Verfahren und Regelungssystem zur Regelung des Betriebs eines Steamcrackers

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.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Regelungssystem zur Regelung des Betriebs eines Steamcrackers, der zumindest einen Ofen und mindestens einen Einsatz, welcher zur Beschickung mit dem zumindest einen Ofen verbunden ist, aufweist, basierend auf einem nichtlinearen Modell des Steamcrackers und einer gegebenen Einsatzzusammensetzung ein von einer voraussichtlichen Zusammensetzung eines aus dem Ofen austretenden Produktstroms abhängiger Deckungsbeitrag durch Variation einer oder mehrerer Stellgrößen des Steamcrackers optimiert wird bzw. mit einem globalen nichtlinearen Regler, welcher eingerichtet ist, eine oder mehrere Stellgrößen des Steamcrackers mittels Optimierung eines von einer Zusammensetzung eines Produktstroms abhängigen Deckungsbeitrags zu berechnen.

[0002] Im Stand der Technik wird zur Regelung des Betriebs eines Steamcrackers ein hierarchisch aufgebautes Regelungssystem verwendet. Ein übergeordneter Regler ermittelt eine oder mehrere (meist eine oder zwei) stationäre globale Führungsgrößen, d.h. die Auswahl der ermittelten Führungsgrößen ist vom detaillierten Aufbau der Anlage, insbesondere von der Anzahl der Öfen, unabhängig. Diese Ermittlung entspricht im Wesentlichen einer Optimierung eines globalen Deckungsbeitrags unter Variation der globalen Führungsgrößen, wobei die Optimierung auf Basis eines nichtlinearen stationären Modells der Verarbeitungs- und Aufarbeitungsstufen (wobei zur Vereinfachung in der Praxis einzelne Teil-Schritte linear modelliert oder weggelassen werden) vorgenommen wird. Aufgrund der naturgemäß langen Zykluszeit für die gesamte Regelstrecke (im Bereich von Stunden) kann der übergeordnete Regler mit kurzfristigen Änderungen im System kaum oder gar nicht Schritt halten und die errechneten Ziele sind für Zeitpunkte in der Vergangenheit gültig, die bedingt durch oftmalige Änderungen bereits wieder hinfällig sein können. Bei Anlagen die ständigen Änderungen unterliegen, wird dadurch viel vom möglichen Gewinn verschenkt. Des Weiteren kann durch den Zeitversatz das Feedback nur teilweise genutzt werden wodurch die erreichbare Vorhersagequalität und somit letztlich der Gewinn sinken.

[0003] Die Freiheitsgrade des vom übergeordneten Regler verwendeten nichtlinearen stationären Modells, welche zur Optimierung variiert werden, sind zudem nicht geeignet um die Spaltgaszusammensetzung bzw. den Deckungsbeitrag über alle Öfen zu optimieren; insbesondere ist die meist verwendete Spaltschärfe (das Verhältnis der Produktmengen von Propylen und Ethylen) alleine nicht ausreichend, um die Spaltgaszusammensetzung zu definieren, weil der Produktstrom im Allgemeinen mehr als zwei Komponenten aufweist. Die aus der Optimierung resultierende stationäre globale Führungsgröße ist üblicherweise eine globale Spaltschärfe, d.h. ein Verhältnis von Propylen zu Ethylen, welches mit dem Steamcracker produziert werden soll, oder eine vergleichbare Größe, die sich aus einer oder zwei Komponenten des von allen Öfen in Summe produzierten Spaltgases berechnet, z.B. ein Ethylenanteil oder ein Verhältnis von Methan zu Propylen. Mit der Bezeichnung "global" ist in diesem Zusammenhang 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.

[0004] Der globale Deckungsbeitrag, d.h. der aus dem Prozessmodell ermittelte monetäre Ertrag, entspricht dem Funktionswert der optimierten Zielfunktion. Bei der Optimierung wird diese, im Allgemeinen nichtlineare Zielfunktion, maximiert. In die Zielfunktion gehen neben der Einsatzzusammensetzung des mindestens einen Einsatzes und den jeweils zugeordneten Einsatzkosten auch die Produktmengen der auf Basis der Einsatzzusammensetzung erzielbaren Produkte, die zugeordneten Produkterlöse sowie Energiekosten oder allgemein die Betriebskosten des Steamcrackers ein. Das Optimierungspotential ist dabei umso höher, je genauer die Produktmengen der erzielbaren Produkte vorherbestimmt werden können, wobei im Idealfall eine im Wesentlichen vollständig aufgeschlüsselte voraussichtliche Zusammensetzung des austretenden Produktstroms bei der Optimierung des Deckungsbeitrags berücksichtigt wird. Von den Argumenten der Zielfunktion werden nur die oben definierte(n) globale(n) Führungsgröße(n) als Freiheitsgrad(e) bei der Optimierung verwendet. Andere Argumente werden allenfalls zur Einhaltung von Randbedingungen bzw. Limitierungen, z.B. hinsichtlich des maximalen Gesamtproduktstroms für die nachfolgende Aufarbeitung, verwendet.

[0005] Die Umsetzung der stationären globalen Führungsgröße(n) auf den Betrieb der Anlage und der Öfen erfolgt üblicherweise anhand eines globalen Solvers (z.B. eines Composite Linear Programs, CLP, auch "Über-DMC" oder "FeedMaximizer" genannt), welcher die vorgegebene(n) globale(n) Führungsgröße(n) durch Lösung einer linearen Zielfunktion in stationäre lokale Führungsgrößen, z.B. für jeden einzelnen Ofen, übersetzt. In die Zielfunktion des linearen Solvers gehen weder Einsatzkosten noch Produkterlöse ein und es findet hier keine Optimierung hinsichtlich des Deckungsbeitrags statt. Stattdessen findet hier nur eine Aufteilung der stationären globalen Vorgabe (entsprechender globalen Führungsgröße) auf die einzelnen Öfen statt. Dementsprechend sind die lokalen Führungsgrößen meist direkte Entsprechungen einer globalen Führungsgröße, d.h. die global vorgegebene Spaltschärfe wird in stationäre lokale Vorgaben für die Spaltschärfe umgesetzt bzw. analog für andere Führungsgrößen. In der Praxis wird meist lediglich mittels Spaltschärfe übersetzt, welche Ofen wie viel Ethylen und Propylen (und zum Teil andere Produkte) produzieren bzw. welche Öfen eher Ethylen und welche eher Propylen erzeugen sollen. Bei einer globalen Vorgabe der gesamten Einsatzmenge ist es anschaulich, dass die lokalen Vorgaben so gewählt werden, dass die Summe der lokal vorgegebenen Einsatzmengen der globalen Vorgabe entspricht. Die Aufgabe des globalen Solvers ist es, das Gesamtsystem an die vom übergeordneten Regler vorgegebene stationäre globale Führungsgröße heran zu führen, gegen Störungen zu verteidigen und dabei allenfalls globale Limitierungen einzuhalten. Beispielsweise würde der globale Solver eine Einsatzzuteilung zu mehreren Öfen (falls überhaupt) dahingehend verändern, dass eine einzuhaltende Limitierung erfüllt, bzw. die gewünschten Produktmengen erreicht werden kann. In der Regel wird hier mittels einer vorgegebenen Reihenfolge der Einsatz zu den Öfen zugeteilt. Optimierung im Sinne einer deckungsbeitragsoptimalen Zuweisung der Einsätze findet nicht statt.

[0006] Die vom globalen Solver ermittelten stationären lokalen Führungsgrößen werden anschließend mehreren lokalen Solvern bzw. Reglern vorgegeben, die z.B. eine Regelung mittels Advanced Process Control (APC), insbesondere Dynamic Matrix Control (DMC), implementieren. Ein solcher lokaler Solver ist beispielsweise in der US 4,349,869 A gezeigt. Der lokale Solver erhält z.B. vom globalen Solver eine lokale Vorgabe für die Spaltschärfe und ermittelt daraus anhand eines linearen dynamischen Modells des jeweils zugeordneten Ofens eine Anzahl von Stellgrößen für den Ofen, welche auch als Ofenparameter bezeichnet werden. Diese Stellgrößen bzw. Ofenparameter können beispielsweise eine Auslasstemperatur des zugeordneten Ofens, eine Prozessdampfmenge, ein Dampf zu Kohlenwasserstoff Verhältnis oder eine Einsatzmenge des zumindest einen Ofens, sowie einen Saugdruck eines dem Ofen zugeordneten Spaltgasverdichters umfassen. Ganz allgemein sind Ofenparameter solche Freiheitsgrade des Prozesses, die physisch bzw. örtlich einem Bauteil Spaltofen zugeordnet werden können und den Betriebspunkt bezüglich des Deckungsbeitrags des Ofens durch Messung von Temperaturen, Drücken und Volumen- bzw. Massenströmen (eindeutig, in Bezug auf eine bekannte Einsatzzusammensetzung) definieren. Analyseergebnisse, wie z.B. die Zusammensetzung des Spaltgases, die Spaltschärfe, oder daraus abgeleitete Größen sind selbst keine Ofenparameter im eigentlichen Sinn, außer sie werden als (indirekte) Führungsgrößen, äquivalent für einen einzigen Ofenparameter verwendet. Global, d.h. gleichzeitig immer für mehrere Öfen, gültige Parameter, wie etwa ein oberes Limit für die gesamte Einsatzmenge, können zwar Stellgrößen des Steamcrackers, aber keine Ofenparameter im Sinne des hier verwendeten Begriffs sein. Die lokalen Solver arbeiten unabhängig von Einsatzkosten, Produkterlös oder Betriebskosten nur daran, lokale Limitierungen, insbesondere des Ofens und des Einsatzsystems, zu umgehen und beispielsweise instabile Zustände während der Anpassung 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 somit lediglich nach der vom globalen Solver erhaltenen stationären Vorgabe, so dass das System selbstständig an die Vorgabe geführt wird, d.h. ein lokaler oder globaler Deckungsbeitrag werden im zeitlichen Verhalten genauso wenig berücksichtigt wie globale Wechselwirkungen bzw. können diese aufgrund der Struktur des Regelungssystems auch gar nicht berücksichtigt werden.

[0007] Zusammenfassend wird bei bisherigen Regelungssystemen meist die Gesamtmenge an Produkten maximiert. Die Ausbeute an wertvollen Produkten und somit letztendlich der Gewinn wird dabei nur indirekt, meist über die Spaltschärfe "optimiert" bzw. verändert, was jedoch viel Potenzial ungenutzt lässt.

[0008] Die US 4,257,105 beschreibt ein Verfahren zur Regelung eines Steamcrackers, welches den Zweck verfolgt, die Verweilzeit im Cracker und die Flussgeschwindigkeit am Auslass so zu regeln, dass eine Verkokung im Cracker minimiert wird. Dabei wird ein Modell des Crackers zur Vorhersage der Auslassgeschwindigkeit und der Verweilzeit verwendet und auf Basis dieser Vorhersagen die Prozessdampfmenge geregelt. D.h. das Modell dient der Vorhersage etwaiger Verkokungen und die Prozessdampfmenge wird dementsprechend zur Vermeidung von Verkokungen geregelt, unabhängig vom Einfluss der Prozessdampfmenge auf eine Produktzusammensetzung und den davon abhängigen Deckungsbeitrag. Es ist daher grundsätzlich von einer herkömmlichen Prozessführung über Vorgabe eines Ethylen- bzw. Propylenanteils auszugehen.

[0009] In einem anderen Zusammenhang, nämlich zur Optimierung des Energiebedarfs, zeigt die CN 103289725 A ein Regelungsverfahren auf Basis eines nichtlinearen Prozessmodells. Dieses modelliert dabei allerdings nur den Ethylen-Ertrag. Die voraussichtliche Zusammensetzung des Produktstroms bleibt bei der Optimierung des Energiebedarfs unberücksichtigt.

[0010] Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, den Betrieb des Steamcrackers so zu regeln, dass der erzielbare globale Deckungsbeitrag angehoben wird.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs angeführten Art eine der zur Optimierung des Deckungsbeitrags variierten Stellgrößen ein Ofenparameter des Ofens ist, d.h. es wird zumindest ein Ofenparameter zur Maximierung des Deckungsbeitrags variiert und als Ergebnis der Maximierung direkt ermittelt. Dementsprechend wird die Aufgabe erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, dass bei einem Regelungssystem der eingangs angeführten Art eine der durch Optimierung des Deckungsbeitrags ermittelten Stellgrößen ein Ofenparameter eines Ofens des Steamcrackers ist.

[0012] Dabei entsprechen die variierte(n) Stellgröße(n) den Freiheitsgraden der Optimierung bzw. den Parametern/Variablen der optimierten Zielfunktion, d.h. des Deckungsbeitrags. Dementsprechend integriert das nichtlineare Modell ein Modell des Ofens, welches zumindest den variierten Ofenparameter berücksichtigt. Zur Ermittlung des Deckungsbeitrags werden zumindest zwei Komponenten, vorzugsweise zumindest drei Komponenten, der voraussichtlichen Zusammensetzung des Produktstroms berücksichtigt (d.h. der optimierte Deckungsbeitrag ist von diesen Komponenten abhängig). Dabei kann jedem Produkt ein Gewichtungsfaktor, z.B. entsprechend einem zugeordneten Produkterlös, zugeordnet sein und es können in Abhängigkeit von einer Einsatzzusammensetzung und den Gewichtungsfaktoren der auf Basis der Einsatzzusammensetzung erzielbaren Produkte und Produktmengen in einem Schritt mehrere Freiheitsgrade des Steamcrackers zur Maximierung des globalen Deckungsbeitrags variiert und gegebenenfalls als Ergebnis der Maximierung ausgegeben werden. Dementsprechend ist es günstig, wenn im Deckungsbeitrag zumindest die Komponenten mit den größten Gewichtungsfaktoren berücksichtigt sind, wobei das Potential der Optimierung am größten ist, wenn eine im Wesentlichen vollständige Zusammensetzung des Produktstroms in den Deckungsbeitrag eingeht. Es ist daher vorteilhaft, wenn das nichtlineare Modell geeignet ist, eine im Wesentlichen vollständige Zusammensetzung des Produktstroms vorherzubestimmen. Die Maximierung der, vorzugsweise globalen, Zielfunktion liefert - im Rahmen der variierten Freiheitsgrade - die effizienteste und einer aktuellen Nachfrage am besten entsprechende Betriebskonfiguration des Steamcrackers. Dadurch kann auch ohne Steigerung der Gesamtproduktion eine Steigerung der Ausbeute bzw. des Deckungsbeitrags erzielt werden. Nachdem in den Deckungsbeitrag auch Einsatz-, Energie- und sonstige Betriebskosten eingehen, erzielt das erfindungsgemäße Verfahren bei gleichbleibendem Deckungsbeitrag eine Einsatz- und Energieminimierung. Da der zumindest eine Ofenparameter als unmittelbarer Freiheitsgrad zur Optimierung bzw. Maximierung des Deckungsbeitrags eingesetzt wird, ist die Verwendung eines entsprechend detaillierten Prozessmodells nützlich, welches jeden einzelnen Ofen modelliert und somit auch Rückschlüsse auf die Spaltgasausbeute bzw. den Deckungsbeitrag pro Ofen erlaubt.

[0013] Um Wechselwirkungen zwischen mehreren Öfen, insbesondere hinsichtlich gemeinschaftlich genutzter Prozessressourcen (Einsätze, Betriebskosten, etc.) bei der Optimierung des globalen Deckungsbeitrags berücksichtigen zu können, ist es vorteilhaft, wenn nur eine einzige, globale Zielfunktion, die den Deckungsbeitrag des gesamten Systems widerspiegelt und in die alle für die Optimierung des Deckungsbeitrags verwendeten Freiheitsgrade inklusive aller verwendeter Ofenparameter eingehen, verwendet und optimiert wird. Auf diese Weise können die Freiheitsgrade nicht nur in Hinblick auf die Einhaltung bestimmter Randbedingungen und Limits oder zur Optimierung anderer Zielfunktionen variiert werden, sondern es kann eine Maximierung des Deckungsbeitrags des gesamten Systems erzielt werden.

[0014] Weiters ist es vorteilhaft, wenn die zur Optimierung der Zielfunktion variierten Stellgrößen bei zwei oder mehr Öfen pro Ofen zumindest einen Ofenparameter umfassen, wobei der Deckungsbeitrag vorzugsweise global für den gesamten Steamcracker, in Abhängigkeit von der Einsatzzusammensetzung des bzw. der mit den Öfen jeweils verbundenen Einsatzes bzw. Einsätze, optimiert wird. Bei mehreren Öfen können bei der Optimierung die Ofenparameter eines Ofens in Abhängigkeit von den Ofenparametern eines anderen Ofens variiert werden, da die Ofenparameter der beiden Öfen im Allgemeinen über die globale Zielfunktion des Deckungsbeitrags sowie etwaige abhängige oder globale Randbedingungen oder Limitierungen zusammenhängen.

[0015] Mit dem zu den variierten Freiheitsgraden gehörenden Ofenparameter ist ein Ofenparameter gemäß der eingangs angeführten Definition gemeint. Im Speziellen können die zur Optimierung der Zielfunktion variierten Stellgrößen vorzugsweise eine Auslasstemperatur (Coil Outlet Temperatuire, COT), eine Prozessdampfmenge, ein Dampf zu Kohlenwasserstoff Verhältnis (D/KW) und/oder eine Einsatzmenge des zumindest einen Ofens, sowie zusätzlich oder alternativ einen Saugdruck eines dem Ofen zugeordneten Spaltgasverdichters (Coil Outlet Pressure, COP), oder aus den genannten unmittelbar abgeleitete Größen umfassen.

[0016] Um Störungen rasch ausweichen zu können und etwaige Ungenauigkeiten des verwendeten Modells auf einfache Weise zu kompensieren, ist es günstig, wenn der zumindest eine Ofen entsprechend dem zumindest einen, aus der Optimierung ermittelten Ofenparameter geregelt wird. Dies kann beispielsweise durch einen lokalen Solver, welchem die aus der Optimierung resultierenden Ofenparameter als Führungsgrößen übergeben werden, geschehen. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn bei dem Regelungssystem der globale nichtlineare Regler mit jeweils einem Ofen zugeordneten lokalen Regler zur Regelung der Ofenparameter verbunden und eingerichtet ist, den lokalen Reglern jeweils Führungsgrößen für zumindest eine, vorzugsweise sämtliche, der von ihnen geregelten Stellgrößen zu übermitteln.

[0017] Wenn bei der Optimierung der Stellgrößen eine zeitliche Entwicklung der erwarteten Produktmengen berücksichtigt wird, wobei insbesondere neben einer optimalen Betriebskonfiguration eine optimale zeitliche Entwicklung der Stellgrößen ermittelt wird und der zumindest eine Ofen entsprechend der optimalen zeitlichen Entwicklung des Ofenparameters geregelt wird, können Limitierungen des Ofens so umgangen werden, dass auch während einer Zustandsänderung des Ofens der Deckungsbeitrag maximiert wird, d.h. es kann der wirtschaftlich effizienteste Weg zur Umgehung einer Limitierung bzw. zur Einhaltung einer Randbedingung gefunden und realisiert werden. Die optimale zeitliche Entwicklung entspricht dabei einem dynamischen Ziel der Optimierung, im Vergleich zu den üblichen stationären Zielen, die lediglich die zu erreichende optimale Betriebskonfiguration angeben. Mit anderen Worten wird nicht nur die Stellgröße selbst sondern auch die Zeit bzw. der zeitliche Verlauf der Stellgröße als Freiheitsgrad der Optimierung verwendet, um den zeitlich integrierten Deckungsbeitrag zu maximieren.

[0018] Des Weiteren ist es günstig, sowohl die Einsatzmenge des Ofens sowie - im Fall von mehreren Einsatzströmen - die Einsatzmengen bzw. Einsatzströme im den Öfen vorgeordneten Einsatzsystem zur Optimierung des Deckungsbeitrags festzulegen. Zu diesem Zweck können, wenn mindestens zwei Einsatzströme zur Beschickung mit dem zumindest einen Ofen verbunden sind, wobei dem Ofen ein Beschickungsanteil für jeden Einsatzstrom zugeordnet ist, die zur Optimierung der Zielfunktion variierten Stellgrößen die Beschickungsanteile umfassen. Ein Vorteil hierbei liegt darin begründet, dass sich bei einem Gleichgewichtsprozess die größten Umsatzraten ergeben, wenn die Reaktionspartner im stöchiometrischen Verhältnis vorliegen, was somit bei der Optimierung berücksichtigt werden kann. Zusätzlich können durch gezielte Konzentrationsverschiebungen einige Produkt-Ausbeuten verschoben werden, was ebenfalls bei der Optimierung unter Verwendung der jeweiligen Produkterlöse berücksichtigt werden kann.

[0019] Darüber hinaus hat es sich als günstig herausgestellt, wenn zumindest ein Einsatz zur Aufnahme eines recycelbaren Produkts eingerichtet ist, wobei die Einsatzzusammensetzung dieses Einsatzes von einer Menge des recycelbaren Produkts und einem dem Produkt zugeordneten Recyclinganteil abhängt, welcher Recyclinganteil eine zur Optimierung der Zielfunktion variierte Stellgröße ist. D.h. es wird für das oder die recyclebaren Produkte ein Optimum zwischen Produzieren und Verwendung als Ofeneinsatz gefunden. Durch eine solche rekursive Berücksichtigung der Spaltgasausbeute bzw. der recycelbaren Produkte können scheinbar wertlose oder niedrig bewertete Produkte, welche jedoch über den Weg der Wiederverwertung zu wertvollen Produkten führen, in geeigneter Weise aufgewertet und deren Produktion entsprechend forciert werden. Recyclebare Produkte können insbesondere Ethan, aber auch Kohlenwasserstoffe mit drei oder vier Kohlenstoff-Gliedern sein. D.h. auch wenn prinzipiell auch langkettige Kohlenwasserstoffe recycelt werden können, ist der Nutzen bei den leichteren Kohlenwasserstoffen am größten.

[0020] Damit eine stationäre Lösung des Optimierungsproblems existiert und um diese rasch finden zu können, ist es günstig, wenn das zur Optimierung des Deckungsbeitrags verwendete nichtlineare Modell nur einen schnellen Teil des Steamcrackers beschreibt. Der schnelle Teil des Steamcrackers umfasst im Wesentlichen nur die Einsätze und Öfen bis hin zum etwaigen Recycling eines oder mehrerer Spaltgase und andernfalls deren Zusammenführung. Die detaillierte rigorose (First principal based) Modellierung der Aufarbeitung der gesammelten Spaltgase in einem warmen und kalten Teil des Steamcrackers wird aus Zeit- und Stabilitätsgründen nicht durchgeführt. Vereinfachte Modelle sind ausreichend, um z.B. zukünftige Limitierungen zu erkennen und entsprechend zu reagieren.

[0021] In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die erzielten Zusammensetzung des Produktstroms gemessen und mit der erwarteten Zusammensetzung verglichen wird und das nichtlineare Modell auf Basis von festgestellten Abweichungen automatisch korrigiert wird. Auf diese Weise können systematische Messfehler und Modellfehler eliminiert und die Vorhersagbarkeit des Deckungsbeitrags und somit dessen Optimierung verbessert werden.

[0022] Für die Praxis hat es sich außerdem als günstig herausgestellt, wenn zwischen limitierten Stellgrößen, bei denen eine Änderung einen manuellen Eingriff erfordert, und unlimitierten Stellgrößen, bei denen eine Änderung keinen manuellen Eingriff erfordert, unterschieden wird, und eine Änderung einer limitierten Stellgröße nur dann vorgenommen wird, wenn die dadurch erzielbare Änderung des Deckungsbeitrags einen festgelegten Grenzwert übersteigt. Auf diese Weise kann der mit einem manuellen Eingriff verbundene Arbeitsaufwand bei der Optimierung des Deckungsbeitrags berücksichtigt werden und es werden - bei geeignet gewählten Grenzwerten - in kurzen Abständen wiederholte manuelle Eingriffe aufgrund von geringfügigen Schwankungen, z.B. in der Einsatzzusammensetzung, vermieden. Dadurch wird auch die Akzeptanz in Hinblick auf die vorgeschlagenen manuellen Eingriffe erhöht, was für eine konsequente Umsetzung der Zielvorgaben vorteilhaft ist. Zur Ermittlung der erzielbaren Änderung des Deckungsbeitrags wird einerseits eine optimale Lösung ohne manuelle Änderungen, d.h. wobei jene Stellgrößen, deren Änderung einen manuellen Eingriff erfordern, festgehalten werden, und andererseits eine optimale Lösung mit manuellen Änderungen berechnet. Der Unterschied zwischen den jeweils erzielten Deckungsbeiträgen entspricht der erzielbaren Änderung.

[0023] In diesem Zusammenhang ist es besonders wünschenswert, dass bei der Ermittlung der erzielbaren Änderung auch geplante Wartungs- und/oder Reinigungsintervalle, beispielsweise des Ofens, berücksichtigt werden. Insbesondere können in diesem Fall aufwendige manuelle Eingriffe kurz vor einer Ruhigstellung des Ofens, z.B. aufgrund einer notwendigen Wartung, vermieden werden.

[0024] Wenn die Stellgrößen regelmäßig an geänderte Einsatzzusammensetzungen und Gewichtungsfaktoren angepasst werden, wobei ein Anpassungszyklus vorzugsweise alle 10 Minuten oder häufiger wiederholt wird, kann auch auf Änderungen von außen, wie etwa in der Nachfrage nach bestimmten Produkten oder bei den Preisen verwendeter Einsätze, unter Umständen auch kurzfristig in geeigneter Weise reagiert werden. Dementsprechend wird zur Anpassung der Stellgrößen die Optimierung der Zielfunktion regelmäßig wiederholt und die Regelung des Betriebs des Steamcrackers an die aus der letzten Optimierung gewonnenen Ergebnisse angepasst.

[0025] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. In den Zeichnungen zeigen dabei im Einzelnen:

Fig. 1 einen vereinfachten schematischen Überblick über den Aufbau eines Steamcrackers; und

Fig. 2 schematisch die Struktur des erfindungsgemäßen Regelungssystems.

[0026] In Fig. 1 ist ein Steamcracker 1 mit einem Einsatzsystem 2, einem heißen Teil 3, einem warmen Teil 4 und einem kalten Teil 5 schematisch dargestellt. Das Einsatzsystem 2 umfasst beispielsweise vier Einsätze 6, die die zu verarbeitenden Edukte, 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 mehreren Öfen 7 im heißen Teil 3 des Steamcrackers 1 verbunden, wo die Edukte durch thermisches Cracken in die Produkte, nämlich kurzkettige Kohlenwasserstoffe (z.B. Methan, Ethylen, Propylen, etc.), verarbeitet werden. Die Zuteilung der Einsätze 6 mit den enthaltenen Edukten zu den Öfen 7 erfolgt im Einsatzsystem 2 durch entsprechende Zuleitungen 8 und Ventile 9.

[0027] Die Öfen 7, in denen das eigentliche Cracken stattfindet, sind meist Rohrreaktoren, wobei das Design jedes Ofens unterschiedlich, insbesondere an verschiedene Feeds bzw. deren Eigenschaften, angepasst sein kann. Dementsprechend eignen sich die Öfen 7 jeweils beispielsweise eher zur Verarbeitung von Gas, Naphtha oder schwereren Feeds. In den Öfen 7 wird ein heißer Prozessdampf zugegeben, welcher eine Partialdruckerniedrigung der Reaktionsteilnehmer herbeiführt und eine Aneinanderlagerung der Reaktionsprodukte teilweise verhindert. Die zentralen Betriebsparameter der einzelnen Öfen 7 sind somit einerseits die jeweilige Temperatur, welche meist mit der Coil Outlet Temperature (COT) am Auslass des Ofens angegeben wird, sowie die Menge an jeweils zugegebenem Prozessdampf, welche meist relativ zur Menge der Kohlenwasserstoffe als Verhältnis Prozessdampf zu Kohlenwasserstoffe (D/KW) angegeben wird. Außerdem wird die im Ofen ablaufende Reaktion naturgemäß durch die Zusammensetzung des Feeds bestimmt, so dass die auf den jeweiligen Ofen bezogenen Einstellungen im Einsatzsystem, d.h. insbesondere die Einsatzzuteilungen an den jeweiligen Ofen, ebenfalls zu den zentralen Betriebsparametern des Ofens (auch "Ofenparameter") gezählt werden können. Weiters hat auch der Gasdruck am Auslass des Ofens (Coil Outlet Pressure, COP) einen Einfluss auf die Reaktion im Ofen und zählt daher zu den Ofenparametern. Der COP kann beispielsweise von einem dem Ofen nachgeordneten Spaltgasverdichter (nicht gezeigt; Teil des warmen Teils 4) festgelegt werden und entspricht dem vom Spaltgasverdichter produzierten, einstellbaren Saugdruck. Da der Spaltgasverdichter selbst bereits zum warmen Teil zählt, entspricht der COP dem Druck am Einlass des warmen Teils.

[0028] Das von den Öfen 7 produzierte und gegebenenfalls verdichtete Spaltgas wird an einem Ausgang des heißen Teils 3 gesammelt und zur Aufarbeitung in den warmen Teil 4 übergeführt. Wenn, wie in Fig. 1, das Spaltgas von allen Öfen 7 in einem gemeinsamen Weg gesammelt wird, wird der Gasdruck am Einlass des warmen Teils 4 durch einen daran angeschlossenen Spaltgasverdichter bzw. eine Gruppe von daran angeschlossenen Spaltgasverdichtern - in der Regel über deren Drehzahl - festgelegt, wobei die Einstellung des bzw. der Spaltgasverdichter(s) einen Anlagenparameter darstellt. Selbstverständlich kann aber auch ein Teil der Öfen mit einem Spaltgasverdichter und ein anderer Teil der Öfen mit einem anderen Spaltgasverdichter verbunden sein, so dass entsprechende parallele Wege zum warmen Teil 4 führen. Am Ausgang des kalten Teils 5 fallen die abgekühlten und aufgetrennten Produkte aus den Spaltgasen ab. Der Druckverlauf zwischen dem Saugdruck des bzw. der Spaltgasverdichter und dem Prozessende des kalten Teils 5 kann durch ein Regelventil am Ende des kalten Teils 5 einstellbar sein (das Regelventil ist Teil des kalten Teils 5). Ein Teil der Produkte am Ausgang des kalten Teils 5 kann zur Wiederverwertung vorgesehen sein, wobei diese recyclebaren Produkte über eine Rückführung 12 beispielsweise in einen der Einsätze 6 oder in jeweils verschiedene Einsätze 6 eingebracht werden können. Die übrigen Produkte, d.h. die nicht wiederverwerteten Produkte, bilden die Ausbeute des Steamcrackers.

[0029] Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Regelungssystems 13 mit einem globalen Regler 14 (auch als "Real Time Optimizer", RTO bezeichnet) entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren. Der globale Regler 14 berechnet anhand einer Optimierung des globalen Deckungsbeitrags Vorgaben für die lokalen Regler 15 (welcher auch als "Direct Matrix Controller", DMC bezeichnet wird), welche jeweils einem Ofen 7 zugeordnete, vorzugsweise lineare Regler sind. Die vom globalen Regler 14 an die lokalen Regler 15 übermittelten Vorgaben entsprechen dabei direkt den von den lokalen Reglern 15 geregelten Ofenparametern, z.B. der jeweiligen COT, dem D/KW, dem COP und/oder den Einsatzzuteilungen bzw. der Einsatzmenge. Demzufolge werden bevorzugt alle Freiheitsgrade des lokalen Reglers durch die Vorgaben des globalen Reglers festgelegt. Dies ist durch die übereinstimmende Summe an Verbindungspfeilen 16, 17 zwischen dem globalen Regler 14 und den lokalen Reglern einerseits, und den lokalen Reglern 15 und den Öfen 7 andererseits, dargestellt. Die vom globalen Regler 14 ermittelten Ofenparameter bestimmen den Betriebspunkt, insoweit als dieser durch den lokalen Regler 15 geregelt wird, vollständig. Die Verwendung eines lokalen Reglers 15, welcher faktisch bezüglich der Optimierung des Deckungsbeitrags keinen Freiheitsgrad hat, ermöglicht eine Stabilisierung des vorgegebenen Betriebspunkts und eine rasche Reaktion auf etwaige Störungen, z.B. innerhalb einer Minute.

[0030] Ein Teil der vom globalen Regler 14 optimierten Freiheitsgrade ist demzufolge direkt proportional zur Anzahl der Öfen 7 bzw. zur Anzahl der lokalen Regler 15. Darüber hinaus werden vom globalen Regler 14 auch globale Anlagenparameter sowie gegebenenfalls die Recyclinganteile recyclebarer Produkte optimiert. Im Idealfall werden alle Ofenparameter aller Öfen und alle Steuergrößen des Einsatz- sowie des Recyclingsystems als Freiheitsgrade zur Optimierung des globalen Deckungsbeitrags verwendet. Die Zielfunktion des globalen Reglers 14 ist der globale Deckungsbeitrag des Steamcrackers, wobei neben dem Produkterlös und den Einsatzkosten auch Energiekosten, Betriebskosten, Kosten für manuelle Eingriffe sowie Wartungsintervalle der Öfen oder anderer Anlagenteile und nicht zuletzt die Vorgaben etwaiger übergeordneter Regler 18, 19 berücksichtigt werden. Um die Zykluszeit des globalen Reglers 14 trotz der großen Anzahl an Freiheitsgraden klein zu halten, optimiert dieser im Wesentlichen nur anhand eines nichtlinearen Modells eines schnellen Teils des Steamcrackers, welcher im Wesentlichen die Gas verarbeitenden Anlagenteile sowie das Feed-System, d.h. den heißen Teil des Steamcrackers sowie das Einsatzsystem samt Rückführungen bzw. Recyclingsystem, umfasst. Für diesen Teil der Anlage ist eine effiziente mathematische Beschreibung möglich (unter anderem, weil dieser Teil immer nahe an einem stationären Zustand operiert), so dass eine Zykluszeit im Bereich von weniger als 10 Minuten eingehalten werden kann. Demgegenüber ist die Zykluszeit der übergeordneten Regler 18, 19 prozessbedingt wesentlich größer und liegt beispielsweise im Bereich einer oder mehrerer Stunden. Aufgrund der kurzen Zykluszeit des globalen Reglers 14 ein Feedback aus dem realen Prozess zeitgerecht zur Korrektur des Modells bzw. etwaiger systematischer Messfehler verwendet werden, was die Vorhersagegüte und somit das erreichte Optimum, d.h. die erzielbare Deckungsbeitragssteigerung, deutlich verbessert.

Ansprüche

1. Verfahren 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 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, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zur Optimierung des Deckungsbeitrags variierten Stellgrößen ein Ofenparameter des Ofens (7) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die variierten Stellgrößen bei zwei oder mehr Öfen (7) pro Ofen zumindest einen Ofenparameter umfassen, wobei der Deckungsbeitrag vorzugsweise global für den gesamten Steamcracker (1), in Abhängigkeit von der Einsatzzusammensetzung des bzw. der mit den Öfen (7) jeweils verbundenen Einsatzes bzw. Einsätze (6), optimiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Optimierung des Deckungsbeitrags variierten Stellgrößen eine Auslasstemperatur (Coil Outlet Temperature, COT), eine Prozessdampfmenge, ein Dampf zu Kohlenwasserstoff Verhältnis (D/KW) und/oder eine Einsatzmenge des zumindest einen Ofens (7), sowie zusätzlich oder alternativ einen Saugdruck eines dem Ofen (7) zugeordneten Spaltgasverdichters, oder aus den genannten unmittelbar abgeleitete Größen umfassen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ofen (7) entsprechend dem aus der Optimierung ermittelten Ofenparameter geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Optimierung der Stellgrößen eine zeitliche Entwicklung der voraussichtlichen Produktmengen berücksichtigt wird, wobei insbesondere neben einer optimalen Betriebskonfiguration eine optimale zeitliche Entwicklung der Stellgrößen ermittelt wird und der zumindest eine Ofen (7) entsprechend einer optimalen zeitlichen Entwicklung des Ofenparameters geregelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Einsatzströme zur Beschickung mit dem zumindest einen Ofen (7) verbunden sind, wobei dem Ofen (7) ein Beschickungsanteil für jeden Einsatzstrom zugeordnet ist, wobei die zur Optimierung des Deckungsbeitrags variierten Stellgrößen die Beschickungsanteile umfassen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einsatz (6) zur Aufnahme eines recycelbaren Produkts eingerichtet ist, wobei die Einsatzzusammensetzung dieses Einsatzes (6) von einer Menge des recycelbaren Produkts und einem dem Produkt zugeordneten Recyclinganteil abhängt, welcher Recyclinganteil eine zur Optimierung des Deckungsbeitrags variierte Stellgröße ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Optimierung des Deckungsbeitrags verwendete nichtlineare Modell nur einen schnellen Teil des Steamcrackers beschreibt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erzielte Zusammensetzung des Produktstroms gemessen und mit der erwarteten Zusammensetzung verglichen wird und das nichtlineare Modell auf Basis von festgestellten Abweichungen automatisch korrigiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Optimierung zwischen limitierten Stellgrößen, bei denen eine Änderung einen manuellen Eingriff erfordert, und unlimitierten Stellgrößen, bei denen eine Änderung keinen manuellen Eingriff erfordert, unterschieden wird, und eine Änderung einer limitierten Stellgrößen nur dann vorgenommen wird, wenn die dadurch erzielbare Änderung des Deckungsbeitrags einen festgelegten Grenzwert übersteigt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der erzielbaren Änderung auch geplante Wartungs- und/oder Reinigungsintervalle, beispielsweise des Ofens (7), berücksichtigt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrößen regelmäßig an geänderte Einsatzzusammensetzungen und Gewichtungsfaktoren angepasst werden, wobei ein Anpassungszyklus vorzugsweise alle 10 Minuten oder häufiger wiederholt wird.

13. Regelungssystem (13) zur Reglung des Betriebs eines Steamcrackers (1) nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einem globalen nichtlinearen Regler (14), welcher eingerichtet ist, eine oder mehrere Stellgrößen des Steamcrackers (1) mittels Optimierung eines von einer Zusammensetzung eines Produktstroms abhängigen Deckungsbeitrags zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass eine der durch Optimierung des Deckungsbeitrags ermittelten Stellgrößen ein Ofenparameter eines Ofens (7) des Steamcrackers (1) ist.

14. Regelungssystem (13) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der globale nichtlineare Regler (14) mit jeweils einem Ofen (7) zugeordneten lokalen Reglern (15) zur Regelung der Ofenparameter verbunden und eingerichtet ist, den lokalen Reglern (15) jeweils Führungsgrößen für zumindest eine, vorzugsweise sämtliche, der von ihnen geregelten Stellgrößen zu übermitteln.

Zeichnung