AT515004A1 - Verfahren und Regelungssystem zur Regelung des Betriebs eines Steamcrackers - Google Patents

Abstract

Verfahren und Regelungssystem (13) zur Regelung des Betriebs eines Steamcrackers (1), der zumindest einen Ofen (7) und mindestens einen Einsatz (6), welcher zur Beschickung mit dem zumindest einen Ofen (7) verbunden ist, aufweist, wobei basierend auf einem nichtlinearen Modell des Steamcrackers (1) und einer gegebenen Einsatzzusammensetzung mit einem globalen nichtlinearen Regler (14) ein von einer voraussichtlichen Zusammensetzung eines aus dem Ofen (7) austretenden Produktstroms abhängiger Deckungsbeitrag durch Variation einer oder mehrerer Stellgrößen des Steamcrackers (1) optimiert wird, wobei eine der zur Optimierung des Deckungsbeitrags variierten Stellgrößen ein Ofenparameter des Ofens (7) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Regelungssystem zurRegelung des Betriebs eines Steamerackers, der zumindest einenOfen und mindestens einen Einsatz, welcher zur Beschickung mitdem zumindest einen Ofen verbunden ist, aufweist, basierend aufeinem nichtlinearen Modell des Steamerackers und einer gegebenenEinsatzzusammensetzung ein von einer voraussichtlichenZusammensetzung eines aus dem Ofen austretenden Produktstromsabhängiger Deckungsbeitrag durch Variation einer oder mehrererStellgrößen des Steamerackers optimiert wird bzw. mit einemglobalen nichtlinearen Regler, welcher eingerichtet ist, eineoder mehrere Stellgrößen des Steamerackers mittels Optimierungeines von einer Zusammensetzung eines Produktstroms abhängigenDeckungsbeitrags zu berechnen.

Im Stand der Technik wird zur Regelung des Betriebs einesSteamerackers ein hierarchisch aufgebautes Regelungssystemverwendet. Ein übergeordneter Regler ermittelt eine oder mehrere(meist eine oder zwei) stationäre globale Führungsgrößen, d.h.die Auswahl der ermittelten Führungsgrößen ist vom detailliertenAufbau der Anlage, insbesondere von der Anzahl der Öfen,unabhängig. Diese Ermittlung entspricht im Wesentlichen einerOptimierung eines globalen Deckungsbeitrags unter Variation derglobalen Führungsgrößen, wobei die Optimierung auf Basis einesnichtlinearen stationären Modells der Verarbeitungs- undAufarbeitungsstufen (wobei zur Vereinfachung in der Praxiseinzelne Teil-Schritte linear modelliert oder weggelassenwerden) vorgenommen wird. Aufgrund der naturgemäß langenZykluszeit für die gesamte Regelstrecke (im Bereich von Stunden)kann der übergeordnete Regler mit kurzfristigen Änderungen imSystem kaum oder gar nicht Schritt halten und die errechnetenZiele sind für Zeitpunkte in der Vergangenheit gültig, diebedingt durch oftmalige Änderungen bereits wieder hinfällig seinkönnen. Bei Anlagen die ständigen Änderungen unterliegen, wirddadurch viel vom möglichen Gewinn verschenkt. Des Weiteren kanndurch den Zeitversatz das Feedback nur teilweise genutzt werdenwodurch die erreichbare Vorhersagequalität und somit letztlichder Gewinn sinken.

Die Freiheitsgrade des vom übergeordneten Regler verwendeten nichtlinearen stationären Modells, welche zur Optimierungvariiert werden, sind zudem nicht geeignet um dieSpaltgaszusammensetzung bzw. den Deckungsbeitrag über alle Öfenzu optimieren; insbesondere ist die meist verwendeteSpaltschärfe alleine nicht ausreichend, um dieSpaltgaszusammensetzung zu definieren. Die aus der Optimierungresultierende stationäre globale Führungsgröße ist üblicherweiseeine globale Spaltschärfe, d.h. ein Verhältnis von Propylen zuEthylen, welches mit dem Steameracker produziert werden soll,oder eine vergleichbare Größe, die sich aus einer oder zweiKomponenten des von allen Öfen in Summe produzierten Spaltgasesberechnet, z.B. ein Ethylenanteil oder ein Verhältnis von Methanzu Propylen. Mit der Bezeichnung „global" ist in diesemZusammenhang eine anlagen-weite Gültigkeit gemeint, d.h. ein„globaler" Wert erlaubt im Allgemeinen (bei mehr als einem Ofen)keine direkte Aussage über das Verhalten eines einzelnen Ofens.

Der globale Deckungsbeitrag, d.h. der aus dem Prozessmodellermittelte monetäre Ertrag, entspricht dem Funktionswert deroptimierten Zielfunktion. Bei der Optimierung wird diese, imAllgemeinen nichtlineare Zielfunktion, maximiert. In dieZielfunktion gehen neben der Einsatzzusammensetzung desmindestens einen Einsatzes und den jeweils zugeordnetenEinsatzkosten auch die Produktmengen der auf Basis derEinsatzzusammensetzung erzielbaren Produkte, die zugeordnetenProdukterlöse sowie Energiekosten oder allgemein dieBetriebskosten des Steamerackers ein. Von den Argumenten derZielfunktion werden nur die oben definierte(n) globale(n)Führungsgröße(n) als Freiheitsgrad(e) bei der Optimierungverwendet. Andere Argumente werden allenfalls zur Einhaltung vonRandbedingungen bzw. Limitierungen, z.B. hinsichtlich desmaximalen Gesamtproduktstroms für die nachfolgende Aufarbeitung,verwendet.

Die Umsetzung der stationären globalen Führungsgröße(n) auf denBetrieb der Anlage und der Öfen erfolgt üblicherweise anhandeines globalen Solvers (z.B. eines Composite Linear Programs,CLP, auch „Über-DMC" oder „FeedMaximizer" genannt), welcher dievorgegebene(n) globale (n) Führungsgröße(n) durch Lösung einer linearen Zielfunktion in stationäre lokale Führungsgrößen, z.B.für jeden einzelnen Ofen, übersetzt. In die Zielfunktion deslinearen Solvers gehen weder Einsatzkosten noch Produkterlöseein und es findet hier keine Optimierung hinsichtlich desDeckungsbeitrags statt. Stattdessen findet hier nur eineAufteilung der stationären globalen Vorgabe (entsprechenderglobalen Führungsgröße) auf die einzelnen Öfen statt.Dementsprechend sind die lokalen Führungsgrößen meist direkteEntsprechungen einer globalen Führungsgröße, d.h. die globalvorgegebene Spaltschärfe wird in stationäre lokale Vorgaben fürdie Spaltschärfe umgesetzt bzw. analog für andereFührungsgrößen. In der Praxis wird meist lediglich mittelsSpaltschärfe übersetzt, welche Ofen wie viel Ethylen undPropylen (und zum Teil andere Produkte) produzieren bzw. welcheÖfen eher Ethylen und welche eher Propylen erzeugen sollen. Beieiner globalen Vorgabe der gesamten Einsatzmenge ist esanschaulich, dass die lokalen Vorgaben so gewählt werden, dassdie Summe der lokal vorgegebenen Einsatzmengen der globalenVorgabe entspricht. Die Aufgabe des globalen Solvers ist es, dasGesamtsystem an die vom übergeordneten Regler vorgegebenestationäre globale Führungsgröße heran zu führen, gegenStörungen zu verteidigen und dabei allenfalls globaleLimitierungen einzuhalten. Beispielsweise würde der globaleSolver eine Einsatzzuteilung zu mehreren Öfen (falls überhaupt)dahingehend verändern, dass eine einzuhaltende Limitierungerfüllt, bzw. die gewünschten Produktmengen erreicht werdenkann. In der Regel wird hier mittels einer vorgegebenenReihenfolge der Einsatz zu den Öfen zugeteilt. Optimierung imSinne einer deckungsbeitragsoptimalen Zuweisung der Einsätzefindet nicht statt.

Die vom globalen Solver ermittelten stationären lokalenFührungsgrößen werden anschließend mehreren lokalen Solvern bzw.Reglern vorgegeben, die z.B. eine Regelung mittels AdvancedProcess Control (APC), insbesondere Dynamic Matrix Control(DMC), implementieren. Ein solcher lokaler Solver istbeispielsweise in der US 4,349,869 A gezeigt. Der lokale Solvererhält z.B. vom globalen Solver eine lokale Vorgabe für dieSpaltschärfe und ermittelt daraus anhand eines linearen dynamischen Modells des jeweils zugeordneten Ofens eine Anzahlvon Stellgrößen für den Ofen, welche auch als Ofenparameterbezeichnet werden. Diese Stellgrößen bzw. Ofenparameter könnenbeispielsweise eine Auslasstemperatur des zugeordneten Ofens,eine Prozessdampfmenge, ein Dampf zu KohlenwasserstoffVerhältnis oder eine Einsatzmenge des zumindest einen Ofens,sowie einen Saugdruck eines dem Ofen zugeordneten

Spaltgasverdichters umfassen. Ganz allgemein sind Ofenparametersolche Freiheitsgrade des Prozesses, die physisch bzw. örtlicheinem Bauteil Spaltofen zugeordnet werden können und denBetriebspunkt bezüglich des Deckungsbeitrags des Ofens durchMessung von Temperaturen, Drücken und Volumen- bzw.Massenströmen (eindeutig, in Bezug auf eine bekannteEinsatzzusammensetzung) definieren. Analyseergebnisse, wie z.B.die Zusammensetzung des Spaltgases, die Spaltschärfe, oderdaraus abgeleitete Größen sind selbst keine Ofenparameter imeigentlichen Sinn, außer sie werden als (indirekte) Führungsgrößen, äquivalent für einen einzigen Ofenparameterverwendet. Global, d.h. gleichzeitig immer für mehrere Öfen,gültige Parameter, wie etwa ein oberes Limit für die gesamteEinsatzmenge, können zwar Stellgrößen des Steamerackers, aberkeine Ofenparameter im Sinne des hier verwendeten Begriffs sein.Die lokalen Solver arbeiten unabhängig von Einsatzkosten,Produkterlös oder Betriebskosten nur daran, lokaleLimitierungen, insbesondere des Ofens und des Einsatzsystems, zuumgehen und beispielsweise instabile Zustände während derAnpassung an die lokale (n) Führungsgröße(n) zu vermeiden.Darüber hinaus arbeiten die lokalen Solver unabhängig voneinander und richten sich nach den lokalen Führungsgrößen.Das zeitliche Verhalten der Stellgröße richtet sich somitlediglich nach der vom globalen Solver erhaltenen stationärenVorgabe, so dass das System selbstständig an die Vorgabe geführtwird, d.h. ein lokaler oder globaler Deckungsbeitrag werden imzeitlichen Verhalten genauso wenig berücksichtigt wie globaleWechselwirkungen bzw. können diese aufgrund der Struktur desRegelungssystems auch gar nicht berücksichtigt werden.

Zusammenfassend wird bei bisherigen Regelungssystemen die

Gesamtmenge an Produkten maximiert. Die Ausbeute an wertvollen

Produkten und somit letztendlich der Gewinn wird dabei nurindirekt, meist über die Spaltschärfe „optimiert" bzw.verändert, was jedoch viel Potenzial ungenutzt lässt.

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik ist es Aufgabeder Erfindung, den Betrieb des Steamerackers so zu regeln, dassder erzielbare globale Deckungsbeitrag angehoben wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beieinem Verfahren der eingangs angeführten Art eine der zurOptimierung des Deckungsbeitrags variierten Stellgrößen einOfenparameter des Ofens ist, d.h. es wird zumindest einOfenparameter zur Maximierung des Deckungsbeitrags variiert undals Ergebnis der Maximierung direkt ermittelt. Dementsprechendwird die Aufgabe erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, dass beieinem Regelungssystem der eingangs angeführten Art eine derdurch Optimierung des Deckungsbeitrags ermittelten Stellgrößenein Ofenparameter eines Ofens des Steamerackers ist.

Dabei entsprechen die variierte(n) Stellgröße(n) denFreiheitsgraden der Optimierung bzw. den Parametern/Variablender optimierten Zielfunktion, d.h. des Deckungsbeitrags.Dementsprechend integriert das nichtlineare Modell ein Modelldes Ofens, welches zumindest den variierten Ofenparameterberücksichtigt. Zur Ermittlung des Deckungsbeitrags kann jedemProdukt ein Gewichtungsfaktor, z.B. entsprechend einemzugeordneten Produkterlös, zugeordnet sein und es können inAbhängigkeit von einer Einsatzzusammensetzung und denGewichtungsfaktoren der auf Basis der Einsatzzusammensetzungerzielbaren Produkte und Produktmengen in einem Schritt mehrereFreiheitsgrade des Steamerackers zur Maximierung des globalenDeckungsbeitrags variiert und gegebenenfalls als Ergebnis derMaximierung ausgegeben werden. Die Maximierung der, vorzugsweiseglobalen, Zielfunktion liefert - im Rahmen der variiertenFreiheitsgrade - die effizienteste und einer aktuellen Nachfrageam besten entsprechende Betriebskonfiguration des Steamerackers.Dadurch kann auch ohne Steigerung der Gesamtproduktion eineSteigerung der Ausbeute bzw. des Deckungsbeitrags erzieltwerden. Nachdem in den Deckungsbeitrag auch Einsatz-, Energie- und sonstige Betriebskosten eingehen, erzielt daserfindungsgemäße Verfahren bei gleichbleibendem Deckungsbeitrageine Einsatz- und Energieminimierung. Da der zumindest eineOfenparameter als unmittelbarer Freiheitsgrad zur Optimierungbzw. Maximierung des Deckungsbeitrags eingesetzt wird, ist dieVerwendung eines entsprechend detaillierten Prozessmodellsnützlich, welches jeden einzelnen Ofen modelliert und somit auchRückschlüsse auf die Spaltgasausbeute bzw. den Deckungsbeitragpro Ofen erlaubt.

Um Wechselwirkungen zwischen mehreren Öfen, insbesonderehinsichtlich gemeinschaftlich genutzter Prozessressourcen(Einsätze, Betriebskosten, etc.) bei der Optimierung desglobalen Deckungsbeitrags berücksichtigen zu können, ist esvorteilhaft, wenn nur eine einzige, globale Zielfunktion, dieden Deckungsbeitrag des gesamten Systems widerspiegelt und indie alle für die Optimierung des Deckungsbeitrags verwendetenFreiheitsgrade inklusive aller verwendeter Ofenparametereingehen, verwendet und optimiert wird. Auf diese Weise könnendie Freiheitsgrade nicht nur in Hinblick auf die Einhaltungbestimmter Randbedingungen und Limits oder zur Optimierunganderer Zielfunktionen variiert werden, sondern es kann eineMaximierung des Deckungsbeitrags des gesamten Systems erzieltwerden.

Weiters ist es vorteilhaft, wenn die zur Optimierung derZielfunktion variierten Stellgrößen bei zwei oder mehr Öfen proOfen zumindest einen Ofenparameter umfassen, wobei derDeckungsbeitrag vorzugsweise global für den gesamtenSteameracker, in Abhängigkeit von der Einsatzzusammensetzung desbzw. der mit den Öfen jeweils verbundenen Einsatzes bzw.Einsätze, optimiert wird. Bei mehreren Öfen können bei derOptimierung die Ofenparameter eines Ofens in Abhängigkeit vonden Ofenparametern eines anderen Ofens variiert werden, da dieOfenparameter der beiden Öfen im Allgemeinen über die globaleZielfunktion des Deckungsbeitrags sowie etwaige abhängige oderglobale Randbedingungen oder Limitierungen Zusammenhängen.

Mit dem zu den variierten Freiheitsgraden gehörenden

Ofenparameter ist ein Ofenparameter gemäß der eingangsangeführten Definition gemeint. Im Speziellen können die zurOptimierung der Zielfunktion variierten Stellgrößen vorzugsweiseeine Auslasstemperatur (Coil Outlet Temperatuire, COT), eineProzessdampfmenge, ein Dampf zu Kohlenwasserstoff Verhältnis(D/KW) und/oder eine Einsatzmenge des zumindest einen Ofens,sowie zusätzlich oder alternativ einen Saugdruck eines dem Ofenzugeordneten Spaltgasverdichters (Coil Outlet Pressure, COP) ,oder aus den genannten unmittelbar abgeleitete Größen umfassen.

Um Störungen rasch ausweichen zu können und etwaigeUngenauigkeiten des verwendeten Modells auf einfache Weise zukompensieren, ist es günstig, wenn der zumindest eine Ofenentsprechend dem zumindest einen, aus der Optimierungermittelten Ofenparameter geregelt wird. Dies kannbeispielsweise durch einen lokalen Solver, welchem die aus derOptimierung resultierenden Ofenparameter als Führungsgrößenübergeben werden, geschehen. Dementsprechend ist es vorteilhaft,wenn bei dem Regelungssystem der globale nichtlineare Regler mitjeweils einem Ofen zugeordneten lokalen Regler zur Regelung derOfenparameter verbunden und eingerichtet ist, den lokalenReglern jeweils Führungsgrößen für zumindest eine, vorzugsweisesämtliche, der von ihnen geregelten Stellgrößen zu übermitteln.

Wenn bei der Optimierung der Stellgrößen eine zeitlicheEntwicklung der erwarteten Produktmengen berücksichtigt wird,wobei insbesondere neben einer optimalen Betriebskonfigurationeine optimale zeitliche Entwicklung der Stellgrößen ermitteltwird und der zumindest eine Ofen entsprechend der optimalenzeitlichen Entwicklung des Ofenparameters geregelt wird, könnenLimitierungen des Ofens so umgangen werden, dass auch währendeiner Zustandsänderung des Ofens der Deckungsbeitrag maximiertwird, d.h. es kann der wirtschaftlich effizienteste Weg zurUmgehung einer Limitierung bzw. zur Einhaltung einerRandbedingung gefunden und realisiert werden. Die optimalezeitliche Entwicklung entspricht dabei einem dynamischen Zielder Optimierung, im Vergleich zu den üblichen stationärenZielen, die lediglich die zu erreichende optimaleBetriebskonfiguration angeben. Mit anderen Worten wird nicht nur die Stellgröße selbst sondern auch die Zeit bzw. der zeitlicheVerlauf der Stellgröße als Freiheitsgrad der Optimierungverwendet, um den zeitlich integrierten Deckungsbeitrag zumaximieren.

Des Weiteren ist es günstig, sowohl die Einsatzmenge des Ofenssowie - im Fall von mehreren Einsatzströmen - die Einsatzmengenbzw. Einsatzströme im den Öfen vorgeordneten Einsatzsystem zurOptimierung des Deckungsbeitrags festzulegen. Zu diesem Zweckkönnen, wenn mindestens zwei Einsatzströme zur Beschickung mitdem zumindest einen Ofen verbunden sind, wobei dem Ofen einBeschickungsanteil für jeden Einsatzstrom zugeordnet ist, diezur Optimierung der Zielfunktion variierten Stellgrößen dieBeschickungsanteile umfassen. Ein Vorteil hierbei liegt darinbegründet, dass sich bei einem Gleichgewichtsprozess die größtenUmsatzraten ergeben, wenn die Reaktionspartner imstöchiometrischen Verhältnis vorliegen, was somit bei derOptimierung berücksichtigt werden kann. Zusätzlich können durchgezielte Konzentrationsverschiebungen einige Produkt-Ausbeutenverschoben werden, was ebenfalls bei der Optimierung unterVerwendung der jeweiligen Produkterlöse berücksichtigt werdenkann.

Darüber hinaus hat es sich als günstig herausgestellt, wennzumindest ein Einsatz zur Aufnahme eines recycelbaren Produktseingerichtet ist, wobei die Einsatzzusammensetzung diesesEinsatzes von einer Menge des recycelbaren Produkts und einemdem Produkt zugeordneten Recyclinganteil abhängt, welcherRecyclinganteil eine zur Optimierung der Zielfunktion variierteStellgröße ist. D.h. es wird für das oder die recyclebarenProdukte ein Optimum zwischen Produzieren und Verwendung alsOfeneinsatz gefunden. Durch eine solche rekursiveBerücksichtigung der Spaltgasausbeute bzw. der recycelbarenProdukte können scheinbar wertlose oder niedrig bewerteteProdukte, welche jedoch über den Weg der Wiederverwertung zuwertvollen Produkten führen, in geeigneter Weise aufgewertet undderen Produktion entsprechend forciert werden. RecyclebareProdukte können insbesondere Ethan, aber auch Kohlenwasserstoffemit drei oder vier Kohlenstoff-Gliedern sein. D.h. auch wenn prinzipiell auch langkettige Kohlenwasserstoffe recycelt werdenkönnen, ist der Nutzen bei den leichteren Kohlenwasserstoffen amgrößten.

Damit eine stationäre Lösung des Optimierungsproblems existiertund um diese rasch finden zu können, ist es günstig, wenn daszur Optimierung des Deckungsbeitrags verwendete nichtlineareModell nur einen schnellen Teil des Steamerackers beschreibt.Der schnelle Teil des Steamerackers umfasst im Wesentlichen nurdie Einsätze und Öfen bis hin zum etwaigen Recycling eines odermehrerer Spaltgase und andernfalls deren Zusammenführung. Diedetaillierte rigorose (First principal based) Modellierung derAufarbeitung der gesammelten Spaltgase in einem warmen undkalten Teil des Steamerackers wird aus Zeit- undStabilitätsgründen nicht durchgeführt. Vereinfachte Modelle sindausreichend, um z.B. zukünftige Limitierungen zu erkennen undentsprechend zu reagieren.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die erzieltenZusammensetzung des Produktstroms gemessen und mit dererwarteten Zusammensetzung verglichen wird und das nichtlineareModell auf Basis von festgestellten Abweichungen automatischkorrigiert wird. Auf diese Weise können systematische Messfehlerund Modellfehler eliminiert und die Vorhersagbarkeit desDeckungsbeitrags und somit dessen Optimierung verbessert werden. Für die Praxis hat es sich außerdem als günstig herausgestellt,wenn zwischen limitierten Stellgrößen, bei denen eine Änderungeinen manuellen Eingriff erfordert, und unlimitiertenStellgrößen, bei denen eine Änderung keinen manuellen Eingrifferfordert, unterschieden wird, und eine Änderung einerlimitierten Stellgröße nur dann vorgenommen wird, wenn diedadurch erzielbare Änderung des Deckungsbeitrags einenfestgelegten Grenzwert übersteigt. Auf diese Weise kann der miteinem manuellen Eingriff verbundene Arbeitsaufwand bei derOptimierung des Deckungsbeitrags berücksichtigt werden und eswerden - bei geeignet gewählten Grenzwerten - in kurzenAbständen wiederholte manuelle Eingriffe aufgrund vongeringfügigen Schwankungen, z.B. in der Einsatzzusammensetzung, vermieden. Dadurch wird auch die Akzeptanz in Hinblick auf dievorgeschlagenen manuellen Eingriffe erhöht, was für einekonsequente Umsetzung der Zielvorgaben vorteilhaft ist. ZurErmittlung der erzielbaren Änderung des Deckungsbeitrags wirdeinerseits eine optimale Lösung ohne manuelle Änderungen, d.h.wobei jene Stellgrößen, deren Änderung einen manuellen Eingrifferfordern, festgehalten werden, und andererseits eine optimaleLösung mit manuellen Änderungen berechnet. Der Unterschiedzwischen den jeweils erzielten Deckungsbeiträgen entspricht dererzielbaren Änderung.

In diesem Zusammenhang ist es besonders wünschenswert, dass beider Ermittlung der erzielbaren Änderung auch geplante Wartungs-und/oder Reinigungsintervalle, beispielsweise des Ofens,berücksichtigt werden. Insbesondere können in diesem Fallaufwendige manuelle Eingriffe kurz vor einer Ruhigstellung desOfens, z.B. aufgrund einer notwendigen Wartung, vermiedenwerden.

Wenn die Stellgrößen regelmäßig an geänderteEinsatzzusammensetzungen und Gewichtungsfaktoren angepasstwerden, wobei ein Anpassungszyklus vorzugsweise alle 10 Minutenoder häufiger wiederholt wird, kann auch auf Änderungen vonaußen, wie etwa in der Nachfrage nach bestimmten Produkten oderbei den Preisen verwendeter Einsätze, unter Umständen auchkurzfristig in geeigneter Weise reagiert werden. Dementsprechendwird zur Anpassung der Stellgrößen die Optimierung derZielfunktion regelmäßig wiederholt und die Regelung des Betriebsdes Steamerackers an die aus der letzten Optimierung gewonnenenErgebnisse angepasst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugtenAusführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt seinsoll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weitererläutert. In den Zeichnungen zeigen dabei im Einzelnen:

Fig. 1 einen vereinfachten schematischen Überblick über denAufbau eines Steamerackers; und

Fig. 2 schematisch die Struktur des erfindungsgemäßenRegelungssystems.

In Fig. 1 ist ein Steameracker 1 mit einem Einsatzsystem 2,einem heißen Teil 3, einem warmen Teil 4 und einem kalten Teil 5schematisch dargestellt. Das Einsatzsystem 2 umfasstbeispielsweise vier Einsätze 6, die die zu verarbeitendenEdukte, d.h. längerkettige Kohlenwasserstoffe (z.B. Naphtha,Propan, Butan, Ethan, etc.), im Folgenden auch „Feed" genannt,enthalten. Die Einsätze 6 sind jeweils mit einem oder mehrerenÖfen 7 im heißen Teil 3 des Steamerackers 1 verbunden, wo dieEdukte durch thermisches Cracken in die Produkte, nämlichkurzkettige Kohlenwasserstoffe (z.B. Methan, Ethylen, Propylen,etc.), verarbeitet werden. Die Zuteilung der Einsätze 6 mit denenthaltenen Edukten zu den Öfen 7 erfolgt im Einsatzsystem 2durch entsprechende Zuleitungen 8 und Ventile 9.

Die Öfen 7, in denen das eigentliche Cracken stattfindet, sindmeist Rohrreaktoren, wobei das Design jedes Ofensunterschiedlich, insbesondere an verschiedene Feeds bzw. derenEigenschaften, angepasst sein kann. Dementsprechend eignen sichdie Öfen 7 jeweils beispielsweise eher zur Verarbeitung von Gas,Naphtha oder schwereren Feeds. In den Öfen 7 wird ein heißerProzessdampf zugegeben, welcher eine Partialdruckerniedrigungder Reaktionsteilnehmer herbeiführt und eine Aneinanderlagerungder Reaktionsprodukte teilweise verhindert. Die zentralenBetriebsparameter der einzelnen Öfen 7 sind somit einerseits diejeweilige Temperatur, welche meist mit der Coil OutletTemperature (COT) am Auslass des Ofens angegeben wird, sowie dieMenge an jeweils zugegebenem Prozessdampf, welche meist relativzur Menge der Kohlenwasserstoffe als Verhältnis Prozessdampf zuKohlenwasserstoffe (D/KW) angegeben wird. Außerdem wird die imOfen ablaufende Reaktion naturgemäß durch die Zusammensetzungdes Feeds bestimmt, so dass die auf den jeweiligen Ofenbezogenen Einstellungen im Einsatzsystem, d.h. insbesondere dieEinsatzzuteilungen an den jeweiligen Ofen, ebenfalls zu denzentralen Betriebsparametern des Ofens (auch „Ofenparameter")gezählt werden können. Weiters hat auch der Gasdruck am Auslassdes Ofens (Coil Outlet Pressure, COP) einen Einfluss auf die

Reaktion im Ofen und zählt daher zu den Ofenparametern. Der COPkann beispielsweise von einem dem Ofen nachgeordnetenSpaltgasverdichter (nicht gezeigt; Teil des warmen Teils 4)festgelegt werden und entspricht dem vom Spaltgasverdichterproduzierten, einstellbaren Saugdruck. Da der Spaltgasverdichterselbst bereits zum warmen Teil zählt, entspricht der COP demDruck am Einlass des warmen Teils.

Das von den Öfen 7 produzierte und gegebenenfalls verdichteteSpaltgas wird an einem Ausgang des heißen Teils 3 gesammelt undzur Aufarbeitung in den warmen Teil 4 übergeführt. Wenn, wie inFig. 1, das Spaltgas von allen Öfen 7 in einem gemeinsamen Weggesammelt wird, wird der Gasdruck am Einlass des warmen Teils 4durch einen daran angeschlossenen Spaltgasverdichter bzw. eineGruppe von daran angeschlossenen Spaltgasverdichtern - in derRegel über deren Drehzahl - festgelegt, wobei die Einstellungdes bzw. der Spaltgasverdichter(s) einen Anlagenparameterdarstellt. Selbstverständlich kann aber auch ein Teil der Öfenmit einem Spaltgasverdichter und ein anderer Teil der Öfen miteinem anderen Spaltgasverdichter verbunden sein, so dassentsprechende parallele Wege zum warmen Teil 4 führen. AmAusgang des kalten Teils 5 fallen die abgekühlten undaufgetrennten Produkte aus den Spaltgasen ab. Der Druckverlaufzwischen dem Saugdruck des bzw. der Spaltgasverdichter und demProzessende des kalten Teils 5 kann durch ein Regelventil amEnde des kalten Teils 5 einstellbar sein (das Regelventil istTeil des kalten Teils 5) . Ein Teil der Produkte am Ausgang deskalten Teils 5 kann zur Wiederverwertung vorgesehen sein, wobeidiese recyclebaren Produkte über eine Rückführung 12beispielsweise in einen der Einsätze 6 oder in jeweilsverschiedene Einsätze 6 eingebracht werden können. Die übrigenProdukte, d.h. die nicht wiederverwerteten Produkte, bilden dieAusbeute des Steamerackers.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Regelungssystems 13mit einem globalen Regler 14 (auch als „Real Time Optimizer",RTO bezeichnet) entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren.Der globale Regler 14 berechnet anhand einer Optimierung desglobalen Deckungsbeitrags Vorgaben für die lokalen Regler 15 (welcher auch als „Direct Matrix Controller", DMC bezeichnetwird), welche jeweils einem Ofen 7 zugeordnete, vorzugsweiselineare Regler sind. Die vom globalen Regler 14 an die lokalenRegler 15 übermittelten Vorgaben entsprechen dabei direkt denvon den lokalen Reglern 15 geregelten Ofenparametern, z.B. derjeweiligen COT, dem D/KW, dem COP und/oder denEinsatzzuteilungen bzw. der Einsatzmenge. Demzufolge werdenbevorzugt alle Freiheitsgrade des lokalen Reglers durch dieVorgaben des globalen Reglers festgelegt. Dies ist durch dieübereinstimmende Summe an Verbindungspfeilen 16, 17 zwischen demglobalen Regler 14 und den lokalen Reglern einerseits, und denlokalen Reglern 15 und den Öfen 7 andererseits, dargestellt. Dievom globalen Regler 14 ermittelten Ofenparameter bestimmen denBetriebspunkt, insoweit als dieser durch den lokalen Regler 15geregelt wird, vollständig. Die Verwendung eines lokalen Reglers15, welcher faktisch bezüglich der Optimierung desDeckungsbeitrags keinen Freiheitsgrad hat, ermöglicht eineStabilisierung des vorgegebenen Betriebspunkts und eine rascheReaktion auf etwaige Störungen, z.B. innerhalb einer Minute.

Ein Teil der vom globalen Regler 14 optimierten Freiheitsgradeist demzufolge direkt proportional zur Anzahl der Öfen 7 bzw.zur Anzahl der lokalen Regler 15. Darüber hinaus werden vomglobalen Regler 14 auch globale Anlagenparameter sowiegegebenenfalls die Recyclinganteile recyclebarer Produkteoptimiert. Im Idealfall werden alle Ofenparameter aller Öfen undalle Steuergrößen des Einsatz- sowie des Recyclingsystems alsFreiheitsgrade zur Optimierung des globalen Deckungsbeitragsverwendet. Die Zielfunktion des globalen Reglers 14 ist derglobale Deckungsbeitrag des Steamerackers, wobei neben demProdukterlös und den Einsatzkosten auch Energiekosten,Betriebskosten, Kosten für manuelle Eingriffe sowieWartungsintervalle der Öfen oder anderer Anlagenteile und nichtzuletzt die Vorgaben etwaiger übergeordneter Regler 18, 19berücksichtigt werden. Um die Zykluszeit des globalen Reglers 14trotz der großen Anzahl an Freiheitsgraden klein zu halten,optimiert dieser im Wesentlichen nur anhand eines nichtlinearenModells eines schnellen Teils des Steamerackers, welcher imWesentlichen die Gas verarbeitenden Anlagenteile sowie das Feed-

System, d.h. den heißen Teil des Steamerackers sowie dasEinsatzsystem samt Rückführungen bzw. Recyclingsystem, umfasst.Für diesen Teil der Anlage ist eine effiziente mathematischeBeschreibung möglich (unter anderem, weil dieser Teil immer nahean einem stationären Zustand operiert) , so dass eine Zykluszeitim Bereich von weniger als 10 Minuten eingehalten werden kann.Demgegenüber ist die Zykluszeit der übergeordneten Regler 18, 19prozessbedingt wesentlich größer und liegt beispielsweise imBereich einer oder mehrerer Stunden. Aufgrund der kurzenZykluszeit des globalen Reglers 14 ein Feedback aus dem realenProzess zeitgerecht zur Korrektur des Modells bzw. etwaigersystematischer Messfehler verwendet werden, was dieVorhersagegüte und somit das erreichte Optimum, d.h. dieerzielbare Deckungsbeitragssteigerung, deutlich verbessert.

Claims (14)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Regelung des Betriebs eines Steamerackers(1), der zumindest einen Ofen (7) und mindestens einen Einsatz(6), welcher zur Beschickung mit dem zumindest einen Ofen (7)verbunden ist, aufweist, wobei basierend auf einem nichtlinearenModell des Steamerackers (1) und einer gegebenenEinsatzzusammensetzung ein von einer voraussichtlichenZusammensetzung eines aus dem Ofen (7) austretendenProduktstroms abhängiger Deckungsbeitrag durch Variation eineroder mehrerer Stellgrößen des Steamerackers (1) optimiert wird,dadurch gekennzeichnet, dass eine der zur Optimierung desDeckungsbeitrags variierten Stellgrößen ein Ofenparameter desOfens (7) ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dievariierten Stellgrößen bei zwei oder mehr Öfen (7) pro Ofenzumindest einen Ofenparameter umfassen, wobei derDeckungsbeitrag vorzugsweise global für den gesamtenSteameracker (1), in Abhängigkeit von der Einsatzzusammensetzungdes bzw. der mit den Öfen (7) jeweils verbundenen Einsatzes bzw.Einsätze (6), optimiert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass die zur Optimierung des Deckungsbeitrags variiertenStellgrößen eine Auslasstemperatur (Coil Outlet Temperature,COT) , eine Prozessdampfmenge, ein Dampf zu KohlenwasserstoffVerhältnis (D/KW) und/oder eine Einsatzmenge des zumindest einenOfens (7), sowie zusätzlich oder alternativ einen Saugdruckeines dem Ofen (7) zugeordneten Spaltgasverdichters, oder ausden genannten unmittelbar abgeleitete Größen umfassen.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurchgekennzeichnet, dass der zumindest eine Ofen (7) entsprechenddem aus der Optimierung ermittelten Ofenparameter geregelt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurchgekennzeichnet, dass bei der Optimierung der Stellgrößen einezeitliche Entwicklung der voraussichtlichen Produktmengen berücksichtigt wird, wobei insbesondere neben einer optimalenBetriebskonfiguration eine optimale zeitliche Entwicklung derStellgrößen ermittelt wird und der zumindest eine Ofen (7)entsprechend einer optimalen zeitlichen Entwicklung desOfenparameters geregelt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurchgekennzeichnet, dass mindestens zwei Einsatzströme zurBeschickung mit dem zumindest einen Ofen (7) verbunden sind,wobei dem Ofen (7) ein Beschickungsanteil für jeden Einsatzstromzugeordnet ist, wobei die zur Optimierung des Deckungsbeitragsvariierten Stellgrößen die Beschickungsanteile umfassen.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurchgekennzeichnet, dass zumindest ein Einsatz (6) zur Aufnahmeeines recycelbaren Produkts eingerichtet ist, wobei dieEinsatzzusammensetzung dieses Einsatzes (6) von einer Menge desrecycelbaren Produkts und einem dem Produkt zugeordnetenRecyclinganteil abhängt, welcher Recyclinganteil eine zurOptimierung des Deckungsbeitrags variierte Stellgröße ist.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurchgekennzeichnet, dass das zur Optimierung des Deckungsbeitragsverwendete nichtlineare Modell nur einen schnellen Teil desSteamerackers beschreibt.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurchgekennzeichnet, dass die erzielte Zusammensetzung desProduktstroms gemessen und mit der erwarteten Zusammensetzungverglichen wird und das nichtlineare Modell auf Basis vonfestgestellten Abweichungen automatisch korrigiert wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurchgekennzeichnet, dass bei der Optimierung zwischen limitiertenStellgrößen, bei denen eine Änderung einen manuellen Eingrifferfordert, und unlimitierten Stellgrößen, bei denen eineÄnderung keinen manuellen Eingriff erfordert, unterschiedenwird, und eine Änderung einer limitierten Stellgrößen nur dannvorgenommen wird, wenn die dadurch erzielbare Änderung des Deckungsbeitrags einen festgelegten Grenzwert übersteigt.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dassbei der Ermittlung der erzielbaren Änderung auch geplanteWartungs- und/oder Reinigungsintervalle, beispielsweise desOfens (7), berücksichtigt werden.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurchgekennzeichnet, dass die Stellgrößen regelmäßig an geänderteEinsatzzusammensetzungen und Gewichtungsfaktoren angepasstwerden, wobei ein Anpassungszyklus vorzugsweise alle 10 Minutenoder häufiger wiederholt wird.
13. 13. Regelungssystem (13) zur Reglung des Betriebs einesSteamerackers (1) nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1bis 12, mit einem globalen nichtlinearen Regler (14), welchereingerichtet ist, eine oder mehrere Stellgrößen desSteamerackers (1) mittels Optimierung eines von einerZusammensetzung eines Produktstroms abhängigen Deckungsbeitragszu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass eine der durchOptimierung des Deckungsbeitrags ermittelten Stellgrößen einOfenparameter eines Ofens (7) des Steamerackers (1) ist.
14. 14. Regelungssystem (13) nach Anspruch 13, dadurchgekennzeichnet, dass der globale nichtlineare Regler (14) mitjeweils einem Ofen (7) zugeordneten lokalen Reglern (15) zurRegelung der Ofenparameter verbunden und eingerichtet ist, denlokalen Reglern (15) jeweils Führungsgrößen für zumindest eine,vorzugsweise sämtliche, der von ihnen geregelten Stellgrößen zuübermitteln.