CN108107730B - 一种裂解炉多变量智能协调控制方法 - Google Patents

一种裂解炉多变量智能协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种裂解炉多变量智能协调控制方法,属于工业智能控制技术领域。该方法基于四个控制子***实现,四个控制子***为燃烧***、支路温度均衡***、稀释比***、负荷调整***;该方法按照裂解炉COT温度、进料、稀释蒸汽等多个控制变量的重要性划分优先级。运行过程中,实时确认所有变量,所有变量在允许范围内,正常调节,若变量超出范围,按照优先级分步调整,避免产生新的耦合。当支路COT温度偏差超出范围,限量调整支路进料,同步调整稀释蒸汽,不改变总负荷,解决均衡控制难题,确保支路COT温度无偏差。基于热量平衡理论,该方法引入热值控制和负荷控制,使燃料气组分与负荷变化时的滞后问题得到改善,最终实现裂解炉平稳运行。

Description

一种裂解炉多变量智能协调控制方法
技术领域
本发明涉及一种乙烯装置中裂解炉的多变量智能协调控制方法,属于工业智能控制技术领域。
背景技术
裂解炉是乙烯装置的核心设备,也是乙烯装置的主要耗能设备,其能耗占装置总能耗的80%左右,用裂解炉高温裂解烃类产生裂解气,经过急冷、压缩、分离生产出乙烯、丙烯等产品,基本上决定了整个乙烯装置的产品收率和主要能耗指标,所以裂解炉的操作水平和技术水平直接影响着整个乙烯厂的经济效益。裂解炉是一个复杂的多变量控制***,影响裂解炉安稳运行的主要因素有:原料组成、COT温度、支路平衡、燃料组成、燃料压力、负荷、原料切换、环境温度、干燥器切换、氧含量等,各变量间互相关联、互相影响。裂解炉运行要求支路COT温度无偏差,均衡控制难度大。***本身存在非线性、大时滞、强耦合,裂解炉任何参数微小变化,都会影响整体运行,造成装置波动,***控制难度大。
采用传统的控制方法难以解决这类耦合严重的多变量***问题,无法实现裂解炉的高效运行,必须进一步考虑变量间的综合影响及关联因素,从智能控制思想的角度出发予以解决。针对上述难题,国外对裂解炉COT温度实施以多变量预测和裂解深度为主的先进控制,当裂解炉和干燥器定期切换及负荷变化时,造成COT温度波动大,偏差大,使先进控制难以长期投用。
专利CN201210291417.9公开了加热炉支路温度均衡与加热炉负荷控制的方法,该方法是在一个由加热炉各控制站组成的分布式控制***DCS、一个数据通讯服务器OPC以及一个信息管理中心的APC服务器共同构成的网络控制***中实现的。所述分布式控制***DCS由多个控制站分布组成;所述的OPC服务器通过工业以太网与所述分布式控制器DCS相连,从所述分布式控制器DCS上采集数据信息;所述APC服务器通过工业以太网与所述OPC服务器相连,从所述的OPC服务器上获取数据信息,根据所述的数据信息输出参数;所述的OPC服务器,通过工业以太网从所述的APC服务器上获取参数,并将所述的参数通过工业以太网传送至所述的分布式控制***DCS中。该技术特征主要解决常规支路温度均衡控制方法实施时各支路炉管进料严重耦合、效果差以及在加热炉总负荷发生改变时采用手工控制所带来的加热炉长时间运行不平稳的问题。该技术的主要特征在与设定多组分布式控制结构,由控制结构进行采集离散的信息,但是,在面对***多变量且存在耦合的情况,若采用控制结构采集离散信息都是平行的,难以实现对各个变量进行优化控制。
发明内容
基于此,针对裂解炉的COT温度控制、支路温度均衡、汽/烃比值控制及负荷调整等复杂***控制要求,创新性提出一种裂解炉的多变量智能协调控制方法。该方法按照裂解炉COT温度、进料、稀释蒸汽等多个控制变量的重要性划分优先级。运行过程中,实时确认所有变量,所有变量在允许范围内,正常调节,若变量超出范围,按照优先级分步调整,避免产生新的耦合。同时,当支路COT温度偏差超出范围,限量调整支路进料,同步调整稀释蒸汽,不改变总负荷,解决均衡控制难题,确保支路COT温度无偏差。基于热量平衡理论,该方法引入热值控制和负荷控制,使燃料气组分与负荷变化时的滞后问题得到改善,最终实现裂解炉平稳运行。
本发明采用的技术方案为一种裂解炉多变量智能协调控制方法,该方法基于四个控制子***实现,四个控制子***为燃烧***、支路温度均衡***、稀释比***、负荷调整***,燃烧***与支路温度均衡***连接,支路温度均衡***分别与稀释比***和负荷调整***连接,四个控制子***由计算机控制;四个子***关系如图1所示。
(1)燃烧***即COT温度控制;
裂解炉COT温度是裂解炉的关键操作变量,与裂解炉产品乙烯和丙烯的收率息息相关,同时COT温度的控制质量还反映炉膛燃烧的运行状况。裂解炉COT温度受进料流量、燃料热值、炉膛燃烧热负荷、炉管结焦情况等影响,且有些因素是随机、不可控的。
对此进行COT温度与燃料气流量串级控制;防止燃料气热值变化对COT的影响,加入热值控制;引入燃料气压力的选择性控制,进行软连锁安全保护,防止燃料气流量太小时裂解炉的熄火和流量太大时裂解炉脱火。只有燃料气压力在正常范围内,COT温度、燃料气流量均在平稳阈值内,才确认燃烧***稳定,高层控制方具备投运条件。
(2)支路温度均衡控制***
通常情况下,支路温度均衡是调整各支路流量使得各组炉管的出口温度接近相等,目前采用的方法为根据每一支路炉管出口温度来调整所在支路的进料流量控制器的设定值。但在实施过程中,由于裂解炉的负荷是固定值,调整一支路炉管的进料量必然会自动影响到其他支路,由此引发各支路之间的耦合关系,控制效果差。
裂解炉支路温度均衡子***中,首先通过核算,计算出各支路炉管的平均出口温度T,并计算出所有支路炉出口温度最高值TH与最低值TL,其中最高温度和最低温度支路对应的支路进料记为FTH和FTL,按式计算出最高温度炉管进料流量调节值Δf。
Figure BDA0001511488350000041
其中μ为可调系数,视裂解炉工况而取。通过式(1)计算出支路进料调节量,最高支路温度流量的设定值增加Δf,最低支路温度流量的设定值减少Δf,如此保证各支路的总流量保持不变,消除***的内部耦合。
在实际生产过程中,计算机实时自动对各支路进料量进行调整,直到各支路间温差小于设定的阈值即停止计算,以解决裂解炉支路温度均衡问题,保障裂解炉出口温度的平稳运行。
(3)稀释比***
在裂解反应中,稀释蒸汽的加入是为了在总压力不变的情况下降低烃分压,而烃分压的降低对于乙烯产品生成有利,而且能减少二次反应,减少烃类聚合和缩合。但稀释比增加到一定程度,效果也逐渐降低,而使生产每吨产品的耗气量增加,成本上升。因而存在一个最佳的稀释比,它直接影响裂解炉操作周期和裂解产品收率。为此设计稀释比子***,根据各组炉管的进料流量以及给定的稀释比,计算出各组炉管的蒸汽流量控制器的设定值,通过调整蒸汽流量使各组炉管的稀释比保持在期望值,以经济合理利用稀释蒸汽,减少炉管结焦和对炉管平均COT温度的影响。
(4)负荷***
裂解炉的负荷根据生产需求进行定期调整,在设定的时间内完成提/降量。为减小负荷调整对裂解炉稳定性的影响,提出了裂解炉的负荷控制方法。
基于裂解炉机理及风险性准则,根据热量平衡、物料平衡,当支路温度均衡控制***、负荷控制***运行中,支路COT偏差超出范围时,限量调整支路进料,同步调整稀释蒸汽,不改变总负荷,解决均衡控制难题,确保支路COT无偏差,真正实现裂解炉高效优质运行。
调整量速度表达式如下表示:
Figure BDA0001511488350000051
式中:V:调整量速度、Vmax:调整量最大速度、Vmin:调整量最小速度、S:目标值、P:测量值、T:剩余时间、λ:速度调节系数。
裂解炉通常有多支炉管,对负荷调整需要根据裂解炉当前的运行负荷情况进行负荷调整分配,各支路炉管进料流量调整量,如下式所示:
Figure BDA0001511488350000052
Fn为各支路炉管的当前实际进料量;N为裂解炉的支路炉管总个数,n为裂解炉的支路炉管序号数,
Figure BDA0001511488350000053
为每个支路进料流量调整速度。计算出调整量速度后,根据以下公式更新下一控制周期的控制器设定值:
Figure BDA0001511488350000054
式中,Fn.spt为第n支路流量控制器当前控制周期设定值,Fn.spt-1为第n支路炉管流量控制器上一控制周期设定值,Δt为控制周期。在实际装置中实施时,通过预先设定的负荷调整时间,由计算机自动进行计算调整,无需人为干预,即实现裂解炉提降负荷过程的安全平稳运行。
基于裂解炉内部各子***间的复杂性及耦合性,建立裂解炉各子***的交互应答机制,只有在烃进料、稀释蒸汽、COT温度控制是***都平稳且都处于串级控制的情况下,实施稀释蒸汽、支路均衡、汽烃比及负荷控制,若烃进料、稀释蒸汽、COT温度回路的偏差超过设定的阈值,通过交互应答机制,则自动暂停支路温度均衡控制***/负荷控制的调节,等待回路都控制平稳后,***将自动再次进行支路温度均衡控制/负荷控制。
将各子***按照优先级进行排序,运行监测指标用Fi表示。
Fi=sign(|f(u)-S|-σ) (5)
S为设定值,σ为阈值。
Figure BDA0001511488350000061
Figure BDA0001511488350000062
m为基础子***的数量,x是自变量,i和j是序号。
在每个控制周期,自动检测个子***的监测指标,当Fi为1时运行子***,当Fi为0时停止子***。
与现有技术相比较,本发明具有如下有益效果。
(1)裂解炉多变量智能协调控制方法基于四个控制子***实现,四个控制子***为燃烧***、支路温度均衡***、稀释比***、负荷调整***,建立裂解炉各子***的交互应答机制,统筹裂解炉出口COT温度、负荷、支路温度、汽烃比、热值/负荷各变量的协调控制,解决了裂解炉多变量、强耦合、非线性、纯滞后等控制难题,实现了裂解炉安全长期平稳运行。
(2)在本发明方案的燃烧子***中,引入热值控制和燃料气压力的选择性控制,防止燃料气热值变化对COT的影响,进行燃料气压力软连锁安全保护。
(3)在本发明方案的负荷子***中,裂解炉的负荷根据生产需求进行定期调整,预先设定的负荷调整时间,由计算机自动进行计算调整,无需人为干预,即实现裂解炉提降负荷过程的安全平稳运行
附图说明
图1是裂解炉智能协调控制中四个子***关系图;
图2是裂解炉智能协调控制方法流程图。
具体实施方式
以某石化乙烯装置裂解炉EF-101为例,裂解炉有2个炉膛,4路烃进料,4支路流量控制器分别为FIC101102、FIC101202、FIC101302、FIC101402,每路进料配有1次稀释蒸汽和2次稀释蒸汽,1次稀释蒸汽流量分别为FFIC101112、FFIC101212、FFIC101312、FFIC101412,2次稀释蒸汽流量分别为FFIC101113、FFIC101213、FFIC101313、FFIC101413。4支路温度分别为TDC101102、TDC101202、TDC101302和TDC101402,A、B炉膛COT温度分别是TIC101327和TIC101427。
(1)如图2所示,A炉膛COT温度TIC101327与燃料气流量FIC101011串级控制,加入热值控制QIC101001A,引入燃料气低压保护控制器PIC101011A和高压保护控制器PIC101011B,进行软连锁安全保护;B炉膛COT温度TIC101427与燃料气流量FIC101012串级控制,加入热值控制QIC101001B,引入燃料气低压保护控制器PIC101013A和高压保护控制器PIC101013B,进行软连锁安全保护。如此,组成了裂解炉智能协调控制中的燃烧***。
(2)以A炉为例,1支路温度TDC101102为842.50℃,3支路温度TDC1011302为856.50℃,平均出口温度
Figure BDA0001511488350000082
计算为849.50℃,支路炉出口温度最高值TH即TDC1011302,最低值TL即TDC101102,最高温度支路对应的支路进料FTH即FIC101302=6320kg/h,最低温度支路对应的支路进料FTL即FIC101102=6270kg/h,可调系数μ取1.2,最高温度炉管进料流量调节值计算如下:
Figure BDA0001511488350000081
1支路流量FIC101102设定值减少43.04kg/h,3支路流量FIC101302设定值增加43.04kg/h。如此,可慢慢消除A炉膛1支路和3支路的支路温度差。
(3)稀释比子***中,设定A炉膛1次稀释比、2次稀释比分别为EF101MRFA、EF101SRFA,B炉膛1次稀释比、2次稀释比分别为EF101MRFB、EF101SRFB。A炉膛1支路1次稀释蒸汽量FFIC101113的设定值就是1支路烃进料量FIC101102与1次稀释比EF101MRFA的乘积,2次稀释蒸汽量FFIC101112的设定值就是1支路烃进料量FIC101102与2次稀释比EF101SRFA的乘积,其余2-4支路稀释蒸汽量设定值同理计算。
(4)若总负荷的调整量为500kg/h,期望负荷调整时间250s,则可得负荷调整速度为2kg/h/s。A炉膛1支路目标调整量为[6320/(6320+6270)]*2=1.004kg/h/s,同理,3支路目标调整量为0.996kg/h/s。
在期望负荷调整时间250s内,逐步完成负荷的调整,直至调整完毕。在此期间,如果烃进料、稀释蒸汽、COT温度中有一个回路不平稳或支路温度均衡起作用时,则自动暂停负荷调整,待上述回路都平稳后,再自动进行负荷的调整。
某乙烯装置EF-101裂解炉多变量智能协调控制实施前后,裂解炉COT温度波动范围由11.36℃降低至0.73℃,均方差由1.29℃降低至0.43℃;裂解炉运行时间由50.4天延长至59.4天,双烯收率由51.42%提高至53.40%,能耗由620.18kgEo/t降低至580.06kgEo/t。该发明的应用使裂解炉在原料切换、开炉、停炉等多种工况均可稳定控制,始终在最佳状态运行。

Claims (1)

1.一种裂解炉多变量智能协调控制方法,其特征在于:该方法基于四个控制子***实现,四个控制子***为燃烧***、支路温度均衡***、稀释比***、负荷调整***,燃烧***与支路温度均衡***连接,支路温度均衡***分别与稀释比***和负荷调整***连接,四个控制子***由计算机控制;
(1)燃烧***即COT温度控制;
裂解炉COT温度是裂解炉的关键操作变量,与裂解炉产品乙烯和丙烯的收率息息相关,同时COT温度的控制质量还反映炉膛燃烧的运行状况;裂解炉COT温度受进料流量、燃料热值、炉膛燃烧热负荷、炉管结焦情况影响,且有些因素是随机、不可控的;
对此进行COT温度与燃料气流量串级控制;防止燃料气热值变化对COT的影响,加入热值控制;引入燃料气压力的选择性控制,进行软连锁安全保护,防止燃料气流量太小时裂解炉的熄火和流量太大时裂解炉脱火;只有燃料气压力在正常范围内,COT温度、燃料气流量均在平稳阈值内,才确认燃烧***稳定,高层控制方具备投运条件;
(2)支路温度均衡控制***
支路温度均衡是调整各支路流量使得各组炉管的出口温度接近相等,目前采用的方法为根据每一支路炉管出口温度来调整所在支路的进料流量控制器的设定值;但在实施过程中,由于裂解炉的负荷是固定值,调整一支路炉管的进料量必然会自动影响到其他支路,由此引发各支路之间的耦合关系,控制效果差;
裂解炉支路温度均衡子***中,首先通过核算,计算出各支路炉管的平均出口温度
Figure FDA0002691099190000011
并计算出所有支路炉出口温度最高值TH与最低值TL,其中最高温度和最低温度支路对应的支路进料记为FTH和FTL,按式计算出最高温度炉管进料流量调节值Δf;
Figure FDA0002691099190000021
其中μ为可调系数,视裂解炉工况而取;通过式(1)计算出支路进料调节量,最高支路温度流量的设定值增加Δf,最低支路温度流量的设定值减少Δf,如此保证各支路的总流量保持不变,消除***的内部耦合;
在实际生产过程中,计算机实时自动对各支路进料量进行调整,直到各支路间温差小于设定的阈值即停止计算,以解决裂解炉支路温度均衡问题,保障裂解炉出口温度的平稳运行;
(3)稀释比***
在裂解反应中,稀释蒸汽的加入是为了在总压力不变的情况下降低烃分压,而烃分压的降低对于乙烯产品生成有利,而且能减少二次反应,减少烃类聚合和缩合;但稀释比增加到一定程度,效果也逐渐降低,而使生产每吨产品的耗气量增加,成本上升;因而存在一个最佳的稀释比,它直接影响裂解炉操作周期和裂解产品收率;为此设计稀释比子***,根据各组炉管的进料流量以及给定的稀释比,计算出各组炉管的蒸汽流量控制器的设定值,通过调整蒸汽流量使各组炉管的稀释比保持在期望值,以经济合理利用稀释蒸汽,减少炉管结焦和对炉管平均COT温度的影响;
(4)负荷***
裂解炉的负荷根据生产需求进行定期调整,在设定的时间内完成提/降量;为减小负荷调整对裂解炉稳定性的影响,提出了裂解炉的负荷控制方法;
基于裂解炉机理及风险性准则,根据热量平衡、物料平衡,当支路温度均衡控制***、负荷控制***运行中,支路COT偏差超出范围时,限量调整支路进料,同步调整稀释蒸汽,不改变总负荷,解决均衡控制难题,确保支路COT无偏差,真正实现裂解炉高效优质运行;
调整量速度表达式如下表示:
Figure FDA0002691099190000031
式中:V:调整量速度、Vmax:调整量最大速度、Vmin:调整量最小速度、S:目标值、P:测量值、T:剩余时间、λ:速度调节系数;
裂解炉有多支炉管,对负荷调整需要根据裂解炉当前的运行负荷情况进行负荷调整分配,各支路炉管进料流量调整量,如下式所示:
Figure FDA0002691099190000032
Fn为各支路炉管的当前实际进料量;N为裂解炉的支路炉管总个数,n为裂解炉的支路炉管序号数,
Figure FDA0002691099190000033
为每个支路进料流量调整速度;计算出调整量速度后,根据以下公式更新下一控制周期的控制器设定值:
Figure FDA0002691099190000034
式中,Fn.spt为第n支路流量控制器当前控制周期设定值,Fn.spt-1为第n支路炉管流量控制器上一控制周期设定值,Δt为控制周期;在实际装置中实施时,通过预先设定的负荷调整时间,由计算机自动进行计算调整,无需人为干预,即实现裂解炉提降负荷过程的安全平稳运行;
基于裂解炉内部各子***间的复杂性及耦合性,建立裂解炉各子***的交互应答机制,只有在烃进料、稀释蒸汽、COT温度控制是***都平稳且都处于串级控制的情况下,实施稀释蒸汽、支路均衡、汽烃比及负荷控制,若烃进料、稀释蒸汽、COT温度回路的偏差超过设定的阈值,通过交互应答机制,则自动暂停支路温度均衡控制***/负荷控制的调节,等待回路都控制平稳后,***将自动再次进行支路温度均衡控制/负荷控制;
将各子***按照优先级进行排序,运行监测指标用Fi表示;
Fi=sign(|f(u)-S|-σ) (5)
S为设定值,σ为阈值;
Figure FDA0002691099190000041
Figure FDA0002691099190000042
m为基础子***的数量,x是自变量,i和j是序号;
在每个控制周期,自动检测个子***的监测指标,当Fi为1时运行子***,当Fi为0时停止子***。
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