乙烯裂解炉模拟优化系统(EPSOS)在工业装置上的应用

EPSOS是由兰州化工研究中心、兰州石化公司和清华大学合作开发的乙烯裂解模拟优化系统.该系统采用Kumar分子反应动力学模型,具有界面友好、可视化强和炉型组态灵活等特点,能够对乙烯裂解炉进行伞周期模拟及操作优化.EPsOs已经在兰州石化公司运行1年多,优化戍用结果表明,乙烯总平均产率比优化前提高了0.72%、三烯总收率提高0.55%.利用EPSOS系统能够较好的指导生产,对于提高乙烯生产装置的操作水平及经济效益具有重要意义.     

兼顾负荷变化的裂解炉炉群调度建模与优化

裂解炉是乙烯生产的核心装置,工业生产乙烯通常采用多台裂解炉并行运行,将烃类原料裂解成乙烯等小分子烃类化合物。在裂解炉的运行过程中会不可避免的在炉管内壁产生结焦,从而导致乙烯产率的下降,为此需要对裂解炉进行定期的停炉清焦。当多台裂解炉同时处理多种不同类型的原料,而且在操作成本和产品收率都在不断变化的情况下,对裂解炉炉群进行优化调度以取得生产利润的最大化具有重要意义。针对乙烯裂解炉炉群调度建模与优化问题,提出了一个同时考虑原料及其进料量负荷的新的调度模型,克服了之前炉群调度仅针对原料选择、裂解炉负荷依赖人工设定的不足,优化后使裂解炉炉群的生产效益得到提高,为工厂合理地安排生产提供了理论依据。     

裂解炉炉群负荷分配的实时优化

裂解炉是乙烯生产的核心装置,工业生产中通常采用多台裂解炉并行运行,将烃类原料裂解成乙烯等小分子烃类化合物。在裂解过程中,由于裂解炉原料、裂解炉炉膛燃烧情况等存在差异,导致各台裂解炉的裂解产品也有较大差异。为此,当多台裂解炉并行运行时,涉及到如何在每台裂解炉之间最优化分配原料负荷的问题。但是以往裂解炉优化多侧重于炉群之间原料调度以及单台裂解炉操作参数优化,对于裂解炉炉群负荷的实时动态优化涉及较少。对此,本文提出一种同时考虑裂解炉裂解产品收率、燃料消耗、废锅出口温度约束以及各裂解炉负荷约束模型,同时根据炉群整体最大化目标和各裂解炉实际运行信息,运用改进的差分进化算法实现裂解炉负荷的实时优化,改变了之前总进料由调度确定后,技术人员按裂解炉原始设计进行负荷分配的现状。最后,以某乙烯厂为研究实例进行仿真验证,优化后裂解炉炉群生产效益得到提高,为工厂合理安排生产提供理论依据。     

乙烯裂解炉机理模型在线预报系统的设计与实现

乙烯裂解炉裂解产物收率的在线预报对于指导乙烯生产具有十分重要的意义.本文基于Kumar分子反应动力学模型,针对某大型乙烯厂SL-Ⅱ型裂解炉建立了该炉辐射段的裂解数学模型;采用C#和MATLAB混合编程技术开发了1套乙烯裂解炉产物收率在线预报软件系统;针对长周期运行的情况加入了模型在线调整功能,以随机搜索方式调整1次反应选择性系数,使模型能够及时与当前原料性质匹配.现场运行效果表明,系统的实时性和准确性满足生产要求,平均预报时间在10秒左右,乙烯等主要产物收率的系统预报值与工厂化验值的误差约2%:同时,系统具有良好的实用性,操作简便且运行稳定.该系统基于规范化的软件系统框架实现了乙烯裂解机理模型的实时运行和在线预报,以间接方式获得主要裂解产物收率的实时数据,为进一步指导生产过程优化、提高经济效益奠定了基础.     

SL-Ⅱ型乙烯裂解炉机理建模及在线应用

乙烯裂解炉产物收率的在线预报对于指导生产操作具有重要意义.针对某大型乙烯厂SL-Ⅱ型裂解炉,本文采用分子反应动力学模型,通过估算石脑油混合物性数据、调整1次反应系数,建立了该型号裂解炉辐射段的稳态工艺数学模型.采集实际操作工况数据对所建模型进行了验证,模型计算结果与装置分析值误筹在2%以内,进而将该模型用于裂解产物收率的在线预报,结果表明与色谱仪分析值的趋势一致.本文将基于分子模型和调整算法的机理建模应用于SL-Ⅱ型裂解炉产物收率的在线预报,并进一步探索长期预报的可行性,对乙烯裂解生产操作具有指导意义.     

基于贝叶斯证据方法的裂解产物收率软测量模型

建立裂解产物收率的软测量模型对于乙烯裂解炉的生产具有重要的作用。采用支持向量回归方法可以建立较准确的乙烯裂解产品收率软测量模型,但是正则化参数等模型结构参数的选择对模型的精度仍然具有较大的影响。本文采用基于贝叶斯证据框架的支持向量回归方法,对正则化参数进行了迭代收敛计算,进而改进了乙烯裂解产品收率的软测量模型。在某工业乙烯裂解炉的生产数据上对产品收率进行了仿真验证,取得了良好的效果。     

先进控制技术在乙烯裂解炉上的应用

文章介绍了先进控制技术在乙烯裂解炉上的应用情况,先进控制方案及控制目标,展示了先进控制的实际效果。针对裂解炉运行特点,裂解炉先进控制方案采用霍尼韦尔的模型预测控制软件-Profit Controller和在裂解炉产率模拟软件-线SPYRO相结合的控制策略。在线SPYRO提供裂解炉的关键控制指标-裂解深度和最大管壁温度。Profit Controller应用鲁棒多变量模型预测控制技术实施对裂解炉的控制。裂解炉先进控制方案控制目标包括:1)稳定裂解炉操作;2)裂解深度控制;3)处理量最大化;4)节能。共18个先进控制器,每个控制器控制一个裂解炉。方案实施过程包括:功能设计、预测试、阶跃测试、模型辨识、离线仿真、在线仿真、现场投用等。在方案实施的同时对裂解炉出口温度和稀释比等控制回路进行了改进和整定取得显著效果。通过先进控制技术在乙烯裂解炉上的实施,装置运行更平稳,降低了操作人员劳动强度,提高了裂解炉控制水平,实现了裂解深度的在线控制,节能降耗。标定结果说明实施先进控制后双烯收率提高了0.27%,每年可节约原料费用4698.65万元,取得显著的直接经济效益和间接效益。     

基于生产计划模型制定乙烯原料优化方案

将乙烯原料优化与企业生产计划优化相结合,既能保证乙烯生产企业的原料供给,又有利于提升石化企业的整体经济效益,实现了炼化一体化的目标.本文通过建立裂解产物收率模型预测乙烯裂解过程产物收率,并将其与图形化石化工业模拟系统(GIOPIMS)相集成,替换原有模拟系统中乙烯热裂解收率的固定经验值,建立起了与乙烯原料优化相结合的生产计划模型,并通过求解得到了最佳的排产方案.实例表明,集成后的系统不仅能够准确给出乙烯原料优化方案,优化了原料选择和配置,提高了企业经济效益,同时使生产计划模型更加符合实际情况.得到的优化方案效果更好.     

乙烯裂解炉燃烧传热的CFD模拟

为了掌握乙烯炉炉膛内的热场分布规律,本文采用CFD方法对SL-Ⅱ型工业乙烯裂解炉辐射段内所发生的燃烧、辐射传热、烟气流动等过程进行了耦合模拟,并且详细地分析了炉膛内流场及温度场的分布情况。其中,裂解炉的几何模型按照工程图纸1:1的比例建立;网格划分在专业网格生成软件ICEM11.0中完成;计算采用标准k-ε双方程模型模拟湍流,漩涡耗散/有限速率燃烧反应模型(EDM/FRC)模拟侧壁烧嘴的预混燃烧和底部烧嘴的非预混燃烧,离散传递模型(DTM)模拟炉膛辐射传热,计算过程在CFX5.0中完成。计算得到了裂解炉炉膛内流场、温度场分布的详细信息,模拟结果与工业实测数据吻合较好。模拟结果表明,在底部烧嘴的射流核心区周围形成了大范围的回流,过渡段拐角处有小范围的回流现象;炉膛长度、宽度、高度方向都存在明显的温度梯度,说明传统的炉膛传热计算方法假定温度分布均匀是不准确的;炉膛的高温区主要集中在炉高4.5 m处;炉膛上部的热量,由于侧壁烧嘴的加入而得到了很好地补充,说明侧壁烧嘴的安装位置合理。研究结果表明CFD模拟是目前为止研究裂解炉内热场分布规律最为有效的手段之一,对于未来乙烯裂解炉的设计与优化作用很大。     

SRTI型工业裂解炉裂解石脑油的全周期生产数学模拟

根据Kumar提出的结焦动力学模型,提出了芳香烃结焦母体浓度的计算方法。在综合裂解反应动力学、辐射传热和结焦动力学模型的基础上,完成了SRT－IV型工业裂解炉裂解石脑油的全周期工艺模拟计算,模拟结果与实际较为符合。从而为SRT－IV型炉的优化和先进控制打下了良好的基础。     

基于精简并发潜结构映射的竖炉焙烧过程综合故障诊断

竖炉焙烧过程因运行条件异常变化或操作不当会造成上火、冒火、过还原和欠还原等运行故障.这些故障直接影响过程运行安全和产品质量（比如,磁选管回收率）,但难以采用基于模型和基于知识的方法建模故障与产品质量的关系,以及诊断故障变量.针对上述问题,本文提出数据驱动的基于并发潜结构映射（Concurrent projection to latent structures,CPLS）的竖炉焙烧过程综合故障诊断方法.首先,将并发潜结构映射分解的过程变量共有子空间与残差空间精简合并来建立磁选管回收率相关的过程变化空间,提出基于精简并发潜结构映射模型的竖炉焙烧过程综合监控方法;接下来,定义相应的重构贡献图并与竖炉焙烧过程相结合,提出CPLS精简重构贡献方法用于竖炉焙烧过程故障变量诊断;最后,利用竖炉焙烧过程半实物仿真平台采集的数据进行实验研究,结果表明所提方法不仅可以诊断出质量相关的故障,而且可诊断出回路设定值之外的故障变量.     

乙烷裂解炉的仿真建模

开发了乙烷裂解炉的动态仿真模型。由于炉子结构、炉膛辐射传热以及裂解反应都非常复杂，采用严格的机理模型不仅十分困难而且不能满足动态适时性的要国此该评说针理论与经验、静态与动态相结合同时借助人工神经网络使模型得以简化。应用结果表明本模型适用范围广、逼真度高，满足动态仿真适时性和精度要求。     

乙烯裂解炉炉管出口温度控制系统设计及应用

乙烯裂解炉炉管出口温度控制系统中存在着多变量耦合情况,导致在实际生产中很难实现对各组炉管温度的精确控制.针对这种情况,本文提出了一种基于可逆解耦策略和内模PID控制原理的多变量控制系统设计方案.文中首先介绍乙烯裂解炉的结构,并对其工作原理和生产的工艺流程作了简单说明;其次根据现场得到的数据并进行滤波,去趋势项等处理,运用预报误差算法(PEM)进行系统辨识,建立了过程的多变量输入输出模型;再次,介绍了可逆解耦方法的基本原理和实现过程,并针对辨识得到的模型,采用该方法设计系统的解耦环节.它可以避免采用传统解耦方法时的复杂运算过程,能够较为快捷地得到解耦参数矩阵.最后,针对解耦后的被控系统设计控制器.由于内模控制具有结构简单,控制性能良好等特点,本文中采用内模控制原理设计带滤波器形式的PID控制器,并给出了滤波系数等相关参数值.同时,对模型存在失配的情况和模型匹配时采用传统单回路控制策略的情况,以及不对系统解耦而直接设计PID控制器进行控制的情况分别进行仿真,并比较了仿真结果.分析表明,系统解耦后,对其控制时的静态误差消除时间大大缩短,动态性能得到改善,从而实现了对裂解炉炉管出口温度快速准确控制的要求,说明了该方案的有效性.     

全氢罩式退火炉CAE仿真

为进行全氢罩式退火炉的研制和工艺优化,采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）方法仿真计算其整个加热过程.根据全氢罩式退火炉加热机理建立CAE仿真模型,仿真计算其流场和温度场;采用标准k-ε模型计算炉内三维湍流流动过程的湍流脉动;采用FLUENT的组分输运与化学反应模型模拟炉...     

基于计算机模拟平台的蒸馏过程仿真研究

以过程模型为基础在C++BUILDER环境下设计并实现的蒸馏过程计算机模拟平台,为研究蒸馏过程提供了过程模拟的计算机环境。模拟平台具有在线过程模拟功能和开放的接口环境,适于各种模拟方案、过程模型和算法的仿真研究。基于该平台,可以方便地对蒸馏过程进行稳态模型、动态模型、优化模型和控制模型的仿真计算,检验模型和算法的有效性,并可针对过程特点进行分析并提供优化操作指导值。     

基于数据驱动的高炉料面优化决策模型研究

高炉炼铁是一个典型的高能耗、高排放、高污染的工业环节.合理的炉料分布能够形成更加合理的煤气流分布,使得炉内的化学反应更加充分,对高炉长期稳顺运行和节能减排具有重要作用.本文针对基于经验的料面形状决策不能根据炉况变化做出准确和及时的调控的缺陷,提出了基于数据驱动的高炉料面形状优化决策模型.首先,基于现场采集的数据,在考虑高炉生产实际情况约束和变量上下限约束的情况下,建立了以煤气利用率为评价函数的料面优化模型.然后,为了提高模型的精度和决策性能,提出了一种误差补偿超限学习机(extreme learning machine,ELM)方法用于建立料面优化过程模型,以减少模型与实际生产过程之间的误差.在此基础上,采用带有约束条件的自适应粒子群算法对模型进行求解.最后,通过仿真实验验证了所建模型和优化方法的有效性,实验结果表明所构建的高炉料面优化决策模型能够及时根据生产情况的变化给出合理的料面形状,满足现场生产的需求,使高炉高效稳定运行.     

石脑油在SRT-IV型工业炉清洁辐射管中裂解的数学模拟

为了更准确模拟石脑油工业裂解实际生产情况 ,提出基于实际装置的炉膛烟气温度分布的二次函数形式和反应管路的局部压降计算思想。根据Kumar提出的分子反应动力学模型 ,关联质量、热量和动量衡算关系式 ,建立了SRT IV型工业裂解炉辐射段的清洁管工艺裂解数学模型。模拟计算结果表明 ,裂解炉管出口各项指标与工厂现场标定数据吻合较好     

基于偏态深度分类的高炉硅含量及波动预测

高炉冶炼是个具有高度复杂性、混沌性、时滞性的动态过程,工业上常常用铁水硅含量反馈高炉炉温热状态波动变化,而偏态投影深度在数据有偏时可以较好地反映出数据的离群情况,在高维数据分类计算中十分稳健.首先,通过差分处理及相关性分析确定11个影响因素作为输入变量,用于研究各变量变化对硅含量变化的关系;然后,将偏态投影深度值在90%的置信区间外的数据视作离群值,分为稳定类和离群类;最后,对稳定数据利用Elman神经网络预测模型进行预测,对于离群类利用Logistic模型在炉温不同波动方向下的规律进行归类预测.实例仿真研究表明,稳定类157炉的预测精度高达85.3%,离群类的预测精度达到82.6%.