基于國產DCS的乙烯裂解裝置APC設計

喬智勇，莊稼，于可輝，祁彪，何超罡，楊勃

(國家能源集團 寧夏煤業有限責任公司，寧夏 銀川 750400)

石油、化工等流程工業是國民經濟的支柱產業，規模、能耗巨大，具有流程復雜、高溫、高壓、易燃、易爆、高危的特點。百萬噸級烯烴更是石油、化工行業技術壁壘最高的裝置之一，工藝技術復雜，配套儀表等智能化設備、軟件繁多，對生產過程控制系統的規模、適應性、可靠性、可維護性、開放性等方面要求很高，國內烯烴(乙烯)項目控制系統市場始終被國外供應商所壟斷，數據孤島現象嚴重。建設大型的石油化工裝置，是發展規模經濟有效的途徑之一，因此在百萬噸級聯合裝置上實現先進控制的自主化、自動化、智能化，無論在系統規模、控制難度上，還是在工程應用、安全環保的示范意義上，百萬噸級烯烴先進控制的成功實踐，都代表著流程工業智能制造技術和模式發展的頂級水平。

通過核心主控裝備和軟件系統的國產化，探索智能制造的推廣應用模式，實現乙烯、丙烯等石油化工生產過程的優化控制、精細化管理、科學決策等單元技術和集成創新技術的突破，完成烯烴聯合裝置從原料到產品，從生產控制到經營決策，從生產管理到績效分析多層次、多視角、全方面的智能化管控，實現傳統產業提質降本、節能減排、綠色環保等可持續發展目標，并推廣應用于石油、化工等流程行業。

1 裂解裝置簡介

裂解反應主要過程是烴和蒸汽混合物在裂解爐中進行高溫熱裂解，形成富含乙烯和其他烯烴氣體的混合物，同時副產粗裂解汽油和燃料油；其他副產品包括丙烯和混合C4、氫氣(用于裝置內的加氫反應)和甲烷(用作燃料氣)。裝置內部生產的乙烷和丙烷，回到氣體原料裂解爐裂解再循環利用，以增加乙烯產率。

該項目裂解爐工段包括用于裂解新鮮液體原料的4臺192U型裂解爐和1臺用于裂解循環氣體原料的8M型裂解爐。192U型裂解爐為雙爐膛配置，每個爐膛中設置了96根U型變徑輻射爐管，每根U形爐管上進、上出共2程。8M型裂解爐為單爐膛(輻射室)結構，8根M型爐管在爐膛中一字排列，每根M形爐管上進、上出共6程。

裂解反應需要的熱量主要由裂解爐底部燒嘴燃燒產生的輻射熱提供，燃料主要有冷箱分離出的甲烷、氫氣、液化石油氣(LPG)和天然氣，燒嘴全部采用自然通風的低氮氧化物型底部燒嘴，燃燒所需的氧氣通過環境空氣提供。每個燒嘴配置1臺空氣預熱器，用裝置多余的急冷水做熱源，加熱燃燒空氣，提高燃料的燃燒效率，節省能耗。

2 裂解裝置APC設計方案

乙烯裂解有3個關鍵變量，分別是停留時間、烴分壓、反應溫度，這些變量在工業裂解爐上對應4個主要操作參數： 原料進料流量、稀釋蒸汽流量、爐管出口壓力、爐管出口溫度(COT)。烴類原料裂解生成乙烯和丙烯的反應平衡，主要取決于反應的溫度和時間，尤其取決于最高的反應溫度或COT。

丙乙烯轉化率是衡量裂解深度的主要指標，原料的產品分布與反應的劇烈程度有關。根據裂解原料的種類選取某種關鍵組分，并用它的轉化率衡量整個原料的轉化率，裂解深度越高，乙烯收率會越高，而丙乙烯比則會降低，甲烷和氫氣的收率也會提高。因此，可以通過調整裂解深度，在一定程度內可以調整各個主要裂解產品的收率分配比；另外烴分壓也是影響反應平衡的重要因素，分壓高的烴組分不利于生成乙烯產品，降低蒸汽比例或增大爐管出口壓力會減小特定原料的乙烯收率，產品的產率分布主要通過控制COT實現。

2.1 COT穩定與支路平衡優化控制

COT是裂解爐的關鍵指標之一，它是否平穩，決定了裂解爐生產狀況的好壞，COT對乙烯收率的影響非常大。因此，把裂解爐COT控制得更精確，波動范圍更小，是裂解深度優化的前提。選擇合適的裂解深度，兼顧較高的雙烯收率和較長的裂解爐運行周期，要求裂解爐管間的操作條件相近，應避免過大的偏差。由于裂解爐內部溫度場分布和爐管間熱效率的差異，各支路COT總存在偏差，常規控制是通過調整各支路的進料流量，COT與燃燒氣流量串級控制，COT作為主回路，燃料氣作為副回路，從而實現COT的一致性。APC控制器把支路進料流量、稀釋蒸汽流量、爐膛壓力作為主控變量和干擾變量，把COT、各支路溫度偏差、稀釋比、流量偏差、爐膛出口組分分析作為被控變量，在保證總進料量不變的前提下，根據各組爐管COT，調整各組爐管流量；各支路COT根據裂解爐管的運行狀態，進行適當的補償，該補償量用于修正由于爐管流量差異導致的停留時間變化而引起的裂解深度偏差。

2.2 裂解爐處理量穩定與自動提降控制

裂解爐的生產負荷有多種控制需求，如穩定在某個固定量，根據指令調整負荷，或在滿足工藝條件下最大化處理等。APC控制器的操作策略是滿足某個固定量，操作人員設定裂解爐的總處理量后，控制器會根據各支爐管COT的分布情況，合理地分配各支爐管所調整的負荷，同時為了保證COT的穩定性，燃料氣和用氧量自動匹配，以同時滿足COT穩定和裂解爐處理量調整的要求。

2.3 加氫反應器控制

加氫反應過程是乙烯生產流程中非常重要的環節，由于加氫反應非常靈敏，可變操作手段較少，常規PID控制實現精確操作比較困難。APC控制器把反應器入口溫度、入口各組分摩爾分數作為主控變量和干擾變量，把反應器出口溫度、出口組分分析作為被控變量，在保證出料乙烯產品中乙炔摩爾分數不超標的前提下，使得反應平穩，乙烯損失最少，催化床層運行周期長?？紤]到出口乙炔摩爾分數直接反映了出口氣體產品質量，而活性和選擇性最能表征反應平穩程度，直接選擇出口乙炔摩爾分數、催化劑活性和選擇性作為控制變量。

3 裂解裝置APC方案實施

根據乙烯裝置的實際生產特點，主要采用多變量模型預測控制技術，設計了適合乙烯裝置的控制器。乙烯裝置先進控制的主要任務是抑制外部擾動，合理動態調節各操作變量，平穩各塔及各關鍵工藝指標，提高產品質量，降低裝置能耗。

從總體上看，實施乙烯裝置生產過程APC后，提高了乙烯裝置的自動化水平，提高了裝置抗干擾能力和關鍵工藝參數的平穩率，提高了裝置的產品質量，降低了裝置能耗和操作人員的勞動強度，提高了勞動生產率，獲得了可觀的經濟效益。裂解爐COT控制器投運前后對比如圖1所示，裂解爐進料量控制器投運前后對比如圖2所示，加氫反應器出口乙炔摩爾分數控制器投運前后對比如圖3所示。

圖1 裂解爐COT控制器投運前后對比示意

圖2 裂解爐進料量控制器投運前后對比示意

圖3 加氫反應器出口乙炔摩爾分數控制器投運前后對比示意

4 結束語

通過基于國產DCS的乙烯裂解裝置APC設計，提高了裝置運行平穩性和雙烯收率，降低了單位產品能耗，提高了企業經濟效益，同時還能夠實現裝置操作的標準化，減少了人為操作誤差，大幅地降低了操作人員的工作負荷，保證了裂解裝置的平穩安全運行。