乙烯裂解爐自動燒焦專家控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

智茂軒 蔣明敬 陸向東 朱 偉 趙 眾 陳德坤

（1.中石化鎮(zhèn)海煉化分公司； 2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

乙烯作為石油化工行業(yè)最重要的單體之一，在全世界有著巨大的需求量和生產(chǎn)量，乙烯的產(chǎn)能也成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平的重要指標(biāo)。 目前，世界上廣泛使用的乙烯生產(chǎn)技術(shù)主要分為管式裂解爐蒸汽熱裂解法和深冷分離法兩種，其中采用管式裂解爐蒸汽熱裂解法制取乙烯占到了乙烯總產(chǎn)量的98%以上。

在管式裂解爐蒸汽熱裂解法的生產(chǎn)過程中，裂解原料和水蒸氣相互混合，經(jīng)過管式裂解爐對流段的預(yù)熱后，在輻射段發(fā)生脫氫反應(yīng)或碳鏈斷裂反應(yīng)，并產(chǎn)生大量烯烴。 反應(yīng)過程中還同時有其他重要石油化工原料產(chǎn)生，如苯、甲苯、二甲苯、乙炔及丁二烯等。 在裂解爐輻射段爐管內(nèi)，裂解反應(yīng)需要較高的反應(yīng)溫度，同時伴隨發(fā)生副反應(yīng)。 在裂解過程中會發(fā)生聚合、縮合等二次反應(yīng)，導(dǎo)致裂解爐爐管內(nèi)壁上附著一層焦炭，影響后續(xù)生產(chǎn)過程，此過程即為結(jié)焦［1，2］。 由于我國石油原料中輕烴組分含量較低，在裂解過程中結(jié)焦現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。 管式裂解爐的生產(chǎn)周期分為裂解和清焦兩個階段。 在裂解階段，結(jié)焦會導(dǎo)致裂解爐爐管內(nèi)壁逐漸沉積一層焦炭，使裂解爐爐管內(nèi)徑減小，裂解裝置處理量降低；焦炭厚度逐漸累積會使?fàn)t管熱阻增強并且降低傳熱效率。 這些直接導(dǎo)致乙烯裝置的產(chǎn)量降低和能耗增加， 縮短乙烯裝置的生產(chǎn)周期， 甚至?xí)绊懓踩a(chǎn)。 因此， 在裂解爐爐管內(nèi)壁焦炭累積到一定厚度時必須停產(chǎn)清焦［3］。 裂解過程和乙烯產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量相關(guān)，而清焦過程則關(guān)系著乙烯裝置的停產(chǎn)時間，影響乙烯裝置的生產(chǎn)周期。 在清焦過程中，過長的持續(xù)時間和過高的清焦溫度都會降低裂解爐管壁的使用壽命，增加能源消耗，甚至有燒穿爐管壁的風(fēng)險，對乙烯裝置造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，威脅整個生產(chǎn)過程的安全。 因此，在保證操作安全的情況下，盡可能地優(yōu)化清焦過程，降低能耗和生產(chǎn)成本，增加裂解爐的生產(chǎn)周期，提高裝置生產(chǎn)操作管理水平等，具有十分重大的研究意義和廣闊的發(fā)展空間［4］。

1 管式裂解爐清焦技術(shù)

近年來，管式裂解爐蒸汽熱裂解技術(shù)在乙烯生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，但乙烯裂解爐清焦技術(shù)卻一直沒有重大突破［5］。目前，乙烯裂解爐主要有4 種清焦工藝：蒸汽清焦法［6］、蒸汽-空氣清焦法、水力或機械清焦法和催化清焦法。

蒸汽-空氣清焦法是目前使用最為廣泛的裂解爐清焦工藝， 也是本項目所采用的清焦方法。蒸汽-空氣清焦法通過在清焦氣中加入空氣，減少稀釋蒸汽的方法提高清焦過程的溫度。 乙烯裂解爐的清焦過程主要受空氣流量影響，清焦空氣與稀釋蒸汽在裂解爐爐管內(nèi)混合，清焦過程中空氣中的氧氣與爐管壁沉積的焦炭反應(yīng)，完成裂解爐爐管的清焦過程［5］。該工藝具有操作簡單、易于控制及清焦速度快等優(yōu)點。 使計算機控制可以應(yīng)用于清焦過程，為裂解爐在線自動清焦控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)提供了工藝基礎(chǔ)。 蒸汽-空氣清焦法主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

蒸汽-空氣清焦法控制參數(shù)趨勢如圖1 所示。

圖1 蒸汽-空氣清焦法控制參數(shù)趨勢

2 工業(yè)裂解爐自動燒焦專家控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中石化鎮(zhèn)海煉化分公司烯烴部的BA104 管式裂解爐采用Honeywell PKS 系統(tǒng)， 針對BA104管式裂解爐設(shè)計的自動燒焦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 自動燒焦方案

2.2.1 基礎(chǔ)回路PID 控制器性能評價與優(yōu)化

裂解操作爐管中進行的是石腦油等原料的裂解過程，而燒焦操作爐管中進行的則是焦炭的燃燒過程。 裂解爐由裂解切換到燒焦時，所用基礎(chǔ)回路的控制器是相同的，但是回路的對象特性已經(jīng)改變，所以基礎(chǔ)回路需要進行控制器性能評價與優(yōu)化整定，使得后續(xù)在線控制器的控制方案能夠很好地執(zhí)行。

圖2 自動燒焦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 基于專家控制的自動燒焦系統(tǒng)

專家控制系統(tǒng)是一類包含知識和推理的智能計算機程序，其內(nèi)部含有大量專家水平的知識和經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理問題。 本項目采用的專家控制器由知識庫（KB）、控制規(guī)則集（CRS）、推理機（IE）和特征識別與信息處理 （FR＆IP）4 部分組成， 如圖3所示。

自動燒焦知識庫用于存放工業(yè)過程控制領(lǐng)域的知識，由經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫（DB）、學(xué)習(xí)與適應(yīng)裝置（LA）組成。經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫主要存儲燒焦經(jīng)驗和數(shù)據(jù)集；學(xué)習(xí)與適應(yīng)裝置的功能是根據(jù)在線獲取的裂解爐出口溫度 （Coil Outlet Temperature，COT）信息，補充或修改知識庫內(nèi)容，改進燒焦系統(tǒng)的性能，進而提高問題的求解能力。

自動燒焦專家控制器的知識庫用產(chǎn)生式規(guī)則建立，這種表達方式有較高的靈活性，每條產(chǎn)生式規(guī)則都可獨立地增刪、修改，使知識庫的內(nèi)容便于更新。

控制規(guī)則集是對燒焦對象的各種控制模式和經(jīng)驗的歸納、總結(jié)。 由于規(guī)則條數(shù)不多，搜索空間很小，推理機構(gòu)就十分簡單。 本項目采用正向推理方法逐次判別各種規(guī)則的條件， 滿足則執(zhí)行，否則繼續(xù)搜索。

圖3 自動燒焦專家控制器結(jié)構(gòu)框圖

特征識別與信息處理模塊的作用是實現(xiàn)對COT 檢測信息的提取與加工，為燒焦控制決策和學(xué)習(xí)適應(yīng)提供依據(jù)，它主要抽取COT 動態(tài)過程的特征信息，識別系統(tǒng)的工況狀態(tài)，并對特征信息做必要的計算和分析。

自動燒焦專家控制器的被控變量為60 根爐管的COT 升溫斜率；操縱變量為蒸汽流量控制回路設(shè)定值、空氣流量控制回路設(shè)定值和COT 設(shè)定值。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)

基于圖3 的自動燒焦專家控制器結(jié)構(gòu)， 開發(fā)了基于DCS 順控邏輯的自動燒焦專家控制系統(tǒng)。裂解爐自動燒焦專家控制系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)裂解爐的自動燒焦，其過程包括啟動前檢查、COT 溫度要求判定、 啟動自動燒焦啟發(fā)式規(guī)則和手/自動切換， 同時設(shè)置狀態(tài)顯示按鈕表明燒焦過程所處狀態(tài)。 裂解爐自動燒焦專家控制系統(tǒng)的主控操作界面、 系統(tǒng)啟動檢查操作界面和系統(tǒng)燒焦規(guī)則界面分別如圖4～6 所示。 為了實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的保密，筆者將實際數(shù)據(jù)隱藏，但趨勢是真實的。

圖4 系統(tǒng)主控操作界面

圖5 系統(tǒng)啟動檢查操作界面

圖6 系統(tǒng)燒焦規(guī)則界面

3 工業(yè)應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)回路PID 控制器性能評價與優(yōu)化

利用CPA 控制器性能評估軟件［7］對BA104管式裂解爐的燒焦基礎(chǔ)回路進行了性能評價，評價匯總?cè)鐖D7 所示，詳細的分回路計算如圖8～11所示。 從評價結(jié)果可以看出，燒焦基礎(chǔ)回路運行良好，僅需對空氣回路進行PID 參數(shù)微調(diào)。

圖7 BA104 管式裂解爐的燒焦基礎(chǔ)回路控制性能評價

圖8 BA104 管式裂解爐的蒸汽回路控制性能評價

圖9 BA104 管式裂解爐的空氣回路控制性能評價

3.2 自動燒焦控制結(jié)果

乙烯裂解爐自動燒焦專家控制系統(tǒng)在中石化鎮(zhèn)海煉化分公司烯烴部的BA104 管式裂解爐上應(yīng)用，BA104 管式裂解爐的燒焦專家控制器蒸汽和空氣輸出如圖12 所示，COT 控制效果如圖13 所示。

圖10 BA104 管式裂解爐的COT 回路控制性能評價

圖11 BA104 管式裂解爐的燃料氣回路控制性能評價

圖12 BA104 管式裂解爐燒焦專家控制器蒸汽和空氣輸出

圖13 BA104 管式裂解爐燒焦專家控制器COT 控制結(jié)果

從實際應(yīng)用結(jié)果可以看出，COT 變化平穩(wěn)，沒有大幅跳變。 該系統(tǒng)的投運，保證了燒焦過程的安全進行。

4 結(jié)束語

針對中石化鎮(zhèn)海煉化分公司烯烴部的BA104 管式裂解爐的生產(chǎn)現(xiàn)狀、存在的問題及其需求， 設(shè)計實現(xiàn)了基于蒸汽-空氣清焦法的裂解爐自動燒焦專家控制系統(tǒng)，并設(shè)計了適合于工業(yè)應(yīng)用的自動燒焦控制軟件。 實際應(yīng)用表明：從人工手動燒焦升級為基于專家控制的自動燒焦技術(shù)，實現(xiàn)了操作的規(guī)范化，降低了生產(chǎn)操作的波動，保證了操作的安全，為下一步實現(xiàn)快速燒焦奠定了基礎(chǔ)。 該系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，為實現(xiàn)工業(yè)裂解爐自動燒焦提供了一條新的有效途徑。