COT 溫度先進(jìn)控制在乙烯裂解爐中的應(yīng)用

謝 磊 員 鑫

（中國石油蘭州石化公司電儀事業(yè)部）

按照中國石油關(guān)于塔里木和長慶油田乙烷、液化氣和輕烴資源利用方案的要求，在產(chǎn)能不變的前提下，對某乙烯裝置進(jìn)行恢復(fù)性改造，將原有的6 臺年產(chǎn)2 萬噸乙烯KBR 毫秒爐更換為3臺年產(chǎn)4 萬噸的輕質(zhì)裂解爐，裂解原料采用長慶天然氣輕烴回收廠分離出的液化石油氣。 裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其能耗占裝置總能耗的50%～60%，降低裂解爐的能耗是降低乙烯生產(chǎn)成本的重要途徑之一。 隨著節(jié)能降耗任務(wù)的日趨緊迫，相關(guān)企業(yè)近年來積極開展裂解爐節(jié)能降耗的攻關(guān)，采取了一系列措施，效果明顯［1］。 穩(wěn)定裂解爐的COT 溫度和總進(jìn)料流量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各組爐管間溫度的均衡控制，采取先進(jìn)控制技術(shù)，優(yōu)化裂解爐操作， 能夠很好地提高乙烯和丙烯收率，使乙烯裝置生產(chǎn)能耗明顯下降。 因此， 充分利用DCS 與計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)，有針對性地開發(fā)APC 先進(jìn)控制和優(yōu)化系統(tǒng)，對充分發(fā)揮現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的運(yùn)行潛力， 有效實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、節(jié)能、降耗的目標(biāo)具有十分重要的意義，也是實(shí)現(xiàn)內(nèi)涵發(fā)展的必由之路［2］。

1 裂解爐工藝簡介

中國寰球工程有限公司的HQF-L Ⅱ型裂解爐的結(jié)構(gòu)主要分為對流段和輻射段兩部分。 裂解爐為單輻射室，全部采用底部燒嘴，輻射爐管為兩程， 爐管內(nèi)壁設(shè)有中國寰球工程有限公司的專利產(chǎn)品強(qiáng)化傳熱元件，提高傳熱效率和選擇性，降低結(jié)焦傾向，延長清焦周期，輻射段爐管強(qiáng)度計(jì)算按照API 530 進(jìn)行，爐管的設(shè)計(jì)壽命為100 000h。

裂解爐對流段由上至下，各盤管依次為原料預(yù)熱Ⅰ段、省煤器、原料預(yù)熱Ⅱ段、DS 過熱段、高壓蒸汽過熱Ⅰ段、 高壓蒸汽過熱Ⅱ段和HC+DS段。 在原料預(yù)熱單元預(yù)熱后的氣相輕烴（LPG）進(jìn)入裂解爐對流段的原料預(yù)熱Ⅰ段和Ⅱ段預(yù)熱，經(jīng)過兩段原料預(yù)熱后的LPG，再與過熱后的稀釋蒸汽混合進(jìn)入HC+DS 段。 在輻射段爐管反應(yīng)后出來的裂解氣首先進(jìn)入裂解氣急冷換熱器，與來自汽包的鍋爐給水換熱迅速冷卻并副產(chǎn)高壓蒸汽，再在裂解氣第二急冷換熱器經(jīng)高壓鍋爐給水冷卻到235℃后進(jìn)入急冷單元。 經(jīng)對流段省煤器預(yù)熱后的鍋爐給水進(jìn)到裂解氣第二急冷換熱器進(jìn)一步預(yù)熱，預(yù)熱后進(jìn)入汽包，汽包與裂解氣急冷換熱器形成熱虹吸系統(tǒng)，產(chǎn)生的高壓蒸汽經(jīng)汽包分液后進(jìn)入對流段高壓蒸汽過熱Ⅰ段，過熱后的蒸汽經(jīng)減溫器降溫后再進(jìn)入高壓蒸汽過熱Ⅱ段，由減溫器控制高壓蒸汽的最終出口溫度。

2 乙烯裂解爐先進(jìn)控制

2.1 裂解爐COT 控制方案

以F110 裂解爐為例， 介紹先進(jìn)控制方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施。 裂解爐爐膛輻射段出口有PASS1A、PASS3A 兩部分，其出口共有48 個(gè)COT 測量點(diǎn)，通過控制裂解爐爐管的進(jìn)料和進(jìn)裂解爐燃料氣的流量，實(shí)現(xiàn)COT 溫度穩(wěn)定控制的目的。 裂解爐采用立管式雙面輻射，每臺裂解爐有兩組進(jìn)料通道PASS1A 和PASS3A，每組24 根爐管，共計(jì)48根爐管，每根爐管出口安裝一支K 型貼壁式雙支熱電偶， 通過計(jì)算PASS1A 和PASS3A 通道上的平均溫度來進(jìn)行COT 溫度的實(shí)際控制。COT 平均溫度T 的計(jì)算公式為：

式中 Ti——第i 根爐管的溫度，℃。

裂解爐爐管平均COT 是裂解爐最關(guān)鍵的被控變量，通過COT 溫度先進(jìn)控制器，增強(qiáng)控制回路的抗擾動能力，縮短對其設(shè)定值變化的動態(tài)響應(yīng)過程，并提高控制精度［3］。COT 溫度先進(jìn)控制系統(tǒng)在輻射段共采用3 個(gè)COT 控制器，根據(jù)所選通道，采用不同的控制器進(jìn)行COT 控制。 而不同于其他裂解爐先進(jìn)控制方式的是，又增加了兩個(gè)不同的模式轉(zhuǎn)換，分別是壓力控制模式和流量控制模式，根據(jù)實(shí)際工況要求，采用不同的COT 控制器和控制模式，能有效抑制干擾，最大化地提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 COT 控制框圖如圖1 所示。

圖1 COT 控制框圖

2.2 爐膛盤管出口溫度控制

該年產(chǎn)24 萬噸乙烯項(xiàng)目基于裂解爐進(jìn)料配置，實(shí)現(xiàn)爐膛盤管出口溫度控制功能。 為了實(shí)現(xiàn)對爐膛輻射段出口溫度的有效控制，以裂解爐的4 組輕烴進(jìn)料FIC11106、11206、11306、11406 作為前饋， 給COT 控制器輸出一個(gè)先進(jìn)補(bǔ)充信號，以提前增大或降低燃燒量。通過在DCS 上對選擇開關(guān)HS-11030A 進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，由操作人員選擇不同的控制模式（共3 種通道切換模式），裂解爐的兩組進(jìn)料PASS1A 和PASS3A 對應(yīng)進(jìn)料控制會自動根據(jù)COT 溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2.1 復(fù)雜控制回路構(gòu)成說明

每臺裂解爐爐膛的COT 獨(dú)立控制， 爐膛由PASS1A 和PASS3A 兩部分組成。 每部分都有24個(gè)溫度檢測點(diǎn)， 根據(jù)24 個(gè)溫度測量值求得各自的COT 平均溫度。

TY11115 代表PASS1A 的24 個(gè)測溫點(diǎn)的平均值；TY11315 代表PASS3A 的24 個(gè)測溫點(diǎn)的平均 值；TY11327 是 對TY11115 和TY11315 兩 個(gè)值進(jìn)行再次平均計(jì)算出的平均值。

PASS1A 和PASS3A 共48 個(gè)測溫點(diǎn)的平均值為TY11327。 TIC11126 為PASS1A 的COT 控制器，其輸出作為PASS1A 進(jìn)料流量控制器的設(shè)定值；TIC11326 為PASS3A 的COT 控制器，其輸出作為PASS3A 進(jìn)料流量控制器的設(shè)定值。

爐膛輻射段出口的48 個(gè)爐管出口溫度測點(diǎn)的平均值作為TIC11327 的測量值， 控制器的輸出作為爐膛燃料流量的熱值控制器的設(shè)定值。

FHS-11011 為爐膛的COT 控制模式選擇開關(guān)，通過選擇不同的模式COT 將采用不同的控制方式。 FIC11106 和FIC11306 是PASS1A 的進(jìn)料流量控制器，F(xiàn)IC11206 和FIC11406 是PASS3A的進(jìn)料流量控制器。

FIC11011 為進(jìn)爐膛的燃料氣流量控制器。PIC11011A 為進(jìn)爐膛的燃料氣壓力高超馳控制器。 PIC11011B 為進(jìn)爐膛的燃料氣壓力低超馳控制器。PIC11011C 為進(jìn)爐膛的燃料氣壓力控制器。整個(gè)復(fù)雜回路有48 個(gè)溫度檢測點(diǎn)、4 個(gè)流量檢測點(diǎn)、6 臺調(diào)節(jié)閥、13 個(gè)調(diào)節(jié)器、5 個(gè)切換開關(guān)和2個(gè)高低選擇開關(guān)。

2.2.2 COT 先進(jìn)控制方案的實(shí)現(xiàn)

HS-11030A 選擇位置1。 PASS1A 被選中，通道一COT 控制器TIC11126 的輸出值作為流量控制器FIC11011 的給定值， 通過串級控制來調(diào)節(jié)燃料氣流量設(shè)定值。 而PASS3A 的COT 控制器TIC11326 與流量控制器FIC11306 和FIC11406進(jìn)行串級控制， 調(diào)節(jié)通道三進(jìn)料流量的設(shè)定值，同時(shí)PASS1A 的進(jìn)料流量控制器FIC11106 和FIC11206 進(jìn)入自動調(diào)節(jié)模式。

HS-11030A 選擇位置2。 PASS3A 被選中，通道三COT 控制器TIC11326 的輸出值作為流量控制器FIC11011 的給定值， 通過串級控制調(diào)節(jié)燃料氣流量設(shè)定值。 而PASS1A 的COT 控制器TIC11126 與流量控制器FIC11106 和FIC11206進(jìn)行串級控制， 調(diào)節(jié)通道一進(jìn)料流量的設(shè)定值，同時(shí)PASS3A 的進(jìn)料流量控制器FIC11306 和FIC11406 進(jìn)入自動調(diào)節(jié)模式。

HS-11030A 選擇位置3。 PASS1A 和PASS3A通道都被選中， 爐膛平均值COT 控制器TIC11327 的測量值是通過 TIC11126 和TIC11326 的平均值再次平均， 通過流量控制器FIC11011 調(diào)節(jié)燃料氣流量。通道一和通道三的進(jìn)料流量控制器都被打到自動模式。

2.2.3 熱量控制

根據(jù)FHS-11011 控制模式選擇開關(guān)，模式開關(guān)置1 時(shí)， 通過HS-11030A 選擇開關(guān)選擇TIC11126 或TIC11326 或TIC11327 相對應(yīng)的溫度控制器串級控制FIC11011； 模式開關(guān)FHS-11011 置2 時(shí)， 通過PIC11011A/B/C 燃料氣壓力控制器調(diào)節(jié)燃料氣流量設(shè)定值。

PIC11011A 是一個(gè)燃料氣壓力高超馳控制器。 當(dāng)燃料氣壓力比允許的極限值（300kPa）高時(shí)，PIC11011A 將通過低信號選擇器PY-11011A來控制閥門FV-11011A/B，降低燃料氣流量。

PIC11011B 是一個(gè)燃料氣壓力低超馳控制器。 當(dāng)燃料氣壓力比允許的極限值（10kPa）低時(shí)，PIC11011B 將通過高信號選擇器PY-11011B 來控制閥門FV-11011A/B 增加燃料氣流量。

FY-11011C 和FY-11011D 是FHS-11011 的分程輸出功能塊。 如圖2 所示，F(xiàn)Y-11011C 將輸入的25%～100%轉(zhuǎn)換成0%～100%的輸出值發(fā)送給FV-11011A。 FY-11011D 將輸入的0%～25%轉(zhuǎn)換成0%～100%的輸出值發(fā)送給FV-11011B。

圖2 F110 裂解爐燃料氣分程控制

3 裂解爐COT 控制在DCS 上的實(shí)施

乙烯3 臺裂解爐DCS 主要是利舊原橫河CS3000 系統(tǒng)的FCS01 和FCS02 兩臺控制站改造，為了滿足先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用，每臺裂解爐配置1 臺PC 機(jī)作為操作員站，為乙烯裝置裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)提供計(jì)算運(yùn)行環(huán)境。 操作員站與工程師站建立以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送［4］。

F110 裂解爐COT 控制的部分邏輯如圖3 所示。

圖3 F110 裂解爐COT 溫度控制邏輯框圖（部分）

無論裂解爐COT 控制采用哪種通道模式，一旦裂解爐觸發(fā)SD-1 聯(lián)鎖 （此時(shí)裂解爐僅切斷進(jìn)料）， 系統(tǒng)程序會自動將控制模式切換到模式3，即 HS-11030A 選 擇 位 置 3，COT 控 制 器TIC11126、TIC11326、TIC11327 會自動調(diào)節(jié)DCS的PID 塊，使之進(jìn)入自動控制模式，同時(shí)將COT設(shè)定值給定為820℃， 調(diào)節(jié)閥將根據(jù)偏差值自動進(jìn)行調(diào)節(jié)［5］。

4 結(jié)束語

COT 先進(jìn)控制方案在乙烯裂解爐中實(shí)施，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，選擇不同的控制模式，極大地提高了COT 的控制效果，提高了控制精度和平穩(wěn)性，增強(qiáng)了回路的抗干擾能力，從而進(jìn)一步保證了乙烯和丙烯產(chǎn)品的收率及其合格率，經(jīng)濟(jì)效益顯著提升，而且節(jié)能降耗效果明顯，延長了裝置的生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)了低碳、安全、高效生產(chǎn)，為進(jìn)一步優(yōu)化控制奠定了良好的基礎(chǔ)。