基于近紅外分析儀的裂解爐先進控制和實時優(yōu)化技術

楊金城，王振雷

(1． 中國石化揚子石化有限公司 烯烴廠，南京210048；2. 華東理工大學，上海200237)

2013年，由中國石化揚子石化有限公司和華東理工大學共同開發(fā)的揚子石化新區(qū)5臺SLII型100kt/a裂解爐先進控制(APC)和實時優(yōu)化(RTO)及冷區(qū)精餾塔系統(tǒng)的APC控制項目順利通過了專家組的驗收，標志著國內(nèi)乙烯裝置的單元優(yōu)化和APC又往前推進了一大步。由于乙烯裂解爐是高耗能裝置，其能耗約占整個乙烯裝置能耗的46%，是企業(yè)經(jīng)營管理中的難點。實施乙烯APC，裂解爐的APC最為關鍵。在線近紅外光譜儀(NIR)的應用實現(xiàn)了以光譜模型指導生產(chǎn)優(yōu)化的新模式，為實施裂解爐優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件。通過實現(xiàn)APC和優(yōu)化控制，可以優(yōu)化原料的利用、產(chǎn)品結構，多生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，減少能耗物耗。同時，穩(wěn)定均衡的COT溫度控制，可以延長裂解爐的運行周期，減少清焦的次數(shù)，充分擴大裂解爐的效能和減少設備的老化、損壞，減少維修工程量，實現(xiàn)增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

1 NIR的作用和配置方案

1.1 NIR的作用

由于該公司煉油能力規(guī)模偏小，煉油裝置向乙烯裝置供應裂解料的能力嚴重不足，因此，乙烯裝置需要采用多種方法配置裂解料。其中大部分原料來自于煉油裝置，其他原料有從芳烴裝置提供重整原料，還有部分原料從多種渠道采購，這些不穩(wěn)定來源的裂解原料導致油品的組分分析(POINA)變化較大，含水量較高，導致生產(chǎn)操作管理難度大，操作上無法實現(xiàn)最優(yōu)化的運行模型。NIR的應用可以及時地識別各種原料的POINA變化，并通過APC優(yōu)化模型實時地在線調(diào)整相應的裂解深度，使生產(chǎn)始終處于最優(yōu)狀態(tài)。

1.2 NIR配置方案

該項目采用Bruker的Matrix-F在線傅立葉NIR系統(tǒng)，由于原料油品管線共5條，對應設置了5個檢測流路，配置了5個檢測探頭。Bruker光譜儀探頭與雙路光纖構成1個測量回路，光纖的另一端直接接在儀器上。探頭一側(cè)為光譜輸入端，另一側(cè)為光譜輸出端，儀器通過對輸出光譜和輸入光譜的比對，測量出光譜的變化，經(jīng)過模型的計算得出油品的POINA變化值。

該儀器是一體化、免維護的光譜儀器，采用藍寶石作為光譜通過的檢測窗口，油品通過藍寶石時會產(chǎn)生不同程度的吸收光譜。插入式探頭檢測光譜通過藍寶石的衰減光譜信息得到所需的油品信息，檢測過程中無需任何預處理設施，無需定期維護儀器，是一種先進的、工業(yè)化在線應用的NIR。該項目中共配置了5路藍寶石探頭，其中2路檢測石腦油(NAP)，一路檢測輕石腦油(LNAP)，另外兩路檢測加氫尾油，系統(tǒng)構建方案如圖1所示。

圖1 在線NIR檢測及其與優(yōu)化控制系統(tǒng)通信原理示意

依據(jù)圖1中分析，Bruker光譜儀系統(tǒng)由儀器部分、主工作站、副工作站和5個測量探頭構成。探頭與主機、主機與主站、主站與從站之間采用光纖通信方式傳輸數(shù)據(jù)。探頭與儀器之間的光纖距離不應超過60m，儀器必須安裝在靠近測量現(xiàn)場的防爆分析小屋內(nèi)。主工作站與儀器之間的距離不應超過500m。主工作站、從工作站均安裝在機柜間中，與DCS之間通過Modbus RTU方式進行通信。圖1中的主工作站對應于乙烯新區(qū)的TPS系統(tǒng)通信，從工作站對應于乙烯老區(qū)的TPS系統(tǒng)進行通信。

NIR系統(tǒng)通常配置2對內(nèi)置式光纖接口，可擴展升級到6對光纖接口。儀器配備高靈敏度，電子控制冷卻的InGaAs檢測器為標準配置。光譜分析儀光譜范圍： 1.28×104～4.00×103cm-1(780nm～2500nm)；分辨率： 2cm-1(0.3nm 在1250nm處)。

NIR是一款精密的光譜分析儀器，無繁瑣的維護要求，且具有極好的抗振性能，適合在工業(yè)現(xiàn)場使用。由于乙烯裂解料中會含有一些水、雜質(zhì)和其他污染物，會影響光譜通過探頭檢測窗口，影響譜圖的準確性，因此在預處理裝置設置時要安裝好粗、細兩級過濾裝置，且過濾裝置應設計成Y型結構，便于維護。

1.3 光譜儀與DCS的通信方案設計

NIR采用ModbusRTU通信協(xié)議方式與工廠的DCS通信。由于該公司乙烯裝置分老區(qū)和新區(qū)兩個系列，Honeywell的TPS控制系統(tǒng)也分為老區(qū)和新區(qū)兩個部分，因此NIR的工作站也設置了新區(qū)和老區(qū)兩臺工作站，以實現(xiàn)與各自對應的DCS相互通信。

1.4 需要檢測的POINA指標

該項目在線NIR系統(tǒng)設置5個通道，用于新、老乙烯裝置上在線檢測裂解原料的POINA各項指標(包括正構烷烴、異構烷烴、烯烴、芳烴、環(huán)烷烴、密度、HK、餾程10%、餾程30%、餾程50%、餾程70%、餾程90%、KK等)，具體采樣通道數(shù)及分析項目見表1所列。

表1 NIR的分析內(nèi)容

2 裂解爐APC和RTO的實現(xiàn)方案

石油烴在隔絕空氣和高溫條件下，分子發(fā)生分解反應，生成烷烴、烯烴和炔烴等石化產(chǎn)品，其過程稱為裂解。乙烯裂解爐的功能主要是將烴類原料預熱后和稀釋蒸汽混合，在高溫下分解成乙烯、丙烯等產(chǎn)品[1]。揚子石化的裂解爐主要有中石化與Lummus共同研制成的SLII型大型裂解爐、ABB Lummus的SRTIII爐、SRTIV爐和Technip的GKVI型爐。

裂解爐APC與RTO技術分為裂解爐溫度和負荷先進控制，裂解深度先進控制和裂解深度在線優(yōu)化技術三個層次，圖2為裂解爐APC和RTO控制模型框圖。

圖2 裂解爐APC和RTO實施方案示意

2.1 裂解爐溫度與負荷先進控制

裂解爐裂解氣出口溫度控制(COT)是乙烯裂解生產(chǎn)中最核心、最重要的控制方案。由于石油裂解過程中，6組物料通過6組并行進料管線進入裂解爐進行裂解反應，在裂解之前進料需要注入一定比例的稀釋蒸汽稀釋油品的黏度，以提高裂解過程的效率，減低烴分壓，減少管壁結焦。不同油品需要注入的蒸汽量是不一致的，注入稀釋蒸汽混合后的物料先進入爐膛的對流段預熱，然后進入輻射段裂解，產(chǎn)生裂解氣。該生產(chǎn)過程中各爐管溫度的變化會產(chǎn)生強耦合現(xiàn)象，強耦合對穩(wěn)定裂解控制非常不利，需要APC模型解除各組爐COT管溫度之間的耦合，實現(xiàn)解耦控制；同時由于熱電偶的測量存在大純滯后，使作為控制主參數(shù)的COT出口溫度不能有效地作為高品質(zhì)的測量參數(shù)及時調(diào)節(jié)燃料氣控制閥的動作。如果不實行APC，裂解爐的正常生產(chǎn)就無法進行,因此APC是裂解生產(chǎn)過程中關鍵的控制方案，但這一方案由于需要根據(jù)開車投產(chǎn)之后的數(shù)據(jù)建模來開發(fā)，所以無法在EPC工藝包中預購，必須在投產(chǎn)以后進行開發(fā)。

負荷APC是對溫度控制影響較大的另一個關聯(lián)參數(shù)，負荷決定了爐出口溫度COT的變化。在正常的生產(chǎn)過程中，不允許負荷發(fā)生大的變化，在工藝負荷變化時，通常是通過負荷控制器中均勻的操作，不允許使用突變增減方案。因此要控制好COT溫度，首先要確定好生產(chǎn)負荷。

圖3中顯示了裂解爐APC模型，圖中下半部分是熱值軟測量模型和熱值前饋控制方案，其輸出信號分別作為底部燃料氣和側(cè)壁燃料氣的SP值，并作為爐底部和側(cè)壁燃料氣的比值控制信號，以確定底部熱負荷和側(cè)壁熱負荷的比值關系，通常為6∶4或者7∶3左右。圖3中左側(cè)部分表示溫度均衡先進控制方案。

爐管溫度均衡控制器輸出的信號通過增量加法器平均分配到各進料控制器作為該控制器給定值，并經(jīng)二次計算后分配到各組稀釋蒸汽控制器進行相關的控制動作。

2.2 影響裂解深度的主要因素

2.2.1影響裂解深度的主要因素

影響裂解深度的主要因素有COT溫度、爐型、停留時間(總負荷情況下測試得到)。裂解原料有5個物理屬性，POINA值代表直鏈烷烴的品質(zhì)全組分構成，各字母分別代表： P ——正構鏈烷烴(N-Paraffin，簡稱烷烴)，較易裂解生成乙烯、丙烯；O ——烯烴(Olefin)，裂解困難，易造成結焦；I——異構烷烴(Isomerism alkane)，裂解困難；N——環(huán)烷烴(Naphthene)，環(huán)己烷裂解生成乙烯、丁二烯、芳烴，環(huán)戊烷裂解生成乙烯、丙烯，但環(huán)烷烴裂解的乙烯、丙烯及碳四的收率不如烷烴高，而且容易生成芳烴；A——芳烴(Aromatics)，裂解困難，易生成重質(zhì)芳烴，并造成結焦和影響烴分壓(汽烴比)等。

圖3 裂解爐APC流程示意

2.2.2衡量裂解深度的技術指標

裂解深度的技術指標有丙烯/乙烯質(zhì)量比(輕質(zhì)油爐)，簡稱丙乙比；甲烷/丙烯質(zhì)量比(重質(zhì)油爐)，簡稱甲丙比。以上兩個比值指標是控制裂解深度的關鍵參數(shù)。

2.3 控制裂解深度的意義

1) 裂解爐操作的目標。保證在一定運行周期的前提下，使裂解爐操作收益最大化，實現(xiàn)增加產(chǎn)品收率、降低能耗的目標。

2) 在油品屬性變化頻繁的操作環(huán)境下，在應用COT均衡控制技術下，保證了COT的穩(wěn)定但不能同時保證裂解深度穩(wěn)定一致，需要通過實時計算裂解深度的質(zhì)量比值來控制裂解深度，以免引發(fā)過反應或者欠反應。

3) 在線色譜分析兩個流路的測量滯后時間一般為20min左右，在線質(zhì)譜分析儀滯后時間一般在5min以內(nèi)，無論選擇哪一種分析儀器都有純滯后時間，而裂解爐反應停留時間只有0.38s左右，因此不能直接采用在線分析儀的輸出結果控制裂解爐的操作，在線分析數(shù)據(jù)可以通過補償、校正后作為測量信息。

根據(jù)以上分析，乙烯、丙烯產(chǎn)率效果最佳的區(qū)域就在圖4中陰影棒區(qū)的左側(cè)，乙烯產(chǎn)率和丙烯產(chǎn)率同時處于最高點，超過陰影棒區(qū)就是過反應區(qū)了。

圖4 裂解反應進程

2．4 基于Smith神經(jīng)網(wǎng)絡的裂解深度預估控制策略

基于Smith神經(jīng)網(wǎng)絡的裂解深度預估控制策略如圖5所示，圖5中Tf1，Tf2是濾波時間常數(shù)，Tf1為30～60min，Tf2為1～2min。

圖5 基于Smith神經(jīng)網(wǎng)絡的裂解深度預估控制策略

在圖5中，將一臺裂解爐的APC方案縮小成一個以裂解爐為控制對象的串級控制回路，COT溫度控制是主回路，裂解深度控制器是副回路。主回路的測量回路是COT溫度測量熱電偶，裂解深度的測量信號是裂解氣在線分析儀分析出來的數(shù)據(jù)經(jīng)補償運算后的信號，并結合了在線NIR提供的油品屬性信息和裂解爐階躍測試結果信息，得出裂解深度預測模型綜合運算后的測量信息。

2．5 基于Elman網(wǎng)絡的裂解深度預測模型獲取

1) 裂解深度模型輔助變量的選取。裂解深度模型輔助變量的選取依據(jù)以下變量得到：

輸入變量： COT溫度、原料油品密度、停留時間(總進料量)、汽烴比、廢鍋出口壓力等。

輸出變量： 丙烯/乙烯質(zhì)量比和甲烷/丙烯質(zhì)量比。

輸入變量和輸出變量之間的關系要結合爐型來確定。由于各種爐型對原料的選擇性、能耗控制要求的不同，因此產(chǎn)率有很大差別。

裂解深度預測模型主變量與輔助變量之間的關系式：

y(k)=f(D(k)，F(xiàn)(k)，T1(k)，P(k)，R(k))

(1)

式中：y(k)——裂解深度軟測量值；D(k)——原料油密度，g/cm3；F(k)——進料流量，t/h；T1(k)——爐管平均出口溫度，℃；P(k)——廢鍋出口壓力，kPa；R(k)——汽烴比。

2) 裂解深度神經(jīng)預測模型如圖6所示。

圖6 裂解深度神經(jīng)預測模型

3) Elman型回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(RNN)非線性狀態(tài)空間表達式：

Y(t)=G(W3X(t))

(2)

X(t)=F(W1XC(t)+W2U(t-1))

(3)

XC(t) =X(t-1)=

(4)

4) Elman型RNN學習指標函數(shù)選用誤差平方和函數(shù)：

(5)

5) 權值修正方案，使用改進型小生境遺傳算法。

最后還需對裂解深度預測模型輸出進行在線校正。

3 操作界面的功能設計

該項目是基于Honeywell TPS控制系統(tǒng)開發(fā)的，由于現(xiàn)有條件的局限性，沒有使用APC工作站作為先進控制操作站，而是將先進控制程序直接嵌入DCS的HPM控制器中。在后來開發(fā)的RTO優(yōu)化控制中應用了專用的優(yōu)化控制服務器，該服務器與DCS之間通過OPC接口進行通信。操作界面設計如圖7，圖8所示。

圖7中顯示了BA1101～BA1105共5臺裂解爐APC的運行狀態(tài)，將操作功能劃分3個區(qū)： 上部區(qū)域是裂解爐運行狀態(tài)區(qū)，提供了油品變化信息，有LNAP,NAP,減壓柴油(HVGO)等，還顯示了裂解爐COT溫度信息、進料量和稀釋蒸汽DS的使用量。中部區(qū)域是裂解深度控制投用狀態(tài)區(qū)，SEVC代表裂解深度數(shù)據(jù)，投用正常顯示綠色的NORMAL，投用不正常顯示紅色的ERROR；深度控制投用時顯示ON狀態(tài)，沒投用顯示OFF狀態(tài)；COTSP LIMIT顯示是否觸發(fā)溫度高限值。下部區(qū)域是優(yōu)化控制RTO投用狀態(tài)區(qū)和APC&RTO投用狀態(tài)區(qū)4個區(qū)域，RTO投用時顯示ON狀態(tài)，不投用顯示OFF狀態(tài)。SEVSP LIMIT 顯示了裂解深度的報警限制信息，在正常范圍內(nèi)顯示綠色的NORMAL，不正常顯示紅色的LOW，其他信息有APC投用率、SEVC投用率、RTO投用率。

圖7 基于DCS的APC操作總界面

圖8 BA1102爐具體操作信息

圖8顯示窗口分為5個區(qū)域，裂解深度投用條件確認區(qū)、裂解深度控制單元區(qū)、爐管出口溫度和進料類型區(qū)、在線分析故障情況狀態(tài)信息顯示區(qū)和在線分析儀表狀態(tài)區(qū)。最上面的WARNING,READY和RUN分別表示報警退出、允許投用和已經(jīng)運行三種工作狀態(tài)。

操作界面的設計需要給操作員工提供簡單明了的操作信息、APC系統(tǒng)的狀態(tài)信息及為操作員工提供容易判斷的基本操作信息。

4 裂解爐深度優(yōu)化設計

RTO主要用于解決裝置一級的過程優(yōu)化問題，通常這些都是大型、非線性過程的優(yōu)化，其主要功能[2]：

1) 定期自動更新關鍵工藝參數(shù)的設定值，使整個裝置達到總體經(jīng)濟效益最大。

2) 對于原料、公用工程以及設備等的變化及時作出響應，保證整個裝置始終在最優(yōu)工藝參數(shù)下運行。

3) 當產(chǎn)品、原料的價格等因素發(fā)生變化時，能及時計算，并調(diào)整相關工藝參數(shù)和產(chǎn)品產(chǎn)量，保證裝置的總體經(jīng)濟效益最大。

4) 隨時監(jiān)督設備性能。

5) 早期識別操作中存在的問題。

6) 根據(jù)油品品質(zhì)選擇深度控制目標。

丙烯/乙烯質(zhì)量比或甲烷/丙烯質(zhì)量比(控制指標的裂解深度)是控制裂解爐運行的重要指標，通過調(diào)節(jié)該指標可以控制乙烯、丙烯的產(chǎn)出比例和產(chǎn)出量。過高的裂解深度會影響裂解爐的運行壽命，過低的裂解深度則影響產(chǎn)出的產(chǎn)品產(chǎn)量，并會增加裂解爐的能耗，影響生成成本[3]。通常在沒有應用NIR之前，輕質(zhì)油品裂解過程控制選用丙乙比作為深度控制指標，重質(zhì)油品裂解過程控制選用甲丙比作為深度控制指標。

裂解爐在運行過程中，由于裂解原料屬性和裂解爐運行狀態(tài)的變化，單一的裂解深度很難保證裂解爐運行在優(yōu)化狀態(tài)。裂解深度過低，反應不完全，乙烯產(chǎn)率偏低，產(chǎn)生大量的液體副產(chǎn)品，增加了后續(xù)分離的負荷；裂解深度過高，盡管乙烯產(chǎn)率高，但丙烯產(chǎn)率低、重組分結焦量增加，裂解爐運行周期縮短。

建立裂解爐產(chǎn)品產(chǎn)率預測模型，并通過裂解氣在線分析系統(tǒng)輸出對其進行在線校正，并利用裂解原料屬性變化和裂解爐狀態(tài)，針對一定的性能指標對裂解爐裂解深度進行實時滾動優(yōu)化，實現(xiàn)裂解爐的優(yōu)化運行。

裂解爐靈敏度分析根據(jù)爐出口溫度、爐出口壓力、蒸汽量、爐進料量、爐橫跨溫度5個參數(shù)進行，影響情況見表2所列。

表2 5個參數(shù)變化對乙烯、丙烯產(chǎn)率的影響

為實現(xiàn)裂解爐區(qū)域的優(yōu)化控制，需要將建立區(qū)域中的裂解爐的統(tǒng)一結構框架，實現(xiàn)區(qū)域中爐群的控制優(yōu)化，圖9表示了乙烯新區(qū)5臺裂解爐的RTO框架。圖10為實時優(yōu)化操作界面。

圖9 裂解深度RTO系統(tǒng)框架

圖10 深度優(yōu)化RTO操作界面

圖10中，左側(cè)為原料信息區(qū)，右側(cè)為RTO操作區(qū)，右下側(cè)為RTO投用條件確認區(qū)，左下側(cè)為優(yōu)化結果數(shù)據(jù)。

圖11為結合經(jīng)濟目標函數(shù)的操作界面，可在中部區(qū)域進行優(yōu)化指標選擇，右側(cè)為產(chǎn)品的市場價格，下側(cè)為定義優(yōu)化指標，使用極大值函數(shù)法計算。圖12為以石腦油為原料生產(chǎn)乙烯、丙烯和高附產(chǎn)品產(chǎn)生的產(chǎn)率變化曲線。

圖11 結合經(jīng)濟目標函數(shù)的操作界面

圖12 乙烯、丙烯和高附產(chǎn)品產(chǎn)率變化

5 實施裂解爐優(yōu)化控制需要具備的外部條件

實現(xiàn)裂解爐APC和RTO是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要在裂解爐運行穩(wěn)定以后逐步投用。設備本體的要求： 裂解爐在投料以后已經(jīng)處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，底部燒嘴和側(cè)壁燒嘴燃燒正常，爐管壁溫度全部正常、風門擋板機構運行正常、全部測量儀表和控制儀表均處于正常狀態(tài)。

從控制系統(tǒng)來分析，要求燃料氣調(diào)節(jié)閥全部處于自動狀態(tài)，燃料氣前饋控制已經(jīng)投用；進料、DCS各控制回路全部投入自動狀態(tài)，各調(diào)節(jié)閥都具有可調(diào)節(jié)的余量；爐出口溫度COT穩(wěn)定均衡運行，COT與原料的串級控制全部投用，爐膛內(nèi)氧含量處于正常值范圍內(nèi)，爐出口在線色譜儀運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)正常，NIR等運行正常，即可開始逐步投用優(yōu)化控制，投用之后需要將當時對應的產(chǎn)品價格信息輸入模型中，使生產(chǎn)按照模型進行綜合的優(yōu)化控制。

在線油品NIR和裂解氣在線色譜儀是實施APC和RTO的重要基礎條件。在線NIR測量的是油品質(zhì)量的前饋信息，根據(jù)該信息可以預估裂解的產(chǎn)率。在線色譜儀測量的信號作為裂解后為APC系統(tǒng)提供的反饋信息，以判斷裂解效果與預測效果是否一致。要實現(xiàn)裂解爐優(yōu)化控制，兩種儀器缺一不可。但這兩種儀表價格昂貴、技術含量高，需要專業(yè)的技術人員負責進行建模和維護。

NIR需要使用化學計量學模型進行建模，通常由專業(yè)的技術人員駐廠負責開發(fā)模型。由于油品變化極其頻繁，模型庫必須不斷地校正和補充，并由化驗技術人員取樣分析進行實時驗證才能校正模型。模型的開發(fā)必須滾動進行，至到所有的油品庫建成之后，才無須進行樣品校正的工作。

至今該廠NAP建模和LNAP建模的開發(fā)工作已經(jīng)取得了一定的成效，模型庫得到了較好的補充，使乙烯新區(qū)裂解爐的優(yōu)化工作得以順利開展。加氫尾油模型開發(fā)工作還在進行中，因而使用加氫尾油作裂解料的裂解爐還不具備開展優(yōu)化控制的條件。

6 結束語

由于每一套乙烯裝置都有很多裂解爐，所配置的裂解爐種類比較多，大多數(shù)裂解爐在運行過程中又需進行原料適應性改造，因此建模過程通常會比較復雜，項目開發(fā)周期相對會比較長。在APC和RTC運行過程中，受原料變化頻繁、儀表故障、風門擋板機構動作不靈等外界條件的影響比較多，導致APC投用不了，需停爐檢查各種設備和儀表是否正常工作。

實時優(yōu)化所需要的近紅外油品模型非常多，在選用NIR時應強調(diào)油品模型的數(shù)量和開發(fā)保障能力，否則影響APC的投用。在APC模型開發(fā)和運行過程中，合作方提供的技術支持是非常重要的，在立項時一定要確定好各種研究的內(nèi)容，對技術保障周期和服務條款必須在合同中嚴格規(guī)定。

參考文獻：

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[2] 黃德先，王京春，金以慧.過程控制系統(tǒng)[M].北京： 清華大學出版社，2011.

[3] 楊金城.石化行業(yè)乙烯裂解氣在線分析系統(tǒng)性能評價及存在問題分析[J].石油化工自動化，2009(06)： 1-2.