乙烯裂解炉先进控制系统的开发范文

《自动化博览杂志》2014年第十二期

1裂解炉先进控制系统的方案设计和实现

本节以F0201裂解炉A侧为例，介绍GK-6型裂解炉先进控制系统的方案设计和功能。

1.1裂解炉COT原控制系统方案吉林石化乙烯厂自2004年6月至2005年10月先后对6台老裂解炉进行改造，改造后的COT控制系统如图1和图2所示。由图1可以看出，原设计的COT控制系统是根据燃料气的热通量来分别控制底部和侧壁的燃料气压力，由于底部和侧壁没有单独的燃料气流量表，所以该控制系统一直无法投用。图2中是由4个手操器HIC02001~HIC02004分别控制侧壁的4个燃料气调节阀，以实现单组炉管的温度均衡，该系统需要操作人员的频繁调整，增加了工作强度，运行效果很不理想。

1.2裂解炉COT先进控制系统方案为了克服原COT控制系统无法投用的缺点，首先分析影响裂解温度的关键因素，设计了裂解炉COT控制方案；同时分析燃料气压力、进料流量和DS流量变化对各组炉管温度的影响，设计了各组炉管温度均衡控制方案，减小各组炉管的温度偏差。裂解炉COT控制系统方案如图3所示。COT先进控制系统的每个辐射段都采用2个COT控制器，其中一个控制器通过底部燃料气压力的实时调节来稳定COT，另一个COT控制器通过调整侧壁燃料气压力，同步稳定COT，以保证底部和侧壁热负荷的稳定。两个COT的控制算法都采用了PIDFF（带前馈的PID），前馈参数取燃料气的热值，当燃料气的热值变化时，及时调整燃料气压力的SP值，减少热值变化带来的COT大幅波动。

TICA0307为COT控制器1，与底部燃料气压力PICA0310构成串级调节回路，正常控制状态为AUTO，PICA0310投用串级（CAS）；TC0307B为COT控制器2，与侧壁燃料气压力PIC0310A构成串级调节回路，器SP和PV分别取TICA0307的SP和PV，正常投用状态为CAS。裂解炉炉管温度均衡控制系统的方案如图4所示。裂解炉正常运行时，要求辐射段各组炉管出口温度之间的差值不得超过某个上限值，即要求4组炉管的出口温度保持平衡。该控制系统以4组炉管的平均温度为基础，对每组炉管对应的底部燃料气压力调节器的设定点进行再分配，使每组炉管出口温度与平均炉管出口温度之差最小，图4中主要功能模块包括：TDC0211：第一组炉管温度偏差控制器，该控制器的PV值是该组炉管温度与COT温度的偏差（PV＝该组炉管温度－COT温度），当PV值为0时，表示该组炉管温度与COT温度相同，输出与对应的侧壁燃料气压力调节阀HIC02001关联，该控制器设定值由操作人员给定，若该组炉管需要低控时，则设定值（SP）小于0；TDC0212：第二组炉管温度偏差控制器，输出与底部燃料气压力调节阀HIC02002关联；TDC0213：第二组炉管温度偏差控制器，输出与底部燃料气压力调节阀HIC02003关联；TDC0214：第二组炉管温度偏差控制器，输出与底部燃料气压力调节阀HIC02004关联。TDC0211～TDC0214设定值为0，表示控制目标是各组炉管温度趋于一致，实现温度均衡。

2裂解炉先进控制系统的实现

裂解炉COT先进控制系统完全在DCS上实现，提高了系统的可操作性和运行的安全性；开发了一键投用和切除先进控制系统的功能，修改了DCS流程图画面，系统投用切除过程非常方便。

2.1COT先进控制系统DCS组态

裂解炉COT系统DCS组态由41个功能模块构成：过程值计算与处理模块（REGULATORYPVPOINT）17个，开关模块（FLAGPOINT）2个，控制模块（REGULATORYCONTROLPOINT）点18个，逻辑模块（LOGICPOINT）4个。

2.2COT先进控制系统一键投用和切除逻辑

为了方便先进控制系统投用和切除，开发了一键投用和切除逻辑，功能图如图5和图6所示。图5为先进控制系统的投用逻辑，各组底部燃料气控制器为CAS时或切除时，温度控制器控制状态切换。图6为先进控制系统的切除逻辑：通过先控开关HS0201APC投用或切除先控逻辑，投用时，置各组底部燃料气控制器为CAS；切除时，判断底部燃料气控制器是否为CAS，当为CAS时，切为AUTO，否则保持原来状态（AUTO或CAS)。

2.3COT先进控制系统流程图

根据裂解炉先进控制系统的功能需求，改进了DCS流程图，原有的和改进的DCS流程图如图7和图8所示。图8集成了裂解炉COT先进控制系统的各项功能，操作人员可以在该流程图上投用和切除先进控制系统，并进行相应的调整操作。

2.4先进控制系统投用与切除

2.4.1先进控制系统投用条件（1）所有炉管的温度热电偶测量稳定，COT较平稳；（2）底部燃料气压力和侧壁燃料气压力稳定；（3）侧壁燃料气调节阀HIC02001~HIC02004具有调控各组炉管出口温度的能力，即调剂阀开度变化对炉管温度具有影响，且调节阀具有调节裕量；（4）各组炉管COT温度较为平稳。

2.4.2先进控制系统的投用步骤（1）调出裂解炉温度控制操作画面，点击APC投用按钮（先控没有投用时，按钮显示“APCOFF”状态），在屏幕下端点击“PV”，用操作键盘上的“增加”或“减小”键，选中“APCON”，点击Enter确认；（2）把COT温度控制器设定值（SP）设为原料裂解所需的裂解温度，如果目标温度与当前实际温度偏差超过5℃，则需要逐步设定，每次变化幅度不要大于3℃；（3）正常情况下，调整温度均衡控制器设定值为0；如果某组炉管温度需要“低控”或“高控”时，则把对应温度进行对应的设定，例如如果裂解炉需要控制的COT温度为830℃，某组炉管需要低控6温度，则该组炉管温度偏差设定为-6℃，剩余各组炉管温度偏差设定为+2℃。

2.4.3先进控制系统的切除步骤调出裂解炉温度控制操作画面，点击APC投用按钮（先控投用时，按钮显示“APCON”状态），在屏幕下端点击“PV”，用操作键盘上的“增加”或“减小”键，选中“APCOFF”，点击Enter确认。

2.4.4先进控制系统异常情况切除测量温度出现异常，例如由于炉管热电偶故障导致COT温度跳变，这时候需及时切除燃料气串级控制，重新调整底部和侧壁燃料气压力控制器设定值；COT温度控制器的设定值和PV值绝对偏差超过10℃，这时候将出现系统报警，操作人员需首先切除COT先进控制，检查异常原因；若底部或侧壁燃料气压力测量出现异常，必须及时切出先进控制系统。

3裂解炉COT先进控制系统效果分析

吉林石化GK-6型裂解炉（F0101~F0601）的先进控制系统自2012年8月开始陆续投用，取得了非常显著的效果。本节以2#炉A侧为例，给出COT和单组炉管温度的运行效果，如图9、图10、图11所示。由图9可以看出，先进控制系统投用后，COT的波动范围由±7℃降低到±2℃以内，效果非常显著。由图10和图11可以看出，先进控制系统投用期间，F0201A侧的COT控制器TICA0207的波动范围在±1.5℃以内；单组炉管温度的波动范围在±2℃以内。表1给出了先进控制系统投用前后单位进料燃料气消耗的变化情况。由表1可以看出，先进控制系统投用后，在进料量和COT变化不大的情况下，单位进料燃料气的消耗降低了12.36Nm3/h，降低了5.12%。由图9~11和表1可以看出，裂解炉COT先进控制系统投用后，极大地稳定了COT的波动，降低了燃料气的消耗。同时，在一定的程度上可以延长裂解炉的运行周期，降低操作人员的工作强度。

4结语

本文开发了裂解炉COT和单组炉管温度均衡先进控制系统，完全在DCS上实时，设计了安全、可靠的运行机制和方便的投用/切除逻辑，确保系统的平稳运行。该系统已经在吉林石化乙烯厂6台GK-6型裂解炉上实时，提高了装置的处理能力，降低了燃料消耗，延长了裂解炉运行周期，减轻了操作人员劳动强度，取得了显著的经济效益和社会效益。所以，本文开发的裂解炉先进控制系统是乙烯生产企业实现平稳操作、安全生产、提高产品质量和节能降耗的有效手段，该系统可以推广到各类乙烯裂解炉。

作者：朱彦兴于春梅王志鹏许兆权单位：中国石油吉林石化公司乙烯厂