乙烯裂解單元集散控制系統(tǒng)（DCS） 仿真培訓中有關工藝參數(shù)調控方法研究

【摘要】本文介紹了乙烯裂解單元集散控制系統(tǒng)（DCS）仿真培訓軟件中裂解爐升溫曲線、爐膛負壓和稀釋蒸汽流量的控制方法，并對實際操作過程中的相關經驗、操作方法和經驗數(shù)據進行了詳細的報道，能為參加本操作系統(tǒng)培訓的人員提供參考。

【關鍵詞】乙烯裂解單元 集散控制系統(tǒng)裂 解爐升溫曲線 爐膛負壓 稀釋蒸汽

【中圖分類號】G71 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）02-0254-02

自從1983年燕山石化公司前進化工廠乙烯裂解裝置采用CENTUM-A系統(tǒng)進行自控改造，至今已有14家企業(yè)76套DCS用于生產過程控制，可見DCS在石化企業(yè)中推廣應用之快、應用數(shù)量之多[1-3]。為適應行業(yè)發(fā)展需要，達到高技能人才培養(yǎng)目標，我們石油化學工程系于2005年引入乙烯裝置集散控制系統(tǒng)（DCS）仿真培訓軟件[4]。在教學過程中，本人對乙烯裂解單元里有關工藝參數(shù)調控方法進行探索研究，現(xiàn)報道如下：

一、裂解爐升溫曲線的控制

裂解爐的升溫速度要符合升溫曲線（如圖[4]所示），即開始點火后溫度逐漸上升，在180-220℃之間穩(wěn)定24小時（仿真時間6分鐘）后，溫度逐漸上升，在540-560℃之間穩(wěn)定12小時（仿真時間3分鐘）后，溫度再上升至760℃，達到過熱蒸汽高備狀態(tài)。影響裂解爐升溫速度的因素主要有以下三個：

第一，燃料氣的用量， 燃料氣用量的多少會直接影響升溫速度，同時還是衡量節(jié)能降耗的一個重要指標。在開車初始階段我們將燃料氣控制閥開到2%。這一階段主要通過增加點燃火嘴的數(shù)目來升溫，直至將所有火嘴全部點燃后溫度幾乎不上升或有下降的趨勢時，再通過增加燃料的用量來升溫，確保燃料充分燃燒， 達到降低燃料用量的目的。在增加燃料氣用量時，控制閥的開度要緩慢增加，切忌大幅度地調變，這樣不利于爐膛壓力的穩(wěn)定。經過試驗發(fā)現(xiàn)，燃料氣控制閥開到17.5%，爐子溫度能夠上升到550℃，燃料氣控制閥開到25%，爐子溫度能夠上升到760℃， 投油以后，要迅速升溫至832℃，這時燃料氣控制閥增加的幅度較大，一般要一下增加5%，直至開到50%。

第二，點燃火嘴的數(shù)目，裂解爐的點火總體順序是先點燃長明燈燒嘴，再點燃底部燒嘴，最后點燃側壁燒嘴。為了保證四路裂解爐管的出口溫度盡量接近，裂解爐的點火操作要求對稱進行，具體操作按所附點火順序圖[4]進行。

經過試驗我們發(fā)現(xiàn)，當燃料氣控制閥開到2%，風門開度為50%時，將左側壁上的2號火嘴全部打開，溫度能夠上升到200℃，將火嘴全部打開溫度能夠上升到400℃，火嘴全部打開后再通過增加燃料氣的用量來升溫。

第三，風門的開度，風門的開度不但影響升溫速度，還會影響爐膛壓力的穩(wěn)定和煙道氣氧含量，如果風門開度頻繁變化，爐膛壓力和煙道氣氧含量也會隨之發(fā)生變化，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，因而我們將風門的開度一開始就開到50%，整個生產過程維持不變。

二、爐膛負壓的控制

爐膛負壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，是運行中要控制和監(jiān)視的重要參數(shù)之一。爐內燃燒工況一旦發(fā)生變化，爐膛負壓隨即發(fā)生相應變化。因此，監(jiān)視和控制爐膛負壓對于保證爐內燃燒工況的穩(wěn)定、分析爐內燃燒工況、煙道運行工況、分析某些事故的原因均有極其重要的意義。

運行中引起爐膛負壓波動的重要原因為燃燒工況的變化，在引風機保持不變的情況，由于燃燒工況總有微小的變化，故爐膛負壓總是波動的，當燃燒不穩(wěn)定時爐膛壓力將產生強烈波動，爐膛負壓即相應做出大幅度的劇烈的波動。當爐膛壓力發(fā)生劇烈脈動時，往往是滅火的前兆，這時必須加強監(jiān)視和檢查爐內燃燒工況、分析原因，并及時運行調整和處理。

本仿真過程爐膛負壓要求穩(wěn)定在-30Pa。建立爐膛負壓的操作規(guī)程是打開底部、左側和右側燒嘴風門→啟動引風機→用壓力控制閥將爐膛壓力調節(jié)到-30Pa。但是在操作時我們發(fā)現(xiàn)僅停留在此處并不能將壓力穩(wěn)定。經過反復試驗發(fā)現(xiàn)如下措施比較可靠：啟動引風機后將壓力控制閥開到100%，接著引入燃料氣、點燃長明燈火嘴，將1號火嘴點燃幾個（一般3-4個）使裂解爐緩慢升溫后再返回來控制壓力，小幅度減小控制閥的開度，大概減小到開度為90%時壓力能夠穩(wěn)定在-30 Pa。但是此時的穩(wěn)定只是暫時的，隨著點燃火嘴數(shù)目的增加和燃料氣用量的增加均能導致根據壓力發(fā)生變化，此時，只要依次小幅度地減小壓力控制閥的開度，就能夠達到穩(wěn)定壓力的目的，最終控制閥的開度為50%。

三、稀釋蒸汽流量控制

稀釋蒸汽在起到降低烴分壓作用的同時，還具有穩(wěn)定爐管裂解溫度、減輕爐管中鐵和鎳對烴類氣體分解生碳的催化作用及部分清焦的作用。但是加入水蒸汽的量，不是越多越好，增加稀釋水蒸汽量，將增大裂解爐的熱負荷，增加燃料的消耗量，增加水蒸汽的冷凝量，從而增加能量消耗，同時會降低裂解爐和后部系統(tǒng)設備的生產能力。水蒸汽的加入量隨裂解原料而異[5、6]，本仿真培訓系統(tǒng)以石腦油為原料，正常運行后石腦油與水蒸氣的質量比為2：1。每臺裂解爐有四股進料，每股進料都配有一股稀釋蒸汽，目的是盡量優(yōu)化稀釋蒸汽與進料比，提高乙烯產品收率。

在操作規(guī)程里對于稀釋蒸汽流量的控制操作有以下六步：

第一，當爐膛溫度達到200℃時，向爐管內通入稀釋蒸汽。我們將四路爐管的控制閥均開到23.3%，這樣可以控制四路爐管稀釋蒸汽流量均勻防止偏流對爐管造成損壞，待平穩(wěn)后稀釋蒸汽的流量均為2.25 T/H。在實際操作的時候，這里有一個問題需要注意，就是不能等溫度達到200℃后才開始通入稀釋蒸汽，因為當溫度達到180℃時，智能評分系統(tǒng)已經開始評分，如果等溫度達到220℃評分過程結束， 通入稀釋蒸汽的流量還沒有穩(wěn)定在2.25 T/H，就得不到滿分。我們知道稀釋蒸汽流量的穩(wěn)定需要一個過程，并且根據升溫曲線可知，在180-220℃需要恒溫6分鐘。而通入稀釋蒸汽的溫度為169℃，它會起到降溫的作用，會使得溫度波動較大，不利于恒溫，鑒于此，我們采取提前通入稀釋蒸汽的方法，即在170℃之前就開始通入，操作起來時間較充足、效果較好。

第二，爐膛溫度在200-550℃時，稀釋蒸汽量為正常稀釋蒸汽流量的100%。這里需要做一個說明，正常稀釋蒸汽流量為4.5 T/H，所以在這個溫度段“稀釋蒸汽量為正常稀釋蒸汽流量的100%”，即稀釋蒸汽流量為4.5 T/H，此時四路爐管的控制閥均開到50%，待流量穩(wěn)定后即可達到要求。那么，什么時候開始將稀釋蒸汽流量控制閥調至50%？這是此次操作的重點和難點。溫度低于540℃就開始調會扣第一步的分數(shù)，溫度超過550℃再調，本步驟評分過程結束。經過試驗得出最佳調節(jié)溫度為545-548℃。由于可操作溫度范圍較狹窄，通入稀釋蒸汽后系統(tǒng)會降溫，并且升溫曲線要求在540-560℃之間要穩(wěn)定3分鐘，我們采取“先恒溫再調蒸汽”的方法進行操作，即當系統(tǒng)溫度達到540℃時即開始將少增加甚至不增加燃料氣用量，使系統(tǒng)在545℃之前就恒溫夠3分鐘，然后開始將稀釋蒸汽控制閥調至50%。當然，通入稀釋蒸汽后爐膛溫度會下降，此時需要根據降溫情況及時增加燃料氣的用量，同時要注意燃料氣的增加不能一下增加太多，要控制好節(jié)奏，否則溫度迅速超過550℃評分過程結束，而稀釋蒸汽流量還沒有穩(wěn)定在4.5 T/H，導致得分低。

第三，當煙氣溫度超過220℃，打開稀釋蒸汽原料跨線閥門，引適量的稀釋蒸汽進入石腦油進料管線，防止爐管損壞。這里的“適量”，也就是對閥門的開度并沒有特殊要求，但是四路稀釋蒸汽管道內此時稀釋蒸汽的流量均為4.5 T/H，為了使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以往往將四路石腦油進料管道的閥門也開到50%。

第四，爐膛溫度在550-760℃時，稀釋蒸汽量為正常稀釋蒸汽量的120%。此時稀釋蒸汽的流量為5.4 T/H，閥門的開度為60.8%或微調，溫度在755-758℃之間時調節(jié)閥門，稀釋蒸汽流量發(fā)生變化后，體系仍然會伴隨有溫度下降，此時仍然通過增加燃料氣的投入量來將爐膛溫度維持在760℃。

第五，石腦油進料量增加到正常值后， 迅速關閉稀釋蒸汽原料跨線閥門，停止向石腦油進料管道通蒸汽。

第六，將石腦油裂解的爐膛溫度增加至正常操作溫度 832℃后。迅速將稀釋蒸汽減至正常值，控制流量為4.5T/H。

乙烯裂解單元中需要控制的工藝參數(shù)還有汽包液位、煙氣氧含量、過熱蒸汽溫度、總投油量以及急冷器出口溫度等。所有工藝參數(shù)之間互相關聯(lián)，可以說是牽一發(fā)動全身，在實踐過程中要不斷總結經驗，優(yōu)化控制方案，實現(xiàn)總的控制目標，即：第一，維持裂解爐系統(tǒng)安全運行；第二，維持所希望的最佳轉化率，使各組爐管之間溫差最小；第三，維持合理的進料油氣比；第四，維持所要求的總投油量；第五，通過氧量控制，維持理想的空燃比，使熱損失最小。

參考文獻：

[1]http：//img1.gkzhan.com/5/2008/ar20079582349145.doc.

[2]李紹宇，徐竹林，乙烯生產中計算機控制的應用，乙烯工業(yè)，1994，1，40-42.

[3]劉偉，馬英彤，大慶石化成功實施集散控制系統(tǒng)（DCS），數(shù)字化工，2005，8，11-13.

[4]乙烯裝置仿真軟件，東方仿真.

[5]王煥梅主編，有機化工生產技術，北京：高等教育出版社，2007年.

[6]崔克清主編，化工工藝及安全，北京，化學工業(yè)出版社，2004年.

作者簡介：

周艷青，女，講師，碩士，2005年7月畢業(yè)于西北師范大學化學化工學院有機化學專業(yè)，主要從事精細有機合成方向的研究，共發(fā)表SCI論文3篇，承擔蘭州石化職業(yè)技術學院科研項目一項，主要從事化工分離過程、化學反應工程、有機化工生產技術、石油化工基礎等理論課程和乙烯裝置仿真、聚丙烯裝置仿真、反應器仿真、化工工藝實訓等實踐課程的教學。