Способ автоматического управления пуском многопоточной пиролизной печи

 

Изобретение относится к способам управления процессом пиролиза на предприятиях химической и нефтехимической промышленности и позволяет увеличить производительность печи по целевым продуктам на единицу переработанного сырья. Способ осуществляется путем измерения и регулирования подачи сырья и пара в змеевики печи и температуры пирогаза на выходе змеевиков в зависимости от факторов идентичности процессов получения пирогаза в пирозмеевиках и его охлаждения в закалочно-испарительных аппаратах, определяемых для процессов получения пирогаза по температуре пирогаза на выходах змеевиков и давлению реакционной смеси на их входах, для охлаждения пирогаза - по температуре пирогаза на выходах аппаратов и его давлению на их входах. Профили изменения общего расхода сырья и пара в змеевики и средней температуры на выходах змеевиков определяют в зависимости от заданных скоростей их измеренных начальных значений, от состава сырья и количества образующихся коксообразующих продуктов таким образом, чтобы получить за время пуска минимальное количество этих продуктов, реализацию найденных профилей осуществляют дискретно. При этом управление подачей сырья и пара в змеевики осуществляют с учетом давления воздуха на клапанах подачи сырья и пара таким образом, чтобы выравнивать факторы идентичности пиролиза в змеевиках и охлаждения в аппаратах закалки. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АSTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

MPH П4НТ СССР (2)) 4401483/23-26 (22) 04.04.88 (46) 15.11.90. Бюл. Р 42 (72) В.А.Курицын, С.E.Ìåëüíèêoâ, А.И.Гермашев, 10.Н.Левченко, Г.И.Арапова, Э.Ф.Косарев, Г.Ф.Чернявский и Н.Н.Венецкий (53) 66.012-52(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 881111, кл. С 10 G 9/20, 1979.

Авторское свидетельство СССР

Р 1344776, кл. С IO G 9/20, 1986. .(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕ,НИЯ ПУСКОМ МНОГОПОТОЧНОЙ ПИРОЛИЗНОЙ

ПЕЧИ (57) Изобретение относится к способам управления процессом пиролиза на предприятиях химической и нефтехимической промьппленностии позволяет увеличить производительность печи по целевым продуктам на единицу переработанного сырья. Способ осуществляется путем измерения и регулирования подачи сырья и пара в змеевики печи и температуры пирогаза на выходе змеевиков в зависимости от факторов идентичности процессов получения пиИзобретение относится к автоматическому управлению процессом пиролиза углеводородного сырья в многопо- > точных трубчатых печах в производстве олефинов большой и средней единичной мощности и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности для управления пусковыми режимами пиролизных печей.

„„SU„„> 25 1 (5))5 С 10 G 9/20, G 05 D 27/00 рогаза в пирозмеевиках и его охлаждения в закалочно-испарительных аппаратах, определяемых для процессов получения пирогаза по температуре пирогаза на выходах змеевиков и давлению реакционной смеси на их входах, для охлаждения пирогаза — по температуре пирогаза на выходах аппаратов и его давлению на их входах. Профили изменения общего расхода сырья и пара в змеевики и средней температуры на выходах змеевиков определяют в зависимости от заданных скоростей их измеренных начальных значений, от состава сырья и количества образующихся коксообразующих продуктов таким образом, чтобы получить за время пуска минимальное количество этих продуктов, реализацию найденных профилей осуществляют дискретно, при этом уп-. равление подачей сырья и пара в змеевики осуществляют с учетом давления воздуха на клапанах подачи сырья и .пара таким образом, чтобы выравнивать факторы идентичности пиролиза

ia змеевиках и охлаждения в аппаратах закалки. 3 ил.

Цель изобретения — увеличение производительности печи по целевым продуктам на единицу перерабатываемого сырья.

На фиг. ) изображена схема реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 — рассчитанные по предлагаемому способу оптимальные траектории изменения температуры пирогаза на выхо6525 ком 11, которую необходимо установить на печи после ее пуска.Ty,, конечное значение общего расхода сырья в печь

F< конечное значение общего расхода

5 пара в печь F<. Технологический реи гламент накладывает ограничения на скорость изменения температуры пирогаза на выходе из печи T(e), расходов сырья и пара в печь Р (й) и Р"(e) ат(е), %, ус(Х1, % . ДР"(с) 40 где Ти1 — температура пирогаза на выходе змеевика, измеряемая датчиками 11; ш — индекс змеевика;

N — количество змеевиков в печи, равное 8.

Начальное значение расхода пара

50 в печь равно Ф

Р„"= ) (3) где. F — расход пара в m змеевик, изи

55 меряемый m датчиком 6, кг/ч.

С целью избежания переразложения углеводородного сырья и закоксовывания печи в начальный момент пуска печи расход сырья в ее змеевики ус45

3 160 де змеевиков, расхода сырья и пара при ее пуске, при этом T =750 С,, Г„ 3000 кг/ч, Г =8800 кг/ч, Ьй=1/3 ч, "=7 ч, Т„=850 С, Р„=15400 кг/ч, Р I

7200 кг/ч; на фиг. 3 — сравнительные результаты изменения температуры пирогаза на выходе змеевиков при пус. ке печи по предлагаемому (фиг. За) способу и прототипу (фиг. Зб).

Схема реализации предлагаемого способа (фиг. 1} включает крупнотоннажную многоточную пиролизную печ

1, перед выходом из которой каждг. из двух групп змеевиков 2 объединяется в общую линию, и пирогаз двумя потоками поступает на два закалочно-испарительных аппарата 3, где подвергается резкому охлаждению. Подача сырья и пара в змеевики производится соответственно с помощью кЛапанов 4 и 5, а расход пара и сырья в змеевики из меряется датчиками 6 и 7 соответственно. Давление реакционной смеси на входе в змеевики измеряется датчиками 8, давление воздуха на клапанах подачи сырья и пара в змеевики измеряется соответственно датчиками 9 и 10.

Температура пирогаэа на выходе змеевиков измеряется датчиками 11, давление пирогаза на выходе из печи измеряется датчиками 12, а температура пирогаза на выходе закалочно-испа-рительных аппаратов измеряется датчиками 13. Давление топлива в половине печи измеряется датчиками 14 и регулируется регуляторами 15 и.регулирующими клапанами 16. Состав сырья измеряется датчиком 17 или лабораторным путем (блок 18), коммутация осуществляется ключом 19 ° Информация от датчиков 6, 11 и 13 расхода пара, температуры датчиков 8, 9, 10, 12 и

14 давления, ключа 19 поступает на входы блока 20 расчета заданий. Сюда же через ключи 21 поступает информация от датчиков 7 расхода сырья.

Каждый из ключей 21 включается вручную после того, как соответствующий датчик 7 расхода сырья будет очищен от парового конденсата. Команда пуска печи поступает в блок 20 от командного ключа 22. Кроме этой информации на входы блока 20 от ручных задатчиков поступает следующая информация. период выдачи управляющих воздействий ht; конечное значение температуры пирогаза, измеряемой датчи< ЬР„ (1)

Для промышленных печей многотоннажного производства этилена ЭП-250 эти значения равны . hT =10-25 С/ч, ЬР р =500-200 кг/ч, ЬРир=1000ф Ф

3000 кг/ч .

На основании поступающей в него информации блок 20 рассчитывает и выдает уставки на клапаны 4 и 5 подачи сырья и пара в змеевики печи и в камеры заданий регуляторов 15 давления топлива на половины печи.

Способ осуществляется следующим образом.

Сначала определяется возможное

30 время пуска печи, исходя из ограничений на скорость изменения температуры пирогаза на выходе змеевиков, расхода сырья и пара в печь, а также из их начальных и заданных конечных значений этих параметров.

35 Начальное значение температуры на выходе змеевиков. рассчитывается на основании текущих значений температуры, измеряемых датчиками ll

Т

Тн= М у (2) 30 при этом должны выполняться ограничения (1) х где Рс(t) — искомый закон изменения при пуске печи общего рас- 35 хода в нее сырья, кг/ч;

B q(t) — закон изменения при пуске печи выхода коксообразующих продуктов пиролиза при пиролизе Ъ класса уг- 40 леводородов, мас..(.;

С) — содержание 9 класса углеводородов в сырье, подаваемом s печь, доли ед, 3 = 1 — из опарафины, 2— нормальные парафины, 3— нафтены, 4 — ароматические углеводороды, измеряются или датчиком 17 состава сырья или задаются с помощью блока 18 задания состава сырья;

Ож — количество образовавшихся за.время пуска печи коксообразующих продуктов, кг.

5 I: 0652 танавливается скачкообразно до уровня 2000-3000 кг/ч. Поэтому „=20003000 кг/ч в зависимости от конструкции печи. Время пуска печи вычисляется по формуле

S тт —, -„- =t, при t(ot ; Е(С дТ р к Гй

t< = - — —" =t, при tempt(, tq>t (4)

- -„- =t>, при tarot,; t >t<

К((р

Т.е. выбирается время пуска таким образом, чтобы выполнялись все три I ограничения на скорость изменения управляющих воздействий.

После определения по формуле (4) времени пуска печи в блоке 20 определяются законы изменения средней температуры на выходе змеевиков, общего расхода сырья и пара в печь.

Эти законы изменения должны быть та. кими, чтобы количество образовавшихся

sa время пуска жидких коксообразующих

25 продуктов пиролиэа было минимальным

Ф

Q)p J Fat/ B q(t)C))jdt— мин о (р"(e) )"„(t) r""(c) Выход коксообразующих продуктов пиролиза рассчитывается по формуле

5 ь

B»((t) =a()æó a(»(T (t)+a »(qF(: (t)+

I а »(, Г„(с)+ааж Т (t) Fc(t)+agpqT (t)

« )) (") (6)

Ф где T (t) — искомый закон изменения при пуске температуры пирогаза на выходе иэ змеевиков печи, С;

P„(t) — искомый закон изменения при пуске общего расхода пара в печь, кг/ч; а -а — параметры зависимости, определяемые экспериментальным путем и равные для производства ЭП-250 аож(= 10, 15, а()жд=

11,714, аож, = 14 43

a()»((I = -63,8, à(ж(=0,019, а ж =0,0201, а(ж> =0,0229, а ж« =0,0941, адж(=

-3

= -0,465 ° 10, ag)«()=

-з

= -0,416 10, а)ж = -0,4у

)(10, адж = -0,62 10 азж(=0,476 10, аэж)=

-0,418 10 азжз=

= -0,393 10, азж4=

= -О, 5 7 7 10, а, ж(=О, 22»

)(IO . а ж)=0,21 IO а )((=

=0 19 10 a »(ä=O 31 10, а ж(=0,21 ° 10, азж =0,2".

«10, аз)„э=0,17 10, а ж =

=0,27 10 .

Задача оптимизации, решаемая блоком 20, формулируется следующим образом. за заданное время пуска печи получить минимальное количество коксообразующих продуктов при изменении управляющих воздействий T(t), F (t), F"(t) от измеренных начальных до заданных конечных значений и выполнении ограничений на скорость изменения управляющих воздействий.

В качестве коксообраэующих продуктов пиролиза принята фракция углеводородов с температурой начала кипе- . ния 200 С. Таким образом, оптимальные траектории изменения управляющих воздействий F (t) у F(((С) Т (t) оп ределяются блоком" 20 на основании информации, поступающей от датчиков

ll и 6 температуры, расхода, от клю- ча 19 о составе сырья, от ключа 22 о команде пуска, а также на основании заданных значений величин Т«, F)( а м 5

F«. hTp QFw s hFap . Поставленная задача оптимизации решается блоком 20 с помощью метода

1606525 оптимизации Х „„-Рж»»асд в классе функций 3 порядка. При этом определению подлежат параметры функций в., -,Вэ .

T" (t) =bo» +b,» t+b g< t +Ъ3»

Г (t) boy+Ь»i2 t+bi2gt +Ьзд t

F n(t) =bog +b»> t+bcs t +Ьзэ (7) 20 где Ьй - период дискретности, задаваемый вручную, ч.

Значения управляющих воздействий на N шаге определяется по формулам

35 т „=ь +ь ым+ь а (N gt) +ь з» (N ht)

F" =boo+b(g Ntlt+bog(NAt) +ьэа(яд )з (9) с»»

Я э

P„" Ьаэ+Ь»ь N5t+bqg(NQt) +bye(Ngt)

40 где N=l n.

Далее значение общего расхода сырья, подаваемого в печь на N шаге пуска Ро, распределяется внутри

Ф

45 печи между ее половинами и внутри половин печи между их змеевиками таким образом, чтобы выравнивать факторы идентичности охлаждения пирогаза в закалочно-испарительных аппаратах и факторы идентичности пиролиза в пирозмеевиках. Выравнивание осуществляется на основании следующих зависимостей, полученных путем моделирования и проверенных эксперименталь55 но

50 с

Рь! Ео, +Е,»1 Т1 P;+Zgi Т;Р;

t., c т. и

Тр =Еа +Z»i Ti F +Е » Ti F (10) (11) IIPH О t 6 Й р, 10 где t - -время, ч.

В результате решения задачи оптимизации находят неизвестные коэффициенты Ва» -В.э .

Эта часть блока 20 расчета заданий реализуется на отечественных мини- и микро-3ВМ например СМ-2М, CN-4. Электроника 60 или других.

Время решения задачи составляет 1015 с и зависит от быстродействия используемой ЭВИ. После того, как будут определены оптимальные траектории изменения температуры пирогаза на выходе и из печи, общего расхода сырья,и пара в печь, блок 20 начинает их реализацию, которая осуществляется дискретно с периодом ht, Число циклов выдачи управляющих воздействий равно

30 и- -" (8) дс

Рз» +Ру

° К где Рз»»= (16) Тзщ+Тза»» .

Тз»= — 2 (17) 8 и 8т — весовые коэффициенты, выбираемые экспериментально

Р;п»=Х»;с1Р; +Х2,,ф,д+Х, »Г;» »Р; » (12) с, п,,с»»

Т;»»» =Ус1с»+7»;,» Р;„„+Уг;с»Р;„„+Уз,,»»Р, (13)

»I . т где Рэ,,Т ; — давление и температура пирогаза соответственно на выходе и входе ЗИА; с»»

T Р;, Р; — соответственно температура пирогаза на входе

ЗИА, расход сырья и пара в i половину печи; Р;„,, Т; „ — соответственно давление реакционной смеси на входе и температура нирогаза на выходе m змеевика i половины печи, п

Р;, à — расход сырья и пара в

m змеевик i половины печи, т

Р; — давление топлива íà i

», 0. т т, половину печи;

Еoi Еа Zoi Ею t Х»с» Хз а о1 э т параметры зависимостей, начальные значения которых определяются путем моделирования нли экспериментально в пределах;

Е ; =0,1-0,4 кгс/см .2

Е»» =10 -3,5 10 кгс ч/см кг. С

Z, =10 -4,.5 кгс. ч/см - кг С

Е » =330-360 С.

Z„» =1,5 10 -5,2 10 ч/кг, Еа ; =3,3 10 -8,4 ° 10 ч/кг

Х„„„=0,69 ° 10 — 1,41 ° 10 кгс.ч/смог

Хс,»„=2,21 10 -4,18 ° 10 кгс ч/см zI

Хз-„п =0,3 ° 10 -0,09 ° 10 кгс-ч 2/(кг "см)

Yo»nI «860 940оС

Y»i =(-7,5 10 )-(-65,4-10 ) С ° ч/кг

Yaim =(-4,6 10 )-(-38,8 10З) C ч/кг, 7з 1е =57>8-65,6 С см /кгс

Выравнивание фактора идентичности охлаждения пирогаза в двух ЗИА печи на каждом шаге пуска осуществляется путем миминизации выражения

Я

О Р Р м.

И= »р{Рз»»-Zo;»» -Z„;»» Рс,»»» Т»»i i»»» а 2 т . т Ф %.

ЕЫ»» Fni»» T»») + »(Тзв Zoo»» Е»2»» Pcii» T„ т»а

-Еаа»» F ni»» Тй) — ъ ущ»»» (14) при Р =Fcitl +РСОА " (15) ! .;>6525 таким образом, чтобы их сумма была равна 1;

P — измеренные датчиками 12 на (1

N шаге значения давления пирогаза на входе соответ5 ственно 1 и 2 ЗИА печи, T) „- измеренные датчиками 1 3

1 на N шаге значения темпеФ

Кт;„,н ъъъ= i

Т °

4 (25) ;0

Т вЂ” измеренное датчиками 11

1К на N шаге значение температуры на выходе змеевиков i половины печи

%.

Р

П К

FAsH

30 (30) 50 ратуры пирогаза на выходе соответственно 1 и 2 ЗИА печи, искомое значение расхода сырья в i половину печи; значение задания по рас ходу пара в i половину печи, равное

FAN

2 (18) Ф

Т вЂ” значения задания по темК пературе пирогаза на выходе.из печи на И шаге ее

Р р пуск аь

Е . -Е „, Е;, -Е, — параметры уточ- 5 няемые на Ы шаге по формулам рас

Р р (P è-Р э! к )

Е 1 =Е + — - — -- y-- тъ оъъь оън- 1+(К Р „) +(Т;К F". ) рас

Р Р (Р м Р э!к ) — — — — — — «(20)

1+(, Рс ) «.(Т. F!".ъ „)2

Фт 4 ° Fle

Z ° =Z

ЪъЦ . tiN ЬКъ 1+(Т=. F ) +(Т F" ) К ъИ iК ъК р

xTi„. Р;„ (21) (Teig Т Р с )

Z; =Z ° + оък oill i 1+(Т кр. ) +(T, уъъ )A.. 40

ill Й iК (22) т, т (Тз1 -Т ъъК )

«ъК ИЙ-ъ+ 1+(ф, Ре )г+(Т. Fll )г" ъИ il4 К .с

Т Р; (23) 45 рас (т, -т,;„)

2ъМ йъК- 1+(7 РТ ) +(Т F ) ъК ък ъя 1К л II хт;К Р;К (24)

P P т т де Zolll- Z2:í-„Zolll Ег к- параметров зависимостей на Н-1 шаге; рас

Р;, T ;II — расчетные значения давления пирогаэа на входе

ЗИА и температуры пирогаза на выходе ЗИА, определенные на основании параметров N-1 шага, ll измеренный íà N шаге датъй чиками 6 расход пара в i половину печи

К П

Р" = F. (26) ъъъ» ъ с где F; — расход сырья в i половину печи равный с 4 с

Р, = Г . (27) ъъът. l с где F — расход сырья в m змеевик 1 ъъъь и половины печи или измеренный на, N шаге m датчиком

6, если m датчик 6 очищен от конденсата и включен в работу, или рассчитанный на N шаге на основании информации о давлении Hà m клапане 9 подачи сырья, если датчик не очищен от конденсата, по формуле (28) с где P, — давление воздуха íà m клаъъъь М пане подачи сырья, измеренное на N шаге датчиком 9; ,а; — коэффициент, определяемый экспериментально в пределах 2 - 10 -3 10 кг/ч/(а,„)

Минимизируя величину ЙН с помощью метода множителей Лангранжа, получают следующие формулы для расчета величин Г

М

Съй

У . = Е1К ЪК (29)

Н К

+ ЕъК

Н;н ! Я ф 1 э

Хн,„ р + ". p 1ъ +

rpe Е К=3р Е; К ТВ(РЗК Z>,К -ЕЬ К „ ъ И"

Рассчитанные значения расхода сырья в половины печи распределяются затем внутри половин печи между ее

1606525

Р;„„„- измеренные датчиками 8 на

N шаге значения давления реакционной смеси на входе в ш змеевик х половины печи, 1 и — весовые коэффициенты, выбираемые экспериментально таким образом, чтобы их еумФ ма была равна 1; 25

P — з аданно е з нач ени е р а схода яай пара в s м ее вик п оло вины печи, равное

+ Р„, Р

1

Pc;m - искомое значение расхода сырья в m змеевик i половины печи, рассчитанное на

N шаге, P — заданное íà m шаге значеТ й. ние давления топлива на i половину печи, определяется по формуле

«1, 1 л

Pr N-,1 +К

35 (37) 40 измеренное датчиком 14 на прошлом N-l шаге значение давления топлива на х половину печи; уточняемый параметр настройки П-регулятора: т

"" -- — — ° (Т -Т ) (РТ )<«. (T7-T ° )7 N 4 r 50 (38) где Р,„;

Клк .

К =К +

Ф где .Р 1N .— значение задания регулятору давления топлива на половину печи, рассчитан55 ное на прошлом шаге;

P — измеренное датчиком 14 на

1й

N шаге значение давления топлива на i половину печи; змеевиками таким образом, чтобы выравнять факторы идентичности пиролиза в змеевиках. Выравнивая осуществляются путем минимизации выражения л у, Н - р(Й 1 д )>тлЯ 14 Q1mN Р,М) +(T(TN OimN YrrmN РC mN

Ф

rill q. р; н где Р

rN 4 (35) 15

Т, — среднее значение температуры на выходе змеевиков половины, измеренное датчиками 11 íà N шаге;

K „N, — значение параметра íà N-1 шаге;

Х,„, -Х,, 7, „-7.; 1 — параметры, уточняемые на N шаге по формулам рас (P N P1 и)

Х, =Х" + -- .,— Л 2ф — x

«Р N

С (39) рас (PimN-P;mN ) (41) 3iтд з< " с и

1щи рас (т; -т; )

oImN ormN I 1+(Р с )2.+(P", ) +(PT (42) рас с (ТrtllH T1mN ) P1 nlM

У, =7 +

rimrr< 1+(Р с )Г+(Р ) +(P т ) (43) рас (Т с н-Timrr ) Р т м« (44) рас (Т, с,ц-т;с и ) Р, Y 7 + Ъ

,„,,щ 1+(I с )г «.(Р, У «.(Рт )а в

imN imN iN (45) рас ра с где Р, Т ° — расчетные значения.

1mN а1« давления смеси на входе и температуры пирогаза на выходе змеевика, определенные на основании параметров 5-! шага;

Х, -Х,, Y. „-Т ; с — значения

1ей-4 3 гпй-> с1вй- параметров зависимостей на N-1 шаге.

Минимизируя величину В,у с помощью метода множителей Лангранжа, получают счедующие формулы для расчета

% заданий Р

OrmN+ 41Н

Р (46)

ClmN G1mN гДЕЖN-— (47)

Х.

rrI=r GivaN

PoI C (Pirn N P 4m N ) Х ° =Х ° 1 и» 1

bmN 21m N- (Р,с ) + (Р. ) r + (y „° Р ) Р; (40) 1606525

16 путем распределения расхода сырья и пара в змеевики печи с коррекцией по

I давлению воздуха на клапанах подачи сырья и пара.

16,0

f20 ю,о

Фиг.2 ла Ю

8ЗО

В10 с

ma Ъо а 770

О;, ъ 4 750

730

1606525

1606525.

2 3 4

8ОУФЯ ГЦЖО ПОЧВ

Q ф

8М

8Ю

7УО лп

Q.ëö

Р ф 750 а» ъ 7

f Z 3 4 р р/д ду щпецц; ч

Ю

И/Г. 3

Со ст авит ель Г. О гадж ано в

Рецактор Н.Киштулинец Техред М.Ходанич Корректор М.Самборская

Заказ 3528 Тираж 448 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 101