乙烯裂解爐裂解深度控制與實時優(yōu)化

張博

摘要：裂解爐是乙烯生產(chǎn)裝置的關(guān)鍵單元，其先進控制與優(yōu)化技術(shù)是乙烯裝置優(yōu)化運行技術(shù)重要的組成部分。解深度指標值確定的科學性。先進控制與優(yōu)化系統(tǒng)的持續(xù)效益發(fā)揮離不開系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行，但是實際過程的工況是經(jīng)常變化的，這就需要加強對先進控制與優(yōu)化系統(tǒng)的運行維護，實現(xiàn)先進控制系統(tǒng)維護常態(tài)化，使系統(tǒng)的效益能夠持續(xù)發(fā)揮。

關(guān)鍵詞：乙烯裂解裂解爐;深度控制;

一、裂解爐生產(chǎn)工藝簡介

以石腦油為加工路線的乙烯裝置按流程順序依次分為裂解、急冷、壓縮、分離 4 個主要單元，以及配套的火炬、污水處理、原料及產(chǎn)品貯存、水電汽風等公用工程單元。在裂解單元中，裂解爐非常關(guān)鍵，在整套乙烯裝置中，它也是核心靜設備。其作用是將石腦油、柴油、加氫尾油、液化石油氣（LPC）等液態(tài)原料以及循環(huán)乙烷等氣態(tài)原料加工成包含乙烯、丙烯及各種高副產(chǎn)品在內(nèi)的裂解氣。裂解爐的主要型號有 Lummus 公司的sRT、s&w 公司的 UsC、Lincd 公司的 Pyrobr_bk、中國石化的 CBL 等等。其結(jié)構(gòu)一般包含爐體、爐管、汽包、廢熱鍋爐、急冷器、燒嘴、煙囪、引風機等，爐內(nèi)上部為對流段，下部為輻射段。

典型的裂解工藝通過燃料氣的燃燒，裂解爐爐膛內(nèi)產(chǎn)生 1000℃以上的高溫，各種原料在爐內(nèi)對流段預熱并與稀釋蒸汽混合（用于降低烴分壓） 后，進人輻射段爐管，在高溫作用下發(fā)生裂解反應，生成多組分的裂解氣。為抑制二次反應的發(fā)生，通過廢熱鍋爐、急冷器對高溫裂解氣進行冷卻并 回收熱量，隨后裂解氣進人急冷單元的汽油分餾塔。

裂解深度是評判以生產(chǎn)乙烯為主要目標的裂解反應的關(guān)鍵指標，裂解溫度、原料在爐管內(nèi)的停留時間以及烴分壓是影響該指標的主要因素。因此，裂解爐的操作必須滿足高溫、短停留時間、低烴分壓的要求等。

二、裂解爐先進控制、深度控制與實時優(yōu)化

（一）先進控制

裂解深度是指裂解反應進行的程度，控制裂解深度的目的是保證裂解反應能達到預期的程度，使目標產(chǎn)物最佳化。表征裂解深度的參數(shù)有很多種，如甲烷收率、甲烷對丙烯的收率比（以下簡稱甲丙比）、丙烯對乙烯的收率比（以下簡稱丙乙比）、裂解爐裂解氣出口溫度（以下簡稱 C0T） 等等。但無論采用哪種參數(shù)來表征裂解深度，操作的變量都是 C0T。

由此可見，C0T 控制是裂解生產(chǎn)中最核心、最重要的控制方案。裂解爐先進控制（以下簡稱APC）的目標就是把爐管出口平均溫度控制在期望值上，即保持合適的裂解深度。爐管出口平均溫度的輸出控制底部燒嘴燃 料氣流量。此外，為保證裂解爐熱負荷，還設置了側(cè)壁燒嘴燃料氣控制塊。通過改變?nèi)剂蠚饬縼砜刂茽t管出口平均溫度。實際生產(chǎn)過程中，裂解原料的 變化較為頻繁，不同原料的裂解深度需要相應調(diào)整，才能獲得最優(yōu)的收率 [3]。

（二）裂解深度控制

以某重油爐為例，說明裂解深度控制系統(tǒng)的構(gòu)成。重油爐可以裂解石腦油和加氫尾油，稀釋蒸汽（Ds）分為 2 次從不同位置注人，其裂解深度采用甲丙比來標識，當甲丙比上升時，表示裂解深度加深，反之當甲丙比下降時，表示裂解深度變淺。

裂解深度控制系統(tǒng)采用串級控制策略，內(nèi)環(huán)為 C0T 控制，Cb2 為 C0T 溫度控制器，用來穩(wěn)定裂解爐操作，使裂解爐 C0T 跟蹤設定值變化，外環(huán)為裂解深度控制，Cb1 為裂解深度控制器，在爐況變化或裂解油品屬性變化時，用來控制裂解爐裂解深度的穩(wěn)定和跟蹤性能，控制對象為裂解爐， 控制指標為 C0T 溫度和裂解深度（甲丙比）。

裂解深度指標主要依靠在線氣相色譜實現(xiàn)在線分析。由于氣相色譜工作機制的限制，裂解氣從取樣器到色譜分析儀輸出分析結(jié)果大致需要4～ 10min，而裂解反應的時間通常少于 1min。因此，為克服如此大的時滯需要采用 smith 預估控制策略，控制方案圖如圖 1 所示。其中裂解深度模型可以根據(jù) C0T、裂解原料屬性（如密度、P0NA 等）、汽烴比、進料負荷等，采用神經(jīng)網(wǎng)絡等軟測量方法對裂解深度進行預測。同時，為了糾 正裂解深度模型的偏差，需要用裂解氣在線分析結(jié)果對裂解深度模型進行校正。

（三）實時優(yōu)化系統(tǒng)

裂解收率預測在線集成模型包括 6 個子模型，分別對應 6 類石腦油油品，這 6 個子模型在有石腦油油品分析數(shù)據(jù)時，根據(jù)現(xiàn)場石腦油油品信息選擇某個子模型，結(jié)合現(xiàn)場的操作數(shù)據(jù)（C0T、進料流量和汽烴比），由 選中的子模型對乙烯質(zhì)量收率和丙烯質(zhì)量收率進行預測。這 6 類模型將分別以 6 類石腦油聚類中心數(shù)據(jù)（包括直鏈烷烴總和、正構(gòu)異構(gòu)之比、比重）作為各模型的固定輸人，代表 6 類石腦油的代表信息，而模型的其他 3 個輸人變量（C0T、進料流量和汽烴比）則根據(jù)現(xiàn)場實時獲取的數(shù)據(jù)進行輸人， 進而計算得出乙烯質(zhì)量收率和丙烯質(zhì)量收率的預測值。

根據(jù)市場及效益情況，組織生產(chǎn)。根據(jù)乙烯、丙烯、高副產(chǎn)品等市場效益來選擇乙烯、丙烯、高副產(chǎn)品等收率最大化作為優(yōu)化性能指標。對上述所述的優(yōu)化問題進行單純的全局優(yōu)化無法適應油品特性變化等不確定性因素帶來的影響。因此，引人了滾動優(yōu)化的思想，即在一定時間窗口內(nèi)最大化經(jīng)濟性能指標，同時根據(jù)實際生產(chǎn)狀況的變化適時地調(diào)整優(yōu)化策略， 通過在逐步移動的時間窗口內(nèi)不斷修正優(yōu)化的目標實現(xiàn)經(jīng)濟性能指標局部優(yōu)化，進而實現(xiàn)長期運行的經(jīng)濟性能指標最優(yōu)。

裂解爐優(yōu)化變量均采用 C0T，因爐型及操作條件不同，優(yōu)化范圍不同， 一般是在優(yōu)化范圍內(nèi)確定最優(yōu) C0T，再根據(jù)模型計算出最優(yōu)丙乙比。實時優(yōu)化系統(tǒng)（以下簡稱 RT0 系統(tǒng)）與裂解深度控制系統(tǒng)的關(guān)系如圖 2 所示。RT0 系統(tǒng)通過氣相色譜儀實時分析裂解氣組分，并將分析數(shù)據(jù)與優(yōu)化控制模型對比，通過調(diào)整裂解深度不斷優(yōu)化裂解氣組成，達到增產(chǎn)目標產(chǎn)物的目的。

三、應用成效

目前，乙烯裝置裂解爐的裂解深度控制與優(yōu)化系統(tǒng)陸續(xù)投用，裂解爐 均實現(xiàn)了 RT0 自動控制。成立 RT0 團隊后，各裂解爐的裂解深度控制投用率與 RT0 系統(tǒng)投用率顯著提高。

在使用乙烯收率、丙乙雙烯收率最大等各種模式下，RT0 系統(tǒng)自動控制裂解深度向目標值靠近，裂解產(chǎn)物分布逐漸接近控制目標，證明系統(tǒng)已 經(jīng)可以正常運行。同時，RT0 系統(tǒng)投用后，可以根據(jù)市場各類產(chǎn)品價格， 實施調(diào)整優(yōu)化模型，選取不同的裂解策略，增產(chǎn)目標產(chǎn)物，提高了單臺裂解爐的經(jīng)濟效益。

項目投用期間，某重油爐的進料量為 38t/h 固定不變，項目投用前后， 乙烯收率降低 0.164%，丙烯收率提高 0.788%，副產(chǎn)品收率降低 0.546%（詳細數(shù)據(jù)請參考用戶使用報告），以 38t/h 進料量，每年 7200h 計算：

1、裂解爐經(jīng)濟效益 = 丙烯增產(chǎn) - 乙烯減少 - 副產(chǎn)品損失 =682.51 萬元 /_

2、社會效益，除上述直接經(jīng)濟效益外，RT0 系統(tǒng)投用后的能耗和物耗也有所降低，其中燃料消耗減少 0.11 噸/ 小時，鍋爐給水消耗減少 0.779t/ h。此外，某重油爐在項目投用前后，C0T 溫度降低 7℃，這對延長裂解爐的運行周期具有一定的積極作用。

結(jié)束語

綜上所述，通過對乙烯裝置裂解爐先進控制、深度控制與實時優(yōu)化系統(tǒng)進行了簡要的介紹，并具體闡述了如何提升裂解深度控制與實時優(yōu)化系統(tǒng)投用率以及提升后的成效。

參考文獻

[1]智茂軒.乙烯裂解氣組成在線分析方法的研究及應用進展[J].石油化工 .2021.50（06）：622-626.

[2]黃一烽.淺談乙烯裂解爐的配管設計[J].石油化工設計 .2021.38（02）：54- 58+6-7.

[3]黃子坤.乙烯裂解爐工藝概述與節(jié)能措施[J].山東化工 .2021.50（07）：146- 147.