天津石化裂解爐深度先進控制技術應用

張紹華

引言：先進控制技術是在控制理論發展、計算機性能不斷提高的前提下，為了滿足工業要求而涌現的高級控制方法。目前國外大型石化企業中生產裝置應用先進控制和優化技術已經相當普及。由于我國推廣先進控制起步較晚，而乙烯裝置是整個石化企業的關鍵裝置，對它控制的好壞，直接影響到整個企業的效益。因而，研究先進控制技術在乙烯裝置中的應用具有很大意義，并能帶來可觀的經濟效益。

在乙烯生產過程中，裂解爐是乙烯廠龍頭裝置的關鍵設備，對乙烯生產能力、裝置平穩生產和能耗具有舉足輕重的作用。我們在DCS這個平臺上利用神經網絡建模等智能控制技術對裂解爐裂解深度實施先進控制，可以使裝置在平穩運行條件下，得到更佳的經濟效益。

裂解深度先進控制技術利用軟測量和智能控制技術對裂解爐實施裂解深度控制。該技術可以穩定控制裂解爐裂解深度，提高乙烯和丙烯收率，取得預期效果，能帶來良好經濟效益。

一、裂解爐生產工藝簡介

以裂解爐作為研究對象，研究裂解爐裂解深度先進控制技術。下面對乙烯裂解工藝流程進行論述。

烴類原料進入裂解爐后，先在預熱段經過初步預熱后，與稀釋蒸汽混合，再進一步預熱并且完全汽化，使其溫度升高至稍低于裂解反應的溫度，然后進入裂解爐的高溫區——輻射段的反應管，在反應管內的烴類原料迅速升溫，同時發生產生乙烯、丙烯、丁二烯、甲烷、乙烷等聯產品的裂解反應。裂解反應是在輻射段中進行，它為吸熱反應，因此在此部分需要供給大量的熱量。裂解爐的對流段，設有預熱烴類原料、鍋爐給水、過熱稀釋蒸汽等一系列的加熱器，以滿足工藝的需要和回收熱量。

二、裂解深度的意義

裂解深度就是指裂解反應進行的程度。在裂解液體原料時，因為原料中基本不含乙烯和丙烯，故分析裂解產物中主要產品乙烯和丙烯的量，可以方便的獲得乙烯對丙烯的收率比。

裂解的目標是獲得盡可能多的目的產物，為此必須合理的控制影響裂解深度的因素。工藝因素主要有以下幾個：裂解爐出口溫度，橫跨溫度，停留時間，烴分壓、稀釋蒸汽和稀釋比，爐出口壓力，急冷鍋爐出口溫度。乙烯為主要目標的裂解反應，其反應條件應該滿足高溫、短停留時間、低烴分壓的要求，且在裂解生產過程中，必須保證裂解溫度、汽/烴比和生產負荷的穩定。

三、裂解深度控制策略

裂解深度控制方案采用二個回路實現裂解爐的裂解深度控制。其一是裂解深度估算和控制回路，該回路首先根據一些工藝參數的測量值和裂解原料烴特性，來在線估算裂解深度值（裂解爐出口甲烷/丙烯的質量比），然后通過裂解深度控制器給定爐管平均出口溫度（COT）的設定值，再利用爐管平均出口溫度控制器控制反饋溫度跟蹤設定值，從而實現裂解深度控制。裂解深度控制器的設定值（SP值）可以手動輸入，也可以來自優化級；其二是裂解深度校正回路，該回路根據在線分析儀的分析結果，來計算出裂解深度，然后利用它對模型估計的值進行校正。

裂解深度控制系統是一個雙閉環控制策略，內環為COT控制，Gc2為COT溫度控制器，用來穩定裂解爐操作，使裂解爐COT跟蹤設定值變化，外環為裂解深度控制，Gc2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定和跟蹤性能，控制對象為裂解爐，控制指標為COT溫度和裂解深度（丙乙比）。

四、應用效果

裂解深度控制系統自2012年12月在裂解爐上投用以來，很好的控制效果，穩定了該裂解爐的裂解深度。圖1為裂解深度控制系統投用前后，裂解深度和COT變化曲線。從圖中可以看出，裂解深度投用前，COT是定值控制，保持穩定，但是裂解深度卻出現波動，裂解深度控制系統投用后，裂解深度保持穩定，投用后，有一次對裂解深度的設定值的調整，裂解深度很快穩定在新的設定值附近。

圖1 裂解深度控制投用前后曲線圖

圖2 裂解深度控制曲線圖

圖2為裂解深度控制系統投用后，裂解深度和COT變化曲線。從圖中可以看出，裂解深度控制系統可以把裂解爐裂解深度（丙乙比）控制在設定值附近，裂解爐的COT溫度會由于爐況或原料屬性變化進行及時調整。

五、總結

裂解深度控制系統是裂解爐先進控制系統的重要組成部分，其研發與應用對于提高裂解爐的穩定性和運行效益具有顯著的作用。結合天津石化乙烯裝置的6臺裂解爐和不同的進料類型，開發了裂解深度在線預測模型，進而開發了裂解深度軟測量在線校正技術；針對裂解氣分析儀運行特點，開發了裂解氣分析儀的在線監控系統，實時對分析儀的運行狀態進行監控，提高了裂解深度控制系統的安全性；在上述技術開發的基礎上，結合DCS的高級應用功能，在線開發了裂解深度控制系統。系統投用后，優化了裂解爐操作條件，穩定了裂解深度，在一定程度上克服了因為油品屬性波動造成的裂解深度波動，提高了系統的運行效益，裂解深度控制系統投用后，裂解爐的“雙烯”收率平均提高0.18%。

（作者單位：中石化股份天津分公司）