CN1155680C - 裂解炉在线清焦过程的自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，本发明公开了裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，其控制程序运行在计算机集散控制系统(DCS，Distributed ControlSystems)的应用模块/先进过程管理站/高性能管理站(AM/APM/HPM，ApplicationModule/Advanced Process Manager/High Performance Process Manager)上，具有初始容许性检查和现场操作检查，清焦空气、稀释蒸汽和炉管出口温度地自动爬坡，清焦过程中炉管出口温度和急冷器出口温度等关键参数的实时监测报警，清焦按预定步骤自动地进行，异常情况报警及处理，人工手动暂停、恢复或终止程序运行以及结束容许性检查和现场操作检查等多项功能。
Description
一、技术领域
本发明属于化学反应工程和自动控制领域，涉及乙烯装置中裂解炉在线清焦过程的自动控制方法。
二、背景技术
乙烯工业是石油化工发展的标志，历来被用作衡量一个国家石油化学工业的发展水平。随着计算机应用技术和自动控制技术的不断发展，过程控制系统对乙烯生产装置的安全高效运行起着越来越重要的作用，人们已不满足单纯从乙烯生产过程的工艺设计和生产设备改造上获取经济效益，而是综合应用化学工程、计算机应用和自动控制技术，对乙烯生产过程实行计算机控制和优化操作，充分发挥设备的内在潜力，以低能耗、低成本消耗和高产出获得较高的装置经济效益。在乙烯生产过程中，裂解炉是生产装置的核心设备，它的运行状态是否良好，不仅影响整个乙烯生产装置的产品质量和产量，而且还将影响下游生产装置(如聚乙烯、聚丙烯等生产装置)的平稳操作。
石油化工中的裂解是指石油烃(裂解原料)在隔绝空气和高温条件下分子发生分解反应而生成小分子烯烃或(和)炔烃的过程。烃类在管式裂解炉中裂解，必然伴随小分子不饱和烃的聚合、芳烃的脱氢和稠环化等副反应，反应产物逐步在炉管内壁积累形成结焦层。一方面，管内壁的结焦增大了炉管壁和裂解气之间的传热热阻，要使原料达到同样的裂解深度，必须提高炉管外壁的温度，对炉管的材质提出了苛刻的要求。另一方面，结焦层使炉管流通面积减小，流动阻力增大，烃分压提高，不利于裂解的选择性。由于以上因素的制约，在结焦发展到一定程度时，必须对炉管进行清焦。烧焦周期的长短和烧焦质量的好坏，对乙烯生产装置生产能力的发挥和生产操作的稳定性具有举足轻重的影响。
清焦可分为蒸汽—空气(俗称烧焦)、纯蒸汽、水力和机械等四种方式。其中蒸汽—空气烧焦可在大约与裂解操作相同的炉出口温度下进行，具有烧焦速度快、操作方便、又易于控制的优点。采用在线烧焦的明显优点是：裂解炉没有升降温过程，可实现不停炉清焦并延长炉管的使用年限；可采用计算机在线控制，清焦时间可缩短至2天，提高了开工率，增加了乙烯与蒸汽产量。目前国内所有乙烯装置都采用集散控制系统(DCS，Distributed Control Systems)对生产过程进行监控，所有的参数显示、监视、报警和控制都在DCS系统中进行。为了充分发挥DCS和操作设备的潜力，有效地利用原料和能源，增加装置的经济效益，结合裂解炉清焦过程的工艺操作特点，综合应用化学工程、计算机应用和自动控制科学中的最新技术，对裂解炉在线清焦过程实施计算机程序控制，使裂解炉清焦过程安全、平稳地进行，具有极其重要的实用价值。
三、发明内容
(1)发明目的：以缩短裂解炉清焦时间，延长炉管的使用寿命，延长裂解炉安全正常运行周期，减少操作人员劳动强度，提高乙烯装置的生产能力为目标，对裂解炉在线清焦过程实施计算机程序控制。
(2)发明内容：本发明的目的是这样实现的：裂解炉在线清焦的控制目标是裂解炉停车后在稀释蒸汽具备的条件下，通过计算机程序对清焦蒸汽流量、清焦空气流量和炉管出口温度进行爬坡控制，通过操作人员的现场操作和输入选择，自动地实现裂解炉的平稳除焦。程序启动后，包括各步的清焦蒸汽流量、清焦空气流量、炉管出口温度以及相应的爬坡时间和各步持续时间参数装入工作内存中，并对各内部变量和标志量进行初始化。
清焦顺序逻辑包括辐射段炉管清焦和废热锅炉清焦两部分，当辐射段炉管清焦结束后，在人工控制下，再执行废热锅炉的在线清焦顺序。
对辐射段炉管的清焦阶段，分成10-30步时间段，每个时段设有斜坡控制清焦空气流量和清焦蒸汽流量控制器的设定值，斜坡作用必须在相应的爬坡时间内完成；当完成斜坡作用且记录该步持续时间的计时器停止后，将计数器加1，继续进行下一步的斜坡控制；对废热锅炉的清焦阶段，分成2-10步时间段。
裂解炉在线清焦自动控制程序的主要控制变量是各组炉管的清焦蒸汽流量、各组炉管的清焦空气流量和炉管出口温度。主要调节变量是裂解炉燃料气压力、各组炉管的清焦蒸汽流量控制器的输出和设定点、各组炉管的清焦空气流量控制器的输出和设定点。操作人员输入变量是裂解炉进料方式开关、清焦蒸汽流量允许偏差、清焦空气流量允许偏差、炉管出口温度上下限、急冷器出口温度上限、爬坡控制状态开关和清焦顺序逻辑参数存储开关。
可以选择对清焦蒸汽流量、清焦空气流量和炉管出口温度进行自动爬坡控制(程序模式)或手动爬坡控制(操作员模式)，手动爬坡控制，则程序只显示出目标值，手动来完成相应变量的爬坡控制。而在清焦过程的第1-2步时间段，清焦空气的爬坡控制模式选择为操作员模式。
裂解炉在线清焦共分为三大步骤，第一步为辐射段炉管烧焦过程，第二步为废热锅炉烧焦过程，第三步为烧焦结束过程。自动控制程序的执行顺序如下：
1.预备阶段
程序启动后，首先将依据进料方式开关的选择，把程序清焦参数(包括各步的清焦蒸汽流量、清焦空气流量、炉管出口温度以及相应的爬坡时间和各步持续时间等)装入工作内存中。并对各内部变量和标志量进行初始化。
由操作人员确认所有的现场操作都已被正确执行，如未被确认则程序处于等待状态，直至全部确认。
由程序判断是否所有的控制变量都已达到要求的待清焦状态，所有的控制回路模式是否都正确，如有某回路不满足要求，则对相应回路进行报警，且程序处于等待状态，直至所有条件都满足。
2.辐射段炉管清焦阶段
操作人员可以选择对清焦蒸汽流量、清焦空气流量和炉管出口温度进行自动爬坡控制(程序模式)或手动爬坡控制(操作员模式)。如果选择手动爬坡控制，则程序只显示出目标值，必须由操作员来完成相应变量的爬坡控制。在清焦过程的前三步，清焦空气的爬坡控制模式选择为操作员模式，以避免清焦空气在小流量时，流量显示仪表读数不准的问题。
首先置计数器N为1，斜坡控制清焦空气流量和清焦蒸汽流量控制器的设定值，斜坡作用必须在相应的爬坡时间内完成。当完成斜坡作用且记录该步持续时间的计时器停止后，将计数器加1，继续进行下一步的斜坡控制。
在斜坡控制过程中，同时对炉管出口温度和急冷器出口温度等重要变量进行监视，一旦出现偏差过大的情况，立即暂停斜坡控制的运行，将程序转入保持状态，同时显示报警信息，进行声音报警。
当第二步结束时，向操作人员发出一条信息，告诉他辐射段炉管清焦结束，并询问是否进行在线废锅的清焦。如不进行废锅清焦，则执行结束阶段的程序，否则继续执行废锅清焦阶段的程序。
3.废热锅炉清焦阶段
与辐射段炉管清焦阶段的执行逻辑相同，按照清焦参数表的数据进行第二步的清焦空气、清焦蒸汽和炉管出口温度的斜坡控制。同时对关键变量进行监视，出现异常情况立即报警，并将程序转入保持状态。
4.清焦结束阶段
按照清焦参数表的数据进行第三步的清焦空气、清焦蒸汽和炉管出口温度的斜坡控制。即撤出清焦空气，使其流量为0，将清焦蒸汽和炉管出口温度调整到备用状态要求的值。
向操作员发出结束信息，要求操作人员确认现场操作是否都已被正确执行，如未全部确认，则程序处于等待状态，直至所有的操作都被执行，清焦程序结束。
(3)本发明的优点是：
裂解炉在线清焦的计算机程序控制可以提高裂解炉清焦的科学性，降低操作人员的劳动强度，提高整个乙烯装置的自动化水平和生产效率，并可产生明显的经济效益。
1.计算机自动清焦程序的人机界面友好，操作人员可以通过人机界面对清焦过程进行情况进行实时监视，进行重要变量和选择开关的输入，执行对程序的各种操作。
2.在程序运行过程中操作人员可以进行干预，也允许操作员根据自己的判断，暂停、恢复或终止程序的执行。
3.清焦顺序逻辑包括辐射段炉管清焦和废热锅炉清焦两部分，当辐射段炉管清焦结束后，只有在操作员的要求下，才能执行废热锅炉的在线清焦顺序。
4.计算机程序实时记录清焦所用掉的总的时间，清焦过程的当前步以及所要求的清焦空气和蒸汽流量。
5.操作人员可以选择对清焦蒸汽流量、清焦空气流量和炉管出口温度进行自动爬坡控制(程序模式)或手动爬坡控制(操作员模式)。如果选择手动爬坡控制，则程序只显示出目标值，必须由操作员来完成相应变量的爬坡控制。在清焦过程的前三步，清焦空气的爬坡控制模式选择为操作员模式，以避免清焦空气在小流量时，流量显示仪表读数不准的问题。
6.在清焦过程中，可以通过人机界面对没有运行阶段的清焦参数进行实时修改。对于已经运行和正在运行阶段的参数，其数据修改则是无效的。
7.在程序运行过程中，可以根据工艺情况对清焦蒸汽流量、清焦空气流量、炉管出口温度的最大允许偏差进行在线修改。程序随时对蒸汽流量、空气流量、炉管出口温度等关键变量进行监视，如果监测到异常情况，程序将暂停清焦运行，进入保持状态。
8.当系统出现紧急情况，需要马上进行人工干预，希望完全退出自动清焦程序时，可以通过双重确认将整个程序终止。
四、附图说明
图1为本发明人机界面编辑画面图即裂解炉在线清焦过程自动控制的人机界面主画面
图2为本发明裂解炉在线清焦过程自动控制的程序框图。
五、具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明：
图1为裂解炉在线清焦过程自动控制的人机界面主画面。画面上部是用于指示运行状态的指示灯，分别是PRESET(预置)、READY(准备好)、RUN(运行)、HOLD(保持)、WARNING(报警)。中部实时显示了蒸汽、空气和炉管出口温度的当前设定值和测量值，以及由操作员输入的几个工艺允许参数偏差值，其中STM DEV是蒸汽流量允许的偏差，AIR DEV是空气流量允许的偏差，COT HILM是炉管出口温度的允许值高限，COT LOLM是炉管出口温度允许值低限，QUENCH T HITP是急冷器出口温度高限。下部安排了八个切换按钮，功能分别是：
切换到清焦初始确认画面；
切换到清焦参数列表画面；
跳转到程序启动和模式选择画面；
在条件允许的前提下，启动清焦程序运行，按照清焦参数表进行爬坡控制；
人为切换到保持状态，此时所有回路的爬坡过程进入保持状态，对应回路的设定值保持不变；
切换到清焦程序结束的画面；切换到退出画面；
切换到主操作画面。
图2为裂解炉在线清焦过程自动控制的程序框图，DSC执行。
首先定义如下参数变量名称：
N为计数器，代表当前清焦进行的步数；
AT(N)为第N步清焦空气流量的目标值；
ST(N)为第N步清焦蒸汽流量的目标值；
CT(N)为第N步炉管出口温度的目标值；
T(N)为第N步持续时间；
RA(N)为第N步清焦空气流量的爬坡时间；
RS(N)为第N步清焦蒸汽流量的爬坡时间；
RC(N)为第N步炉管出口温度的爬坡时间。
按如下步骤实施自动控制程序：
1A.将清焦参数装入工作内存中，对内部变量和标志量进行初始化；
1B.如果所有现场动作全部确认，就继续执行第1C步，如果现场动作未全部确认，处于等待状态，直至满足条件；
1C.如果所有容许性检查都为ON，继续执行第2A步，如果容许性检查失败，处于等待状态，直至满足条件；
2A.置计数器N＝1；
2B.斜坡控制清焦空气流量，设置目标值为AT(N)，爬坡时间为RA(N)；
2C.斜坡控制清焦蒸汽流量，设置目标值为ST(N)，爬坡时间为RS(N)；
2D.如果完成斜坡作用，且记录T(N)时间的计时器停止，则执行第2F步，否则继续执行下一步；
2E.对关键变量的偏差和上下限进行监视后，返回第2D步；
2F.计数器加1，N＝N+1；
2G.如果N＞15，继续执行下一步，否则返回第2B步；
2H.向操作员发出一条信息，说明辐射段炉管清焦结束，并询问是否进行废锅清焦；
2I.如果不进行废锅清焦，执行第4M步，否则继续执行下一步；
3A.斜坡控制清焦空气流量，设置目标值为AT(16)，爬坡时间为RA(16)；
3B.斜坡控制清焦蒸汽流量，设置目标值为ST(16)，爬坡时间为RS(16)；
3C.斜坡控制炉管出口温度，设置目标值为CT(16)，爬坡时间为RC(16)；
3D.如果完成斜坡作用，且记录T(16)时间的计时器停止，则执行第3F步，否则继续执行下一步；
3E.对关键变量的偏差和上下限进行监视后，返回第3D步；
3F.斜坡控制清焦空气流量，设置目标值为AT(17)，爬坡时间为RA(17)；
3G.斜坡控制清焦蒸汽流量，设置目标值为ST(17)，爬坡时间为RS(17)；
3H.斜坡控制炉管出口温度，设置目标值为CT(17)，爬坡时间为RC(17)；
3I.如果完成斜坡作用，且记录T(17)时间的计时器停止，则执行第4A步，否则继续执行下一步；
3J.对关键变量的偏差和上下限进行监视后，返回第3I步；
4A.斜坡控制清焦空气流量，设置目标值为AT(18)，爬坡时间为RA(18)；
4B.斜坡控制清焦蒸汽流量，设置目标值为ST(18)，爬坡时间为RS(18)；
4C.斜坡控制炉管出口温度，设置目标值为CT(18)，爬坡时间为RC(18)；
4D.如果完成斜坡作用，且记录T(18)时间的计时器停止，则执行第4F步，否则继续执行下一步；
4E.对关键变量的偏差和上下限进行监视后，返回第4D步；
4F.斜坡控制清焦空气流量，设置目标值为AT(19)，爬坡时间为RA(19)；
4G.斜坡控制清焦蒸汽流量，设置目标值为ST(19)，爬坡时间为RS(19)；
4H.斜坡控制炉管出口温度，设置目标值为CT(19)，爬坡时间为RC(19)；
4I.如果完成斜坡作用，且记录T(19)时间的计时器停止，则执行第4K步，否则继续执行下一步；
4J.对关键变量的偏差和上下限进行监视后，返回第41步；
4K.使操作台响铃，并向操作员发出一条信息，并等待确认；
4L.如果所有现场动作全部确认，就继续执行下一步，如果现场动作未全部确认，处于等待状态，直至满足条件；
4M.显示清焦过程结束的信息。
上述实施例中，辐射段炉管的清焦阶段，分成15步时间段，对废热锅炉的清焦阶段，分成2步时间段。
在DCS的应用模块/先进过程管理站/高性能管理站(AM/APM/HPM，Application Module/Advanced Process Manager/High Performance ProcessManager)上按照上述步骤，使用CL(Control Langrange)语言进行程序的编写，并按照图1的画面进行人机界面的编辑，可得到在线清焦过程的自动控制程序。
上述要求的条件在裂解炉生产装置中DCS系统上均能满足，因此该发明具有普适性。
Claims (9)
1、裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，其特征是控制变量是各组炉管的清焦蒸汽流量、各组炉管的清焦空气流量和炉管出口温度，通过程序对清焦蒸汽流量、清焦空气流量和炉管出口温度进行爬坡控制；输入变量是裂解炉进料方式开关、清焦蒸汽流量允许偏差、清焦空气流量允许偏差、炉管出口温度上下限、急冷器出口温度上限、爬坡控制状态开关和清焦顺序逻辑参数存储开关；包括对辐射段炉管的清焦和对废热锅炉的清焦二个阶段，并且在裂解炉的集散控制系统中执行。
2、由权利要求1所述的裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，其特征是程序启动后，包括各步的清焦蒸汽流量、清焦空气流量、炉管出口温度以及相应的爬坡时间和各步持续时间参数装入工作内存中，并对各内部变量和标志量进行初始化。
3、由权利要求1所述的裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，其特征是由程序判断是否所有的控制变量都已达到要求的待清焦状态，所有的控制回路模式是否都正确，如有某回路不满足要求，则对相应回路进行报警，且程序处于等待状态，直至所有条件都满足。
4、由权利要求1所述的裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，其特征是选择对清焦蒸汽流量、清焦空气流量和炉管出口温度进行自动爬坡控制或手动爬坡控制，手动爬坡控制，程序只显示出目标值，手动来完成相应变量的爬坡控制。
5、由权利要求1所述的裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，其特征是在清焦过程的第1-2时间段，清焦空气的爬坡控制模式选择为操作员模式。
6、由权利要求1所述的裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，其特征是对辐射段炉管的清焦阶段，分成10-30步时间段，每个时段设有斜坡控制清焦空气流量和清焦蒸汽流量控制器的设定值，斜坡作用必须在相应的爬坡时间内完成；当完成斜坡作用且记录该步持续时间的计时器停止后，将计数器加1，继续进行下一步的斜坡控制；对废热锅炉的清焦阶段，分成2-10步时间段。
7、由权利要求1所述的裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，其特征是清焦顺序逻辑包括辐射段炉管清焦和废热锅炉清焦两部分，当辐射段炉管清焦结束后，在人工控制下，再执行废热锅炉的在线清焦顺序。
8、由权利要求1所述的裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，其特征是在斜坡控制过程中，同时对炉管出口温度和急冷器出口温度等重要变量进行监视，一旦出现偏差过大的情况，立即暂停斜坡控制的运行，将程序转入保持状态，同时显示报警信息。
9、由权利要求1所述的裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，其特征是当系统出现紧急情况，进行人工干预，希望完全退出自动清焦程序时，可以通过双重确认将整个程序终止。
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