46萬t/a乙烯裝置裂解爐先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用及分析

方建林，李曉軍，楊 軍，郭德科

（中國石油蘭州石化公司乙烯廠，甘肅蘭州 730060）

46萬t/a乙烯裝置裂解爐先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用及分析

方建林，李曉軍，楊 軍，郭德科

（中國石油蘭州石化公司乙烯廠，甘肅蘭州 730060）

裂解爐COT溫度均衡控制是提高“雙烯”收率、降低能耗的一條重要途徑。介紹了蘭州石公司46萬t/a乙烯裝置裂解爐的工藝特點(diǎn)，先進(jìn)控制系統(tǒng)在裂解爐上的應(yīng)用，并對應(yīng)用效果進(jìn)行了分析和評價。同時就先進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中存在的問題進(jìn)行了剖析，并提出了相應(yīng)的解決措施。

乙烯裝置；裂解爐；先進(jìn)控制系統(tǒng)；應(yīng)用

中國石油蘭州石化公司的46萬t/a乙烯裝置，由美國KBR公司提供工藝包和裂解爐、脫甲烷系統(tǒng)及深冷分離、乙烯分離及制冷單元的基礎(chǔ)設(shè)計。中國寰球工程公司負(fù)責(zé)預(yù)熱單元、急冷單元、壓縮堿洗單元、冷熱分離單元、公用工程單元的基礎(chǔ)設(shè)計以及全部的詳細(xì)設(shè)計。裝置于2005年3月開工建設(shè)，2006年11月18日投料開車。

裝置主要由原料預(yù)處理、裂解（SC-1型管式裂解爐）、急冷（KBR公司專利技術(shù)）、壓縮、分離（四段壓縮，雙塔前脫丙烷、前加氫、先進(jìn)的脫乙烷塔、低壓乙烯塔及乙烯壓縮機(jī)構(gòu)成開式熱泵等工藝技術(shù)）和公用工程組成。

裝置裂解爐采用DeltaV DCS控制系統(tǒng)，主要的控制回路、檢測參數(shù)和聯(lián)鎖與報警功能皆由此系統(tǒng)完成。為了滿足裝置連續(xù)運(yùn)行的要求，筆者設(shè)計了相應(yīng)的溫度、壓力、液位及流量等參數(shù)的單回路控制系統(tǒng)。由于裂解爐原來所設(shè)計的COT溫度串級回路無法投到“自動控制”模式，導(dǎo)致COT溫度的波動比較大，而且沒有用多個通道的支路平衡控制，因而各通道之間的流量差和溫差是由操作人員手動進(jìn)行調(diào)節(jié)的。燃料熱值是基于燃料組成推算獲得，由于計算值與實(shí)際估算值差距較大，所以也沒有采用熱值控制。

為保證裂解爐的平穩(wěn)運(yùn)行，在先進(jìn)控制系統(tǒng)投用之前是由操作人員根據(jù)個人經(jīng)驗頻繁調(diào)整的，不但無法保證操作的一致性，相關(guān)操作人員的工作量也非常大。COT的控制精度低，很難實(shí)現(xiàn)裝置效益的最大化。乙烯裝置裂解爐的控制要求包括：穩(wěn)定裂解爐的COT溫度和總進(jìn)料流量，同時實(shí)現(xiàn)各組爐管間溫度的均衡控制，提高“雙烯”的收率同時降低能耗。

在此，筆者根據(jù)中國石油蘭州石化乙烯裝置裂解爐控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和控制要求，同時借鑒國外實(shí)施乙烯裂解爐先進(jìn)控制和優(yōu)化的經(jīng)驗設(shè)計并應(yīng)用適合裝置特點(diǎn)和要求的先進(jìn)控制技術(shù)。

1 先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用

中國石油蘭州石化公司的46萬t/a乙烯裝置裂解爐采用SC-1型管式裂解爐，其工藝流程分為原料預(yù)熱、對流段、輻射段、高溫裂解氣急冷及熱量回收等部分。裝置設(shè)計的原料為丙烷、LPG、石腦油和加氫尾油，4種原料均以液體形式進(jìn)入乙烯裝置進(jìn)料儲罐，不同原料經(jīng)過原料緩沖罐脫除水和雜質(zhì)，以便降低原料變化對下游生產(chǎn)的影響。經(jīng)原料泵加壓后送出進(jìn)入原料預(yù)熱系統(tǒng)，預(yù)熱換熱器則利用可得到的低溫位熱量來預(yù)熱裂解爐原料，預(yù)熱到99℃進(jìn)入裂解爐。石腦油和加氫尾油原料是以液相形態(tài)進(jìn)入裂解爐中，而丙烷和LPG進(jìn)料是以氣態(tài)形式進(jìn)入裂解爐。

中國石油蘭州石化公司的46萬t/a乙烯裝置裂解爐的工藝特點(diǎn)：①原料種類多，裂解反應(yīng)復(fù)雜。原料和生成物都參與反應(yīng)，因此反應(yīng)控制困難。②裂解反應(yīng)過程是吸熱過程，要求提高反應(yīng)溫度，縮短停留時間，反應(yīng)的控制更困難，反應(yīng)加熱采用多組爐管，因此爐管間相互有關(guān)聯(lián)，而且對反應(yīng)深度有影響。③應(yīng)促使一次反應(yīng)的進(jìn)行，抑制二次反應(yīng)的發(fā)生，這就要求嚴(yán)格控制稀釋劑水蒸氣的用量，即控制汽烴比。④全部采用底部火嘴，如此爐管出口溫度的平衡控制就有困難。

針對上述工藝特點(diǎn)，由遼寧石油化工大學(xué)與中國石油蘭州石化公司組成了46萬t/a乙烯裂解爐先進(jìn)控制項目組，協(xié)作完成了先控平臺搭建、五臺乙烯裂解爐基礎(chǔ)回路參數(shù)整定、模型測試、DCS邏輯切換及操作界面組態(tài)下裝和先進(jìn)控制算法的投運(yùn)等工作。

在首臺裂解爐102B先進(jìn)控制系統(tǒng)投用后，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況在其它裂解爐101B、103B、104B、105B相繼試投運(yùn)期間，對燃料熱值波動、進(jìn)料組分波動增加了相應(yīng)的補(bǔ)償控制，提高了COT溫度的控制精度。

2 先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用效果及評價

46萬t/a乙烯裝置先進(jìn)控制要求在單一原料裂解爐及氣液相通道裂解的裂解爐上實(shí)現(xiàn)COT的先進(jìn)控制功能，包括COT偏差控制、各通道COT均衡控制、裂解爐總進(jìn)料控制等功能。優(yōu)化控制各進(jìn)料管的流量和燃料氣進(jìn)料量，使裂解爐的COT溫度偏差控制在±1℃以內(nèi)；在裂解原料切換、裂解原料物性波動、以及其它波動對裂解爐運(yùn)行產(chǎn)生大干擾的情況下，COT偏差控制在±3℃以內(nèi)；在正常情況下，裂解爐總進(jìn)料流量波動范圍在1％以內(nèi)；在總進(jìn)料流量的提/降量過程中，總進(jìn)料流量波動范圍在3％以內(nèi)。

先進(jìn)控制系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)輻射段爐管出口溫度（COT）的自動優(yōu)化控制，減少了手動操作過程中各參數(shù)間的相互影響，各通道的COT控制指標(biāo)已實(shí)現(xiàn)“卡邊”操作，COT設(shè)定值較未投先控前平均提高了2℃，即將液相通道COT由865±3℃，提高至目前的（867±1）℃，將氣相通道COT由870～875℃，提高至目前的（875±1）℃。

乙烯裝置裂解爐采用先進(jìn)控制技術(shù)之后，能達(dá)到增強(qiáng)裝置抗干擾能力、平穩(wěn)操作，減少關(guān)鍵工藝參數(shù)波動，從而為提高裂解爐的熱效率、降低爐管結(jié)焦速率、延長裂解爐投用時間、提高雙烯收率奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。且采用先進(jìn)控制也降低了人工調(diào)整頻率，提高了裝置的自動化水平。

項目實(shí)施后，對于該項目效果進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明，5臺裂解爐的先進(jìn)控制器能夠?qū)OT標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在±1℃以內(nèi)。并且在各種干擾因素影響下，如原料和燃料組分及壓力波動、爐膛負(fù)壓波動、氧含量不足或過剩導(dǎo)致的爐膛火焰燃燒不均勻等，COT先進(jìn)控制器運(yùn)行效果非常理想。平均COT測量值與平均COT設(shè)定值、各通道COT與平均COT測量值的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差都非常小，數(shù)據(jù)見表1。

表1 五臺裂解爐八個通道COT溫度總體分布及偏差

圖1 先控系統(tǒng)投用前后效果對比

由圖1可以看出，相對DCS人工控制，先進(jìn)控制系統(tǒng)對COT的控制非常有效，表現(xiàn)為各通道COT曲線積聚，各通道間的COT偏差很小，各通道的COT控制指標(biāo)已實(shí)現(xiàn)卡邊操作。圖1中COT大幅波動是由于裂解爐切換、提降量或工藝出現(xiàn)大波動造成的。

先進(jìn)控制系統(tǒng)投用后，COT控制精度達(dá)到了±1℃，隨著裂解爐COT控制精度的提高，對于目的產(chǎn)品收率的提高、裂解爐生產(chǎn)周期的延長，以及裝置能耗、物耗的降低都有很大益處。

根據(jù)中石油化工研究院蘭州化工研究中心提交的《乙烯廠石腦油裂解評價報告》，“在0.50水油比條件下，裂解溫度每提高5℃，乙烯收率增加0.60％左右。本次石腦油裂解時丙烯收率較低，但是隨著裂解溫度的提高，丙烯收率下降的趨勢非常小”結(jié)論，圖2～圖3為各產(chǎn)物變化趨勢。

圖2 乙烯收率隨裂解溫度變化趨勢

圖3 丙烯收率隨裂解溫度 變化趨勢

由圖2可知，裂解溫度每提高5℃，乙烯收率增加0.60％左右，且溫度升高與乙烯收率提高之間線性關(guān)系良好。先進(jìn)控制系統(tǒng)投用后，實(shí)現(xiàn)輻射段爐管出口溫度（COT）的自動優(yōu)化控制，各通道的COT控制指標(biāo)已實(shí)現(xiàn)“卡邊”操作，COT設(shè)定值較未投先控之前平均提高了2℃，則乙烯收率提高約0.24％。

另外，先進(jìn)控制系統(tǒng)投用后，改變了操作人員需要頻繁調(diào)整各通道原料量以及燃料氣量來精確控制COT溫度的操作模式，COT指標(biāo)的工藝平穩(wěn)率從先進(jìn)控制系統(tǒng)投用之前的88.73％提升至95.01％，避免了人工調(diào)整的滯后性和不穩(wěn)定性，裝置工藝平穩(wěn)率大幅度提高。先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前后乙烯裝置雙烯收率和乙烯綜合能耗詳見表2：

表2 近幾年乙烯裝置雙烯收率及能耗數(shù)據(jù)

3 存在問題

3.1 爐膛火焰燃燒不穩(wěn)定

裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)投用以后，個別裂解爐由于火焰燃燒不穩(wěn)定，先進(jìn)控制器投用受到影響甚至無法投用，但是經(jīng)過技術(shù)人員對燒嘴風(fēng)門進(jìn)行多次調(diào)整和摸索，總結(jié)出了一套較為準(zhǔn)確的調(diào)整火焰的方法，由于火焰原因?qū)е孪冗M(jìn)控制系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定或者無法投用的問題基本得以解決。圖4為2#裂解爐風(fēng)門調(diào)整后COT變化曲線：

圖4 2#爐COT曲線圖

如圖4所示，雖然經(jīng)過調(diào)整火焰后2#爐COT波動情況得到一定的改善，但仍然不太理想。后來發(fā)現(xiàn)在先控未投用的情況下，二號爐COT溫度漂移的情況也非常頻繁，技術(shù)人員也找不到很好的應(yīng)對措施，在先控投用的情況下，該擾動也極大地影響了先控的控制精度，單靠先進(jìn)控制系統(tǒng)無法予以較好地解決，目前只有通過頻繁調(diào)整火焰來克服。主要存在問題是目前燒嘴的火焰燃燒狀況不理想，準(zhǔn)備下一步對燒嘴進(jìn)行改造，以從根本上解決火焰燃燒不穩(wěn)定的問題。

3.2 裂解原料變化大

3.2.1 氣相原料總管壓力波動

通過對歷史操作數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)4#、5#裂解爐E/P爐前總管壓力（110PIC001）波動對氣相通道COT的影響比較大，且該擾動無法消除。如丙烷管線爐前總管壓力（110PIC001）波動，曾經(jīng)造成裂解爐氣相通道進(jìn)料量波動較大，導(dǎo)致正在裂解氣相原料的4#爐因干擾太大先進(jìn)控制系統(tǒng)自動切除，5#爐先進(jìn)控制系統(tǒng)控制精度嚴(yán)重變差。

3.2.2 原料組分變化

目前1#、3#、5#爐液相裂解原料共用103F（原料緩沖罐），103F有三股進(jìn)料，分別是石腦油、外購輕烴/拔頭油、公司內(nèi)部互供拔頭油。一般情況后兩股輕質(zhì)裂解原料不進(jìn)行流量控制，103F的液位是通過調(diào)整石腦油FIC127進(jìn)料來控制。由于原來原料緩沖罐液面控制回路靈敏度太高，當(dāng)輕烴和拔頭油流量發(fā)生變化時，石腦油進(jìn)料量也隨之改變以穩(wěn)定103F液面，此時將造成原料組分在短時間內(nèi)發(fā)生較大變化，導(dǎo)致裂解爐COT的波動，先控系統(tǒng)控制精度受到很大影響。通過對液面控制器進(jìn)行兩次PID參數(shù)整定，在考慮裝置出現(xiàn)最大波動時原料緩沖罐不出現(xiàn)空罐或滿罐的情況下，適當(dāng)降低了液面控制器的靈敏度，減緩了原料組成變化的幅度，改善了先控系統(tǒng)控制精度。但裂解爐COT溫度對原料組成的變化非常敏感，先控系統(tǒng)無法較好的克服此類問題對COT控制精度的影響。

4 結(jié)論

從表1可以看出：5臺裂解爐COT先進(jìn)控制器連續(xù)投運(yùn)期間，在各種干擾因素存在下，如原料和燃料組分及壓力波動、爐膛負(fù)壓波動、氧含量不足或過剩導(dǎo)致的爐膛火焰燃燒不均勻等，COT先進(jìn)控制器運(yùn)行效果非常理想。

從運(yùn)行曲線、實(shí)時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析結(jié)果可以得出如下結(jié)論：正常情況下，5臺裂解爐COT先控實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在1度以內(nèi)的目標(biāo)；大擾動下，標(biāo)準(zhǔn)偏差的控制也在3度以內(nèi)；控制效果非常理想；加工總量平穩(wěn)，波動率低于0.5％；裂解爐運(yùn)行工況穩(wěn)定的前提下，標(biāo)定時先進(jìn)控制投用率達(dá)到99.5％。

總之，先進(jìn)控制系統(tǒng)在蘭州石化46萬t/a乙烯裝置上得到了成功的應(yīng)用。實(shí)施后，重要的生產(chǎn)參數(shù)自動維持在工藝的許可范圍內(nèi)，使生產(chǎn)更加安全，運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)。過程變量的波動幅度明顯減少，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊操作，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品產(chǎn)量，從而提高了裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

Application and Analysis of Cracking Furnace Advanced Process Control Technology in 460KT/Year Ethylene Plant

Fang Jian-lin，Li Xiao-jun，Yang Jun，Guo De-ke

Cracking furnace COT temperature balance control is an important way to improve ethylene-propylene yield and reducing energy consumption.This paper introduces the process of 46KT/year cracking plant of Lanzhou Petrochemical Company，application of advanced control system in ethylene cracking furnace.Meanwhile，it analyzes and evaluates he application effect of advanced control system.Finally，it analyzes the existing problems in the actual operation of advanced control system and puts forward the corresponding solutions.

ethylene plant；cracking furnace；advanced control；application

TQ113.25

A

1003-6490（2016）08-0044-03

2016-08-08

方建林（1967—），男，甘肅蘭州人，工程師，主要從事生產(chǎn)運(yùn)行和計劃統(tǒng)計管理工作。