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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 乙烯裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 乙烯裂解爐是乙烯裝置的龍頭和耗能大戶，其操作好壞對裝置能耗及后序單元的運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。本項(xiàng)目利用極點(diǎn)配置技術(shù)及仿人智能控制技術(shù)，開發(fā)出爐管溫度高級控制系統(tǒng)、爐管支路出口溫度平衡控制系統(tǒng)及總進(jìn)料流量提降量控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了先控與常規(guī)控制的安全切換邏輯，大大增強(qiáng)了裂解爐的抗干擾能力，提高了乙烯、丙烯收率，減少了爐管結(jié)焦，延長了爐子的運(yùn)行周期，減輕了操作員勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了提高效益，節(jié)能降耗的目標(biāo)。
- 詳細(xì)介紹：
- 1.項(xiàng)目背景 石油化工是重要的原材料工業(yè),是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)。乙烯，被稱為“石化工業(yè)之母”，常常作為衡量一個國家和地區(qū)石油化工生產(chǎn)水平的標(biāo)志。乙烯過程通常由于容量大，設(shè)計(jì)復(fù)雜，能耗高以及操作條件經(jīng)常變化等因素，成為先進(jìn)控制應(yīng)用的主要對象之一。本項(xiàng)目充分利用先進(jìn)控制（APC）技術(shù)與現(xiàn)代DCS的優(yōu)勢, 開發(fā)并實(shí)施了乙烯裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的運(yùn)行潛力，實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)、節(jié)能、降耗的目標(biāo)。 2．乙烯裂解的工藝特點(diǎn)和控制要求 蘭州石化46萬噸/年乙烯裝置裂解爐采用KBR和ExxonMobil共同開發(fā)的SC-1型管式裂解爐。裂解爐區(qū)包括 5臺SCORE SC-1型裂解爐，每臺裂解爐的乙烯設(shè)計(jì)能力為16.25噸/小時(shí)，五臺SC-1裂解爐中有三臺(101B，102B，103B）的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)適用于裂解混合石腦油和/或加氫尾油，為液相裂解爐。其它的兩臺裂解（104B，105B）用來裂解混合石腦油、LPG 和（或）乙烷/丙烷，是氣液相混合裂解爐。每臺裂解爐有8組進(jìn)料,這些物料由流量控制，每組有28根輻射管，共有224根輻射管。SC-1裂解爐型全部采用底部火嘴，給爐管出口溫度平衡控制帶來一定的困難。乙烯裝置裂解爐控制要求一般包括：在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定裂解爐的COT溫度和總進(jìn)料流量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各組爐管間溫度的均衡控制，實(shí)現(xiàn)提高“雙烯”收率、降低能耗的目的。 3．項(xiàng)目原理 本項(xiàng)目利用極點(diǎn)配置及仿人智能控制技術(shù)，通過裂解爐平均出口溫度先進(jìn)控制和各組爐管溫度均衡先進(jìn)控制，提高乙烯裂解爐操作平穩(wěn)性和雙烯收率，降低爐管結(jié)焦速度和局部結(jié)焦的可能性，減少操作人員的勞動強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)提高效益、節(jié)能降耗的目標(biāo)。 4 .項(xiàng)目實(shí)現(xiàn) 乙烯裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)是在DCS平臺之上實(shí)施的，采用先進(jìn)控制上位機(jī)方式實(shí)現(xiàn)，以浙江中控開發(fā)的ESP -iSYS-A先進(jìn)控制平臺軟件作為乙烯裂解爐先進(jìn)控制的二次開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)了先進(jìn)控制軟件。 APC控制器主要運(yùn)行在上位機(jī)上，其輸出的操作變量為DCS上調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值。這里存在一個先控運(yùn)行模式和常規(guī)運(yùn)行模式之間的切換問題。本項(xiàng)目在DCS中建點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)了一系列安全程序，主要包括先進(jìn)控制系統(tǒng)的通訊監(jiān)控、先進(jìn)控制與常規(guī)控制的無擾動切換、先進(jìn)控制系統(tǒng)的賦值保護(hù)和先進(jìn)控制系統(tǒng)的異常波動處理程序。從而實(shí)現(xiàn)了先控模式與常規(guī)控制模式之間的無擾動切換，確保了安全生產(chǎn)。 根據(jù)APC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在DCS中實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)控制操作界面，主要以表格形式集中給出先進(jìn)控制系統(tǒng)的相關(guān)信息，便于操作人員調(diào)整先進(jìn)控制系統(tǒng)各種參數(shù)，對乙烯裂解爐運(yùn)行狀況的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱和操作。 5．項(xiàng)目應(yīng)用 本項(xiàng)目開發(fā)的乙烯裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)于2010年10月10日在中國石油蘭州石化公司正式投入運(yùn)行。由于采用了先進(jìn)控制,爐出口溫度對目標(biāo)值變化的響應(yīng)快速,只需幾分鐘。正常情況下,平均COT溫度波動幅度由投用前的±5 ℃左右下降到±1 ℃,大干擾來時(shí),由原來的±10℃下降到±3℃以內(nèi)。管間溫差由原來的6℃左右下降到2℃以內(nèi)。溫度的波動小了，超高溫現(xiàn)象減少，最大設(shè)定出口溫度可以提高3—5℃，實(shí)現(xiàn)了卡邊控制。約束控制使?fàn)t子的平均進(jìn)料量也得以提高。溫度的平穩(wěn)控制使裂解爐的燃料用量減少，熱效率提高。經(jīng)乙烯車間核算，系統(tǒng)投運(yùn)后生產(chǎn)每噸乙烯能耗下降5.6kg標(biāo)油，每千克標(biāo)油折合4元人民幣，每年470kt乙烯產(chǎn)量，則僅能耗下降一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益為1052.8萬元/年。值得一提的是本控制系統(tǒng)沒有使用燃料氣熱值在線分析儀表，也無需建立燃料氣熱值軟測量系統(tǒng)。而目前國內(nèi)外其它裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)為保證控制精度，COT溫度控制都是建立在燃料氣熱值測量系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的。這將增大項(xiàng)目設(shè)備投入與設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本。 6. 項(xiàng)目意義 本項(xiàng)目針對中國石油蘭州石化分公司46萬噸/年乙烯裂解爐裝置，在原有EMERSON公司DeltaVTM DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了乙烯裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)，并成功投運(yùn)。通過標(biāo)定和統(tǒng)計(jì)考核對比，項(xiàng)目不僅達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，而且應(yīng)用效果比較顯著。 總之，通過實(shí)施先進(jìn)控制，可以大大提高工業(yè)生產(chǎn)過程操作和控制的穩(wěn)定性，改善工業(yè)生產(chǎn)過程動態(tài)性能，減少關(guān)鍵變量的操作波動幅度，使其更接近于優(yōu)化目標(biāo)值，從而將工業(yè)生產(chǎn)過程推向更接近裝置約束邊界條件下運(yùn)行，最終達(dá)到增強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和安全性，保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性，提高目標(biāo)產(chǎn)品的收率，提高生產(chǎn)裝置的處理能力，降低生產(chǎn)過程運(yùn)行成本以及減少環(huán)境污染等目的。由于操作平穩(wěn)，保證了生產(chǎn)的安全，減輕了操作強(qiáng)度，節(jié)約了勞動力，提高了乙烯生產(chǎn)過程的整體生產(chǎn)技術(shù)水平。因此，先進(jìn)控制是流程工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗和減排的有力武器。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本項(xiàng)目的目的:在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，通過裂解爐平均出口溫度先進(jìn)控制和各組爐管溫度均衡先進(jìn)控制，提高乙烯裂解爐操作平穩(wěn)性和雙烯收率，降低爐管結(jié)焦速度和局部結(jié)焦的可能性，減少操作人員的勞動強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)提高效益、節(jié)能降耗的目標(biāo)。 本項(xiàng)目的基本思路:利用極點(diǎn)配置、前饋控制及仿人智能控制思想開發(fā)溫度高級控制系統(tǒng)，在DCS上配置上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。 本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn): 1）利用爐膛可測信息進(jìn)行前饋控制，取代傳統(tǒng)的燃料氣熱值分析系統(tǒng)； 2）采用先控技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的性能要求； 3）控制系統(tǒng)的魯棒性好，在運(yùn)行過程中不需要隨負(fù)荷，工況的變化進(jìn)行控制器參數(shù)的調(diào)整，基本免維護(hù)； 4）開發(fā)了高級控制與常規(guī)控制的安全切換邏輯，確保了生產(chǎn)操作的安全。 主要技術(shù)指標(biāo)：平均COT溫度對目標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1℃，大干擾情況下控制在3℃以內(nèi)；各通道COT溫度對平均COT溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1℃，大干擾情況下控制在3℃以內(nèi)；總進(jìn)料流量波動小于0.5%。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 現(xiàn)有的乙烯裂解生產(chǎn)過程采用DCS進(jìn)行常規(guī)控制，沒有充分發(fā)揮DCS的計(jì)算潛力。本項(xiàng)目在DCS基礎(chǔ)上配置上位機(jī)實(shí)施先進(jìn)控制，達(dá)到了如下目的： （1）克服了燃料熱值波動導(dǎo)致裂解爐出口溫度的大幅波動，保證了裂解爐的平穩(wěn)操作，降低了裝置的能耗，提高了雙烯收率； （2）實(shí)現(xiàn)了各支路溫度的平衡控制，降低了爐管結(jié)焦速率、延長了爐子投運(yùn)時(shí)間； （3）實(shí)現(xiàn)了加工總量的提降量控制，為整個乙烯裝置的平穩(wěn)、安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。 目前國內(nèi)外其它裂解爐溫度高級控制系統(tǒng)的均建立在燃料氣熱值測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，而本系統(tǒng)可以不使用燃料氣熱值在線分析儀表，也無需建立燃料氣熱值軟測量系統(tǒng)。這將大大減少設(shè)備投入和維護(hù)費(fèi)用。 本項(xiàng)目開發(fā)的控制軟件已獲國家軟件著作權(quán)證書。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 獲第十屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎
作品所處階段
- 已進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 提供技術(shù)服務(wù)
作品可展示的形式
- 圖片,磁盤,現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 該系統(tǒng)是在DCS基礎(chǔ)上，配置上位機(jī)，用VB開發(fā)先進(jìn)控制軟件實(shí)施的。投運(yùn)后，裂解爐溫度控制平穩(wěn)，燃料用量減少，熱效率提高，運(yùn)行周期延長，雙烯收率有所增加。該項(xiàng)目可在各種裂解爐及煉油加熱爐中推廣應(yīng)用，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作、安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、收率和節(jié)能減排的有力武器。經(jīng)測算，系統(tǒng)投運(yùn)后生產(chǎn)每噸乙烯能耗下降約5千克標(biāo)油，每千克標(biāo)油折合4元人民幣，每年470kt乙烯產(chǎn)量，則僅能耗下降一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益每年就達(dá)千萬元。
同類課題研究水平概述
- 國外的情況： 國外從 1960 年至今，對乙烯生產(chǎn)過程的先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了大量的理論和應(yīng)用研究。Warren Huang 對石腦油裂解爐的優(yōu)化操作進(jìn)行了研究；Apostolos 介紹了在美國德州畢蒙特的 Mobil 化學(xué)公司乙烯裝置中實(shí)施的一種新型閉環(huán)穩(wěn)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)（CLRTO）的情況。APC 技術(shù)在乙烯裝置中用得最成功的是動態(tài)矩陣控制 DMC，代表產(chǎn)品是AspenTech 公司的 DMCPlus。據(jù)報(bào)道，至 2004年底，全世界已實(shí)施的乙烯工廠 APC 項(xiàng)目中，采用DMCPlus 的占70 %以上。其開發(fā)的烯烴裝置計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)采用了穩(wěn)定化控制、約束控制、局部優(yōu)化控制和整體優(yōu)化控制的四級遞階控制策略，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的的效果。據(jù)該公司稱，采用這種優(yōu)化控制軟件包，在相同的烴進(jìn)料下，可提高乙烯產(chǎn)量3%-5% ，降低能耗 10%-15%，且在較高的裂解深度下裂解爐的運(yùn)行時(shí)間可延長 30%。另外， ABB Simcon公司也開發(fā)了烯烴裝置模擬和優(yōu)化軟件包OPSO，已在多套乙烯裝置上成功應(yīng)用。 國內(nèi)的情況：國內(nèi)乙烯裝置裂解爐在生產(chǎn)技術(shù)和裝置規(guī)模與國外相比有一定的差距，自動控制水平也相對落后。近幾年來，在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)下，加上先進(jìn)控制軟件方面的技術(shù)進(jìn)步， DCS 控制系統(tǒng)及各種新型儀表已經(jīng)在乙烯裝置得到了廣泛應(yīng)用，大大提高了乙烯裝置裂解爐的自動控制水平。李平等對 CBL-II 型乙烯裂解爐的先進(jìn)控制進(jìn)行了研究；匡卓賢等對乙烯裝置的在線優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了分析；錢鋒等研究了大型工業(yè)裂解爐的優(yōu)化問題；揚(yáng)子石化股份有限公司和華東理工大學(xué)合作，開發(fā)的“乙烯裝置中丙烯精餾系統(tǒng)先進(jìn)控制技術(shù)”項(xiàng)目，綜合應(yīng)用了化學(xué)工程、自動化控制、人工智能以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等學(xué)科中新思想和新技術(shù)，研制了乙烯裝置中丙烯精餾系統(tǒng)的先進(jìn)控制技術(shù)和控制軟件，并已在工業(yè)裝置中實(shí)際應(yīng)用. 在DCS等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)日益普及的今天，打破過去僅僅用傳統(tǒng)的簡單PID調(diào)節(jié)，采用計(jì)算機(jī)在乙烯裝置裂解爐中應(yīng)用以模型預(yù)測控制為代表的先進(jìn)控制技術(shù)，結(jié)合各種復(fù)雜控制策略進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)過程優(yōu)化，將有助于提高乙烯裂解爐的綜合自動化水平。另一方面，從“投入-產(chǎn)出”的觀點(diǎn)來看，采用先進(jìn)控制技術(shù)對于提高現(xiàn)有 DCS 系統(tǒng)應(yīng)用水平、發(fā)揮其更大的效益是非常必要的。
