加氫尾油裂解深度模型的研究

王 哲 沈冬偉

（中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，200540）

加氫尾油裂解深度模型的研究

王 哲 沈冬偉

（中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，200540）

介紹了乙烯裂解爐裂解深度控制的意義，并在對中壓加氫和高壓加氫兩個裝置產(chǎn)出的加氫尾油（HVGO）作為裂解原料進行標(biāo)定的基礎(chǔ)上，結(jié)合深度控制系統(tǒng)，開發(fā)出適合HVGO在GK－VI裂解爐上運行的深度模型系統(tǒng)。

裂解爐 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 深度控制 加氫尾油

近年來國際石油價格不斷攀升，煉油企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本，進口的石油來源廣泛且品質(zhì)較差，造成煉油裝置生產(chǎn)的加氫尾油（HVGO）物性變化頻繁。中國石化上海石油化工股份有限公司（以下簡稱上海石化）2＃乙烯裝置目前使用的HVGO是中壓加氫與高壓加氫兩股物料的調(diào)和油，由于上游品質(zhì)的波動以及調(diào)和期間的不穩(wěn)定，造成原料物性的不穩(wěn)定，裂解爐深度控制也無法實現(xiàn)。在實際生產(chǎn)過程中，裂解爐操作更加依賴經(jīng)驗，往往給定一個深度值，裂解爐運行期間不做任何修改。在整個運行周期內(nèi)，不變的裂解深度控制值對整個產(chǎn)品收率的提高有較大的影響。

乙烯裝置在建造初期一般都帶有良好的PID自動控制系統(tǒng)，中國石油化工集團公司的大型乙烯裝置都采用了霍尼韋爾（Honeywell）的自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定且高效，目前在鎮(zhèn)海、武漢等1 000 kt／a大型乙烯裝置中，Honeywell已經(jīng)實現(xiàn)自帶控制點的復(fù)雜回路控制，而上海石化乙烯裝置的控制系統(tǒng)比較老，沒有自帶先進控制系統(tǒng)（APC）。文章在2＃乙烯裝置裂解爐基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型開發(fā)出帶有前饋控制的裂解爐溫度均衡APC控制基礎(chǔ)上，研究開發(fā)HVGO的裂解深度模型。

1 裂解深度的物理意義及其影響因素

1.1 裂解深度的物理意義

裂解深度就是指裂解反應(yīng)進行的程度。在裂解液體原料時，因為原料中基本不含乙烯和丙烯，故分析裂解產(chǎn)物中主要產(chǎn)品乙烯和丙烯的量，可以方便地獲得乙烯和丙烯的收率（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計，下同）。一般情況下，隨著裂解反應(yīng)的進行，乙烯收率逐步增加，而丙烯收率稍慢，到最高點后下降［1］。

1.2 影響裂解深度的工藝因素

裂解的目標(biāo)是獲得盡可能多的目標(biāo)產(chǎn)物，為此必須合理控制影響裂解深度的因素。工藝因素主要有：（1）裂解爐出口溫度（COT）；（2）橫跨溫度；（3）停留時間；（4）烴分壓；（5）爐出口壓力（COP）；（6）急冷鍋爐出口溫度。綜上所述，以乙烯為主要目標(biāo)的裂解反應(yīng)，其反應(yīng)條件應(yīng)該滿足高溫、短停留時間和低烴分壓的要求，且在裂解生產(chǎn)過程中，必須保證裂解溫度、汽／烴比和生產(chǎn)負荷的穩(wěn)定［2］。

1.3 目前控制方法的弊端

目前裂解爐的深度控制主要采用SPYRO軟件離線測算后的COT進行控制，但是在實際的運行工況下，油品的性質(zhì)是不穩(wěn)定的，在此過程中就造成了由于恒定COT而使雙烯收率不穩(wěn)定，造成乙烯和丙烯的損失。

1.4 采用深度控制的實際意義

采用裂解爐深度控制系統(tǒng)的意義在于運用軟測量技術(shù)建立裂解深度預(yù)測模型，然后在裂解深度在線分析儀表正常的情況下，利用裂解深度在線分析值對裂解深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的輸出進行校正，并做為裂解深度的軟測量值；在裂解爐平穩(wěn)運行時，并保證COT能夠良好控制的前提下，裂解深度控制器與COT構(gòu)成內(nèi)、外環(huán)調(diào)節(jié)回路，實現(xiàn)對裂解深度的定值控制或跟蹤控制，以達到穩(wěn)定乙烯和丙烯收率的作用［3］。

2 裂解深度模型

2.1 HVGO在GK－VI型裂解爐裂解深度的標(biāo)定

2.1.1 標(biāo)定方法及流程

裂解爐裂解產(chǎn)物標(biāo)定的主要目的是定量分析裂解爐主要裂解產(chǎn)物的收率，即得到在生產(chǎn)操作條件下的工業(yè)裂解爐蒸汽裂解的主要裂解產(chǎn)物收率及分布［4］。通過原料性質(zhì)分析和模擬裂解評價試驗以及裂解爐裂解產(chǎn)物標(biāo)定數(shù)據(jù)，對裂解原料的裂解性能進行評價，并給出該裂解原料的推薦操作條件以指導(dǎo)工廠進行生產(chǎn)，其過程見圖1。

圖1 標(biāo)定實驗過程

此外，通過這些數(shù)據(jù)分析，可以對裂解爐COT的熱電偶儀表系統(tǒng)進行誤差校正，從而達到精確控制裂解爐的目的；同時可以配合原料性質(zhì)進行裂解深度分析，從而優(yōu)化裂解爐的操作條件。

2.1.2 標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

上海石化2＃乙烯裝置GK－VI型裂解爐（BA－105）投用的HVGO物化性質(zhì)見表1。

表1 HVGO物化性質(zhì)

對BA－105裂解爐的標(biāo)定數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

表2 HVGO收率標(biāo)定數(shù)據(jù) %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

由表2可見：COT由770℃提高到809℃，HVGO的收率變化為：乙烯收率逐漸增加，最低值為27.45%，最高值為29.72%；丙烯收率持續(xù)下降，最低值為15.15%，最高值為16.76%；丁二烯收率逐漸增加，最低值為6.49%，最高值為6.77%；雙烯（乙烯＋丙烯）收率逐漸增加，最低值為44.21%，最高值為44.87%；三烯（乙烯＋丙烯＋丁二烯）收率逐漸增加，最低值為50.70%，最高值為51.64%；高附產(chǎn)品（乙烯＋丙烯＋丁二烯＋丙炔＋苯＋氫氣）收率逐漸增加，最低值為56.57%，最高值為58.66%。

2.2 模型的建立

2.2.1 GK－VI裂解爐深度控制方案思路

乙烯收率取決于原料進料的芳烴指數(shù)和裂解深度，對于特定的原料，其芳烴指數(shù)是一定的［5］。因此，乙烯的收率直接取決于裂解深度，但是丙烯收率在裂解深度超過一定限度后，不但不增加，反而會下降。因此，應(yīng)將裂解深度控制在工藝要求的最佳值附近，以獲得理想的乙烯／丙烯收率。這個所謂的“最佳值”實際應(yīng)用中多以丙烯和乙烯比值來代表。

裂解深度的控制主要通過控制COT來實現(xiàn)。COT溫度對乙烯收率的影響非常重要。將COT與裂解深度有效結(jié)合的控制方法，國內(nèi)已經(jīng)實施的控制原理如圖2［6］。

圖2 裂解深度控制原理

從圖2可以看出：裂解深度控制是把在線的裂解深度值（PV）與設(shè)定的目標(biāo)值（SP）比較，得出深度因子，利用適當(dāng)?shù)目刂颇K來對裂解爐COT進行控制，進而實現(xiàn)裂解深度控制。

深度控制的關(guān)鍵在于首先獲得在線的裂解深度值，然后再選取合適的控制方案。在線裂解深度值主要通過裂解氣在線分析儀測定和計算。上海石化2＃乙烯裝置的在線分析儀采用色譜技術(shù)，主要分析裂解氣中的氣相組分，得出的數(shù)據(jù)是體積分?jǐn)?shù)。在實際應(yīng)用過程中，在線分析儀運行中存在兩個問題：

（1）穩(wěn)定性差。運行期間，分析值出現(xiàn)跳變，導(dǎo)致分析數(shù)值異常，尤其在使用較老型號的色譜分析時，數(shù)據(jù)可信度大大降低。

（2）滯后現(xiàn)象嚴(yán)重。在線分析儀需要同時承擔(dān)2～3個流路的樣品分析，按照實際的使用情況來看，每個流路數(shù)據(jù)分析需要6 min，則一個大循環(huán)至少需要12～18 min，而裂解爐反應(yīng)時間基本在毫秒級別，因此不能實時反映裂解深度實際值的變化。

通過上面分析可知，直接利用在線分析儀無法實現(xiàn)裂解深度的實時有效控制。也就是說，當(dāng)分析儀表數(shù)據(jù)在變化時，僅僅說明的是15 min之前工況下的產(chǎn)物分配，當(dāng)前工況下的分析數(shù)據(jù)需要15 min后才能獲得，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.2.2 裂解深度控制策略

為了獲得一種超前控制模式，華東理工大學(xué)自動化研究所科研人員與裝置技術(shù)人員一起開發(fā)了一種基于裂解深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的Smith預(yù)估控制方案。通過分析油品特性、裂解爐負荷、汽烴比、COT等主要參數(shù)與裂解深度因子（上海石化2＃乙烯裝置是丙烯／乙烯）之間的關(guān)系，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立裂解深度預(yù)測模型，從而根據(jù)裂解爐的運行狀況預(yù)測當(dāng)前的裂解深度，并利用在線分析儀的輸出對裂解深度預(yù)測模型的輸出進行校正，并作為裂解深度控制器的PV值。然后通過深度控制器自動設(shè)定COT控制器的設(shè)定值，達到穩(wěn)定裂解深度的目標(biāo)。

該深度控制系統(tǒng)以投料總量、原料類型（密度）、裂解COT、汽烴比等幾個參數(shù)作為輔助變量，從而直接在APC基礎(chǔ)上控制COT的平穩(wěn)度。

GK－VI型裂解爐裂解深度控制方案采用兩個回路實現(xiàn)裂解爐的裂解深度控制。其一是裂解深度估算和控制回路，該回路首先根據(jù)工藝參數(shù)的測量值和裂解原料烴特性在線估算裂解深度值（裂解爐出口甲烷／丙烯的質(zhì)量比），然后通過裂解深度控制器給定COT的設(shè)定值，再利用平均COT控制器控制反饋溫度跟蹤設(shè)定值，從而實現(xiàn)裂解深度控制。裂解深度控制器的設(shè)定值（SP值）可以手動輸入，也可以來自優(yōu)化級；其二是裂解深度校正回路，該回路根據(jù)在線分析儀的分析結(jié)果計算出裂解深度，然后利用它對模型估計的值進行校正?？刂品桨溉鐖D3所示。

圖3 裂解爐裂解深度控制系統(tǒng)

裂解深度控制系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)為COT控制，用于穩(wěn)定裂解爐操作，使裂解爐COT跟蹤設(shè)定值變化；外環(huán)為裂解深度控制，用于在裂解爐運行狀況變化或裂解油品屬性變化時控制裂解深度的穩(wěn)定和跟蹤裂解爐性能，其控制對象為裂解爐，控制指標(biāo)為COT和裂解深度。

雖然裂解深度控制器投用后，溫度是相對于裂解深度的一個變量，但是為了防止出現(xiàn)意外情況，COT有一個±3℃的限定范圍。所以當(dāng)原料性質(zhì)或者投料量發(fā)生一定程度的變化后，COT會運行在設(shè)定值的高限或者低限區(qū)域，此時需要進行調(diào)整。

裂解深度控制器在投用過程中，當(dāng)COT的設(shè)定值一直處在裂解深度控制器中設(shè)定的上限值時，為使裂解深度控制器發(fā)揮作用，可以在裂解深度控制器中將COT的設(shè)定上限值適當(dāng)調(diào)高；如果為使COT的設(shè)定值上下限保持不變，可以調(diào)高裂解深度控制器的設(shè)定值；而當(dāng)COT的設(shè)定值一直處在裂解深度控制器中設(shè)定的下限值時，可以將裂解深度控制器的設(shè)定值適當(dāng)?shù)慕档汀?/p>

如果實際生產(chǎn)需要將裂解深度控制器設(shè)定值提高，可以在深度控制畫面中適當(dāng)?shù)膶OT的上下限相應(yīng)的調(diào)低，如果調(diào)整幅度不大，則不必調(diào)整；如果實際生產(chǎn)需要將裂解深度設(shè)定值降低，處理情況相反。

在裂解爐深度控制器投用后，需要及時做好對應(yīng)的報警組態(tài)，以便于及時地監(jiān)控深度控制的投用情況。

2.2.3 深度控制對裂解爐收率的影響

GK－VI裂解爐BA－105投用裂解深度控制器前后的數(shù)據(jù)對比見圖4～5（原料為HVGO，投料量為23 t／h）。

圖4 BA－105投用深度控制前后乙烯收率變化

圖5 BA－105投用深度控制前后雙烯收率變化

從圖4～5中可以看出：在GK－VI裂解爐上投用深度控制前后有一個較為明顯的變化，即乙烯與雙烯的收率都得到了一定的提升，其中乙烯收率從投用前平均33.13%提升至投用后平均33.41%，提高了0.28個百分點；雙烯收率從投用前平均74.84%提升至投用后平均75.86%，提高了1.02個百分點。

3 結(jié)論

結(jié)合大量生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)，利用一種基于裂解深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的Smith預(yù)估控制方案建立的裂解深度軟測量模型，實現(xiàn)了裂解深度定值控制。在DCS中實施了基于裂解深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測量模型的智能控制系統(tǒng)，將軟測量模型輸出值通過校正后作為在線分析儀的分析值輸入深度控制器，通過深度控制器與已經(jīng)成功實施的裂解爐出口溫度先進控制系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了裂解深度的平穩(wěn)控制。該裂解深度模型在試驗裂解爐上取得較好的應(yīng)用，投用后的裂解深度以及乙烯／丙烯的收率平穩(wěn)度得到加強，實現(xiàn)了裂解深度的平穩(wěn)控制，可以基于此深度控制模型進行合理有效的乙烯、丙烯產(chǎn)量的分布。

［1］ 錢家麟.管式加熱爐［M］.北京：中國石化出版社，2003.

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Study on Cracking Severity M odule for Hydrogenation Bottom Oil

Wang Zhe，Shen Dongwei
（Olefin Division，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.，Ltd.200540）

The significance of controlling cracking severity of ethylene cracking furnace was introduced.Based on calibration of hydrogenation bottom oil（HVGO）generated by medium pressure hydrogenation unit and high pressure hydrogenation unit as cracking material，connecting with severity control system，a severity module system suitable for operation of HVGO in GK－VI cracking furnace was developed.

cracking furnace，nerve network，severity control，HVGO

1674－1099 （2014）04－0036－04

TE624

A

2014－06－06。

王哲，男，1983年出生，常州大學(xué)工程碩士，工程師，目前從事乙烯工藝管理工作。