乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件現(xiàn)狀及其應用

王小強 田亮 程中克 常桂祖 李博 孟宏

中國石油蘭州化工研究中心

乙烯工業(yè)的發(fā)展狀況反映了一個國家石油化工工業(yè)的水平，乙烯產(chǎn)量的大小是衡量一個國家石油化工工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。乙烯工業(yè)的龍頭是乙烯裂解裝置，其核心是裂解爐，對裂解爐進行優(yōu)化運行技術攻關，是保證乙烯裂解裝置高效、平穩(wěn)、安全、長周期穩(wěn)定運行的重要手段。面對乙烯工業(yè)裝置規(guī)模不斷擴大和原料復雜、工藝多變以及受市場影響更大的發(fā)展趨勢，利用計算機模擬優(yōu)化的方法，對乙烯裂解爐進行模擬優(yōu)化，將優(yōu)化結(jié)果運用于工業(yè)裂解爐操作實際，為裂解工藝的迅速調(diào)整和優(yōu)化，提供可靠的優(yōu)化運行方案，實現(xiàn)乙烯原料的優(yōu)化配置及乙烯裂解爐的優(yōu)化運行，受到乙烯生產(chǎn)企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)的普遍重視。

乙烯裂解爐操作計算機控制技術始于20世紀60年代初。此后，乙烯裂解爐計算機模擬優(yōu)化技術逐漸發(fā)展起來。裂解爐計算機模擬優(yōu)化軟件開發(fā)的核心，是裂解反應動力學模型。裂解反應動力學模型是裂解爐設計、模擬及優(yōu)化的關鍵，是整個裂解爐模擬計算中最為重要的部分，也是模擬結(jié)果是否精確、可靠的決定因素。裂解反應動力學模型分為自由基機理模型、分子反應模型及經(jīng)驗模型。以這3種模型為基礎，研究人員進行了深入的技術研發(fā)，一些乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件成功地得到了工業(yè)應用。

1 KTI公司SPYRO乙烯裂解模擬軟件

1.1 SPYRO軟件基本原理及工業(yè)應用

基于自由基機理模型的荷蘭KTI公司開發(fā)的SPYRO乙烯裂解模擬軟件，是目前應用較為廣泛的裂解爐模擬優(yōu)化軟件之一。SYPRO 軟件是在乙烯裂解過程半機理模型的基礎上開發(fā)的過程模擬軟件, 廣泛應用于乙烯裂解原料分析和裂解性能評價，主要包括了不同性質(zhì)乙烯裂解原料分析評價、跟蹤計算，為裂解溫度調(diào)整、裂解爐優(yōu)化運行、提高乙烯和丙烯雙烯收率以及降低裝置能耗和物耗提供了技術支持[1]。

SPYRO乙烯裂解模擬軟件是用于乙烯裂解爐的穩(wěn)態(tài)專用過程模擬軟件，包含大約3000個裂解化學反應方程，涉及128個烴類組分。實際應用中，SPYRO 軟件以效益最大化為原則，可用于乙烯裂解原料和裂解爐運行參數(shù)的優(yōu)化。在裂解產(chǎn)品市場價值最大化的原則下，結(jié)合乙烯、丙烯、丁二烯等產(chǎn)品的市場價格，建立價格體系，通過建立數(shù)學模型進行計算。對一定裂解原料，可進行裂解爐出口溫度(COT)、稀釋蒸汽比和裂解爐爐管出口壓力(COP)等操作工藝條件優(yōu)化，并預測裂解爐運行周期，得到最佳操作點。SPYRO乙烯裂解模擬軟件也可用于裂解原料的優(yōu)化組合，指導生產(chǎn)計劃和原料采購，提高乙烯裝置效益[2-4]。自1978年SPYRO軟件首次投入工業(yè)應用后，在乙烯業(yè)界逐步成為乙烯產(chǎn)量預測的世界標準。KTI 公司利用該軟件開發(fā)出的具有兩程爐管的GK-Ⅴ型裂解爐，第1程具有較大比表面積，第2程有較大的流通面積，從而降低了烴分壓，提高了加熱段管壁熱強度，縮短了反應物停留時間，提高了烯烴收率[5]。

1.2 SPYRO軟件的集成應用

由于商業(yè)化因素，SPYRO軟件對用戶進行了嚴格限制，只能對特定爐型及原料進行模擬計算，不能更準確模擬多成分混合原料裂解過程。對此，不同乙烯企業(yè)在具體應用SPYRO 軟件時，采用SPYRO軟件為過程工業(yè)模型系統(tǒng)(process industry modeling system, 以下簡稱PIMS)軟件提供數(shù)據(jù)支撐，其方式有二種：①將SPYRO 軟件直接與PIMS 軟件連接；②用SPYRO 軟件計算不同原料質(zhì)量指標對乙烯收率影響的對比值，再置入到PIMS模型中。不論何種方式，都屬于軟件的集成應用。譬如，為實施具體的原料優(yōu)化方案，揚子石化的羅德鴻[1]將ASPEN過程工業(yè)模型系統(tǒng)PIMS和 SPYRO集成，在PIMS軟件模擬乙烯連接的部分中，采用聯(lián)動SPYRO迭代計算，實現(xiàn)PIMS 模擬優(yōu)化計算過程中多方案計算和Delta-Base模型中生產(chǎn)數(shù)據(jù)的動態(tài)模擬，生產(chǎn)運行情況得到更準確的反映, 使得乙烯裂解原料和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，達到了煉油與化工生產(chǎn)計劃整體優(yōu)化的目的。SPYRO軟件和PIMS軟件功能集成示意如圖1所示。

中沙(天津)石化有限公司在乙烯裂解裝置中，借助與SPYRO 軟件結(jié)合的APC控制系統(tǒng)模型，以德悉尼布公司研發(fā)的在線控制裂解爐SPYRO模型技術SPYRO-APC(SAPC)估算控制裂解深度，可實現(xiàn)分鐘級計算，提供實時裂解深度，結(jié)合產(chǎn)品最新市場價格，調(diào)整裂解深度優(yōu)化方向，達到各原料動態(tài)實時裂解深度穩(wěn)定優(yōu)化操作，最大化乙烯裂解裝置效益，極大提高了裝置運行的穩(wěn)定性，降低了工作強度，提高了產(chǎn)量，實現(xiàn)了卡邊控制和操作[6]。

2 中國石油蘭州中心EpSOS乙烯裂解模擬優(yōu)化軟件

2.1 EpSOS軟件的原理和基本構(gòu)架

基于分子反應動力學模型，針對裂解原料和爐型組態(tài)的多樣性，中國石油蘭州化工研究中心與清華大學聯(lián)合，研發(fā)形成大型乙烯裂解模擬優(yōu)化軟件EpSOS。EpSOS軟件構(gòu)架主要包括3大功能模塊：①裂解過程建模模塊；②裂解過程模擬模塊；③原料信息預處理與反應動力學參數(shù)回歸模塊。

裂解反應動力學模型是整個裂解爐模擬的核心，對裂解過程進行科學合理而且趨近實際的建模，是乙烯裂解模擬優(yōu)化的關鍵。裂解過程建模模塊包括：①裂解反應模型建模；②裂解爐結(jié)構(gòu)組態(tài)建模。

其中，反應建模部分采用嚴格機理模型和分子反應動力學模型，分別對具有詳細的烴組成的輕質(zhì)裂解原料(乙烷、丙烷、輕質(zhì)石腦油等)和不能測定詳細的烴組成的重質(zhì)裂解原料(輕柴油、加氫尾油等)建立裂解反應模型。裂解爐結(jié)構(gòu)組態(tài)建模部分對不同構(gòu)型和幾何尺寸的裂解爐管進行換算和組合，實現(xiàn)了不同裂解爐管、爐型的靈活組態(tài)。

裂解過程模擬模塊，除了可用來進行裂解過程理想化的無結(jié)焦的單周期和含結(jié)焦的多周期的模擬計算外，還可以對帶有循環(huán)清焦操作的裂解過程進行模擬計算，使模擬更趨近于工業(yè)實際。

原料信息預處理與反應動力學參數(shù)回歸模塊，是對最直接和原始的裂解原料物性分析數(shù)據(jù)進行處理和回歸，使其成為符合軟件模擬計算要求的數(shù)據(jù)。EpSOS乙烯裂解模擬優(yōu)化軟件系統(tǒng)基本構(gòu)架如圖2所示。

由此可見，EpSOS乙烯裂解模擬優(yōu)化軟件具有裂解原料分析數(shù)據(jù)預處理、參數(shù)回歸、多種爐型組態(tài)建模、裂解過程模擬、爐型組態(tài)建模和對單(多)周期以及帶有循環(huán)清焦操作的裂解過程進行模擬計算等多種功能。

2.2 EpSOS軟件的工業(yè)應用及延伸開發(fā)

EpSOS軟件用于蘭州石化公司乙烯工業(yè)爐石腦油裂解乙烯模擬計算[7]，裂解產(chǎn)物的模擬結(jié)果與實際工業(yè)裝置運行結(jié)果對比見表1。

表1 石腦油裂解EpSOS軟件模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比Table 1 Comparison of simulated and measured results of EpSOS software for naphtha cracking裂解產(chǎn)物w(實測值)/%w(模擬值)/%相對偏差/%H21.2051.2060.083 0CH418.36518.357-0.043 6C2H62.8902.877-0.449 8C2H433.23033.2420.036 1C3H80.6950.6950.028 8C3H613.97013.9750.035 8C4H83.7303.7450.402 1C4H65.1755.1790.077 3n-C4H100.6450.6490.620 2三烯總和52.37552.3960.040 1

由表1可見，裂解產(chǎn)物模擬結(jié)果相對偏差絕對值<1.0%，模擬結(jié)果與工業(yè)數(shù)據(jù)基本吻合[8]。在驗證EpSOS軟件模擬計算結(jié)果可靠性基礎上，對蘭州石化SW爐進行全周期運行現(xiàn)狀分析后，應用EpSOS軟件對SW爐進行全周期操作優(yōu)化計算，根據(jù)優(yōu)化計算結(jié)果，改變優(yōu)化前全周期60天運行、COT恒定860 ℃的操作條件為：仍運行60天，但是前48天COT上調(diào)至866 ℃，后12天逐漸降至860 ℃。優(yōu)化結(jié)果實施效果見表2[9]。

由表2可見，優(yōu)化后乙烯收率由優(yōu)化前的33.26%提高至33.98%，提高0.72百分點，相對提高率達2.16%，丁二烯收率由優(yōu)化前的3.75%提高至3.85%，提高0.10百分點，相對提高率達2.67%。優(yōu)化后丙烯收率雖有所降低，但三烯總收率提高0.55百分點，相對提高率達1.08%。

表2 蘭州石化SW爐模擬優(yōu)化前后結(jié)果對比Table 2 Comparison of results before and after simulation and optimization of SW furnace in Lanzhou Petrochemical Company主要產(chǎn)物w(優(yōu)化前)/%w(優(yōu)化后)/%提高百分點相對提高率/%C2H433.26 33.98 0.72 2.16 C3H613.84 13.57 -0.27 -1.95 C4H63.75 3.85 0.10 2.67 三烯總和50.85 51.40 0.55 1.08

研究人員對EpSOS軟件進行了持續(xù)開發(fā)和功能完善，先后形成了EpSOS1.0、EpSOS2.0系列乙烯裂解模擬優(yōu)化軟件。EpSOS軟件能夠較準確地預測裂解反應產(chǎn)物的組成, 對于重要的裂解產(chǎn)物(乙烯、丙稀和丁二烯)的收率模擬結(jié)果相對偏差<1.0%, 對于其他裂解產(chǎn)物也有較高的預測精度，基本符合工業(yè)裝置運行實際，且具有多周期模擬功能。利用該軟件對乙烯熱裂解過程進行模擬和優(yōu)化，能較好地指導生產(chǎn), 對于提高乙烯生產(chǎn)裝置操作水平及經(jīng)濟效益，具有重要的工業(yè)應用價值。

在EpSOS軟件基礎上，中國石油大乙烯專項完成的“石油烴裂解產(chǎn)物預測系統(tǒng)(HCPC)”軟件，以自由基反應與分子反應機理混合(Hybrid)反應動力學模型為核心，建立的乙烯反應網(wǎng)絡含268個分子、1163個自由基以及11 851個反應。HCPC軟件與商業(yè)化的SPYRO軟件相比，其主要區(qū)別如表3所列。

表3 中國石油HCPC與KTI公司SPYRO軟件功能對比Table 3 Comparison of SPYRO software functions between PetroChina HCPC and KTI中國石油烴裂解產(chǎn)物預測系統(tǒng)(HCPC)KTI公司SPYRO軟件設計/操作模擬/運行優(yōu)化操作模擬詳細分子組成虛擬組成完整反應網(wǎng)絡不提供包含結(jié)焦動力學模型沒有可進行全周期模擬與優(yōu)化不提供

3 經(jīng)驗模型乙烯裂解模擬軟件研究

經(jīng)驗模型是把原料的特性參數(shù)(PINOA值、BMCI值、ASTM餾程等)及操作條件(COT、COP、停留時間等)，直接與乙烯、丙烯等重要產(chǎn)物收率進行關聯(lián)，建立烴類裂解制烯烴產(chǎn)物分布模型。西北大學研究者以工業(yè)裂解爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎，采用數(shù)理統(tǒng)計方法，將裂解原料特性和操作條件兩方面的影響因素結(jié)合，通過模型建立、模型參數(shù)選取和求解，建立起能預測乙烯、丙烯、丁二烯等產(chǎn)率的經(jīng)驗模型，適用于石腦油、常減壓柴油等裂解原料的裂解計算[10]。通過相對誤差平均值對模型準確度的比較發(fā)現(xiàn)，其所建立的模型形式簡單、參數(shù)易得、可較好地與烯烴產(chǎn)率關聯(lián)，計算結(jié)果比較精確[10-12]。石腦油裂解制丙烯和輕柴油裂解制乙烯實測產(chǎn)率值和計算值及相對偏差見表4。個別數(shù)據(jù)相對偏差較大，可見經(jīng)驗模型的精確度還有待于進一步提高。

表4 丙烯產(chǎn)率和乙烯產(chǎn)率計算值及相對誤差Table 4 Calculated values and relative errors of propylene yield and ethylene yield項目BMCI值裂解溫度/℃w(實測產(chǎn)率)/%w(計算產(chǎn)率)/%相對偏差/%石腦油裂解制丙烯24.8279015.1815.02-1.0524.0280015.1514.67-3.1718.4684116.0415.58-2.8715.4282015.4015.26-0.91輕柴油裂解制乙烯17.6689530.9130.930.0618.0080024.9825.130.6025.1279022.5922.610.0925.0282024.3924.01-1.56

針對美國SW公司提供的計算機控制模型不能適用于大慶乙烯裝置，在SW公司提供的計算機控制結(jié)構(gòu)基礎上，關國民等對大慶30×104t石腦油乙烯裂解爐，提出了基于經(jīng)驗模型的裂解深度和選擇性的乙烯裂解計算機控制數(shù)學模型，其包含了靜態(tài)前饋關聯(lián)式和動態(tài)補償參變量兩部分[13]。裂解爐運轉(zhuǎn)周期預測和平均烴分壓是靜態(tài)前饋關聯(lián)式的核心，裂解爐的動態(tài)特性則根據(jù)裝置測定數(shù)據(jù)確定，最終建立的石腦油裂解爐半經(jīng)驗半理論計算機控制模型，計算結(jié)果與30×104t石腦油乙烯裂解爐裝置生產(chǎn)實際測試結(jié)果基本吻合。由于該模型側(cè)重點是以經(jīng)驗關聯(lián)為主，在實際控制時會有誤差，對此研究者給出的解決方法是通過調(diào)整模型參數(shù)和比例因子來實現(xiàn)。

經(jīng)驗模型一般是針對不同爐型與裂解原料而專門建立的，模型包括大量經(jīng)驗參數(shù)，需要大量實驗室數(shù)據(jù)和工業(yè)裝置實測數(shù)據(jù)進行回歸，側(cè)重于經(jīng)驗，原理簡單，計算迅速，但是適用范圍窄，缺乏通用性。更大的問題是如果要利用其進一步優(yōu)化，或做更進一步的過程控制，單純依靠經(jīng)驗模型很難實現(xiàn)。

4 結(jié)語

(1)從實際效益分析來看，應用乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件系統(tǒng)對裂解爐進行迅捷快速的裂解原料和裂解工藝優(yōu)化所獲得的經(jīng)濟效益，約占全部乙烯裝置采用先進控制技術后所獲得的經(jīng)濟效益的40%～50%[14]，這是非?？捎^的。而且乙烯裂解爐的高效、平穩(wěn)、安全、長周期穩(wěn)定運行，直接影響乙烯裝置產(chǎn)品收率，同時對裂解爐后續(xù)壓縮分離過程也會產(chǎn)生重要影響。因此，乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件系統(tǒng)的充分合理應用，應該受到重視。

(2)面對乙烯裝置規(guī)模不斷擴大、原料復雜、工藝多變的趨勢，蒸汽裂解制造乙烯技術的發(fā)展方向朝著高溫、短停留時間、低烴分壓、高操作彈性、長運轉(zhuǎn)周期、簡化操作和快速優(yōu)化等方面發(fā)展。在這樣的背景下，乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件系統(tǒng)的開發(fā)和應用，具有較大的技術需求和應用前景。

(3)目前，我國乙烯工業(yè)已經(jīng)具有相當規(guī)模，乙烯生產(chǎn)技術取得了很大進步。但是與國際先進技術水平相比，仍然存在裝置規(guī)模小、裂解原料復雜多變且優(yōu)質(zhì)裂解原料不足、能耗和物耗高等問題。因此，針對乙烯裂解爐，將引進國外與應用國內(nèi)自主研發(fā)的乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件系統(tǒng)相結(jié)合，對工業(yè)乙烯裂解爐進行迅捷高效的優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果應用于乙烯裂解裝置，以提高我國乙烯裝置的技術含量，提升乙烯裝置的競爭力，降低物耗和能耗，為我國乙烯工業(yè)裝置的技術進步提供技術支撐。