唐昭（中沙（天津）石化有限公司，天津300271）

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乙烯裂解爐裂解深度的先進(jìn)過(guò)程控制與優(yōu)化

唐昭
（中沙（天津）石化有限公司，天津300271）

摘要：乙烯裂解裝置的先進(jìn)控制與優(yōu)化系統(tǒng)（APC）能夠?qū)崿F(xiàn)裝置穩(wěn)定運(yùn)行，減少裝置的波動(dòng)。結(jié)合產(chǎn)品最新市場(chǎng)情況，合理調(diào)整裂解深度優(yōu)化方向，借助APC控制系統(tǒng)模型、SPYRO模型和進(jìn)料分析儀，實(shí)現(xiàn)不同原料動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)裂解深度穩(wěn)定優(yōu)化操作。

關(guān)鍵詞：裂解爐；APC控制系統(tǒng)；SPYRO模型；裂解深度

1　先進(jìn)過(guò)程控制與優(yōu)化系統(tǒng)

1.1SPYRO模型與先進(jìn)過(guò)程控制與優(yōu)化系統(tǒng)

SPYRO（Steam Pyrolysis，蒸汽裂解）軟件是一個(gè)基于自由基機(jī)理的模擬軟件，含有3500多個(gè)反應(yīng)，200余種自由基和分子。在已知原料組成的前提下，能預(yù)測(cè)和模擬從C2到石腦油、柴油和加氫尾油在各爐型的熱裂解過(guò)程；可以通過(guò)輸入現(xiàn)有裂解原料性質(zhì)及操作工況來(lái)模擬產(chǎn)物分布，進(jìn)而確定最佳操作工況，并監(jiān)控裂解爐運(yùn)行狀態(tài)。

公司通過(guò)投用離線(xiàn)SPYRO軟件模型，并與PIMS軟件結(jié)合，優(yōu)化確定了各裂解原料的最優(yōu)裂解深度。裂解爐操作中，裂解原料的組成性質(zhì)及裂解爐操作工況參數(shù)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的。為了確保裂解爐穩(wěn)定在最優(yōu)裂解深度下操作，需要設(shè)計(jì)并實(shí)施在線(xiàn)online- SPYRO軟件模型（SAPC）結(jié)合APC。

1.2控制目標(biāo)

從常規(guī)控制的單純的裂解爐出口溫度（COT）操作，到先進(jìn)控制的裂解深度（P/E）的控制，使得裂解反應(yīng)的操作條件更加穩(wěn)定和均一，產(chǎn)物的組成更加穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)裂解爐運(yùn)行穩(wěn)定，減少波動(dòng)。在運(yùn)行約束內(nèi)，優(yōu)化控制，卡邊操作，達(dá)到減少?gòu)U料、增加產(chǎn)量、增加效益的目的；同時(shí)顯著增加人員、環(huán)境、設(shè)備的安全性。

裂解爐先進(jìn)控制策略如下：

①通過(guò)PID和支路平衡的整定減少裂解爐COT偏差；②通過(guò)最小化煙道氣氧含量?jī)?yōu)化燃料氣消耗；③優(yōu)化裂解深度；④控制裂解爐的進(jìn)料流量到目標(biāo)值；⑤控制爐管管壁溫度TMT，減少結(jié)焦；⑥穩(wěn)定操作，提高裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。

通過(guò)圖1和表1可以看出，APC控制程序通過(guò)控制裂解爐的進(jìn)料流量和TMT溫度,達(dá)到優(yōu)化裂解深度、減少結(jié)焦和過(guò)剩氧含量最小化，提高了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2　裂解深度優(yōu)化控制

2.1裂解深度動(dòng)態(tài)優(yōu)化流程

由于乙烯或丙烯市場(chǎng)供需關(guān)系的急劇變化，乙烯裝置產(chǎn)品相對(duì)價(jià)格也經(jīng)常變化，因此根據(jù)乙烯及丙烯的市場(chǎng)需求，裂解爐采用最大化乙烯模式或者最大化丙烯模式進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)以上信息，裂解爐的優(yōu)化目標(biāo)就成為從原料中得到最大的產(chǎn)品價(jià)值以應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化。因此，必須在爐子的約束條件下，優(yōu)化爐子的裂解深度。SAPC模型能夠每分鐘進(jìn)行計(jì)算來(lái)提供實(shí)時(shí)的裂解深度。當(dāng)裂解爐出口有分析數(shù)據(jù)或化驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)時(shí)，SAPC模型計(jì)算可在線(xiàn)更新（如SAPC模型中的COT偏置項(xiàng)等）。若原料在線(xiàn)分析數(shù)據(jù)及分析結(jié)果與SAPC聯(lián)用，便可實(shí)時(shí)地反映裂解深度隨原料變化的情況（見(jiàn)圖2）。

通常，較低的裂解爐出口溫度導(dǎo)致較高的丙烯產(chǎn)量，但是也高度依賴(lài)進(jìn)料組成。因此，聯(lián)合使用在線(xiàn)SPYRO模型與APC，通過(guò)穩(wěn)定COT來(lái)穩(wěn)定P/E比，并提高P/E比，可以帶來(lái)丙烯產(chǎn)量的增加。

2.2結(jié)合市場(chǎng)調(diào)整優(yōu)化方向

通過(guò)圖3可以看出，以石腦油為例，隨著裂解深度的降低（即PE Ratio提高），乙烯、氫氣、甲烷、重餾分和#2重餾分的收率降低，而丙烯，混合C4和粗裂解汽油的收率提高。傳統(tǒng)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)便是乙烯最大化產(chǎn)量，但從SPYRO的離線(xiàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于石腦油裂解爐，當(dāng)COT平均值在835℃的時(shí)候，每降低1℃的COT，將帶來(lái)下列結(jié)果：增加丙烯0.09％；增加混合C40.07％；增加C6～C8（粗裂解氣）0.04％；減少乙烯0.13％；減少甲烷0.07％；減少H20.004％；減少重餾分和#2重餾分產(chǎn)量較少，可忽略不計(jì)。

為了反映總體效益，使用一個(gè)系數(shù)0.9進(jìn)行綜合考慮，按8000h/年，400t/h進(jìn)料和表2中各產(chǎn)品價(jià)格為例計(jì)算。

每年最大化丙烯產(chǎn)量的效益=0.9*8000h*400t/h* （C3H6*8239元+ Mixed C4*6308元- C2H4*9044元-Methane*870元- Hydrogen*13416元+ Crude pygas *5976）= 0.9*8000*400*（0.09％*8239+0.07％*6308 + 0.04％*5976- 0.13％*9044- 0.07％*870- 0.004％*13416）=3796589元

從計(jì)算結(jié)果可以看出，降低1℃的COT，能夠帶來(lái)約380萬(wàn)元的年效益，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

2.3確立各種原料最優(yōu)裂解深度（COT）

根據(jù)液化氣、石腦油和加氫尾油各裂解原料性質(zhì)，通過(guò)離線(xiàn)SPYRO模擬計(jì)算出各原料在不同裂解深度下的產(chǎn)品分布，結(jié)合原料、產(chǎn)品最新市場(chǎng)價(jià)格及投料負(fù)荷安排，通過(guò)ASPEN- PIMS軟件優(yōu)化出在裝置效益最大化下的各裂解原料裂解深度作為控制目標(biāo)。結(jié)合各裂解爐實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)APC優(yōu)化調(diào)整各爐COT，使各裂解原料裂解深度達(dá)到設(shè)定值。具體流程及結(jié)果如圖4和表3。

3　結(jié)論

通過(guò)實(shí)施先進(jìn)控制項(xiàng)目，提高了乙烯裝置生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人為的操作失誤和生產(chǎn)過(guò)程上下游的相互干擾，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置卡邊操作，提高產(chǎn)品產(chǎn)量，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)施先進(jìn)控制項(xiàng)目后還實(shí)現(xiàn)了裂解爐負(fù)荷的智能分配，在提高裝置處理能力的同時(shí)，延長(zhǎng)了裂解爐的運(yùn)行周期。實(shí)施先進(jìn)控制是企業(yè)信息化應(yīng)用中一項(xiàng)投入少、增效快的重要措施。大量實(shí)踐證明，先進(jìn)控制能為企業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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The Advanced Process Control and Optimization for Cracking Depth of Furnace in Ethylene Plant

TANG Zhao
（SIPNOPECSABICTianjin Petrochemical Co.，Ltd.，Tianjin 300271，China）

Abstract:To design and implement the APC system in ethylene plant cracking section，stabilize the operation and decrease the fluctuation. Combining with latest market price，adjust the optimization direction continuously. By APC model，SPYRO model and feed analyzer，realize the dynamic state real time optimized operation.

Key words:furnace；APCcontrol system；SPYROmodel；crackingdepth

作者簡(jiǎn)介：唐昭（1985-），男，畢業(yè)于北京化工大學(xué)，博士研究生，工程師，從事乙烯裝置裂解爐裂解深度優(yōu)化控制及SPYRO與APC項(xiàng)目工作，13352027997，zhao.tang@ss- tpc.com。

收稿日期：2015- 11- 16

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ203.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008- 553X（2016）02- 0042- 03

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.02.013