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    竺建敏，男，工業(yè)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)博士，現(xiàn)任美國(guó)AspenTech公司資深技術(shù)顧問(wèn)， 1993年~1999年在美國(guó)休斯敦DMC公司任高級(jí)控制工程師，1996年~1999年在美國(guó)AspenTech公司任先進(jìn)控制及優(yōu)化項(xiàng)目高級(jí)工程師， 1999年~2002年在AspenTech中國(guó)的合資企業(yè)上海申迪軟件工程有限公司任副總經(jīng)理，2002年起在AspenTech中國(guó)區(qū)任資深技術(shù)顧問(wèn)。主要研究方向?yàn)闊捰汀⑹突ば袠I(yè)先進(jìn)控制及閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，曾任美國(guó)休斯敦華人石油協(xié)會(huì)仿真、控制及優(yōu)化專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任，發(fā)表相關(guān)論文20余篇。

    摘要：

    本文簡(jiǎn)述了aspenONE®乙烯工業(yè)整體解決方案，著重闡述了乙烯全裝置全流程先進(jìn)控制的解決方案以及先進(jìn)控制最佳實(shí)踐，詳細(xì)描述了乙烯先進(jìn)控制項(xiàng)目中裂解深度在線控制、乙烯裝置處理量最大化以及裂解爐負(fù)荷智能分配控制策略開(kāi)發(fā)。本文以中石化燕山石化乙烯裝置實(shí)施AspenTech先進(jìn)控制項(xiàng)目為案例，介紹了乙烯全裝置全流程先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及投運(yùn)結(jié)果。

    關(guān)鍵詞: 先進(jìn)控制；模型預(yù)測(cè)控制；優(yōu)化；乙烯裝置；裂解深度在線控制；裂解爐負(fù)荷智能分配

    1 aspenONE®乙烯工業(yè)整體解決方案概述

    AspenTech在乙烯生產(chǎn)制造、工程、供應(yīng)鏈管理技術(shù)集成解決方案方面有著諸多業(yè)績(jī)，包括100余套乙烯裝置先進(jìn)控制（APC）在線應(yīng)用 和40余套乙烯裝置閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）應(yīng)用、全球65% 的乙烯廠采用AspenTech的計(jì)劃排產(chǎn)工具 (PIMS)、100余個(gè)工廠 / 2000余個(gè)用戶使用AspenTech工廠信息系統(tǒng)以及全球95% 的乙烯廠采用AspenTech流程模擬軟件，AspenTech乙烯生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化、閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化以及先進(jìn)控制集成解決方案實(shí)例，如圖1所示。aspenONE®解決方案通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)工廠利潤(rùn)的最大化：

    （1）在裝置的實(shí)際約束條件下優(yōu)化原料選擇和調(diào)度；
    （2）對(duì)產(chǎn)量、收率和能耗進(jìn)行綜合考慮和平衡，優(yōu)化裝置績(jī)效，減少過(guò)程波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)卡邊操作；
    （3）保證生產(chǎn)在最好水平運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工作流程的標(biāo)準(zhǔn)化，確保高質(zhì)量和高收率；
    （4）通過(guò)優(yōu)化資產(chǎn)利用率，提高資本效率。

                   

                             圖1 aspenONE乙烯廠解決方案實(shí)例 

    aspenONE®計(jì)劃和調(diào)度、先進(jìn)控制、生產(chǎn)管理和執(zhí)行以及過(guò)程工程解決方案在乙烯生產(chǎn)廠商得到了廣泛的應(yīng)用。例如，三星道達(dá)爾在韓國(guó)大山（Daesan）的烯烴和芳烴廠應(yīng)用aspenONE® 計(jì)劃及調(diào)度解決方案，建立了一套嚴(yán)密整合的計(jì)劃及調(diào)度業(yè)務(wù)模式，使三星道達(dá)爾每年節(jié)約500多萬(wàn)美元，能實(shí)現(xiàn)更好的庫(kù)存可視化、促使決策更加快速和正確且擁有完全整合的、多層的過(guò)程優(yōu)化系統(tǒng)。LG化學(xué)在韓國(guó)大山（Daesan）乙烯廠 采用aspenONE®先進(jìn)控制解決方案，一年節(jié)省了400萬(wàn)美元的運(yùn)營(yíng)成本，這套解決方案還幫助LG化學(xué)公司實(shí)現(xiàn)了卓越運(yùn)營(yíng)目標(biāo)。在滿足該工廠工藝約束條件下，乙烯和丙烯的產(chǎn)量提高了2%，總石腦油裂解能耗(NCC)也降低1.5%。投運(yùn)APC后，乙烯和丙烯的損耗明顯減少，而且裝置生產(chǎn)運(yùn)行也更加穩(wěn)定，不再像過(guò)去投運(yùn)APC之前經(jīng)常出現(xiàn)液泛或產(chǎn)品不合格的問(wèn)題。由于APC項(xiàng)目取得成功，目前LG化學(xué)正在實(shí)施閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）項(xiàng)目，以進(jìn)一步改善LG化學(xué)的卓越運(yùn)營(yíng)水平。例如，道氏化學(xué)公司（ Dow Chemical Company ）先后在十多套乙烯裝置上實(shí)施Aspen DMCplus/Aspen Composite先進(jìn)控制(APC)及Aspen Plus Optimizer閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化(RTO)項(xiàng)目，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)。有10余套乙烯裝置應(yīng)用了AspenTech的APC及RTO技術(shù),四年內(nèi)累計(jì)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)17500萬(wàn)美元。

    中石化燕山石化也分步實(shí)施了乙烯集成生產(chǎn)控制和優(yōu)化及管理系統(tǒng)，應(yīng)用AspenTech的技術(shù)包括Aspen PIMS生產(chǎn)計(jì)劃、Aspen Advisor生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、Aspen InfoPlus 21信息管理系統(tǒng)、Aspen DMCplus及DMCplus Composite乙烯全裝置全流程先進(jìn)控制（APC）、Aspen Watch和Aspen SmartStep控制器監(jiān)控及性能維護(hù)，目前燕山石化正在實(shí)施乙烯全裝置全流程的Aspen Plus Optimizer閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）項(xiàng)目。

    2 aspenONE乙烯先進(jìn)控制和閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)綜述

    乙烯生產(chǎn)優(yōu)化解決方案包括以下主要部分：用于先進(jìn)控制（APC）的Aspen DMCplus及DMCplus Composite；用于閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化的Aspen Plus Optimizer；計(jì)劃的生產(chǎn)信息來(lái)自于計(jì)劃工具Aspen PIMS；乙烯調(diào)度采用Aspen Olefins Scheduler工具； 而實(shí)際的生產(chǎn)信息是由Aspen InfoPlus.21實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)記錄下來(lái)，并經(jīng)Aspen Advisor調(diào)合后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。圖2為典型乙烯廠中Aspen DMCplus、DMCplus Composite與Aspen Plus Optimizer的信息交換。

                 

                     圖2 典型乙烯廠中Aspen DMCplus、DMCplus Composite與Aspen Plus Optimizer的信息交換

    在乙烯裝置上實(shí)施先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。乙烯裝置的高度集成設(shè)計(jì)使得它很難時(shí)時(shí)刻刻地運(yùn)行在優(yōu)化操作點(diǎn)上,因而需要有先進(jìn)控制和閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)來(lái)尋找和控制影響裝置效益的關(guān)鍵變量。先進(jìn)控制（APC）能夠把裝置推向更接近于真正的工藝約束限值，可顯著地提高裝置處理能力。閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)（RTO）采用非線性優(yōu)化技術(shù)能以全局效益最大化方式來(lái)優(yōu)化諸如裂解爐進(jìn)料量、稀釋蒸汽／烴進(jìn)料比、裂解深度以及壓縮機(jī)吸入段壓力和塔的產(chǎn)品純度，能在先進(jìn)控制基礎(chǔ)上進(jìn)一步帶來(lái)效益。例如，RTO能夠在優(yōu)化裂解氣壓縮機(jī)吸入段壓力、最大化裂解爐處理量和優(yōu)化乙烯產(chǎn)率之間進(jìn)行綜合考慮并做出優(yōu)化決策。或者，基于非線性的優(yōu)化系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全裝置的優(yōu)化，為了最大化裂解爐的處理量，能夠適當(dāng)?shù)胤艑捗摷淄樗數(shù)囊蚁p失程度。

    AspenTech已成功地實(shí)施了100余套乙烯裝置先進(jìn)控制項(xiàng)目和40套乙烯裝置閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化項(xiàng)目。例如，新加坡石化公司（PCS）乙烯裝置采用AspenTech先進(jìn)控制和閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化，經(jīng)標(biāo)定，總體效益包括提高產(chǎn)量5.5%，其中30%來(lái)自于DMCplus控制，40%來(lái)自于組合線性規(guī)劃控制器(DMCplus Composite)處理量最大化，30%來(lái)自于閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化(RTO)。除了增加產(chǎn)量外，每噸乙烯還可節(jié)能3%。

    3．乙烯全裝置全流程先進(jìn)控制的主要技術(shù)特點(diǎn)

    Aspen DMCplus基于多變量模型預(yù)估控制理論， DMCplus控制系統(tǒng)能夠增強(qiáng)裝置生產(chǎn)的抗干擾能力和約束處理能力，降低生產(chǎn)的波動(dòng)，充分挖掘裝置的工藝和設(shè)備能力，DMCplus能以更加接近于裝置的真正的約束條件下及更接近產(chǎn)品規(guī)格要求下可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)卡邊操作，得到可觀的經(jīng)濟(jì)效益回報(bào)。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中所有被控變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，DMCplus控制系統(tǒng)能夠增強(qiáng)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，降低操作人員對(duì)生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)和干預(yù)強(qiáng)度。
裂解爐先進(jìn)控制的效益主要通過(guò)提高目的產(chǎn)品收率和提高熱效率及提高爐子運(yùn)行周期來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制合理的煙道氣氧含量和優(yōu)化裂解深度，可以降低能量的損耗、延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)行周期并提高目的產(chǎn)品收率。
乙烯裝置分離系統(tǒng)的效益是通過(guò)采用DMCplus控制系統(tǒng)，減少關(guān)鍵被控工藝變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差量，使各分離單元控制目標(biāo)接近最優(yōu)卡邊值，達(dá)到增產(chǎn)和降耗增效目標(biāo)。 

    3.1 SAPC在先進(jìn)控制中的作用

    乙烯裝置的每個(gè)裂解爐將由一個(gè)單獨(dú)的DMCplus控制器來(lái)控制。裂解爐操作的一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)是裂解深度，裂解深度用來(lái)控制乙烯和丙烯的產(chǎn)率。實(shí)現(xiàn)裂解深度自動(dòng)控制為裝置下游平穩(wěn)操作奠定了基礎(chǔ)。大部分乙烯裝置都配備有裂解爐出口組成分析的在線色譜來(lái)確定裂解深度。但是，在線儀表的更新周期太長(zhǎng)一般都不適合于在線裂解深度控制。而且，有時(shí)其可靠性不足以用于連續(xù)控制。作為先進(jìn)控制的一部分，AspenTech建議采用SAPC，TECHNIP公司用于先進(jìn)控制的SPYRO模型技術(shù)來(lái)在線預(yù)估和控制裂解深度／轉(zhuǎn)化率。SAPC能每分鐘進(jìn)行計(jì)算來(lái)提供實(shí)時(shí)的裂解深度／轉(zhuǎn)化率。當(dāng)裂解爐有出口分析數(shù)據(jù)或化驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)時(shí)， SAPC模型計(jì)算可在線更新（如更新SAPC模型中的COT偏置項(xiàng)等）。如果原料性質(zhì)在線分析數(shù)據(jù)或原料的在線分析結(jié)果與SAPC聯(lián)用，可實(shí)時(shí)地反映裂解深度隨原料性質(zhì)的變化， AspenTech開(kāi)發(fā)了SAPC標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)了與SAPC無(wú)縫連接，其進(jìn)料分析、裂解深度在線計(jì)算及校正、DMCplus控制一體化相關(guān)流程，如圖4所示。

    AspenTech已經(jīng)在很多乙烯先控項(xiàng)目上成功實(shí)施了裂解深度在線控制。除了裂解深度以外，機(jī)理的SPYRO模型還能用來(lái)預(yù)測(cè)爐管表面溫度（TMT）以及結(jié)焦速率等。

                 

                          圖3 原料計(jì)算、SAPC及DMCplus一體化流程

    3.2 大型控制器

    與其它多變量預(yù)估控制器不同，DMCplus具有運(yùn)行大型控制器能力，例如冷區(qū)包含脫甲烷塔、脫乙烷塔、乙烯精餾塔、丙烯制冷壓縮機(jī)等單元，各單元之間在工藝上存在很強(qiáng)的操作耦合。在冷區(qū)設(shè)計(jì)單一大型控制器能有機(jī)地協(xié)調(diào)各單元之間熱量與物料的集成、綜合所有操作變量和被控(約束)變量的關(guān)系，更好地處理多個(gè)和/或轉(zhuǎn)換工藝約束，因而可獲得更好的動(dòng)態(tài)控制效果。

    3.3 子控制器

    圖4為冷區(qū)典型單一控制器設(shè)計(jì)，該控制器包含有幾個(gè)子控制器，子控制器把一個(gè)大型控制有機(jī)地分割成幾個(gè)邏輯流程段，它們擁有一組控制器的相關(guān)操作變量和被控變量，使控制器操作變得非常靈活及容易。子控制器均可按需要獨(dú)立地運(yùn)行（開(kāi)和關(guān)），而并不需要對(duì)內(nèi)部真正的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何的變更，因而可顯著地提高控制器的投用率。

                       

                                圖4 冷區(qū)的控制器被分成幾個(gè)子控制器

    3.4 通過(guò)組合線性規(guī)劃控制器，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料最大化及裂解爐負(fù)荷的智能分配

    組合線性規(guī)劃控制器（DMCplus Composite, CLP）能處理諸如整個(gè)乙烯廠這樣的大型控制難題。在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化(CLP)意義上，它擁有與單個(gè)控制器相同的模型，通過(guò)與下層控制器有機(jī)的互動(dòng)，以一個(gè)大型多變量控制器進(jìn)行整體協(xié)調(diào)工作，為裂解爐進(jìn)料的最大化及裂解爐負(fù)荷的智能分配提供了行之有效的解決方案。組合線性規(guī)劃控制器在滿足上下游工藝約束的條件下，使裝置進(jìn)料達(dá)到最大化的同時(shí)，使全裝置維持在最優(yōu)的目標(biāo)。

                 

                     圖5 DMCplus Composite 組合線性規(guī)劃控制器與常規(guī)DMCplus控制器的關(guān)系

    一般由DMCplus用戶按照工藝約束來(lái)確定哪個(gè)控制器應(yīng)包含在組合線性規(guī)劃控制器中。組合線性規(guī)劃控制器利用下層的控制器核實(shí)輸入數(shù)據(jù)，用組合預(yù)測(cè)和組合線性規(guī)劃（CLP）替換每個(gè)控制器的預(yù)測(cè)和線性規(guī)劃（LP）。前端的動(dòng)態(tài)控制作用與后端控制器有機(jī)通訊，從而獲得一致的動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)方案。

    如果由于下游約束，CLP不能達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)值，可采用基于優(yōu)化系統(tǒng)的靈敏度分析來(lái)確定每臺(tái)裂解爐對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響程度。CLP可采用分析結(jié)果，對(duì)每臺(tái)裂解爐排序。當(dāng)組合線性規(guī)劃控制器需要對(duì)進(jìn)料量作調(diào)整，選擇調(diào)整裂解爐是基于上述優(yōu)化系統(tǒng)的靈敏度分析。組合線性規(guī)劃控制器決定各裂解爐調(diào)整的組合來(lái)確保滿足工藝約束，且使效益最大化。

    當(dāng)由于操作條件的變化所引起處理量增加的空間時(shí)，CLP將基于上述優(yōu)化系統(tǒng)的靈敏度分析來(lái)增加各個(gè)裂解爐的進(jìn)料量。在處理量增加時(shí)，下游裝置將保持在優(yōu)化器給出的目標(biāo)值。

    假如一臺(tái)清焦后裂解爐在線生產(chǎn)，整個(gè)裝置組合線性規(guī)劃控制將調(diào)節(jié)其他裂解爐進(jìn)料來(lái)滿足后系統(tǒng)約束。調(diào)整各裂解爐進(jìn)料是基于優(yōu)化系統(tǒng)的邊際效益分析。

    整個(gè)裝置組合線性規(guī)劃控制在響應(yīng)裂解爐切換及其他干擾時(shí)的協(xié)調(diào)作用能確保裝置運(yùn)行在一組最優(yōu)卡邊工藝條件。當(dāng)克服干擾之后，裝置回到穩(wěn)態(tài)，組合線性規(guī)劃控制將優(yōu)化相應(yīng)的操作目標(biāo)值。

    由上所述，采用組合線性規(guī)劃控制器（DMCplus Composite, CLP）可容易地實(shí)現(xiàn)裂解爐負(fù)荷的智能分配。乙烯裝置特別適合運(yùn)行組合線性規(guī)劃控制器，CLP將連續(xù)不斷地把裝置推向進(jìn)料最大化直到工藝約束為止。例如，由于夜晚冷卻水溫度較低，某些工藝約束可能有些余量，CLP將進(jìn)一步增加進(jìn)料量。 DMCplus 控制器將確保所有下游操作穩(wěn)定且在工藝范圍內(nèi)前提下，使進(jìn)料最大化。

    3.5 先進(jìn)控制最佳實(shí)踐

    先進(jìn)控制系統(tǒng)在石油化工企業(yè)的應(yīng)用為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。然而，隨著時(shí)間的推移，由于工藝過(guò)程和操作上的變化，控制器的在線時(shí)間會(huì)逐步減少，控制器的投用效果會(huì)降低。因此，有必要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)控制器的性能并且不斷提升其性能。

    Aspen Watch就是一套先進(jìn)控制系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)軟件，應(yīng)用該技術(shù)可以從大量的操作數(shù)據(jù)中有效提取出有用的信息，通過(guò)對(duì)控制器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制器性能分析、控制器性能診斷和增強(qiáng)控制器性能建議等一整套性能監(jiān)視和診斷工具及方法來(lái)保持先進(jìn)控制系統(tǒng)長(zhǎng)周期高效運(yùn)行，給企業(yè)帶來(lái)效益。

    另外，當(dāng)一套裝置的工藝發(fā)生較大變化或工藝改造后，控制器的模型必須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，否則控制器的創(chuàng)效能力會(huì)慢慢下降。而采用傳統(tǒng)的階躍測(cè)試技術(shù)需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本，影響了控制器在裝置運(yùn)行周期內(nèi)的的持續(xù)創(chuàng)效能力。

    Aspen SmartStep自動(dòng)階躍測(cè)試技術(shù)是在降低測(cè)試強(qiáng)度的情況下自動(dòng)施加信號(hào)，并獲得高質(zhì)量的測(cè)試數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠維持裝置的安全操作，該技術(shù)和控制器投用同步實(shí)施，可有效地達(dá)到減少項(xiàng)目實(shí)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 自適應(yīng)建模技術(shù)能使更新控制模型步驟自動(dòng)化、能自動(dòng)進(jìn)行裝置測(cè)試來(lái)產(chǎn)生新數(shù)據(jù)，從而精簡(jiǎn)控制器維護(hù)工作來(lái)使多變量模型預(yù)測(cè)控制器效益最大化，目前，Adaptive Modeling技術(shù)已有多個(gè)成功應(yīng)用實(shí)例。

    綜上所述，AspenTech先進(jìn)控制最佳實(shí)踐主要包括三個(gè)方面：采用自動(dòng)裝置測(cè)試技術(shù)來(lái)產(chǎn)生高質(zhì)量模型數(shù)據(jù)、2)采用多變量模型預(yù)測(cè)控制器及DCS中PID回路性能監(jiān)控技術(shù)以及3)采用模型自適應(yīng)技術(shù)來(lái)維護(hù)多變量模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)。

    乙烯裝置工藝流程復(fù)雜、控制器數(shù)量多、規(guī)模大，控制器性能監(jiān)控及維護(hù)是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制可持續(xù)效益的關(guān)鍵，道氏化學(xué)公司（ Dow Chemical Company ）先后在10余套乙烯裝置上實(shí)施Aspen DMCplus先進(jìn)控制，伴隨著工藝改造，過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)采用先進(jìn)控制最佳實(shí)踐以及Aspen Watch和Aspen SmartStep等控制器維護(hù)工具來(lái)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)效益的最大化，適時(shí)進(jìn)行模型更新，整定參數(shù)調(diào)整及日常維護(hù)，使先進(jìn)控制系統(tǒng)獲得持續(xù)的效益，目前道氏化學(xué)公司乙烯裝置先進(jìn)控制在線投用率仍在95%以上。

    4 燕山石化乙烯裝置全流程先進(jìn)控制實(shí)例

    4.1裝置簡(jiǎn)介

    中石化燕山石化乙烯裝置是我國(guó)第一套引進(jìn)的大型乙烯裝置，1976年投產(chǎn)能力為30萬(wàn)噸乙烯/年，1994年首次擴(kuò)能改造為45萬(wàn)噸乙烯/年；采用“兩頭一尾”布局。2001年11月二次擴(kuò)能改造為71萬(wàn)噸乙烯/年。與一般的乙烯裝置不同，燕化乙烯裝置裂解爐包含五種爐型專(zhuān)利，四種原料，兩個(gè)裂解爐區(qū)、急冷和壓縮系統(tǒng)，后系統(tǒng)合并成一個(gè)大的分離區(qū)及多個(gè)冷劑系統(tǒng)相互作用，具有工藝流程復(fù)雜，技術(shù)密集和系統(tǒng)關(guān)聯(lián)程度高的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)施先進(jìn)控制系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性。

    在先控項(xiàng)目啟動(dòng)之前，工藝操作遇到的問(wèn)題包括許多DCS控制器處于手動(dòng)、丙烯精餾塔塔釜的丙烯含量偏高、產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)剩以及裂解爐結(jié)焦速度快、運(yùn)行周期短等。為此，先進(jìn)控制項(xiàng)目的目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)裝置平穩(wěn)操作、生產(chǎn)合格產(chǎn)品、實(shí)現(xiàn)乙烯/或乙烯加丙烯產(chǎn)量最大化及提高操作效率。

    4.2 項(xiàng)目范圍

    本先進(jìn)控制項(xiàng)目集成了多種技術(shù)，主要包括AspenTech公司的多變量控制器DMCplus 技術(shù)、AspenTech公司的組合線性規(guī)劃控制器CLP技術(shù)、Technip公司的用于先控應(yīng)用的裂解爐裂解深度在線計(jì)算軟件SAPC (Spyro for APC)、AspenTech公司的用于SAPC的接口系統(tǒng)(IP.21和Aspen Calc)以及中石化NAP原料近紅外NIR在線分析技術(shù)。

    先進(jìn)控制項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了包括原料計(jì)算、裂解爐、急冷壓縮和分離系統(tǒng)在內(nèi)的全流程、全過(guò)程的先進(jìn)控制在線運(yùn)行，達(dá)到了乙烯裝置穩(wěn)定高效運(yùn)行和提高效益的目標(biāo)。

    4.3 多變量控制器設(shè)計(jì)

    針對(duì)新老裂解爐區(qū)、新老急冷壓縮系統(tǒng)、深冷系統(tǒng)和碳三分離系統(tǒng)，整個(gè)乙烯全裝置、全流程先進(jìn)控制系統(tǒng)總計(jì)開(kāi)發(fā)了23個(gè)主控制器（含18個(gè)子控制器）和2個(gè)CLP組合控制協(xié)調(diào)器 ，其控制器設(shè)計(jì)如表1所示。

    表1

                 
                 

    如圖6所示，在各單元DMCplus控制器基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用組合線性規(guī)劃控制器DMCplus CLP實(shí)現(xiàn)進(jìn)料最大化及裂解爐負(fù)荷的智能分配。

                 

                    圖6 DMCplus控制器及組合線性規(guī)劃控制器CLP結(jié)構(gòu)圖 

    先進(jìn)控制操作平臺(tái)采用三臺(tái)上位機(jī)，分別為DMCplus/CLP多變量控制服務(wù)器、InfoPlus 21/SAPC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及裂解深度在線計(jì)算服務(wù)器以及Aspen Watch控制器性能監(jiān)控服務(wù)器。DCS系統(tǒng)通過(guò)三臺(tái)EXA OPC通信工作站與上位機(jī)相連。OPC上安裝AspenTech的 標(biāo)準(zhǔn)通訊接口軟件Cim-IO Server for OPC，用于DMCplus/InfoPlus 21與DCS通信。 

    先進(jìn)控制項(xiàng)目實(shí)施步驟主要包括：技術(shù)培訓(xùn)、預(yù)測(cè)試、初步功能設(shè)計(jì)、儀表實(shí)施整改、裝置響應(yīng)測(cè)試、控制器建模、控制器離線模擬整定、DCS接口組態(tài)、詳細(xì)功能設(shè)計(jì)、操作工培訓(xùn)、控制器投運(yùn)及性能考核驗(yàn)收等環(huán)節(jié)。

    4.4 投運(yùn)效果

    老區(qū)裂解爐DMCplus控制器于2004年8月實(shí)現(xiàn)在線投運(yùn)，由于受乙烯裝置檢修周期延長(zhǎng)、考慮DCS在線下裝的影響，其它DMCplus控制器和CLP應(yīng)用也都在2007年5月至9月間陸續(xù)投用。目前系統(tǒng)運(yùn)行正常，控制器投用率較高，達(dá)到了穩(wěn)定操作、提高效益的設(shè)計(jì)目標(biāo)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了乙烯裝置全流程、全過(guò)程先進(jìn)控制在線投用。投用結(jié)果表明：

    （1）系統(tǒng)操作界面友好，操作簡(jiǎn)便及安全可靠；
    （2）改變了裂解爐控制策略，優(yōu)化了裂解爐的運(yùn)行狀況，降低了主要被控工藝變量的波動(dòng)幅度；從常規(guī)控制的單純的COT操作，到先進(jìn)控制的裂解深度的控制，使得裂解反應(yīng)的操作條件更加穩(wěn)定和均一，從而使產(chǎn)物的組成更加穩(wěn)定；
    （3）提高了裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性，例如，投運(yùn)先控后，急冷系統(tǒng)塔頂溫度、塔釜溫度波動(dòng)明顯減小、裝置穩(wěn)定性增強(qiáng)；
    （4）實(shí)現(xiàn)了裝置卡邊操作，例如乙烯精餾塔控制器能控制塔頂乙烷雜質(zhì)含量，實(shí)現(xiàn)卡邊控制并有效地控制塔底乙烯損失在要求范圍內(nèi)；
    （5）有效、合理地協(xié)調(diào)了裝置的運(yùn)行負(fù)荷：CLP組合線性規(guī)劃控制器是一個(gè)近似于涵蓋整個(gè)裝置的大型多變量控制器、協(xié)調(diào)器。其主要目的是在滿足下游約束，或是保持操作員給定的進(jìn)料量設(shè)定值，并保持操作員設(shè)定石腦油進(jìn)料量或HGO/HVGO進(jìn)料量的條件下，使進(jìn)料最大化。目前，在正常情況下，CLP控制器運(yùn)行效果良好，能夠根據(jù)各個(gè)裂解爐的工藝約束狀況，自動(dòng)地完成對(duì)所有裂解爐的負(fù)荷分配。

    4.5 結(jié)語(yǔ)

    燕山石化乙烯全流程、全過(guò)程先進(jìn)控制項(xiàng)目于2008年通過(guò)了中國(guó)石化總部驗(yàn)收。通過(guò)實(shí)施先進(jìn)控制項(xiàng)目，提高了乙烯裝置生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)率、降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人為的操作失誤和生產(chǎn)過(guò)程上下游的相互干擾；進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)裝置卡邊操作，提高產(chǎn)品產(chǎn)量，提升了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在產(chǎn)量最大化的條件下，乙烯和丙烯產(chǎn)量可增加2%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。實(shí)施先進(jìn)控制項(xiàng)目后還實(shí)現(xiàn)了裂解爐負(fù)荷的智能分配，在提高裝置處理能力的同時(shí)，延長(zhǎng)了裂解爐的運(yùn)行周期。該項(xiàng)目的成功為國(guó)內(nèi)開(kāi)展乙烯裝置全流程先進(jìn)控制技術(shù)的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)，積累經(jīng)驗(yàn)。乙烯生產(chǎn)裝置具有工藝流程長(zhǎng)、處理能力大、裝置能耗高的特點(diǎn)，乙烯生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制是企業(yè)信息化應(yīng)用中一項(xiàng)投入少、增效快的重要措施。大量實(shí)踐證明，先進(jìn)控制能為企業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

    致謝：衷心感謝中石化北京燕山分公司化工一廠技術(shù)專(zhuān)家金宗賢先生對(duì)本文寫(xiě)作給予的多方幫助。

    參考文獻(xiàn)：

    陳德燁 ，金宗賢.先進(jìn)控制技術(shù)在燕化乙烯裝置上的實(shí)施［J］.乙烯工業(yè)，2008， 20(2):34-38.