技術和控制軟件，并已在工業(yè)裝置中實際應用. 在DCS等計算機控制系統(tǒng)日益普及的今天，打破過去僅僅用傳統(tǒng)的簡單PID調節(jié)，采用計算機在乙烯裝置裂解爐中應用以模型預測控制為代表的先進控制技術，結合各種復雜控制策略進一步實現(xiàn)過程優(yōu)化，將有助于提高乙烯裂解爐的綜合自動化水平。另一方面，從“投入-產出”的觀點來看，采用先進控制技術對于提高現(xiàn)有 DCS 系統(tǒng)應用水平、發(fā)揮其更大的效益是非常必要的。
