乙烯裂解爐投退料過程控制回路自愈研究

陸向東,何冰彬,馬重,王子豪,趙眾

(1. 中國石油化工股份有限公司 鎮海煉化分公司,浙江 寧波 315207;2. 北京化工大學 信息科學與技術學院,北京 100029)

乙烯裂解爐是將含稀釋蒸汽的碳烴原料在高溫下進行熱裂解制備成乙烯、丙烯等小分子碳烴化合物的裝置。當前,幾乎所有乙烯裂解裝置都是采用管式爐蒸汽裂解技術。由于裂解爐爐管內存在生產原料結焦的現象和其他一些原因,需要周期性地進行停開爐和投退料操作,李佳書等人基于DCS開發了乙烯裂解爐分段式自動投料系統,實現了在投退料過程中的平穩操作[1];常明坤總結鎮海煉化公司乙烯裂解爐開工和管理的經驗,對原料切換、投退料及燒焦等過程的方法措施進行了介紹[2];邱嘉嘉對100 kt/a的乙烯裂解爐的主要控制方案、現場總線等技術進行了介紹[3];何冰彬等人將控制性能評價軟件應用到乙烯裂解爐投退料過程中[4];孫新民在乙烯裂解爐中實施先進控制,實現了各路爐管的流量、燃料氣、平均爐管出口溫度θCOT平均等工藝參數的平穩控制[5]。

控制性能評估的研究興起于20世紀80年代,其中最普遍流行的評估基準是Harris在1989年提出的最小方差控制(MVC)思想[6],后來,不斷有學者深入研究該方法并進行推廣,例如,1993年Desborough等人提出了前饋反饋控制回路性能評估方法[7],為了評估串級控制系統的性能,Ko和Edgar于2004年改進了基于最小方差的控制性能評估基準[8];Yu和Qin[9]提出了一種數據驅動的控制性能評估監控基準;孫金明等人提出了一種PID控制回路的性能評估的方法[10]。

內?？刂品椒?Internal Model Control, IMC)是由Garcia C E等人在1982年提出的[11],該方法具有結構簡單,設計直觀方便的特點,在魯棒性及抗干擾性的改善和大時滯系統的控制效果方面有非常明顯的優勢。Rivera推導出了基于IMC的PID控制器設計方法[12],王東風等人提出了基于IMC原理的開環穩定最小和非最小相位系統的PID整定方法,并且在電廠煤粉爐主汽溫串級等控制系統中得到了應用[13]。

本文針對乙烯裂解爐投退料非平穩操作過程,通過將控制回路性能評價方法、差分進化優化算法(DE)與IMC加PID整定方法(IMC-PID)相結合,提出了一種乙烯裂解爐投退料過程控制回路性能自愈的方法,并開發了相關的工業應用軟件,在中石化某煉化公司乙烯裂解爐的自動投退料過程中測試得到了良好的效果。

1 乙烯裂解工藝及投退料過程簡介

1.1 乙烯裂解工藝

蒸汽裂解法生產乙烯是通過高溫裂解石腦油等烴類物料獲得裂解氣,其中包括乙烯、丙烯、丁二烯等產物,裂解氣經過冷卻、洗滌、分離后獲得乙烯及其副產物。裂解反應發生在裂解爐內,裂解爐分為輻射段和對流段。裂解原料和蒸汽混合物先在對流段加熱到裂解反應的起始溫度,稱為橫跨段溫度,再進入輻射段,輻射段內通過分布的燃燒器燃燒甲烷、氫等燃料進行加熱。輻射段內均勻排列上百根金屬爐管,進入爐管內的烴類氣體原料和水蒸氣混合物,在加熱過程中發生反應。管式裂解爐工藝流程如圖1所示。

圖1 管式爐裂解工藝流程示意

裂化反應器采用間接加熱的生產方法為裂化反應供能,在對流部分,先將燃料和水蒸氣加熱到一定的溫度,再把兩者送達高溫輻射管繼續進行加熱升溫并裂解。發生的反應如下:

1)鏈引發反應:

(1)

(2)

2)鏈增長反應,包括奪氫反應、分解反應、加成反應、異構化反應。

奪氫反應:

(3)

分解反應:

(4)

加成反應:

(5)

異構化反應:

(6)

3)鏈終止反應:

(7)

(8)

裂解過程分為一次反應和二次反應兩個階段,一次反應是將大分子斷裂為自由基,再重新化合生成乙烯、丙烯、丁二烯等新分子,二次反應將烯烴化合成大分子。

1.2 裂解爐投退料過程

由于裂解爐中存在生產原料焦化的現象,需要頻繁地進行停開爐和投退料操作,所以原料通過6組爐管分別進入裂解爐內被加熱。在投料之前,需要將乙烯裂解爐中未發生反應的物質退出,然后才能進行進料操作。裂解爐進料流量決定著θCOT偏移量等關鍵參數,對乙烯的產量和質量有著直接影響,6組爐管進料流量和蒸汽流量分別由6個進料流量控制器和6個蒸汽流量控制器控制,6組爐管的進料流量總和作為總進料量,各組爐管出口的溫度為θCOT平均。此外,還有側壁、底壁燃料氣壓力,燃料氣流量,汽包液位和降氮蒸汽流量等一些關鍵控制回路。乙烯裂解爐關鍵回路控制流程如圖2所示。

圖2 乙烯裂解爐關鍵回路控制流程示意

2 控制回路性能評價方法

2.1 控制回路性能評價指標

控制回路性能評估可以反映出當前回路的控制效果,各個控制性能指標可以從不同角度反映回路控制性能的優良,有助于操作人員直觀地監控和管理乙烯裂解爐投退料過程中的眾多回路。在典型的閉環反饋控制回路中,回路可以分為動態過程和穩態過程。在動態過程中,工程師通常期望控制系統輸出信號能夠穩定、快速、準確地跟隨系統的輸入信號,而在穩態過程中期望系統的輸出量等于輸入量,即實現穩態誤差為零。因此,以下給出三個控制性能評估指標。

1)穩定性指標(S)。穩定性是判斷一個控制回路性能是否優良的首要條件,工程師期望閉環控制系統在收到干擾時能夠回到初始狀態,收斂于平衡工作點,并且期望在穩態的過程中誤差盡可能得小,因此提出一種閉環控制系統計算方法,如式(9)所示:

(9)

式中:n——數據個數;ri,yi——系統的輸入和輸出信號;μ——精度系數。

2)快速性指標(R)。傳統的控制系統快速性指標有上升時間、峰值時間和穩態時間等參數,但是這些快速性指標無相對基準,魯棒性差。本文以開環控制系統的穩態時間作為基準,用當前閉環控制系統穩態時間與基準的比值反映該控制回路的響應快慢,該值越接近于1,表示閉環控制系統響應越迅速,快速性指標計算方法如式(10)所示:

(10)

式中:tclose——控制系統閉環穩態時間;topen——控制系統開環穩態時間。

3)振蕩性指標(O)。振蕩性指標反映的是閉環控制系統的振蕩程度,振蕩劇烈的控制回路會帶來閥門損耗、系統波動等不良后果。振蕩性指標計算方法如式(11)所示:

(11)

2.2 評價等級

評價等級是將2.1節提出的控制性能指標進行綜合,對控制回路性能給出一個全面的評價結果,將回路的控制性能評價結果分為Excellent,Good,Fair和Poor四個等級,性能評價等級劃分的參考標準見表1所列。

表1 性能評價等級劃分的參考標準

3 控制回路性能自愈

3.1 閉環模型辨識

單回路PID閉環控制系統如圖3所示,其中,r為閉環系統輸入信號,u為控制信號,y為系統的輸出信號,ξ為干擾信號。GC(s)表示PID控制器傳遞函數,GP(s)表示對象模型傳遞函數,GD(s)為干擾傳遞函數。

圖3 單回路PID閉環控制系統示意

因為多數工業過程PID控制回路的被控對象具有線性單調變化或者階躍曲線呈現單調凸變化的過程,所以工業過程控制中一些連續變化的工藝參數,如溫度、流量、壓力等被控對象可以用一階加純滯后或者二階加純滯后傳遞函數模型近似。一階加純滯后和二階加純滯后的傳遞函數模型如式(12),式(13)所示:

(12)

(13)

式中:K——穩態增益;T,T1,T2——動態時間常數;τ——純滯后時間。

DE算法是一種啟發式并行全局搜索優化的算法,該算法收斂速度快、結構簡單、具有較強的魯棒性。以一階加純滯后數學模型為例,設待辨識模型參數X=[K0,T0,τ0],則選擇的參數優化范圍如式(14)所示:

θ=[αkK0,βkK0,αTT0,βTT0,αττ0,βττ0]

(14)

式中:α,β——縮小和放大比例系數。設目標函數為最小辨識誤差minJ,其中J的計算如式(15)所示:

(15)

DE算法的主要步驟如下:

1)種群初始化。在N維空間中概率獲得初始種群,初始種群如式(16)所示:

xij(0)=rand(0,1)×(xhigh-xlow)+xlow

(16)

式中:xhigh,xlow——種群的上限和下限,即參數優化范圍。

2)變異操作。變異操作的策略各式各樣,其根本目的就是從種群中隨機選擇個體。該操作中存在變異縮放因子F,通常取值為[0,1],實際上的變異操作一般選擇如式(17)的經典策略:

(17)

式中:r1,r2,r3——兩兩不相等,且為[1,N] 內與i不等的隨機整數。

3)交叉操作。為了增加種群的多樣性,需要進行交叉操作,交叉操作一般分為二項式交叉和指數交叉,其中二項式交叉比較常用,表示方式如式(18)所示:

(18)

式中:sn——隨機整數;CR——交叉參數,取值為[0,1]。

4)選擇操作。此操作為種群進化方向,DE算法通過對父代和子代的比較進行一對一的貪婪選擇,計算公式如式(19)所示:

(19)

實際上,DE算法循環以上步驟,直至滿足停止條件,最終得到最優解。

3.2 IMC-PID控制器參數整定

IMC是一種基于數學模型來設計控制器的控制方法,常規PID難以適應強耦合多變量、強非線性和大時滯過程,利用IMC原理可以對PID進行優化和參數整定。以一階加純滯后模型為例,IMC-PID控制器設計步驟如下:

1)對純滯后時間進行一階Pade近似為

(20)

分解后的一階加純滯后模型可以寫為

(21)

2)將模型分解為可逆與不可逆部分,即:

(22)

(23)

3)構造理想控制器,即:

(24)

式中:f(s)——濾波器部分,f(s)=1/(λs+1);λ——濾波器參數。由:

(25)

可得PID參數為

(26)

同理,可以推導出二階加純滯后的PID參數為

(27)

4 工業測試

根據所提方法,依托現場DCS及OPC通信技術,利用北京化工大學“控制回路性能自愈軟件”進行工業測試。

該軟件在中石化某煉化公司乙烯裂解爐的自動投退料過程中,對原料流量,蒸汽流量,側壁、底壁燃料氣流量及壓力,θCOT平均,汽包液位和減氮蒸汽流量等控制回路完成了測試,測試結果如下。

4.1 投料過程

投料過程的總進料量的趨勢如圖4所示。

圖4 投料過程的總進料量的趨勢示意

1)進料流量回路。其中一組爐管進料流量趨勢如圖5所示。

圖5 投料過程某爐管進料流量趨勢示意

進料流量在投用前的PID控制器參數為KP=0.004,TI=93.945,TD=25.893,性能評價結果為Poor。在投料過程中不斷對模型進行優化,最終得到PID參數為KP=0.017,TI=12.648,TD=12.748,性能評價結果為Good。

2)蒸汽流量回路。其中一組爐管蒸汽流量趨勢如圖6所示。

圖6 投料過程某爐管蒸汽流量的趨勢示意

進料流量在優化前/后的PID控制器參數為KP=0.005/0.035,TI=11.145/9.832,TD=3.514/8.428,性能評價結果為Poor/Good。

3)θCOT平均。投料過程中θCOT平均趨勢如圖7所示。

圖7 投料過程θCOT平均趨勢示意

θCOT平均控制回路在優化前/后的PID控制器參數為KP=0.007/0.011,TI=49.259/48.145,TD=5.526/8.087,性能評價結果為Fair/Excellent。其他一些投料過程關鍵控制回路在優化前后的控制器參數及性能評價結果見表2所列。

表2 投料過程關鍵回路優化前后控制參數和性能評價結果對比

4.2 退料過程

退料過程的總進料量的趨勢如圖8所示。

圖8 退料過程的總進料量的趨勢示意

1)退料流量回路。其中一組爐管退料流量趨勢如圖9所示。

圖9 退料過程的某爐管退料流量趨勢示意

進料流量在投用前的PID控制器參數為KP=0.018,TI=208.42,TD=0.824,性能評價結果為Poor。在投料過程中對模型不斷進行優化,最終得到PID參數為KP=0.003,TI=129.584,TD=3.200,性能評價結果為Good。

2)蒸汽流量回路。其中一組爐管蒸汽流量趨勢如圖10所示。

圖10 退料過程某爐管蒸汽流量的趨勢示意

進料流量在投用前/后的PID控制器參數為KP=0.042/0.006,TI=18.554/20.319,TD=1.256/5.407,性能評價結果為Fair/Good。

3)θCOT平均。退料過程中θCOT平均趨勢如圖11所示。

圖11 退料過程θCOT平均趨勢示意

θCOT平均控制回路在投用前/后的PID控制器參數為KP=0.007/0.0303,TI=100.584/70.747,TD=2.031/6.727,性能評價結果為Poor/Good。此外,其他一些退料過程中的關鍵控制回路在優化前后的控制器參數及性能評價結果對比見表3所列。

表3 退料過程關鍵控制回路優化前后控制參數和性能評價結果對比

5 結束語

本文針對乙烯裂解爐自動化投退料的非平穩過程,將控制回路評價方法、DE算法與IMC-PID整定算法相結合,實現投退料過程控制回路在線實時監控,并針對控制性能不良的控制回路在線調節,達到乙烯裂解爐投退料過程控制回路性能自愈的效果。根據所提方法開發了“控制回路性能自愈軟件”,在中石化某煉化公司乙烯裂解爐的自動投退料過程中進行工業測試取得了良好的效果,證實了所提方法的可行性和有效性。