aspenONE® 先进过程控制解决方案在乙烯装置上的应用

美国AspenTech公司 竺建敏

1 aspenONE®乙烯工业整体解决方案概述

AspenTech在乙烯生产制造、工程、供应链管理技术集成解决方案方面有着诸多业绩，包括100余套乙烯装置先进控制（APC）在线应用和40余套乙烯装置闭环实时优化（RTO）应用、全球65% 的乙烯厂采用AspenTech的计划排产工具 (PIMS)、100余个工厂 / 2000余个用户使用AspenTech工厂信息系统以及全球95% 的乙烯厂采用AspenTech流程模拟软件，AspenTech乙烯生产计划优化、调度优化、闭环实时优化以及先进控制集成解决方案实例，如图1所示。aspenONE®解决方案通过以下措施来实现工厂利润的最大化：在装置的实际约束条件下优化原料选择和调度；对产量、收率和能耗进行综合考虑和平衡，优化装置绩效，减少过程波动，实现最优卡边操作；保证生产在最好水平运行的基础上，实现生产工作流程的标准化，确保高质量和高收率；通过优化资产利用率，提高资本效率。

图1 aspenONE乙烯厂解决方案实例

aspenONE®计划和调度、先进控制、生产管理和执行以及过程工程解决方案在乙烯生产厂商得到了广泛的应用。例如，三星道达尔在韩国大山（Daesan）的烯烃和芳烃厂应用aspenONE®计划及调度解决方案，建立了一套严密整合的计划及调度业务模式，使三星道达尔每年节约500多万美元，能实现更好的库存可视化，促使决策更加快速和正确且拥有完全整合的、多层的过程优化系统。LG化学在韩国大山（Daesan）乙烯厂采用aspenONE®先进控制解决方案，一年节省了400万美元的运营成本，这套解决方案还帮助LG化学公司实现了卓越运营目标。在满足该工厂工艺约束条件下，乙烯和丙烯的产量提高了2%，总石脑油裂解能耗(NCC)也降低1.5%。投运APC后，乙烯和丙烯的损耗明显减少，而且装置生产运行也更加稳定，不再像过去投运APC之前经常出现液泛或产品不合格的问题。由于APC项目取得成功，目前LG化学正在实施闭环实时优化（RTO）项目，以进一步改善LG化学的卓越运营水平。例如，道氏化学公司（ Dow Chemical Company ）先后在十多套乙烯装置上实施Aspen DMCplus/Aspen Composite先进控制(APC)及Aspen Plus Optimizer闭环实时优化(RTO)项目。据不完全统计，有10余套乙烯装置应用了AspenTech的APC及RTO技术，四年内累计所产生的经济效益高达17500万美元。

中石化燕山石化分步实施了乙烯集成生产控制和优化及管理系统，应用AspenTech技术包括Aspen PIMS生产计划、Aspen Advisor生产统计、Aspen InfoPlus 21信息管理系统、Aspen DMCplus及DMCplus Composite乙烯全装置全流程先进控制（APC）、Aspen Watch和Aspen SmartStep控制器监控及性能维护，目前燕山石化正在实施乙烯全装置全流程的Aspen Plus Optimizer闭环实时优化（RTO）项目。

2 aspenONE乙烯先进控制和闭环实时优化系统综述

乙烯生产优化解决方案包括以下主要部分：用于先进控制（APC）的Aspen DMCplus及DMCplus Composite；用于闭环实时优化的Aspen Plus Optimizer；计划的生产信息来自于计划工具Aspen PIMS；乙烯调度采用Aspen Olefins Scheduler工具； 而实际的生产信息是由Aspen InfoPlus.21实时数据库系统记录下来，并经Aspen Advisor调合后的生产数据。图2为典型乙烯厂中Aspen DMCplus、DMCplus Composite与Aspen Plus Optimizer的信息交换。

在乙烯装置上实施先进控制和实时优化具有显著的经济效益。乙烯装置的高度集成设计使得它很难时时刻刻地运行在优化操作点上，因而需要有先进控制和闭环实时优化系统来寻找和控制影响装置效益的关键变量。先进控制（APC）能够把装置推向更接近于真正的工艺约束限值，可显著地提高装置处理能力。闭环实时优化系统（RTO）采用非线性优化技术能以全局效益最大化方式来优化诸如裂解炉进料量、稀释蒸汽／烃进料比、裂解深度以及压缩机吸入段压力和塔的产品纯度，能在先进控制基础上进一步带来效益。例如，RTO能够在优化裂解气压缩机吸入段压力、最大化裂解炉处理量和优化乙烯产率之间进行综合考虑并做出优化决策。或者，基于非线性的优化系统来实现全装置的优化，为了最大化裂解炉的处理量，能够适当地放宽脱甲烷塔顶的乙烯损失程度。

图2 典型乙烯厂中Aspen DMCplus、DMCplus Composite与Aspen Plus Optimizer的信息交换

AspenTech已成功地实施了100余套乙烯装置先进控制项目和40套乙烯装置闭环实时优化项目。例如，新加坡石化公司（PCS）乙烯装置采用AspenTech先进控制和闭环实时优化，经标定，总体效益包括提高产量5.5%，其中30%来自于DMCplus控制，40%来自于组合线性规划控制器(DMCplus Composite)处理量最大化，30%来自于闭环实时优化(RTO)。除了增加产量外，每吨乙烯还可节能3%。

3 乙烯全装置全流程先进控制的主要技术特点

Aspen DMCplus基于多变量模型预估控制理论，DMCplus控制系统能够增强装置生产的抗干扰能力和约束处理能力，降低生产的波动，充分挖掘装置的工艺和设备能力，DMCplus能以更加接近于装置的真正的约束条件下及更接近产品规格要求下可靠运行，实现最优卡边操作，得到可观的经济效益回报。通过对生产过程中所有被控变量进行监测和控制，DMCplus控制系统能够增强生产的稳定性，降低操作人员对生产的监测和干预强度。

裂解炉先进控制的效益主要通过提高目的产品收率和提高热效率及提高炉子运行周期来实现。控制合理的烟道气氧含量和优化裂解深度，可以降低能量的损耗、延长裂解炉运行周期并提高目的产品收率。

乙烯装置分离系统的效益是通过采用DMCplus控制系统，减少关键被控工艺变量的标准偏差量，使各分离单元控制目标接近最优卡边值，达到增产和降耗增效目标。

3.1 SAPC在先进控制中的作用

乙烯装置的每个裂解炉将由一个单独的DMCplus控制器来控制。裂解炉操作的一个关键性能指标是裂解深度，裂解深度用来控制乙烯和丙烯的产率。实现裂解深度自动控制为装置下游平稳操作奠定了基础。大部分乙烯装置都配备有裂解炉出口组成分析的在线色谱来确定裂解深度。但是，在线仪表的更新周期太长一般都不适合于在线裂解深度控制。而且，有时其可靠性不足以用于连续控制。作为先进控制的一部分，AspenTech建议采用SAPC，TECHNIP公司用于先进控制的SPYRO模型技术来在线预估和控制裂解深度／转化率。SAPC能每分钟进行计算来提供实时的裂解深度／转化率。当裂解炉有出口分析数据或化验室分析数据时， SAPC模型计算可在线更新（如更新SAPC模型中的COT偏置项等）。如果原料性质在线分析数据或原料的在线分析结果与SAPC联用，可实时地反映裂解深度随原料性质的变化， AspenTech开发了SAPC标准接口，实现了与SAPC无缝连接，其进料分析、裂解深度在线计算及校正、DMCplus控制一体化相关流程，如图3所示。AspenTech已经在很多乙烯先控项目上成功实施了裂解深度在线控制。除了裂解深度以外，机理的SPYRO模型还能用来预测炉管表面温度（TMT）以及结焦速率等。

图3 原料计算、SAPC及DMCplus一体化流程

3.2 大型控制器

与其它多变量预估控制器不同，DMCplus具有运行大型控制器能力，例如冷区包含脱甲烷塔、脱乙烷塔、乙烯精馏塔、丙烯制冷压缩机等单元，各单元之间在工艺上存在很强的操作耦合。在冷区设计单一大型控制器能有机地协调各单元之间热量与物料的集成、综合所有操作变量和被控(约束)变量的关系，更好地处理多个和/或转换工艺约束，因而可获得更好的动态控制效果。

图4 冷区的控制器被分成几个子控制器

3.3 子控制器

图4 为冷区典型单一控制器设计，该控制器包含有几个子控制器，子控制器把一个大型控制有机地分割成几个逻辑流程段，它们拥有一组控制器的相关操作变量和被控变量，使控制器操作变得非常灵活及容易。子控制器均可按需要独立地运行（开和关），而并不需要对内部真正的控制结构进行任何的变更，因而可显著地提高控制器的投用率。

3.4 通过组合线性规划控制器，实现进料最大化及裂解炉负荷的智能分配

组合线性规划控制器（DMCplus Composite, CLP）能处理诸如整个乙烯厂这样的大型控制难题。在稳态优化(CLP)意义上，它拥有与单个控制器相同的模型，通过与下层控制器有机的互动，以一个大型多变量控制器进行整体协调工作，为裂解炉进料的最大化及裂解炉负荷的智能分配提供了行之有效的解决方案。组合线性规划控制器在满足上下游工艺约束的条件下，使装置进料达到最大化的同时，使全装置维持在最优的目标。

一般由DMCplus用户按照工艺约束来确定哪个控制器应包含在组合线性规划控制器中。组合线性规划控制器利用下层的控制器核实输入数据，用组合预测和组合线性规划（CLP）替换每个控制器的预测和线性规划（LP）。前端的动态控制作用与后端控制器有机通讯，从而获得一致的动态控制调节方案。

如果由于下游约束，CLP不能达到优化目标值，可采用基于优化系统的灵敏度分析来确定每台裂解炉对目标函数的影响程度。CLP可采用分析结果，对每台裂解炉排序。当组合线性规划控制器需要对进料量作调整，选择调整裂解炉是基于上述优化系统的灵敏度分析。组合线性规划控制器决定各裂解炉调整的组合来确保满足工艺约束，且使效益最大化。

当因操作条件变化引起处理量增加的空间时，CLP将基于上述优化系统的灵敏度分析来增加各裂解炉的进料量。在处理量增加时，下游装置将保持在优化器给出的目标值。

假如一台清焦后裂解炉在线生产，整个装置组合线性规划控制将调节其他裂解炉进料来满足后系统约束。调整各裂解炉进料是基于优化系统的边际效益分析。

整个装置组合线性规划控制在响应裂解炉切换及其他干扰时的协调作用能确保装置运行在一组最优卡边工艺条件。当克服干扰之后，装置回到稳态，组合线性规划控制将优化相应的操作目标值。

由上所述，采用组合线性规划控制器（DMCplus Composite, CLP）可容易地实现裂解炉负荷的智能分配。乙烯装置特别适合运行组合线性规划控制器，CLP将连续不断地把装置推向进料最大化直到工艺约束为止。例如，由于夜晚冷却水温度较低，某些工艺约束可能有些余量，CLP将进一步增加进料量。 DMCplus 控制器将确保所有下游操作稳定且在工艺范围内前提下，使进料最大化。

3.5 先进控制最佳实践

先进控制系统在石油化工企业的应用为企业创造了可观的经济效益。然而，随着时间的推移，由于工艺过程和操作上的变化，控制器的在线时间会逐步减少，控制器的投用效果会降低。因此，有必要实时监测各个控制器的性能并且不断提升其性能。

Aspen Watch是一套先进控制系统的性能监测软件，应用该技术可从大量操作数据中有效提取出有用信息，通过对控制器状态监测、控制器性能分析、控制器性能诊断和增强控制器性能建议等一整套性能监视和诊断工具及方法来保持先进控制系统长周期高效运行，给企业带来效益。

另外，当一套装置的工艺发生较大变化或工艺改造后，控制器的模型必须进行相应的调整，否则控制器的创效能力会慢慢下降。而采用传统的阶跃测试技术需要耗费大量的人力和时间成本，影响了控制器在装置运行周期内的持续创效能力。

Aspen SmartStep自动阶跃测试技术是在降低测试强度的情况下自动施加信号，并获得高质量的测试数据，同时能够维持装置的安全操作，该技术和控制器投用同步实施，可有效地达到减少项目实施周期、快速投用控制器、提高模型精度、改善控制效果等功能。

此外，AspenTech推出的Adaptive Modeling 自适应建模技术能使更新控制模型步骤自动化、能自动进行装置测试来产生新数据，从而精简控制器维护工作来使多变量模型预测控制器效益最大化，目前，Adaptive Modeling技术已有多个成功应用实例。

综上所述，AspenTech先进控制最佳实践主要包括三方面：采用自动装置测试技术来产生高质量模型数据、采用多变量模型预测控制器及DCS中PID回路性能监控技术，及采用模型自适应技术来维护多变量模型预测控制系统。

⑶没有配套医院档案管理工作人员去实施。想要实施医院档案管理办公自动化,计算机网络技能水平是基础和前提,而且自动化技术的表现形式并不单一,会以多样化形式从多个方面进行表现,其操作过程也会需要操作人员时刻保持正确精准。从当前发展形势中看到,传统医院档案管理方法根深蒂固,很难在短时间内改变工作人员想法,而且传统档案管理方法无法应用在现在具体操作当中。当档案管理工作人员缺乏现代化档案管理专业操作技能时,工作效率会受到阻碍,这种情况下只能让档案管理工作人员进行相关专业知识,否则无法很好地胜任具体档案管理工作。

乙烯装置工艺流程复杂、控制器数量多、规模大，控制器性能监控及维护是实现先进控制可持续效益的关键，道氏化学公司（ Dow Chemical Company ）先后在10余套乙烯装置上实施Aspen DMCplus先进控制，伴随工艺改造及过程的动态变化，通过采用先进控制最佳实践及Aspen Watch和Aspen SmartStep等控制器维护工具来实现可持续效益的最大化，适时进行模型更新，整定参数调整及日常维护，使先进控制系统获得持续的效益，目前道氏化学公司乙烯装置先进控制在线投用率仍在95%以上。

图5 DMCplus Composite 组合线性规划控制器与常规DMCplus控制器的关系

4 燕山石化乙烯装置全流程先进控制实例

4.1 装置简介

中石化燕山石化乙烯装置是我国第一套引进的大型乙烯装置，1976年投产能力为30万吨乙烯/年，1994年首次扩能改造为45万吨乙烯/年；采用“两头一尾”布局。2001年11月二次扩能改造为71万吨乙烯/年。与一般的乙烯装置不同，燕化乙烯装置裂解炉包含五种炉型专利，四种原料，两个裂解炉区、急冷和压缩系统，后系统合并成一个大的分离区及多个冷剂系统相互作用，具有工艺流程复杂，技术密集和系统关联程度高的特点，对实施先进控制系统具有挑战性。

在先控项目启动之前，工艺操作遇到的问题包括许多DCS控制器处于手动、丙烯精馏塔塔釜的丙烯含量偏高、产品质量过剩以及裂解炉结焦速度快、运行周期短等。为此，先进控制项目的目标为实现装置平稳操作、生产合格产品、实现乙烯/或乙烯加丙烯产量最大化及提高操作效率。

4.2 项目范围

本先进控制项目集成了多种技术，主要包括AspenTech公司的多变量控制器DMCplus 技术、AspenTech公司的组合线性规划控制器CLP技术、Technip公司的用于先控应用的裂解炉裂解深度在线计算软件SAPC (Spyro for APC)、AspenTech公司的用于SAPC的接口系统(IP.21和Aspen Calc)以及中石化NAP原料近红外NIR在线分析技术。

先进控制项目实现了包括原料计算、裂解炉、急冷压缩和分离系统在内的全流程、全过程的先进控制在线运行，达到了乙烯装置稳定高效运行和提高效益的目标。

4.3 多变量控制器设计

针对新老裂解炉区、新老急冷压缩系统、深冷系统和碳三分离系统，整个乙烯全装置、全流程先进控制系统总计开发了23个主控制器（含18个子控制器）和2个CLP组合控制协调器 ，其控制器设计如表1所示。

表1

如图6所示，在各单元DMCplus控制器基础上，进一步采用组合线性规划控制器DMCplus CLP实现进料最大化及裂解炉负荷的智能分配。

图6 DMCplus控制器及组合线性规划控制器CLP结构图

先进控制操作平台采用三台上位机，分别为DMCplus/CLP多变量控制服务器、InfoPlus 21/SAPC实时数据库及裂解深度在线计算服务器及Aspen Watch控制器性能监控服务器。DCS通过三台EXA OPC通信工作站与上位机相连。OPC上安装AspenTech的标准通讯接口软件Cim-IO Server for OPC，用于DMCplus/InfoPlus 21与DCS通信。

先进控制项目实施步骤包括：技术培训、预测试、初步功能设计、仪表实施整改、装置响应测试、控制器建模、控制器离线模拟整定、DCS接口组态、详细功能设计、操作工培训、控制器投运及性能考核验收等环节。

4.4 投运效果

老区裂解炉DMCplus控制器于2004年8月实现在线投运，由于受乙烯装置检修周期延长、考虑DCS在线下装的影响，其它DMCplus控制器和CLP应用也都在2007年5月至9月间陆续投用。目前系统运行正常，控制器投用率较高，达到了稳定操作、提高效益的设计目标，取得了良好的经济效益。在国内实现了乙烯装置全流程、全过程先进控制在线投用。投用结果表明：

（1）系统操作界面友好，操作简便及安全可靠；

（2）改变了裂解炉控制策略，优化了裂解炉的运行状况，降低了主要被控工艺变量的波动幅度；从常规控制的单纯的COT操作，到先进控制的裂解深度的控制，使得裂解反应的操作条件更加稳定和均一，从而使产物的组成更加稳定；

（3）提高了装置运行的平稳性，如投运先控后，急冷系统塔顶温度、塔釜温度波动明显减小、装置稳定性增强；

（4）实现了装置卡边操作，例如乙烯精馏塔控制器能控制塔顶乙烷杂质含量，实现卡边控制并有效地控制塔底乙烯损失在要求范围内；

（5）有效、合理地协调了装置的运行负荷：CLP组合线性规划控制器是一个近似于涵盖整个装置的大型多变量控制器、协调器。其主要目的是在满足下游约束，或是保持操作员给定的进料量设定值，并保持操作员设定石脑油进料量或HGO/HVGO进料量的条件下，使进料最大化。目前，在正常情况下，CLP控制器运行效果良好，能够根据各个裂解炉的工艺约束状况，自动地完成对所有裂解炉的负荷分配。

4.5 结语

燕山石化乙烯全流程、全过程先进控制项目于2008年通过了中国石化总部验收。通过实施先进控制项目，提高了乙烯装置生产运行平稳率、降低了操作人员的劳动强度，减少人为的操作失误和生产过程上下游的相互干扰；进而可实现装置卡边操作，提高产品产量，提升了市场竞争力。在产量最大化的条件下，乙烯和丙烯产量可增加2%，经济效益显著。实施先进控制项目后还实现了裂解炉负荷的智能分配，在提高装置处理能力的同时，延长了裂解炉的运行周期。该项目的成功为国内开展乙烯装置全流程先进控制技术的推广应用打下基础，积累经验。乙烯生产装置具有工艺流程长、处理能力大、装置能耗高的特点，乙烯生产装置实施先进控制是企业信息化应用中一项投入少、增效快的重要措施。大量实践证明，先进控制能为企业创造巨大的经济效益。

致谢：衷心感谢中石化北京燕山分公司化工一厂技术专家金宗贤先生对本文写作给予的多方帮助。

[ 1 ] 陈德烨 ，金宗贤.先进控制技术在燕化乙烯装置上的实施[J].乙烯工业，2008，20(2):34-38.