1 6 0 乙烯生产过程建模及乙烯装置优化控制上海市石油学会：2 文集乙烯生产过程建模及乙烯装置优化控制中国石化北京化工研究院10 0 0 13摘要：通过对国内外乙烯装置优化控制模型的介绍和国内在乙烯装置优化控制方面进行_ L作的分析，指出我国在乙烯装置优化控制技术上存在的问题和解决问题的关键和可能性，为我国技术开发人员在今后乙烯装置的优化控制研究上提出了一些建议。1 前言乙烯是最基本和使用量最大的石油化工原料。技术的进步和社会经济的需要推动着乙烯装置向大型化发展，由于其装置能耗大，因此世界乙烯专利商和生产企业都在想方设法降低物耗和能耗，从而降低生产成本，提高企业整体效益。当前乙烯生产过程建模、控制和优化技术已成为最活跃的研究领域之一。世界各国的经验表明，过程建模、流程模拟、先进控制与优化技术是提高企业经济效益、降低生产成本、提高J _ = 艺设计水平、消除装置瓶颈的主要手段之一。乙烯生产过程建模是指应用热力学方法、化J _ = 单元操作原理、化学反应等基础学科，采用数学方法米描述复杂的乙烯生产L ：艺过程，并通过计算机进行物流平衡、物理分离、化学反应笛计算，从主观的经验操作转为利用计算机对 ：况进行科学分析研究。优化是指从全局着想，将所有生产操作成本、进料成本与产品价值同时考虑，找出少投入多产出的生产条件，最终目标是使企q k 获得最佳经济效益。而控制是根据模型的计算结果和优化目标，通过对装置的操作工况和j 二作参数进行调整和干预使其始终按理想状况进行生产。2 国外技术进展准确的过程模型是开展过程模拟、先进控制和操作优化的基础，乙烯生产过程的建模土要为裂解炉和裂解分离系统的建模。裂解炉模型研究已经经历了经验模型、分子模型和机理模型3 个阶段。经验模型只能适用于某些特定油品和操作条件，外推性差；分子模型过丁简化，对许多现象无法解释。从2 0 世纪7 0年代开始研究人员加强了以自由基反应为机理的烃类热裂解模型研究。目前，该研究已能够较合理地解释碳原子数较少的烷烃裂解过程，并能较合理地描述单一烃的热裂解过程。存在的不足是还不能满意地解释碳原子数较多烷烃的裂解过程；对混合烃的裂解过程，尤其是相互作用较大的系统描述比较困难：对高裂解深度情况r 产物分布和收率预测的研究还不尽人意。裂解气分离系统精馏塔的模型研究也经历了由稳态到动态、由平衡级到1 F 平衡级的过程。1 9 8 5L 海市石油学会论文集乙烯生产过程建模及乙烯装置优化控制一1 6 1 一年以前，板式精馏塔的数学模型均为平衡级模型。非平衡级模型是完全建立在传质和传热速率方程基础上的多元分离过程模型。非平衡级模型通过直接计算传质和传热过程反映分离效率，能够更准确地反映山不同操作条件下的对象特征，足目前流程模拟和过程优化领域的前沿技术之一。非平衡级模型引入了传质速率方程，无需估计塔板效率，克服了传统平衡级模型估计分离效率的困难和模型计算误差。目前，非平衡级模型技术已经在我国某炼油厂脱丙烷塔和丙烯塔在线优化中得到成功应用。近年来，非平衡级模型还成功应用于两相精馏和三相精馏、间歇精馏以及过程设计等许多方面，并正在将其应用于乙烯生产过程裂解气的分离研究中。乙烯生产装置的先进控制技术也从早期采用的单参数或般参数的调节方法发展到目前的先进的D C S 控制系统，使装置在数据数字化的基础上，形成了高度的控制系统，并可和计算机连接，从而扩人有关操作管理、生产管理方面的功能。运用计算机可以对装置生产过程实现超前控制、最佳控制，不仅可降低成本而且能节能，采用最佳控制后乙烯装置的效率可提高2 4 ，其中裂解系统占有很人比例。超前控制在通常反馈控制上附加了级间控制和前馈控制等，进一步改善了可保持装置运行状态的定值控制。同时近年来还逐渐使用了多变数学模型预测控制等系统，使裂解炉可以在接近设计值状态运行，使炉管出口温度和裂解深度保持均一化。而且，某些装置还采用离线或在线分析将乙烯和其它产品与控制系统组合在一起，使原料组成变化时裂解炉仍能在高效状态运行，从而达到节能、降耗和优化原料根据生产状态和市场需要来改变工艺操作条件，使装置达到能源效益最人、产量最大或成本最低的目标。2 1T E C H N I P 公司的S P Y R O 模型多年米。国内外许多学者就裂解炉模型的建立开展了一系列研究。目前T E C H N I P 公司的S P Y R O模型是世界上唯一商业化的基于自由基反应动力学的烃类裂解模型。S P Y R O 模型包括1 2 9 种分子和2 0 个自由基，反应数达3 5 0 0 多个，模型的开发和确认采川了中试装置的庞大数据库和工业数据。目前约有8 0 的乙烯生产厂获准使用S P Y R O 模型进行生产优化和设计检验。在己知原料详细组成的情况下，该模型可成功模拟C 。到石脑油在各种儿何形状裂解炉管中的热裂解过程，准确度很高，可用丁裂解原料选择、收率预测和清焦周期估计等许多方面。为使整个裂解炉模型更加完善，近年来T E C H N I P 公司还推出了3 个与S P Y R O 模型配套的软件。2 2A s p e nT e c h 公司的D M CP I u s先进过程控制( A P C ) 技术在乙烯生产过程中用得最成功的当属动态矩阵控制( D M c ) 法，代表产品是A s p e nT e c h 公司的D M Cp l u s 。D M Cp l u s 主要包括预估模块、线性规划模块、动态控制模块。目前世界范围内已有4 0 套裂解装置止在使用或安装此系统。第一套安装的系统己运行了1 5 年以上。该闭环优化控制系统由闭环优化系统和D M C p l u s 多变量控制仪组成。闭环优化系统基于精确1 6 2 乙烯生产过程建模及乙烯装置优化控制上海市石油学会论文集驹数学工艺模型对烯烃装置进行优化，对工艺和经济条件的变化自动作出反应。乙烯生产的成本由需求限制经济最小化，装置产量由产量限制经济最大化。D M C p l u s 多变量控制仪通常用于下列工艺领域：裂解炉( 每台裂解炉各设一个控制仪) 、主分馏塔急冷塔、裂解气压缩机、乙烯回收段和丙烯回收段。为处理大范围的问题，D M C p l u s 提供了复合L P 和子控制仪技术。复合L P 允许多个控制仪由一个优化系统协调。由复合L P 连接裂解炉控制仪和下游控制仪，可实现整个装置范围内的进料最大化，下游能力约束由总的装置进料速度控制。通常复台L P 问题的大小是2 0 0 3 0 0 个可控变量和5 0 0 8 0 0 个受控变量。D M c p l u s 子控制仪采用更简单的操作员界面来实现大型控制仪的复杂交互作用。、2 3A B BA u t o m a t i o n - S i m c o n 公司的优化控制综合系统A B BA u t o m a t i o n S i m c o n 公司的优化控制综合系统优化了烯烃装置的进料与操作己在多套乙烯装置上成功应用。它由烯烃装置模拟优化( O P S O ) 系统和先进_ 艺控制系统组成。烯烃装置， 模拟优化( O P S O ) 系统可用于在线与离线优化。它包括了所有主要设备的精确模型，适用于多种因用户而异的指标函数，如在固定或可变产量下的最大收益。先进工艺控制系统包括产量控制、基于模型的裂解炉深度控制，约束控制和模型预测控制。先进工艺控制系统实现优化系统设定的指标，并在约束内动态维持装嚣操作。先进控制系统采用再种先进控制技术，包括常规先进、约束、推导和多变量模型预测控制( M P C ) ，实现优化的或用户输入的控制定值。裂解炉控制系统采用与O P S O 系统相同的裂解炉模型来控制裂解深度，模型自动在线校准。该系统还处理生产总量和炉管平衡，并设置裂解炉约束。2 4 动态优化技术产品公司的N O V A S T A R 系统N O V A 由用于非线性优化和方程式求解的计算系统、基于方程式的单元操作模型库和纯组分物理性质系统组成。它采用精确动力学、能量传递和传质模型对烯烃装置的操作进行经济最优化其结果的实现借助于S T A R 多变量预测控制仪。S T A R 是一种适应性多变量预测控制仪，使得大型应用更容易实现和维持。S T A R 的实现只需要稳定态增益关系，控制仪在每个控制循环中完成合成工艺动力学的计算。因此，S T A R 在使困难和不利最小化的同时充分发挥了多变量预测控制技术的匠处。优化结果作为S T A R 多变量预测控制仪的定值和限制。控制仪每卜3 分钟运行一次，以确保装置在实现优化结果的同时符合设备约束。S T A R 多变量预测控制仪安装于裂解炉、急冷塔、脱甲烷塔和深冷段、c 2 和C 3 分离段，以及分离装置之间的压缩机上。多变量应用程序的设计考虑到了分离部分重要的交互作用和复杂的动力学。2 5H o n a y w e | J - S p e cS o I u t i O R S 公司的优化控制系统H o n e y w e l lH i - S p e cS o l u t i o n s 公司的优化控制系统由H o n e y w e l l 装置优化仪和H o n e y w e l l多变量收益控制仪组成。H o n e y w e l l 装置优化仪采崩裂解炉产率模型、物料和能量平衡以及约束L 海市石油学会论文集乙烯生产过程建模及乙烯装置优化控制- 1 6 3 一模型计算最优指标。优化控制分三个层次。第一个层次为收益控制仪它使得装置在最小能耗F 按照给定定值运行。每一个控制仪有一个单元操作动态J 二艺模型。第二个层次是收茄优化仪，它采用控制仪模型，使裂解炉操作条件与分离部分的约束相协调。装置约束信息和进料与产品价格一起输入分散二次优化函数。收益优化仪重新设定裂解炉进料速度、裂解深度、裂解气压缩机吸入压力和一些分离塔的组成指标。第三个层次是最大收益优化，它是整个装置的精确数学模型，客观反映存在于装置操作条件、装置收益率和装置约束之间的复杂关系。最大收益优化是个自调的稳定态工艺模型，其结果决定了优化的稳定态操作条件这些条件传入收菔优化仪。、26M D C 技术公司的R T O + - S M O C 系统R T O + 一S M O C 系统由实时优化仪R T O + f l 多变量控制仪S M O C 组成。它具有以F 部分：精确单元操作建模所需的建模环境，定值优化和裂解炉原料选择所需的先进混合整数非线性程序优化仪，精密统计模型拟合和数据证实，包括S M O C 及其与其它系统的界面的先进工艺控制，处理所有数据与任务管理的实时执行程序。R T O + 一S M O C 系统可使乙烯装置增加产量，降低能耗提高所需烯烃的产率，同时可使其更好地选择使用原料，操作更接近约束，预测更准确，从而每年产生2 5 0 6 0 0 万美元的收益。目前全球已有1 0 套烯烃装置安装了此系统。2 7Y o k o g a w a 公司的优化控制系统该优化控制系统分为四个层次：分散控制、先进约束控制、装置范围的约束控制和装置范围的精确优化。分散控制和先进约束控制分别由分散控制系统和基丁模型的多变量控制仪实现。装置范围的约束控制L P 为多变量控制仪提供移位约束。这些L P 进行实时操作，并协调多变量控制仪的操作。装置范罔的精确优化采用整个乙烯装置的精确模型为装置范围的约束控制L P 提供优化指标。精确模型将精确动力学模型与热力学性质模型和设各模型结合起来，并且定期参数化或用装置数据更新。这个顶层优化能改变操作条件以达到不同目标，目标可以是装置收益最大化、烯烃产量最大化或烯烃产量固定时成本最小化。28 其他公司情况原S e t p o i n t 公司开发了烯烃装置计算机优化控制系统，采用了稳定化控制、约束控制、局部优化控制、整体优化控制的四级递阶控制策略，并在实际应用中取得很好效果。E m e r s o nP r o c e s sM a n a g e m e n t 的A