先进控制与实时优化技术在乙烯裂解炉上的应用

汪晔晔（中石化北京燕山石油化工股份有限公司，北京 102500）

近年来，随着国家对石油化工产业的大力投入和相关技术的突破，我国乙烯工业取得了较快的发展，但是在一些领域和国外发达国家相比仍然存在着不足和较大差距。除了裂解原料性能的差异，我国乙烯工业在先进控制技术和实时优化技术方面研究不足是造成这种差距的又一主要原因。在我国乙烯工业发展过程中，先后经历了电动仪表控制时代、集散控制时代（DCS），在这个代际跨越过程中其自动化生产水平有了显著的提高。但是在实际应用过程中，集散控制系统只是在改善生产稳定性和可靠性方面取得了成效，很大一部分生产潜能仍然未能被发掘出来。因此为了进一步挖掘生产潜能、改善系统控制性能、提高经济效益，研究和应用新一代的控制和优化系统已经成为了我国乙烯生产行业亟待解决的紧迫问题。

1 乙烯工业的发展现状

为了提高我国乙烯工业发展水平、缩小和国外发达国家的差距，我国的许多乙烯生产企业都在乙烯生产过程中引入了一些国外的先进控制和优化软件，但是由于价格和成本高居不下难以大规模使用，因此这些控制和优化软件所起到的作用也随之降低。近年来为了改变这种局面，国内相关人员在优化乙烯裂解炉的操作、系统性能方面进行了大量的有益尝试，因为技术条件的限制，这些尝试大都停留在实现生产平稳性、提高仪表控制水平等方面，在一些制约生产和发展的关键领域比如裂解炉裂解深度实时控制方面至今仍然存在技术空白。

近年来，国内很多研究机够和科研院校都在该方面做了大量的技术工作，其中北京化工研究院对乙烯裂解模型进行了长期的研究，在此基础上开发出了多种适合不同使用环境和使用要求的数学模型。同时对裂解炉的收率预测、操作流程、工艺条件等一些列问题进行了优化研究，取得了巨大成就。但是整体来说我国乙烯裂解炉的控制与优化技术还处在一个研究起步的相对落后阶段，与国外发达国家还存在着巨大的技术差距，未来这一方面将成为我国石油化工领域的研究热点。

2 先进控制技术概述和应用

2.1 先进控制技术概述

先进控制技术具体的讲就是一种高效的控制策略，这种控制策略具有比单回路控制更优良的控制性能。通常简称为APC（Advancedprocesscontrol），通常包括变增益控制、模型预测控制、非线性控制三大类，其中应用最广泛、最成功的是模型预测控制技术。这种先进的控制技术在很多方面都有着优良的使用性能，传统的单回路控制只能对单变量进行有限的检测和控制，因此不适合应用在很多具有综合变量的生产过程当中。然而模型预测控制因其高稳定的多变量控制、抗干扰能力强等特点广泛的应用在乙烯生产过程中的裂解炉控制之中。

2.2 先进控制技术的应用

以模型预测控制为核心APC技术广泛的应用于石油化工行业，尤其是在乙烯裂解炉上的应用。作为一项过程控制技术，为了能够将其应用于流程工业之中，相关工程技术人员就必须具备相关的工艺和流程知识。这种先进控制技术是一种综合性的技术，在其设计理念和结构框架中常常包含着控制理论和工艺技术，因此这就决定了先进控制技术的技术要求、应用特点会因流程的不同，控制对象的差异而存在多样化的特点，目前先进控制技术（APC）在石油化工领域被广泛的应用，其中在乙烯裂解装置中的应用有着重要的意义。

2.3 控制方案原理

DMCplus是一种功能强大，性能出色的高效变量控制软件，可以最大限度的挖掘乙烯生产过程中的生产潜能。因为DMCplus可以实时的调整控制回路的调谐，所以可以不受约束的控制乙烯裂解炉中的各种技术参数和变量。其控制原理是DMCplus软件通过子控制器在控制器中对具有不同响应时间的系统变量进行逻辑计算和相关处理,其原理如图1所示。

图1 控制器原理图

3 实时优化技术概述和实施流程及方法

3.1 概述

实时优化技术的实施包括以开环指导为基础的在线优化和以闭环指导为基础的在线优化两种情况。这两种优化技术方案均以从DCS采集的的现场数据为控制参数，运用相同的优化算法通过计算求得最优的参数设定点。但开环指导仅给工工程师提供参考，优化结果人为决定是否投用为相应的设定点；而闭环和开环相反，是通过系统自动判断是否把求得的结果作为设定点自动投入控制回路。总而言之，开环优化与闭环优化的不同仅仅在于控制点投用方面。裂解炉实时优化技术的实施必须有可靠的测量仪表、可靠地常规控制系统、可靠地先进控制技术和优化模型，整个系统是一个高度集成的软硬件体系。其系统结构图如图2所示：

图2 实时优化系统结构图

3.2 实施流程及方法

裂解炉实时优化的目标是利用相关的程序和算法进行计算从而得出最佳利润下的裂解深度，以最大限度的提高裂解生产利润，挖掘潜在乙烯收率。

乙烯裂解炉生产乙烯的关键控制参数是COT和气烃比，这两个参数和裂解反应深度密切相关。国内对于裂解炉的裂解深度控制方案的方案流程如图3所示，裂解深度为裂解气中的甲烷和丙烯之比，将裂解深度设定点通过优化求解，从而形成优化深度控制，即通过裂解炉模拟模型和实时优化算法相结合，在线实时给出优化深度设定点，最终就可以实现裂解炉的RTO过程。

图3 实时优化基本流程图

4 结语

本文通过对课题研究的目的、意义，国内的发展现状进行了详细阐述，并在此基础上对先进控制技术和实时优化技术的概念和实施的办法和方案进行了阐述，先进控制技术和实时优化技术在裂解炉上的研究和应用对促进我国相关控制和优化技术的发展和我国乙烯工业发展有着重要的意义。

［1］王松汉，何细藕.乙烯工艺与技术.北京：中国石化出版社，2001.1.

［2］杨友麒.乙烯工厂的模拟、先进控制及实时优化.石油化工，1999，28（11）：788-793.

［3］徐强，陈丙珍，何小容.乙烯裂解炉实时优化技术的探讨.北京：中国石化出版社，2001.229-234.

［4］韩启策，王建军.先进控制系统在裂解炉上的应用［J］.数字石油和化工，2009（7）：9.