COT 溫度先進控制在乙烯裂解爐中的應用

謝 磊 員 鑫

（中國石油蘭州石化公司電儀事業部）

按照中國石油關于塔里木和長慶油田乙烷、液化氣和輕烴資源利用方案的要求，在產能不變的前提下，對某乙烯裝置進行恢復性改造，將原有的6 臺年產2 萬噸乙烯KBR 毫秒爐更換為3臺年產4 萬噸的輕質裂解爐，裂解原料采用長慶天然氣輕烴回收廠分離出的液化石油氣。 裂解爐是乙烯裝置的關鍵設備，其能耗占裝置總能耗的50%～60%，降低裂解爐的能耗是降低乙烯生產成本的重要途徑之一。 隨著節能降耗任務的日趨緊迫，相關企業近年來積極開展裂解爐節能降耗的攻關，采取了一系列措施，效果明顯［1］。 穩定裂解爐的COT 溫度和總進料流量，同時實現各組爐管間溫度的均衡控制，采取先進控制技術，優化裂解爐操作， 能夠很好地提高乙烯和丙烯收率，使乙烯裝置生產能耗明顯下降。 因此， 充分利用DCS 與計算機的優勢，運用現代控制技術，有針對性地開發APC 先進控制和優化系統，對充分發揮現有生產裝置的運行潛力， 有效實現增產、節能、降耗的目標具有十分重要的意義，也是實現內涵發展的必由之路［2］。

1 裂解爐工藝簡介

中國寰球工程有限公司的HQF-L Ⅱ型裂解爐的結構主要分為對流段和輻射段兩部分。 裂解爐為單輻射室，全部采用底部燒嘴，輻射爐管為兩程， 爐管內壁設有中國寰球工程有限公司的專利產品強化傳熱元件，提高傳熱效率和選擇性，降低結焦傾向，延長清焦周期，輻射段爐管強度計算按照API 530 進行，爐管的設計壽命為100 000h。

裂解爐對流段由上至下，各盤管依次為原料預熱Ⅰ段、省煤器、原料預熱Ⅱ段、DS 過熱段、高壓蒸汽過熱Ⅰ段、 高壓蒸汽過熱Ⅱ段和HC+DS段。 在原料預熱單元預熱后的氣相輕烴（LPG）進入裂解爐對流段的原料預熱Ⅰ段和Ⅱ段預熱，經過兩段原料預熱后的LPG，再與過熱后的稀釋蒸汽混合進入HC+DS 段。 在輻射段爐管反應后出來的裂解氣首先進入裂解氣急冷換熱器，與來自汽包的鍋爐給水換熱迅速冷卻并副產高壓蒸汽，再在裂解氣第二急冷換熱器經高壓鍋爐給水冷卻到235℃后進入急冷單元。 經對流段省煤器預熱后的鍋爐給水進到裂解氣第二急冷換熱器進一步預熱，預熱后進入汽包，汽包與裂解氣急冷換熱器形成熱虹吸系統，產生的高壓蒸汽經汽包分液后進入對流段高壓蒸汽過熱Ⅰ段，過熱后的蒸汽經減溫器降溫后再進入高壓蒸汽過熱Ⅱ段，由減溫器控制高壓蒸汽的最終出口溫度。

2 乙烯裂解爐先進控制

2.1 裂解爐COT 控制方案

以F110 裂解爐為例， 介紹先進控制方案的設計與實施。 裂解爐爐膛輻射段出口有PASS1A、PASS3A 兩部分，其出口共有48 個COT 測量點，通過控制裂解爐爐管的進料和進裂解爐燃料氣的流量，實現COT 溫度穩定控制的目的。 裂解爐采用立管式雙面輻射，每臺裂解爐有兩組進料通道PASS1A 和PASS3A，每組24 根爐管，共計48根爐管，每根爐管出口安裝一支K 型貼壁式雙支熱電偶， 通過計算PASS1A 和PASS3A 通道上的平均溫度來進行COT 溫度的實際控制。COT 平均溫度T 的計算公式為：

式中 Ti——第i 根爐管的溫度，℃。

裂解爐爐管平均COT 是裂解爐最關鍵的被控變量，通過COT 溫度先進控制器，增強控制回路的抗擾動能力，縮短對其設定值變化的動態響應過程，并提高控制精度［3］。COT 溫度先進控制系統在輻射段共采用3 個COT 控制器，根據所選通道，采用不同的控制器進行COT 控制。 而不同于其他裂解爐先進控制方式的是，又增加了兩個不同的模式轉換，分別是壓力控制模式和流量控制模式，根據實際工況要求，采用不同的COT 控制器和控制模式，能有效抑制干擾，最大化地提高系統運行的穩定性。 COT 控制框圖如圖1 所示。

圖1 COT 控制框圖

2.2 爐膛盤管出口溫度控制

該年產24 萬噸乙烯項目基于裂解爐進料配置，實現爐膛盤管出口溫度控制功能。 為了實現對爐膛輻射段出口溫度的有效控制，以裂解爐的4 組輕烴進料FIC11106、11206、11306、11406 作為前饋， 給COT 控制器輸出一個先進補充信號，以提前增大或降低燃燒量。通過在DCS 上對選擇開關HS-11030A 進行相應設置，由操作人員選擇不同的控制模式（共3 種通道切換模式），裂解爐的兩組進料PASS1A 和PASS3A 對應進料控制會自動根據COT 溫度控制系統進行調節。

2.2.1 復雜控制回路構成說明

每臺裂解爐爐膛的COT 獨立控制， 爐膛由PASS1A 和PASS3A 兩部分組成。 每部分都有24個溫度檢測點， 根據24 個溫度測量值求得各自的COT 平均溫度。

TY11115 代表PASS1A 的24 個測溫點的平均值；TY11315 代表PASS3A 的24 個測溫點的平均 值；TY11327 是 對TY11115 和TY11315 兩 個值進行再次平均計算出的平均值。

PASS1A 和PASS3A 共48 個測溫點的平均值為TY11327。 TIC11126 為PASS1A 的COT 控制器，其輸出作為PASS1A 進料流量控制器的設定值；TIC11326 為PASS3A 的COT 控制器，其輸出作為PASS3A 進料流量控制器的設定值。

爐膛輻射段出口的48 個爐管出口溫度測點的平均值作為TIC11327 的測量值， 控制器的輸出作為爐膛燃料流量的熱值控制器的設定值。

FHS-11011 為爐膛的COT 控制模式選擇開關，通過選擇不同的模式COT 將采用不同的控制方式。 FIC11106 和FIC11306 是PASS1A 的進料流量控制器，FIC11206 和FIC11406 是PASS3A的進料流量控制器。

FIC11011 為進爐膛的燃料氣流量控制器。PIC11011A 為進爐膛的燃料氣壓力高超馳控制器。 PIC11011B 為進爐膛的燃料氣壓力低超馳控制器。PIC11011C 為進爐膛的燃料氣壓力控制器。整個復雜回路有48 個溫度檢測點、4 個流量檢測點、6 臺調節閥、13 個調節器、5 個切換開關和2個高低選擇開關。

2.2.2 COT 先進控制方案的實現

HS-11030A 選擇位置1。 PASS1A 被選中，通道一COT 控制器TIC11126 的輸出值作為流量控制器FIC11011 的給定值， 通過串級控制來調節燃料氣流量設定值。 而PASS3A 的COT 控制器TIC11326 與流量控制器FIC11306 和FIC11406進行串級控制， 調節通道三進料流量的設定值，同時PASS1A 的進料流量控制器FIC11106 和FIC11206 進入自動調節模式。

HS-11030A 選擇位置2。 PASS3A 被選中，通道三COT 控制器TIC11326 的輸出值作為流量控制器FIC11011 的給定值， 通過串級控制調節燃料氣流量設定值。 而PASS1A 的COT 控制器TIC11126 與流量控制器FIC11106 和FIC11206進行串級控制， 調節通道一進料流量的設定值，同時PASS3A 的進料流量控制器FIC11306 和FIC11406 進入自動調節模式。

HS-11030A 選擇位置3。 PASS1A 和PASS3A通道都被選中， 爐膛平均值COT 控制器TIC11327 的測量值是通過 TIC11126 和TIC11326 的平均值再次平均， 通過流量控制器FIC11011 調節燃料氣流量。通道一和通道三的進料流量控制器都被打到自動模式。

2.2.3 熱量控制

根據FHS-11011 控制模式選擇開關，模式開關置1 時， 通過HS-11030A 選擇開關選擇TIC11126 或TIC11326 或TIC11327 相對應的溫度控制器串級控制FIC11011； 模式開關FHS-11011 置2 時， 通過PIC11011A/B/C 燃料氣壓力控制器調節燃料氣流量設定值。

PIC11011A 是一個燃料氣壓力高超馳控制器。 當燃料氣壓力比允許的極限值（300kPa）高時，PIC11011A 將通過低信號選擇器PY-11011A來控制閥門FV-11011A/B，降低燃料氣流量。

PIC11011B 是一個燃料氣壓力低超馳控制器。 當燃料氣壓力比允許的極限值（10kPa）低時，PIC11011B 將通過高信號選擇器PY-11011B 來控制閥門FV-11011A/B 增加燃料氣流量。

FY-11011C 和FY-11011D 是FHS-11011 的分程輸出功能塊。 如圖2 所示，FY-11011C 將輸入的25%～100%轉換成0%～100%的輸出值發送給FV-11011A。 FY-11011D 將輸入的0%～25%轉換成0%～100%的輸出值發送給FV-11011B。

圖2 F110 裂解爐燃料氣分程控制

3 裂解爐COT 控制在DCS 上的實施

乙烯3 臺裂解爐DCS 主要是利舊原橫河CS3000 系統的FCS01 和FCS02 兩臺控制站改造，為了滿足先進控制技術的應用，每臺裂解爐配置1 臺PC 機作為操作員站，為乙烯裝置裂解爐先進控制系統提供計算運行環境。 操作員站與工程師站建立以太網實現通信連接，進行數據傳送［4］。

F110 裂解爐COT 控制的部分邏輯如圖3 所示。

圖3 F110 裂解爐COT 溫度控制邏輯框圖（部分）

無論裂解爐COT 控制采用哪種通道模式，一旦裂解爐觸發SD-1 聯鎖 （此時裂解爐僅切斷進料）， 系統程序會自動將控制模式切換到模式3，即 HS-11030A 選 擇 位 置 3，COT 控 制 器TIC11126、TIC11326、TIC11327 會自動調節DCS的PID 塊，使之進入自動控制模式，同時將COT設定值給定為820℃， 調節閥將根據偏差值自動進行調節［5］。

4 結束語

COT 先進控制方案在乙烯裂解爐中實施，結合實際運行情況，選擇不同的控制模式，極大地提高了COT 的控制效果，提高了控制精度和平穩性，增強了回路的抗干擾能力，從而進一步保證了乙烯和丙烯產品的收率及其合格率，經濟效益顯著提升，而且節能降耗效果明顯，延長了裝置的生產周期，實現了低碳、安全、高效生產，為進一步優化控制奠定了良好的基礎。