乙烯装置仪表及自动控制系统剖析

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1、现代化乙烯工厂 控制和信息管理集成系统 1 1. 健康、安全及环保方面有可靠保证； 2. 高质量过程测量、控制，友好的人机界面； 3. 由控制系统故障引起非计划停车最少； 4. 提供现代化石化企业的管理和操作报告； 5. 提供现代化石化企业的技术数据、历史数据、维修计划、存量控制 和采购计划； 6. 提供现代化石化企业的计划调度和优化,满足市场需求并获得最大 的利润； 7. 现代化石化企业、供应商和客户管理信息系统集成在同一个互联电 子商务网络上； 8. 提供最好的操作培训支持和人力配置水平。 总体目标 : 1-1 2 第一级：过程信息 第二级：工厂信息 第三级：企业信息 信息集成的级别 1-

2、2 3 信息集成方框图 供应计划 (13月) 供应 HAGO和HVGO为原料时,稀释蒸汽比为0.7; 乙烷为原料时，稀 释蒸汽比为1.0。基于同样的理由，裂解炉出口压力要保持尽可能低 。因此设进料和稀释蒸汽比值控制。 为保证平稳操作，裂解炉的负荷即烃总进料和稀释蒸汽流量应保持恒定 。 尽量保持各组炉管烃和稀释蒸汽流量以及辐射段炉管的进出口温 度相同。 流量和温度分布的差别会造成过裂解，导致炉管内结焦速 度增加。 因此必须控制各组炉管的稀释蒸汽比，改善炉管的温度分 布。 液体炉的原料为HAGO，HVGO，NAP三种进料，通过控制进料阀，确定裂解 原料，在DCS中设有原料选择开关。 4-14 85

3、 进料量和稀释蒸汽比控制用超前/滞后比值控制维持烃流量与稀释蒸汽流 量比恒定。超前/滞后算法保证在增加烃进料时先增加稀释蒸汽量， 减少烃进料时，先减少烃进料，后减少稀释蒸汽量。保证了烃进料 量发生变化时，实际稀释蒸汽比总是高于给定的稀释蒸汽比。 流量测量用密度补偿(气体流量测量带压力和温度补偿)，该密度信号来 自进料总管上的质量流量计，送至各组进料流量调节器。稀释蒸气 流量经温压补偿后送至各组稀释流量调节器。总烃进料调节器及总 稀释蒸汽比的设定值由操作工设定，设有速率变化限制器。总烃进 料调节器设定值调整按实际能力的1%/分钟的速率变化进行; 总的稀 释比调节器设定值调整按实际按量程的5%/分

4、钟的速率变化进行。 总烃流量调节器及总稀释蒸汽比调节器的输出平均分配到4组烃及稀释流 量调节器，修正每组的流量调节器的设定值。 每组稀释蒸汽还设有最小稀释蒸汽保护及过剩偏差控制，最小稀释蒸汽 量开车前由工艺工程师设定。 操作工通过调节各组的稀释蒸汽比偏 差因子来调整过剩稀释蒸汽量。 4-15 86 7)组炉管出口温度平衡控制 维持各组炉管温度相等使各组炉管内结焦均匀，延长裂解炉运行周期。 当总进料量变化时，各组温度自动跟踪同样的平均温度，不会出现 扰动。组炉管出口温度平衡控制与进料量和稀释蒸汽比值控制通过 调整各组炉管的蒸汽和烃流量，维持各组炉管辐射段出口温度基本 相同。 每组炉管出口设有温度

5、调节器，其设定值是4组炉管出口温度平均值。 该设定值与每组炉管出口温度比较并送出一补偿信号修正相应组的 蒸汽和进料流量，如果一组炉管的流量改变，其它组流量相应改变 以保持总进料量不变。温度调节器能够调节各组炉管的流量变化限 制在10%。 8)燃烧控制 乙烯的转化率随温度升高而增加，乙烯收率相应增加。 乙烯收率随温度 升高而增加有一定范围。高温下，轻烯烃反应生成甲烷、双烯烃及 重有机物的二次反应增加，降低了乙烯收率，产生过度裂解; 二次 反应又导致了焦油和焦碳的生成，裂解炉出口温度必须严格控制。 裂解炉出口温度调节器的测量值是4组炉管裂解气出口温度的平均值， 该值与操作工设定的温度或来自裂解深度

6、控制计算的温度值进行比 较，该调节器的输出作为调节燃料气(油)流量调节器的设定值来调 整燃烧量。 裂解炉燃烧控制设有侧壁燃烧百分比控制， 能够调整底部烧嘴和侧壁烧 嘴燃烧量的相对比例。 4-16 87 在正常的操作条件下，裂解炉出口温度调节器进行燃烧控制，通常底部 烧嘴热负荷为裂解炉所需热负荷的70%，侧壁烧嘴热负荷为裂解炉所 需热负荷的30%。裂解炉出口温度调节器输出值和侧壁燃烧百分比调 节器的输出值进行计算， 计算结果为底部烧嘴燃料流量调节器和侧 壁烧嘴燃料流量调节器设定值。 在底部和侧壁燃料系统中，除了流量控制外又设置了压力调节系统。在 低负荷和开车时，使用压力调节器; 在正常操作时，当

7、压力在正常 约束范围内，燃烧控制将自动选择流量控制，当压力在正常约束范 围外，低于某一值或高于某一值时，燃烧控制将自动选择压力控制 ，将燃料气压力调整到正常范围，然后自动回到流量控制。若燃料 气压力继续降低或升高到联锁值时，裂解炉将部分或全部停车。 为防止仪表故障影响燃烧控制， 底部燃料压力采用三个采样点及三个压 力变送器，取中间值用于控制。 在燃料系统中，设置了大小两个调节阀分程控制。通过底部大阀和小阀 燃料流量的总和为底部燃料系统所需的燃料量。大小阀的动作是这 样的，小阀正常开度为50%，其余的燃料量由大阀提供，小阀的动作 时间为大阀的5到10倍; 当燃料系统发生变化时，小阀迅速动作达到

8、所需的燃料量，然后大阀开始动作，并在相同的时间内，小阀稳定 到50%，由大阀提供其余的燃料量。 4-17 88 9)裂解深度控制 裂解深度控制是基于在线分析仪表的分析数据，调节裂解炉出口温度以 保持裂解气所要求的组分。裂解性能有两种定义方法，对于液体原 料裂解深深度定义为：裂解产物裂解气中的丙烯与裂解气中的乙烯 比。对于气体原料使用转化率，转化率定义为：气体进料的转化部 分与气体进料部分的比，影响裂解深度的主要因素为进料类型及组 份，蒸气与进料比、裂解炉出口温度等。深度控制系统中可调变量 为炉出口温度，其它均为操作工设置。操作工通过进料选择开关选 择一种进料，在进料量和稀释蒸汽超前-滞后比值控

9、制中通过手操器 设定流量及稀释蒸气比， 通过手操器设定所需的裂解深度或转换率 。对于液体进料来说，有三种类型，分别对应三种不同的操作参数 。 裂解深度控制的实施，当裂解炉出口温度调节器在串级时，深度控制才 起作用。 每次用分析的数据计算的实际裂解深度与设定的裂解深度 相比较，每次比较产生一个偏差，偏差信号限制在一定范围内。通 过偏差信号调整裂解炉出口温度的设定值，直到实际的深度等于所 要求的深度。 裂解深度控制是在进料量及释释蒸汽恒定的前提下，由DCS完成的。如 进料量或稀释蒸汽比变化，则需要建立动态目标模型，以适应原料 组份、流量、稀释比变化，这些复杂的计算需由上位机实现。 4-18 89

10、3 KTI-GK5裂解炉的安全联锁系统 1)进料流量低低联锁 当进料流量达到低低联锁值时，裂解炉部分停车, 立即切断进料、侧壁 燃料气。当进料流量过低时，炉管处于过低负荷运转，会增加物料 在高温辐射处的停留时间，转化率相应增加，吸收过多热量产生二 次反应，形成甲烷、丁烷和焦油产品，增加炉管结焦的风险；过低 的进料导致有的炉管可能没有进料裂解，若燃料不及时减少，使部 分炉管金属温度过高，损坏炉管。此时稀释蒸汽仍继续正常通入炉 内，可以部分停车，即底部燃料气仍在燃烧，裂解炉处于热备状态 ，操作人员检查事故原因，清除故障准备再次通入物料。 2)稀释蒸汽低低联锁 当稀释蒸汽流量低低时，裂解炉全部停车，

11、立即切断进料、燃料气/油。 稀释蒸汽流量低低，意味着物料由稀释蒸汽处得到的热量减少，如 果是液体进料，可能会有部分液相进料进入辐射段炉管，不能形成 充分汽相进料，影响产品质量；稀释蒸汽流量低低，炉管结焦程度 会加重，缩短正常生产时间。若只部分停车，底部燃料相当于干烧 没有物料的炉管，会损坏炉管。所以必须全部停车，切断所有燃料 。 4-19 90 3)燃料气(油)低低或高高联锁。 当燃料系统出现问题，直接影响产品质量。燃料气压力过低，不足以提供裂解所 需的热量，造成物料浪费；有回火的可能；燃料气压力过高，易造成二次分 解，形成结焦, 燃料气压力过高时，短时间可引起炉膛温度过高，燃烧所需 的空气量

12、也相应增加，炉膛负压所能吸入的空气不能满足燃烧所需的空气量 ，造成燃料浪费。所以当侧壁燃料气压力过高或过低，实施部分停车；当底 部燃料气(油)压力过高或过低，实施全部停车。 燃料油需要在进入烧嘴前与雾化蒸汽混合，形成汽相混合物，预热燃料油温度， 又可使燃烧均匀。若雾化蒸汽量小，有可能使较大的燃料油滴从油烧嘴处喷 射到炉管表面，造成火焰直接冲击炉管，当蒸汽和燃料油压力差降低到低低 联锁设定值时，则要裂解炉全部停车。 4)炉膛负压低低或高高联锁和风机故障联锁。 裂解炉炉膛负压控制，保证裂解炉内部压力维持-0.05kPag的轻微负压。裂解炉内 压力若高于外部大气压，火焰有可能从观察口喷出，不利于操作

13、人员进行观 测，有伤害人员的可能。当炉膛负压高于0kPag时，先部分停车，若炉膛负压 仍不能降到微负压状态，则全部停车。炉膛负压过低时，炉膛内过剩空气量 会增加，影响燃烧热效率，增加裂解炉内上部冷端的腐蚀风险，先部分停车 再全部停车。 风机正常工作是炉膛压力维持正常的必要条件。当风机正常工作时，有可能其它 原因导致炉膛负压不正常，这时炉膛压力联锁动作紧急停车；当风机若停转 时，炉膛压力会升高，风机故障联锁动作，裂解炉全部停车。 4-20 91 5)高压汽包液位联锁。 当汽包液位过低时，防止高压蒸汽包内继续产生蒸汽以致爆炸, 裂解炉 全部停车。当液位过高时，关闭锅炉给水切断阀切断进水，当液位 由

14、高回到正常液位时，如能保持2.5分钟的正常液位，则进水切断阀 自动打开。 6)超高压蒸汽温度高高联锁 出界区的超高压蒸汽设有温度高高联锁，当蒸汽温度过高时，先实施部 分停车，若温度仍不降低，则实施全部停车，以防过热蒸汽温度过 高而损坏工艺管线。 7)急冷器出口裂解气温度联锁。 裂解气从废锅出来后，进入急冷器与急冷油进行直接热交换, 裂解气进 一步冷却。当急冷器出口裂解气温度过高时，裂解炉部分停车，保 证裂解气温度达到工艺生产要求和急冷器设备不会结焦受损。 为防止不必要的误停车，控制逻辑中采用了三取二逻辑。如在汽包液位 、底部燃料气/油、炉膛负压联锁逻辑均使用三取二。同一工艺点上 ，设三个独立的

15、取源点，对应三个独立的信号引入SIS系统，减少了 由于变送器或信号传送失误而造成的不必要停车， 用户可在不设维 修开关的情况下逐一检查维护现场仪表。 当采用一个信号作为联锁 条件同时又要参与DCS控制，根据IEC61508建议最好设两个独立的 信号来源，分别去DCS、SIS。 4-21 92 4 Lummus裂解炉的自动控制系统 1)进料量和稀释蒸汽比控制 原料经6组进料管线分别进行流量测量，流量信号经密度补偿后作为过程 变量（PV）值进行控制。各组进料流量控制器的设定值（SV）相加 ，作为进料总量控制器的PV，总量控制器的SV值由操作人员设定。 进料总量控制器的输出与每组炉管出口温度（COT

16、）偏差控制器的输 出进行运算，其结果输出到各组进料控制器作为设定值（SV）。 稀释蒸汽和进料量调节器组成串级调节。各组进料调节器的设定值输出 到稀释蒸汽比运算模块，与手动设定的稀释蒸汽比进行运算。运算 的结果与最小稀释蒸汽设定值（一般为正常流量的90%）进行高超弛 控制，结果输出作为稀释蒸汽调节器设定值。 当所有的稀释蒸汽和进料量调节器变为串级和预设负荷时，操作工根据 原料/稀释蒸汽比选择固定的设定值。稀释蒸汽比按基于所选原料的 斜线以1%/分钟的速率变化至预设常数。装置工程师可以根据需要改 变这些预设值。 二次注汽的蒸汽流量作为调节器的测量值，二次注汽温差控制器的输出 与二次注汽最小蒸汽设定值进行高超弛控制，结果作为二次注汽调 节器的设定值。 4-22 93 2)COT控制 每组炉管设有各自的出口温度调节器，6组裂解气出口温度平均值作为设 定值。该设定值与每组实际出口温度比较并送出一补偿信号，修正 相应组的蒸汽和进料流量以达到设定的温度。如果一组炉管的流量 改变，其它组流量相应改变以保持需要的总进料量不变。调节器的 输出值限定在-5%+5%之间，相对应其正常的45%55