乙烯裂解深度先進(jìn)控制在齊魯石化中的應(yīng)用

蘇耀東，劉鑒徵

(中國(guó)石化齊魯分公司，山東 淄博 255434)

乙烯裝置控制的好壞，直接影響到乙烯生產(chǎn)企業(yè)的效益，研究先進(jìn)控制(APC)技術(shù)在乙烯裝置中的應(yīng)用具有很大意義，并能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。裂解爐是乙烯裝置的核心設(shè)備之一，裂解爐優(yōu)化控制水平的優(yōu)劣，不僅影響乙烯裝置乙烯和丙烯的收率，而且直接影響后續(xù)單元的平穩(wěn)操作。裂解爐的主要控制目標(biāo)是控制裂解深度、生產(chǎn)量和產(chǎn)物選擇性，其中裂解深度是關(guān)鍵參數(shù)。裂解深度主要受爐管出口溫度、廢熱鍋爐出口溫度、原料油密度、進(jìn)料量、汽烴比等變量影響。DCS在石化企業(yè)的普遍應(yīng)用以及其軟硬件設(shè)施的不斷完善和增強(qiáng)，為APC在DCS上的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了良好條件。APC在DCS上的深化應(yīng)用增加了APC的可操作性和方便性。某公司和華東理工大學(xué)合作在DCS平臺(tái)和服務(wù)器上，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模等智能控制技術(shù)對(duì)乙烯裂解爐裂解深度實(shí)施了APC控制，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。本文重點(diǎn)介紹了該公司乙烯裝置液體裂解爐實(shí)施裂解深度APC的原理、方法和效果。

1 乙烯裂解爐工藝簡(jiǎn)介

1.1 工藝流程

該公司乙烯生產(chǎn)裝置以石腦油、加氫裂化尾油、輕柴油和循環(huán)乙烷作為主要原料，生產(chǎn)乙烯及其相關(guān)產(chǎn)品，乙烯裝置的工藝流程如圖1所示。以SRT-IV型裂解爐為例簡(jiǎn)單介紹裂解爐的工藝流程： 該裂解爐可以裂解石腦油、加氫裂化尾油，有6組爐管，其中有1組爐管能裂解循環(huán)乙烷，對(duì)流段設(shè)有超高壓蒸汽過(guò)熱段。經(jīng)過(guò)加熱的烴物料在離開(kāi)原料預(yù)熱段后，與未經(jīng)過(guò)過(guò)熱的一次稀釋蒸汽混合，混合后一起進(jìn)入到預(yù)熱段上部。二次稀釋蒸汽在進(jìn)入到混合噴嘴前，先進(jìn)入到稀釋蒸汽過(guò)熱段，與預(yù)熱段上部出口的物料，一起進(jìn)入噴嘴混合器，原料在混合器中全部氣化，再進(jìn)入裂解爐輻射段的反應(yīng)管，在反應(yīng)管內(nèi)的烴類(lèi)原料急速升溫，產(chǎn)生乙烯、丙烯、丁二烯、甲烷、乙烷等關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的裂解反應(yīng)。為減少副反應(yīng)導(dǎo)致的產(chǎn)品損失，裂解氣需先經(jīng)過(guò)廢熱鍋爐回收熱量，再進(jìn)入急冷器降溫冷卻。裂解反應(yīng)在輻射段中進(jìn)行，為吸熱反應(yīng)。裂解爐的對(duì)流段，設(shè)有預(yù)熱烴類(lèi)原料、鍋爐給水、過(guò)熱稀釋蒸汽等一系列的加熱器，以滿足熱量回收的需要。

圖1 某公司乙烯裝置工藝流程示意

1.2 影響裂解深度的工藝因素

裂解反應(yīng)進(jìn)行的程度就是裂解深度。在裂解石腦油和加氫裂化尾油等液體原料時(shí)，通常分析裂解氣中的主要產(chǎn)品甲烷、乙烯和丙烯的收率對(duì)比關(guān)系來(lái)表征裂解深度，裂解深度一般用丙烯和乙烯的收率比或甲烷和丙烯收率比來(lái)表示，該系統(tǒng)采用的是丙烯和乙烯的收率比。液體原料裂解產(chǎn)物收率與反應(yīng)進(jìn)程關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以明顯看出，在裂解反應(yīng)的進(jìn)程中，甲烷和乙烯的收率一直在逐步上升，而丙烯收率上升到一定程度后開(kāi)始緩慢下降。因而當(dāng)裂解深度達(dá)到一定程度時(shí)，丙烯和乙烯的收率比基本可以表征裂解深度的高低。

裂解反應(yīng)的主要目的是獲取優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，因此有必要對(duì)影響裂解深度的主要工藝因素進(jìn)行有效分析和合理控制：

1) 裂解爐出口溫度。是指裂解原料經(jīng)過(guò)裂解爐輻射段裂解，到達(dá)急冷鍋爐之前的裂解氣溫度。在原料組分、爐型和停留時(shí)間比較固定的條件下，由于裂解爐出口溫度可以用熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量，基本能反映裂解反應(yīng)的程度，因而乙烯裝置常以裂解爐出口溫度作為控制裂解深度的重要指標(biāo)。

2) 橫跨溫度。橫跨溫度是裂解反應(yīng)剛開(kāi)始的溫度，橫跨溫度過(guò)高，裂解反應(yīng)將在裂解爐對(duì)流段內(nèi)進(jìn)行，導(dǎo)致延長(zhǎng)停留時(shí)間，促使二次反應(yīng)，該現(xiàn)象在反應(yīng)過(guò)程中應(yīng)避免；橫跨溫度過(guò)低，一部分輻射段爐管成為預(yù)熱段，反應(yīng)停留時(shí)間相對(duì)縮短，輻射段爐管無(wú)法有效發(fā)揮作用，從而影響了實(shí)際裂解深度。

3) 停留時(shí)間。停留時(shí)間是裂解物料從進(jìn)入爐子反應(yīng)段到離開(kāi)所需的時(shí)間，為避免反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致包括乙烯在內(nèi)的許多裂解產(chǎn)品裂解為炭和氫氣，造成不必要的損失,停留時(shí)間應(yīng)盡量短。

4) 稀釋比和烴分壓。稀釋比是稀釋蒸汽和裂解原料質(zhì)量流量的比值，稀釋比增大，可以提高爐管內(nèi)物流速度并可以降低膜溫，但是稀釋比過(guò)大，也會(huì)帶來(lái)一些不利因素，比如降低設(shè)備的生產(chǎn)能力，增加蒸汽及燃料消耗。裂解原料配入稀釋劑后的混合氣體處于高溫低壓狀態(tài)，接近于理想氣體，因此把烴和稀釋劑的混合氣體壓力叫做總壓，把混合氣體中烴的壓力叫做烴分壓。水蒸氣作為稀釋劑，不僅可以降低烴分壓和結(jié)焦程度，提高乙烯收率，還能穩(wěn)定裂解溫度，抑制原料中硫?qū)t管的腐蝕。

5) 爐出口壓力。是指裂解原料裂解后，裂解氣在進(jìn)入急冷鍋爐冷卻之前的壓力，該壓力是判斷急冷鍋爐或裂解爐結(jié)焦程度和清焦的有效檢測(cè)參數(shù)之一。

6) 急冷鍋爐出口溫度。裂解爐急冷鍋爐出口溫度是判斷裂解爐運(yùn)行周期的主要依據(jù)之一，型號(hào)確定的裂解爐急冷鍋爐出口溫度與裂解爐出口溫度、進(jìn)料量及稀釋比等參數(shù)有關(guān)。

因此裂解反應(yīng)條件應(yīng)該滿足高溫、短停留時(shí)間、低烴分壓的要求，且需要保證裂解溫度、汽烴比，即蒸汽和烴類(lèi)物質(zhì)質(zhì)量的比，保障生產(chǎn)負(fù)荷的平穩(wěn)。

2 乙烯裂解深度先進(jìn)控制策略

2.1 裂解深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測(cè)量模型

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從信息處理角度對(duì)人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象分析， 建立某種模型，按不同的連接方式組成不同的網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由大量的節(jié)點(diǎn)(或稱(chēng)神經(jīng)元)構(gòu)成，具有非線性、模擬并行性、容錯(cuò)性、魯棒性、自聯(lián)想、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)等特點(diǎn)。

在建立裂解深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測(cè)量模型的過(guò)程中，通過(guò)分析從現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，最終確定采用總進(jìn)料質(zhì)量流量、進(jìn)料密度、爐管平均出口溫度、廢熱鍋爐出口溫度、汽烴比等作為裂解深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測(cè)量模型的主要輔助變量。

裂解深度軟測(cè)量模型作為主導(dǎo)變量和輔助變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為

y(k)=f(ρ(k),qm總(k),t1(k),t2(k),R(k))

(1)

式中：y(k)——裂解深度軟測(cè)量值；ρ(k)——原料油密度，g/cm3；qm總——總進(jìn)料質(zhì)量流量，t/h；t1(k)——爐管平均出口溫度，℃；t2(k)——廢熱鍋爐出口溫度，℃；R(k)——汽烴比。

將采集到的輔助變量數(shù)據(jù)做歸一化處理，然后選擇采集的部分樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，保留一部分樣本對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試，保證獲得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型既有較好的訓(xùn)練精度，也可滿足預(yù)測(cè)精度要求，即模型要有良好的逼近能力和泛化能力。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算的裂解深度軟測(cè)量值不能直接應(yīng)用到裂解深度控制器中，必須經(jīng)過(guò)在線分析儀的分析值實(shí)時(shí)校正測(cè)量模型結(jié)果，校正公式如下：

SMT101=STT101+α(ST101-SDY101)

(2)

式中：SMT101——校正后的模型輸出；STT101——軟測(cè)量模型輸出；ST101——在線分析儀的分析值；SDY101——軟測(cè)量模型10 min之前的輸出值；α——校正系數(shù)。

α的取值為0～1，該值越大表示校正速度越快，但過(guò)大容易造成過(guò)程振蕩，因此須設(shè)為較合適的值，既能使校正過(guò)程發(fā)揮作用，又能防止過(guò)程波動(dòng)。

在軟測(cè)量模型投用過(guò)程中，同時(shí)開(kāi)發(fā)了裂解深度軟測(cè)量在線校正系統(tǒng)，即通過(guò)裂解氣在線分析儀實(shí)時(shí)校正軟測(cè)量模型結(jié)果。在線校正系統(tǒng)在乙烯裂解深度APC服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)。裂解深度軟測(cè)量及在線校正過(guò)程如圖3所示。

2.2 裂解深度控制方案

該公司乙烯裂解深度APC的控制方案策略如圖4所示。首先通過(guò)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)利用進(jìn)料特性、裂解爐負(fù)荷、出口溫度和橫跨溫度、汽烴比等主要相關(guān)變量計(jì)算當(dāng)前的裂解深度，然后利用在線分析儀的分析值對(duì)裂解深度預(yù)測(cè)模型的計(jì)算值進(jìn)行校正,并作為裂解深度控制器的輸入值，裝置操作人員通過(guò)深度控制器設(shè)定合適的SP值并將輸出作為出口溫度(COT)控制器的設(shè)定值，從而達(dá)到閉環(huán)控制。在裂解爐運(yùn)行末期，如果COT的設(shè)定值達(dá)到預(yù)設(shè)的控制上限，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以通過(guò)調(diào)整裂解爐總進(jìn)料質(zhì)量流量等實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定裂解深度的目標(biāo)。

圖4 裂解深度APC的控制方案示意

裂解深度控制器可以直接利用DCS中的PID模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)DCS組態(tài)模塊搭建裂解深度控制器，一方面簡(jiǎn)潔、實(shí)用、方便和安全，另一方面操作界面直觀優(yōu)化，維護(hù)量小。

裂解深度APC系統(tǒng)的模塊功能邏輯如圖5所示，主要功能模塊的作用如下：

1) 裂解深度預(yù)測(cè)模型。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用相關(guān)的輔助變量計(jì)算裂解深度，然后和裂解氣在線分析儀實(shí)際測(cè)量的裂解深度值進(jìn)行樣本訓(xùn)練比對(duì)，同時(shí)通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)，使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算值逐漸逼近裂解氣在線分析儀的輸出值。訓(xùn)練比對(duì)完成后，通過(guò)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)采集和分析檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)裂解深度的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

2) 裂解深度控制器。其輸入值為經(jīng)過(guò)裂解深度在線分析儀校正后的裂解深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測(cè)量計(jì)算值，其設(shè)定值可由操作人員根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定，或者由下一步實(shí)施的裂解深度實(shí)時(shí)在線優(yōu)化(RTO)系統(tǒng)根據(jù)裂解爐運(yùn)行最優(yōu)化指標(biāo)自動(dòng)設(shè)定，其輸出用來(lái)設(shè)定COT控制器的設(shè)定值SP。該模塊利用DCS中的功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有較好的可靠性和系統(tǒng)兼容性。

3) 在線分析儀異常監(jiān)測(cè)模塊。通過(guò)判斷分析裂解氣在線分析儀的測(cè)量值范圍和變化，及時(shí)給出在線分析儀出現(xiàn)異常的報(bào)警信息，從而中斷在線校正，避免裂解深度預(yù)測(cè)模型出現(xiàn)誤差，影響控制效果。

4) 人機(jī)界面。在DCS上通過(guò)組態(tài)為操作人員提供友好的操作界面，實(shí)時(shí)顯示裂解爐主要運(yùn)行參數(shù)的狀況和裂解深度控制器的運(yùn)行情況。

圖5 裂解深度APC系統(tǒng)的模塊功能邏輯示意

3 裂解深度先進(jìn)控制投用效果

乙烯裝置裂解深度APC系統(tǒng)投用以后，穩(wěn)定了裂解深度，在一定程度上減少了油品進(jìn)料屬性波動(dòng)造成的裂解深度波動(dòng)，提高了乙烯裝置的平穩(wěn)率和雙烯收率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了裝置能耗和物耗。

該公司經(jīng)過(guò)標(biāo)定，乙烯裂解深度先進(jìn)控制投用后,裂解深度能控制在±0.02范圍內(nèi),雙烯收率平均增加0.2個(gè)百分點(diǎn)，控制器投用率達(dá)到95%以上，每年可以給該公司乙烯裝置帶來(lái)大約1 023萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

該公司乙烯裝置采用APC系統(tǒng)結(jié)合多種裂解爐爐型和不同裂解油品開(kāi)發(fā)了裂解深度在線預(yù)測(cè)模型、裂解深度軟測(cè)量在線校正系統(tǒng)和裂解氣分析儀在線監(jiān)控系統(tǒng)等，提高了裂解深度控制系統(tǒng)的安全性，提高了高附加值產(chǎn)品的收率。