乙烯裂解爐工藝控制方案淺析

趙永華

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

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乙烯裂解爐工藝控制方案淺析

趙永華

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

針對(duì)關(guān)鍵變量裂解爐出口溫度COT的控制問題，從工藝設(shè)計(jì)角度解析裂解爐設(shè)置多種工藝控制方案的原因及特點(diǎn)，闡述了工藝控制方案設(shè)置的目的；并指出控制裂解爐的本質(zhì)是控制COT。針對(duì)裂解爐控制過程中出現(xiàn)的問題，進(jìn)一步介紹了裂解爐深度控制及燃料氣熱軟測(cè)量智能控制方案。提出了裂解爐工藝控制方案改進(jìn)意見，為改進(jìn)裂解爐工藝控制細(xì)節(jié)提供借鑒意義。

裂解爐控制方案裂解爐出口溫度智能控制

乙烯裝置主要產(chǎn)品是乙烯和丙烯，而裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，它對(duì)乙烯的生產(chǎn)能力、裝置的平穩(wěn)運(yùn)行具有舉足輕重的作用。裂解爐控制系統(tǒng)不僅要保證乙烯的收率，同時(shí)下游裝置對(duì)乙烯、丙烯的需求量不同，要使乙烯、丙烯可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在生產(chǎn)中，隨著裂解爐裂解情況的不同，裂解爐操作條件不可避免地會(huì)有變動(dòng)，為了保證乙烯裝置的運(yùn)行穩(wěn)定，裂解爐采用了多種控制方案。通過分析裂解爐工藝控制方案的特點(diǎn)，改進(jìn)控制細(xì)節(jié)，提高裂解爐的控制水平，更好地為生產(chǎn)服務(wù)。

1　裂解反應(yīng)及工藝控制的分析

由于裂解反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，因而要對(duì)反應(yīng)物料供應(yīng)大量的熱量。升高溫度，有利于裂解生成乙烯的反應(yīng)，但是反應(yīng)溫度愈高，愈容易結(jié)焦，因而尋找適宜的反應(yīng)溫度非常重要。同時(shí)，裂解溫度還和原料有關(guān)，不同原料有不同的最適宜裂解溫度。為了避免裂解反應(yīng)中二次反應(yīng)結(jié)焦，選擇合適的停留時(shí)間也很重要，不同原料有不同適宜的停留時(shí)間，停留時(shí)間長(zhǎng)促進(jìn)一次反應(yīng)，但同時(shí)二次反應(yīng)也充分進(jìn)行，這樣使得一次反應(yīng)產(chǎn)生的乙烯通過二次反應(yīng)大量消失，因而要獲得更多的乙烯，需要選擇適宜的停留時(shí)間。對(duì)于裂解一次反應(yīng)，不論是脫氫反應(yīng)還是斷鏈反應(yīng)，都是氣體物質(zhì)的量增加的反應(yīng)，從化學(xué)平衡的觀點(diǎn)，降低烴分壓，有利于提高乙烯的平衡轉(zhuǎn)化率。對(duì)縮合、聚合等二次反應(yīng)都是物質(zhì)的量增加的反應(yīng)，故降壓可以抑制這些反應(yīng)的進(jìn)行[1]。通過對(duì)裂解反應(yīng)特點(diǎn)的分析，可以看出決定裂解反應(yīng)有三個(gè)基本變量： 停留時(shí)間、烴分壓、裂解反應(yīng)溫度。由于裂解爐穩(wěn)定操作時(shí)保持原料的總流量不變，在爐管構(gòu)型及裂解爐出口壓力確定后，其停留時(shí)間、烴分壓就基本確定了。而裂解反應(yīng)溫度則可以通過調(diào)節(jié)裂解爐爐管出口溫度COT來實(shí)現(xiàn)。因此，控制裂解爐的本質(zhì)是控制COT。

裂解爐控制的基本要求是裂解爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，裂解爐工藝系統(tǒng)由對(duì)流段、輻射段及裂解氣余熱回收系統(tǒng)3部分組成。對(duì)流段設(shè)置的目的是把原料預(yù)熱、氣化并過熱到初始的裂解溫度及和稀釋蒸汽成比例混合，同時(shí)也可以把余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生的飽和蒸汽過熱及所需的鍋爐給水預(yù)熱到指定溫度；在輻射段內(nèi)，通常排布若干組構(gòu)型相同的爐管，原料從對(duì)流段出來后均勻分布在若干組輻射段爐管內(nèi)裂解，裂解所需的熱量則由燃料氣燃燒供給。燃料氣燃燒后產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入對(duì)流段用來預(yù)熱裂解原料等物料并回收熱量；而從輻射段出來的高溫裂解氣經(jīng)急冷換熱器使得裂解氣迅速冷卻并終結(jié)裂解二次反應(yīng)，同時(shí)回收熱量產(chǎn)生飽和蒸汽。

裂解爐控制的目的是滿足工藝要求，影響裂解爐控制的主要干擾因素有： 裂解原料量及原料在輻射段爐管的分配情況；裂解氣出口溫度的變化及燃料的變化；稀釋蒸汽的變化；裂解爐膛煙氣的壓力變化；蒸汽系統(tǒng)的平衡變化等。針對(duì)上述干擾因素制訂的工藝控制方案有： 原料流量控制方案；COT工藝控制方案；稀釋蒸汽控制方案；爐膛負(fù)壓工藝控制方案；汽包工藝控制方案；超高壓蒸汽系統(tǒng)控制方案；乙烯裂解爐智能控制方案。

2　工藝控制方案分析

2.1原料流量和COT工藝控制方案

2.1.1原料流量控制方案

在工藝設(shè)計(jì)中，裂解爐穩(wěn)定操作時(shí)往往保持原料的總流量不變，原料流量的變化體現(xiàn)在每組原料流量的不均勻性上，不同組間原料流量的波動(dòng)偏差如果很大，不同組間的裂解爐COT差值增大，而不同的COT直接影響裂解反應(yīng)的深度，進(jìn)而影響到裂解產(chǎn)品的收率。

在裂解爐控制方案中，設(shè)置原料控制方案的目的是為了解決各組爐管間COT溫差大的問題。解決措施之一是工程設(shè)計(jì)時(shí)保證對(duì)稱進(jìn)料，即根據(jù)裂解爐的規(guī)模及控制的要求，原料進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)置2組、4組或6組進(jìn)料。措施之二是是在原料控制方案中引入總量控制方案，即設(shè)置了1個(gè)總流量調(diào)節(jié)器，總流量調(diào)節(jié)器的輸出通過調(diào)整不同組支管進(jìn)料調(diào)節(jié)器的設(shè)定點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)希望的總進(jìn)料量，稱為總進(jìn)料流量控制。其目的是在原料總量需求改變時(shí)，控制系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)前操作狀況合理分配裂解爐各組的流量，以盡量減少總流量變化對(duì)COT的影響。同時(shí)總流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定點(diǎn)可由操作員根據(jù)生產(chǎn)及設(shè)備操作情況設(shè)定。此外，在裂解過程中由于多種因素的影響導(dǎo)致不同爐管間的COT不盡相同，為進(jìn)一步保證裂解爐出口的COT趨向一致，在原料流量控制方案中增加各組爐管平衡差值COT控制方案，具體方案是每組爐管的COT與多組總平均COT進(jìn)行比較，其溫度差值作為每組控制器的輸出信號(hào)，將該信號(hào)與總進(jìn)料流量控制器的輸出相加去校正各組爐管進(jìn)料控制器的設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)平衡爐管流量以確保所有爐管在相同溫度下運(yùn)行的目的。原料流量控制方案示意如圖1所示。

圖1　原料流量控制方案示意

通過上述方案的實(shí)行，既保證總流量的控制穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)分組進(jìn)料流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行微量調(diào)整，可以較好地控制原料流量的每組分配，達(dá)到控制各組的溫度保持在幾乎相等的水平，可使?fàn)t管結(jié)焦程度接近，延長(zhǎng)運(yùn)行周期及爐管壽命。

2.1.2COT工藝控制方案

裂解爐操作時(shí)嚴(yán)格控制COT是非常重要的，COT的控制是裂解爐平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵，控制COT通常包括平均爐管出口COT控制與燃料氣控制。

1) 裂解爐平均爐管出口COT控制工藝方案。工藝控制方案設(shè)置了平均COT控制與裂解爐燃料氣超馳控制方案[2]，如圖2所示。不同組間的爐出口溫度COT值作為裂解氣平均COT的輸入，而裂解氣平均COT分別作為側(cè)壁、底部熱值分配調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。通過調(diào)節(jié)燃料氣的進(jìn)量，避免COT過高或過低，避免了正常控制的波動(dòng)導(dǎo)致的裂解爐停車，穩(wěn)定生產(chǎn)。

2) 燃料氣控制方案。為了避免燃料氣組分發(fā)生變化，而流量沒有發(fā)生變化所產(chǎn)生的熱值影響，方案中引入熱值分析儀。這樣可以根據(jù)組分引起的熱值變化，對(duì)COT進(jìn)行微調(diào)，以便把燃料組分變化產(chǎn)生的影響降到最低。此外，方案設(shè)計(jì)中為防止燃料氣壓力低時(shí)燃燒器回火，還引入了燃料氣壓力低壓超馳控制，避免了由正常控制的波動(dòng)導(dǎo)致的裂解爐停車，保證裂解爐低負(fù)荷運(yùn)行及開車。

圖2　平均COT控制及燃料氣超馳控制方案示意

通過上述分析表明： 裂解爐原料進(jìn)入對(duì)流段前首先進(jìn)行預(yù)分配，即分多組進(jìn)入。這種配置的目的是流量均勻動(dòng)態(tài)分配更容易控制，如果組數(shù)過少分配則不容易控制。同時(shí)通過總流量控制、COT溫差控制及COT與燃料氣的控制，實(shí)現(xiàn)組間的流量動(dòng)態(tài)平衡，從而控制裂解爐在穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行；在燃料氣系統(tǒng)，除熱值控制外設(shè)置壓力超馳控制，保證裂解爐低負(fù)荷運(yùn)行及開車。

2.2稀釋蒸汽的工藝控制方案

加入稀釋蒸汽的目的： 降低烴分壓，這樣有利于提高乙烯收率；加入稀釋蒸汽可以防止?fàn)t管結(jié)焦；均熱爐管，降低爐管溫度梯度，使反應(yīng)更充分。因此，裂解爐控制方案中引入稀釋蒸汽比值控制方案。

每組進(jìn)料支管對(duì)應(yīng)設(shè)置1套稀釋蒸汽比值控制系統(tǒng)，比值控制系統(tǒng)由進(jìn)料控制器、稀釋蒸汽控制器、比值單元和高低選選擇器組成。在控制方案中，還設(shè)置了最小稀釋蒸汽保護(hù)，可以通過比值單元設(shè)定要求的稀釋比。同時(shí)，由于設(shè)置了高低選選擇器，當(dāng)比值單元的輸出小于最小稀釋蒸汽流量時(shí)，最小稀釋蒸汽流量作為調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，從而可有效防止?fàn)t管損壞，提高乙烯收率，穩(wěn)定COT。

綜上所述，通過蒸汽高低選選擇器的設(shè)置保護(hù)裂解爐爐管，避免了流量計(jì)測(cè)量失效對(duì)單組爐管的影響。通過稀釋蒸汽比值控制系統(tǒng)控制稀釋蒸汽的每組用量使它們保持一致，保證了一致的稀釋比，從而進(jìn)一步控制每組爐管的COT圍繞設(shè)定值上下波動(dòng)。

2.3其他的工藝控制方案

2.3.1爐膛負(fù)壓工藝控制方案

裂解爐正常操作時(shí)應(yīng)保證爐膛中有一定的負(fù)壓，以保證高溫?zé)煔獠粫?huì)通過看火孔外瀉，避免對(duì)操作人員造成傷害。另外，保持一定的負(fù)壓也是燃燒器正常操作的必要條件，否則，空氣量不足會(huì)造成不完全燃燒。

控制爐膛負(fù)壓的方法是通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的抽力可以克服煙氣在燃燒器、對(duì)流段、擋板和煙囪中產(chǎn)生的阻力。風(fēng)機(jī)通過變頻控制，通過改變轉(zhuǎn)速控制抽力的大小，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速則通過橫跨段的壓力調(diào)節(jié)器控制。同時(shí)，為了防止裂解爐爐膛壓力高過大氣壓，設(shè)置了壓力高安全聯(lián)鎖停車。當(dāng)爐膛壓力超過設(shè)定值時(shí)裂解爐聯(lián)鎖停車，保證裂解爐運(yùn)行安全，避免意外發(fā)生。

2.3.2汽包工藝控制方案

對(duì)于汽包控制系統(tǒng)，汽包液位過高使得蒸汽帶水，危害對(duì)流段超高壓蒸汽過熱段的安全；液位過低會(huì)損壞設(shè)備甚至導(dǎo)致爆炸，所以汽包的液位測(cè)量和液位控制極其重要。

在汽包的工藝控制方案上一般都采用三沖量控制。三沖量包括汽包液位、鍋爐給水及高壓蒸汽量。三沖量控制實(shí)際是一個(gè)帶前饋控制的串級(jí)控制，高壓蒸汽量是前饋控制量，蒸汽量作用在鍋爐給水的設(shè)定值上，從而鍋爐給水超前動(dòng)作，減少汽包液位的波動(dòng)，使得液位快速平穩(wěn)，引入高壓蒸汽量前饋控制，改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)[2]。鍋爐給水是控制系統(tǒng)的副變量，可以克服給水壓力及流量對(duì)汽包液位的影響；汽包液位是控制系統(tǒng)的主變量，目的是保證汽包液位保持在一定位置。三沖量控制的目的是為了鍋爐給水流量控制器的設(shè)定值能根據(jù)汽包輸出蒸汽量的變化進(jìn)行迅速調(diào)整。同時(shí)，為了防止儀表故障的影響，液位控制往往采用3臺(tái)液位控制器取中間值用于液位控制。

汽包蒸汽流量控制方案有兩種： 裂解爐的蒸汽流量測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在蒸汽過熱器出口；蒸汽測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在汽包出口。在裂解爐設(shè)計(jì)中，由于在蒸汽過熱器之間要設(shè)置減溫增濕器，通過注入無磷鍋爐給水來調(diào)節(jié)過熱蒸汽的出口溫度。如果把蒸汽流量測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在蒸汽過熱器出口，所測(cè)的蒸汽流量就包含了減溫增濕器所需的注入水的量，但是這部分水量不在鍋爐給水流量計(jì)的測(cè)量范圍之內(nèi)，因而方案中需要把此部分注水量從蒸汽中減去，使得控制更加精確。

2.3.3超高壓蒸汽系統(tǒng)控制方案

超高壓蒸汽的過熱溫度通常是控制在系統(tǒng)要求的溫度，在超高壓蒸汽過熱器的出口安裝3支溫度檢測(cè)元件和3臺(tái)溫度變送器測(cè)量超高壓蒸汽過熱溫度，三取中值用于超高壓蒸汽過熱溫度控制器的測(cè)量值[3]。為了減少不必要的停車及控制超高壓蒸汽的過熱溫度，在超高壓蒸汽預(yù)熱段之間往往設(shè)置減溫增濕器。通過向減溫增濕器注入一定量的鍋爐給水來控制及調(diào)節(jié)超高壓蒸汽的過熱溫度。當(dāng)超高壓蒸汽的溫度超高時(shí)，避免換熱管損壞裂解爐聯(lián)鎖停車。

3　乙烯裂解爐智能控制方案

上述裂解爐控制方案系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)裂解爐的平穩(wěn)運(yùn)行，但是隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，過程先進(jìn)控制技術(shù)對(duì)生產(chǎn)裝置的安全高效運(yùn)行及提升效益起著越來越重要的作用。裂解爐的控制策略也得到改進(jìn)，由過去單一控制COT的控制方案改為裂解深度控制，截至目前裂解深度控制技術(shù)、裂解爐燃料氣軟測(cè)量等技術(shù)在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。

3.1裂解爐熱值軟測(cè)量技術(shù)

裂解爐燃料氣控制方案中引入熱值分析儀的目的是為了防止燃料氣熱值變化對(duì)裂解爐COT產(chǎn)生影響。但由于目前熱值測(cè)量?jī)x表存在測(cè)量滯后且不穩(wěn)定問題，若直接采用熱值儀的測(cè)量信息作為前饋量控制裂解爐的操作，不僅不能克服熱值波動(dòng)對(duì)爐管出口溫度的影響，還會(huì)產(chǎn)生新的波動(dòng)[4]。因此，需要建立燃料氣熱值軟測(cè)量系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確監(jiān)控燃燒器的熱值變化，實(shí)現(xiàn)熱值前饋推斷控制[5]。影響燃料氣熱值的因素主要有甲烷和氫氣的含量，液化石油氣的注入量，燃料氣壓力、溫度等，上述變量作為軟測(cè)量系統(tǒng)的輸入，熱值儀穩(wěn)定時(shí)的測(cè)量值作為目標(biāo)值，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)輸入輸出的訓(xùn)練樣本進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出逼近熱值儀輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱值變化的預(yù)測(cè)性能。目前利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立的燃料氣軟測(cè)量模型已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)裝置上，不僅提高了裂解爐COT的控制品質(zhì)，同時(shí)提高了乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2裂解深度的智能控制方案

裂解深度定義了裂解反應(yīng)的進(jìn)行程度，在實(shí)際生產(chǎn)中，用丙烯和乙烯的收率之比來衡量裂解深度。根據(jù)裂解產(chǎn)品的市場(chǎng)需求，裂解爐采用最大化乙烯模式或者最大化丙烯模式以便實(shí)現(xiàn)效益的最大化。裂解深度控制主要通過調(diào)節(jié)COT來實(shí)現(xiàn)。下面是采用基于裂解深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的智能Smith預(yù)估控制方案，該方案的原理框圖如圖3所示[6]。裂解深度預(yù)測(cè)模型的輸入變量來自現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，輸入變量主要有油品特性(密度、餾程等數(shù)據(jù))、裂解爐負(fù)荷、汽烴比等。利用裂解氣在線分析儀在線校正深度模型的輸出，輸出作為裂解深度控制器的PV值。而裂解深度控制器與出口溫度控制器串聯(lián)，根據(jù)深度的變化對(duì)出口溫度進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂解深度的控制。

圖3　基于預(yù)測(cè)模型的裂解深度Smith 預(yù)估控制方案示意

圖3所示方案通過深度控制器與裂解爐出口溫度控制系統(tǒng)的集成，可以克服裂解氣分析儀表滯后對(duì)裂解深度的影響；方案通過優(yōu)化裂解深度，實(shí)現(xiàn)裂解爐平穩(wěn)操作及裂解產(chǎn)品效益最大化。

4　結(jié)束語

COT的控制是裂解爐平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。裂解爐主要的工藝控制方案都是圍繞這一點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。筆者通過對(duì)控制方案的分析，得出以下幾點(diǎn)意見：

1) 為保證流量均勻動(dòng)態(tài)分配，裂解爐原料應(yīng)多組分配進(jìn)入對(duì)流段，如果組數(shù)過少分配則不容易控制。在出口溫度控制方案中引入原料流量的控制，可以消除原料流量的動(dòng)態(tài)偏差，有利于控制出口溫度的偏差。

2) 在燃料氣系統(tǒng)，設(shè)置壓力超馳控制，可以保證裂解爐低負(fù)荷運(yùn)行及開車。

3) 稀釋蒸汽比值方案中設(shè)置蒸汽高低選選擇器，有利于保護(hù)單組爐管安全。

4) 爐膛負(fù)壓控制方案引入壓力高安全聯(lián)鎖停車方案，可以保證裂解爐運(yùn)行安全。

5) 在汽包液位控制中，當(dāng)蒸汽流量測(cè)量點(diǎn)在蒸汽過熱器出口，注入減溫增濕器的注水量應(yīng)從蒸汽產(chǎn)量中減去，從而使得液位更加準(zhǔn)確。當(dāng)蒸汽流量測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在汽包出口，汽包控制方案中不考慮減溫增濕器注水量的影響。

6) 通過應(yīng)用燃料氣軟測(cè)量技術(shù)，可以克服熱值分析儀測(cè)量滯后對(duì)裂解爐產(chǎn)生的影響。

7) 通過深度控制方案與裂解爐出口溫度控制系統(tǒng)的集成，可以克服裂解氣分析儀表滯后對(duì)裂解深度的影響。

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Brief Discussion of Process Control Scheme for Ethylene Cracking Furnace

Zhao Yonghua

(Sinopec Engineering Incorporation， Beijing，100101， China)

Abstracts： Aiming at control problem of coil outlet temperature as key variable， the reason and characteristics of setting several process control schemes for cracking furnace are discussed from the point of process design. The objective of process control scheme setting is expounded. It is pointed out the nature of cracking furnace control is to control COT. Focusing on problem occurred during cracking furnace control， deep control of cracking furnace and fuel gas heat soft measurement intelligent control scheme are further introduced. Improvement measures of process control scheme for cracking furnace are proposed which can be used as reference of improving cracking furnace process control details.

cracking furnace；control scheme；coil outlet temperature ；intelligent control

趙永華(1971—)，男，2001年畢業(yè)于北京化工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國石化工程建設(shè)有限公司，主要從事裂解爐工程設(shè)計(jì)及工藝計(jì)算工作，任高級(jí)工程師。

過程控制技術(shù)

TP273

B

1007-7324(2016)04-0025-04

稿件收到日期： 2016-03-24。