APC 系统在乙烯装置上的应用

彭志翔 郝 昭 中国石油四川石化有限责任公司 成都 611930

乙烯装置是整个石化行业的龙头，如何运用先进控制技术来改造传统控制手段，节能降耗，提高双烯收率，提高乙烯装置的控制水平是乙烯行业今后发展的方向。要实现乙烯装置的先进控制，需将乙烯装置作为一个整体研究对象，通过现场测试，收集测试数据及装置运行历史数据，利用这些数据量化描述各变量之间的相互关系，在此基础上辨识出数学模型，建立相应预测控制所需的内部模型，利用该模型预测装置的变化，并根据实际工艺特点和要求选取合理的参考轨迹、操作变量约束、被控变量约束、控制结构集成先进的控制器。提前调节多个相关的操作变量，提高装置运行的平稳性，可取得良好的控制效果，提高装置的经济效益。

1 装置简介及APC 系统实施背景

1.1 装置简介

某石化公司80 万吨/年乙烯装置的8 台裂解炉采用7 台USC-176U 型超选择性裂解炉和1 台USC-12M 型气体裂解炉。急冷油塔、急冷水塔采用S&W 的具有高效、流通量大、压降小特点的专利波纹塔盘。高、低压双塔脱丙烷使塔釜操作温度降低，减少塔底和再沸器聚合结焦，约50%的碳三及以上重组分不进入裂解气压缩机五段，节省裂解气压缩机功率。高压脱丙烷塔与裂解气压缩机五段组成开式热泵，节省能耗。乙烯精馏塔与乙烯压缩机组成开式热泵；乙烯塔采用低压精馏。

1.2 APC 系统实施背景

该乙烯装置是某公司APC 项目第二批实施装置之一，共设计了13 个控制器，分别为裂解炉控制器、高压脱丙烷塔控制器、尾气精馏塔脱乙烷塔控制器、低压脱丙烷塔脱丁烷塔控制器、丙烯塔控制器。APC 在实施后，保证了装置的运行平稳，减小波动，减轻了操作工的劳动强度。

2 先进过程控制技术

先进过程控制技术实施主要包括预测控制技术、模型辨识技术及性能监控技术。

2.1 预测控制技术

DMC 预测控制技术是动态矩阵预测控制，是APC 控制的一种。根据乙烯装置机理复杂、操作方案多变、操作变量强耦合、参数约束强的特点，对乙烯装置采用DMC 多变量预测控制，预测控制主要包括预测模型、参考轨迹和滚动优化三个部分，其控制原理见图1。

图1 预测控制结构

2.2 预测模型辨识技术

实验建模是目前先进控制应用中较为常用的方法。如图2 所示，由于过程的输入输出一般可以测量，而过程的动态特性必然表现在这些输入输出数据中，辩识是利用相应的算法对所获输入输出数据进行分析以便获得被控对象数学模型的过程。

图2 模型辩识过程

利用检测对象各通道的阶跃响应，并经光滑处理后建立DMC 控制器模型。在建模过程中，选择适当的被控变量CV、操作变量MV 以及干扰变量DV，确定被控变量权重和增量抑制因子矩阵等控制器参数，再通过阶跃试验数据确定各MV、DV与CV、AV 的对应关系模型。根据装置的特点和生产的要求，精心设计阶跃试验计划，选择矫正系数矩阵，并保证试验的成功，从而为过程模型的辩识提供理想的数据。DMC 辩识器通过装置的试验数据来建立过程的数学模型，并根据实际工艺特点和要求选取合理的参考轨迹、操作变量约束、被控变量约束、控制结构以得到DMC 预测控制器。

2.3 性能监测技术

采用最新技术来监控和评估先进控制运行的性能，见图3。

图3 性能监控与评价软件与APC 系统结合的工作方式

3 系统功能方案设计

乙烯装置生产过程期望的目标是追求整体经济效益的最佳化，即要兼顾产品产量、质量、原材料消耗及能耗的各个方面。采用先进控制软件，建立乙烯装置先进控制系统，应对具有复杂动态特性、纯滞后、多变量、强耦合、变量有约束等生产过程，并在工况变化时具有较好的控制性能，充分发挥装置的生产潜力，优化生产，便于操作，运行可靠。根据乙烯装置以上控制目标，设计该装置先进控制系统总体结构如图4[1]。

图4 乙烯装置先进控制系统总体结构

先进控制系统实施，首先进行详细方案设计，然后对装置进行阶跃测试，收集装置过程阶跃测试数据，并利用多变量模型预估辨识模块，辨识出被控变量、约束变量与操作变量、干扰变量之间的阶跃测试模型，并生成控制器在线运行的参数文件，主要包括#1-#8 裂解炉控制器、急冷单元控制器、脱乙烷塔控制器、尾气精馏塔控制器、低压脱丙烷塔控制器、丙烯塔与丙烯汽提塔控制器、脱丁烷塔控制器，各控制器之间各自独立，但也根据前后装置物料组分的影响关系产生一定的内在联系，是一个有机整体。

从结构上看，控制器包含3 个模块：①预测模块，控制器开环的前提下，预测CV 的未来值；②线性规划模块，结合经济条件和约束条件，利用线性规划或二次规划的方法计算MV 和CV 优化的稳定目标值，这一块决定控制器连续不断地向优化方向运行；③动态控制模块，利用被控变量动态误差最小化原理确定操作量的调节步骤，这一步决定控制器如何优化动作。在控制器中每一个CV 都被赋予一个数值以表明其在控制器中被满足的优先顺序，根据优先顺序进行MV 控制。

4 运行效果分析

从2019 年8 月1 日至2019 年8 月8 日期间的对比测试结果可以看出，装置APC 投用后，关键参数的运行标准方差降低了30%以上，装置关键参数运行更加平稳。

4.1 裂解炉投用APC 前后效果对比

优化控制各进料管的流量和燃料气进料，正常情况下使裂解炉的COT 温度标准偏差控制在1℃以内，在裂解原料切换、裂解原料物性波动、与裂解炉操作相关的工艺或仪表出现波动时对裂解炉运行产生的大干扰的情况下COT 标准偏差控制在3℃以内。从图5 和图6 可以看出，5 号炉（F1150）先控投用前第二支路COT 温度波动超过10℃，先控投用后温度波动基本在±1℃，大扰动时温度波动在±3℃以内[2]。

图5 F1150 裂解炉投用前2 支路COT 偏差

图6 F1150 裂解炉投用后2 支路COT 偏差

裂解炉分四组进料，各组均有流量调节器。图7 为F-1130 使用DCS 进料串级控制的四个通道COT 趋势图，温度波动较大且四组趋势分散。图8为F-1130 使用APC 支路平衡先进控制的COT 趋势图，温度波动明显变小，四组趋势集中。

图7 F-1130 使用DCS 进料串级控制的COT 趋势图

图8 F-1130 使用APC 支路平衡先进控制的COT 趋势图

4.2 急冷水塔塔釜温度偏差投用前后运行情况对比

通过控制急冷水流量和急冷水温度稳定塔11层温度和塔底温度，使偏差控制在1℃以内。有效保证了裂解气压缩机吸入口压力，防止急冷系统被抽真空。急冷水塔投用APC 前后塔釜温对比情况见图9，图10。

图9 投用前急冷水温度TI12025PV

图10 投用后急冷水温度TI12025PV

4.3 高低压脱丙烷塔温度控制

通过控制高压脱甲烷塔回流量稳定了塔顶温度，以盘油温度为前馈，调整塔釜盘油量使灵敏板温度稳定在合理范围。塔底再沸由塔釜侧线抽出一股液相送往再沸器，通过温度控制器与流量控制器串级控制PO 流量来给塔釜提供热源，加热后的气体返回到第42 块塔盘下。调整塔釜另一股液相抽出量控制塔釜液位。在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益最大。

4.4 脱乙烷塔温度控制

脱乙烷精馏塔再沸器设有温度串级控制。温度串级控制回路构成为：TE14118、TT14118、TIC14118、FT14035、TT14114、TT14115、 热 值计算功能块、 FJC14035、FV14035。其中副回路调节器FJC14035 的测量值是热值计算功能块的输出值，设定值为主回路调节器TIC14118 的输出。热值功能块的计算式如下：

计算功能块的输出= （TT14115- TT14114）×FT14035×水的比热。

以进料量和急冷水温度为前馈，调整急冷水量，通过控制，稳定回流罐液位。在保证液位稳定的基础上，稳定抽出量，为下游乙烯塔提供稳定的进料。调整脱乙烷塔塔底抽出，稳定脱乙烷塔液位。在投入先进控制系统后，精馏过程关键参数灵敏板温度的波动明显降低，控制质量得到了改善，塔顶产品碳三含量控制＜1%（摩尔百分数）、塔底产品基本不含碳二组分，降低了乙烯单耗，控制系统自动运行，大大减少了人为干预因素。 根据目前的运行结果，保守估算节约急冷水用量达到1.0% 以上。

4.5 乙烯塔温度控制

乙烯塔回流量的控制是以采出量为基准，按一定的比值进行控制的。回流量由两部分组成：乙烯压缩机K1650 三段排出的乙烯和来自E1421过冷器来的乙烯。乙烯塔中间再沸器的液位采用超驰控制。比值稳定控制和再沸器液位稳定控制是主要目的。整个复杂回路主要由三部分组成：①乙烯塔回流量的比值控制；②乙烯塔中间再沸器的液位超驰控制；③进中间再沸器的乙烯流量控制。无论从乙烯压缩机K1650 三段排出的乙烯流量增加，或是E1421 过冷器来的乙烯量增加，都会造成比值调节器的测量值增加（即比值增加），由于正作用调节器，输出将增加，阀门的开度将减小，流进乙烯塔的回流量将减小，比值将减小，回到希望控制的比值上。如果乙烯塔采出的流量减小，即是经过流量、温度补偿出来的值减小，也就是比值调节器的测量值增加（即比值增加），调节器输出增加，阀门的开度将减小，流进乙烯塔的回流量将减小。比值将减小，回到希望控制的比值上。反之亦然。最终维持比值不变。设置一个回流采出流量比值实时显示块，同时设比值报警，以方便工艺人员监测和操作。由于乙烯塔是精馏塔，需要明确比值是流量比。设置便于工艺改变比值的操作窗口，同时限制改变幅度和变化频率。流量比值调节器的比值设定值范围应与比值测量计算值相对应。

乙烯塔塔底抽出物进入乙烯塔再沸器与来自E-1648 乙烯冷剂四段换热后回流到乙烯塔，通过对乙烯冷剂的流量控制，来调节乙烯精馏塔的温度。如果液位低于400mm，超驰控制FV14044 调节阀。通过控制塔釜乙烯热源量阀位FIC14044MV值，稳定灵敏板温度。通过控制塔顶主回流，稳定塔顶温度和质量，使塔顶甲烷含量＜200PPm、乙炔含量＜2PPm、乙烷含量＜300PPm。

4.6 碳三加氢系统控制

碳三加氢反应器入口物料由三部分组成：①一部分氢气来自甲烷化；②第二部分来自碳三加氢脱砷反应器R-1510；③第三部分为反应器出口部分回流。第一部分、第三部分的进料量是依据第二部分的量，并按一定的比值进行控制的。控制氢气量，稳定氢气进料比和出口MAPD 含量。以进料量为前馈，控制抽出量，稳定反应器分离罐V-1520 液位，为丙烯塔提供稳定的进料。APC与PID 控制器的最大区别是，它不再只是单个变量的控制，而是对被控对象的整体进行多个变量的控制。这样就消除了多个回路之间的相互影响，使进料流量控制更为准确。APC 调节投用后，碳三加氢反应器出口MAPD 含量波动范围控制在2.0%以内、最大波动值≤500ppm，有效保障了给丙烯塔的进料质量。

碳三加氢系统 APC 调节投用后出口MAPD 含量趋势对比见图11。

图11 碳三加氢系统 APC 调节投用后出口MAPD 含量趋势对比图

5 全流程投用APC 系统效果

5.1 提升目标产品收率

从装置报表中取装置APC 之前未投用与投用后的两个月双烯烃收率进行对比，如表1 所示，APC 投用后装置双烯收率提高了0.61%。

表1 双烯收率对比表

5.2 降低能耗

从装置报表中取APC 投用前后两个月能耗数据进行对比，如表2 所示，APC 投用后，装置能耗降低了2.551%。

表2 能耗对比表

6 结语

通过对上述乙烯装置先进控制APC 系统的投用，可以极大程度地实现稳定裂解炉COT、延长裂解炉运行周期、增强装置的抗干扰能力、提高乙烯丙烯双烯收率、高比率合格产品产出等目标，对节能降耗、降低产品成本、减少操作人员劳动强度有重要意义。