先進控制技術在乙烯裂解爐上的開發及應用

林文燕

（福建聯合石油化工有限公司，福建 泉州 362800）

先進控制APC（Advanced Process Control）技術就是以計算機和控制網絡為信息載體，運用科學、先進的控制理論和控制方法，對工藝生產過程進行分析計算，在常規控制基礎上建立生產過程的數學模型，將傳統的常規PID 控制升級到多變量（多輸入多輸出）的模型預估控制。乙烯裝置是石化企業的“龍頭老大”，提高乙烯、丙烯等高價值產品收率，降低裝置能耗，可以有效增加公司的生產效益，而裂解爐則是乙烯裝置提高乙烯等高附加值產品收率、降低能耗的關鍵設備，因此在裂解爐上實施先進控制技術，是企業提高控制水平、增加效益的重要手段[1-5]。本文介紹了該公司在原有DCS 控制系統基礎上利用霍尼韋爾公司多變量預測先進控制軟件Profit Controller 和TECHNIP 公司的SPYRO 裂解爐機理模型在10 臺乙烯裂解爐上開發了裂解爐先進控制系統，實現了該系統的在線應用優化。

1 裂解爐生產控制概況

該公司乙烯裝置裂解爐生產過程具有原料類型種類繁多、進料性質變化大、進料類型切換頻繁以及同一臺裂解爐加工多種原料的特點。DCS 控制系統采用的是Emerson 公司的DeltaV 系統，生產過程主要通過常規PID 回路進行控制，控制方案設計中包括裂解爐總負荷控制及支路溫差控制、燃料氣熱值控制、汽烴比控制等，自控投用率較高，但是裂解深度采用離線指導通過調節爐出口溫度COT 來進行控制，在裂解爐負荷調整及原料性質波動時就會存在無法精確及時調整COT 獲得最佳的裂解深度和裂解產品收率的情況，這就會造成經濟效益的損失[6]；裂解爐的燃燒負荷控制中，底部燃燒熱負荷由爐子COT 變化控制，而側壁負荷往往因需要操作工去手動調節計算而未及時調整；裂解爐過剩煙氣氧含量的控制主要通過操作工的觀察來調節通風量，這樣容易存在比較大的調節滯后，平均過剩煙氣氧含量偏大，使得爐子熱效率降低，導致燃料氣浪費，裝置能耗提高。

2 先進控制系統開發

2.1 先進控制系統目標

1）通過在線裂解爐機理模型的運用，實現裂解深度在線優化，達到可靈活實現單臺裂解爐高附加值產品、雙烯產品價值最大化或乙烯產率最大的選擇；

2）維持裂解爐底部和側壁燃燒熱負荷的合理分配，保裂解爐在工藝和設備約束下優化運行；

3）降低裂解爐煙氣氧含量波動，提高裂解爐熱效率，降低裝置能耗和操作工勞動強度。

2.2 先進控制系統設計

裂解爐先進控制系統是建立在目前運行的DCS控制系統之上，結構上主要包含了先進控制系統相關的功能模塊以及數據接口（Socket）模塊。

2.2.1 裂解深度在線優化

裂解深度是衡量裂解爐內裂解反應進行程度的重要指標。由于裂解原料各不相同，所以裂解深度在相同的條件下，裂解過程中所產生的目標產品收率也可能會存在一定的差異，這就需要根據不同裂解原料和實際運行情況來準確調整好裂解深度，以便目標產品收率達到最優化狀態，實現裂解爐爐在運行中效益最大化的目標[7]。在線SPYRO 裂解爐模型SAPC 是TECHNIP 公司用于乙烯裝置的控制與實時優化的機理模型軟件，將SAPC 基于霍尼韋爾的UniSim Design 流程模擬軟件平臺運行，并通過相應的輸入參數如進料組分、進料流量、COT 及COP等，計算出裂解深度（丙烯/乙烯質量比，簡稱P/E）或轉化率、最大爐管表面溫度TMT 和裂解產物分布等不可測的工藝參數[6]。在裂解爐操作中裂解深度隨著進料組分變化而變化，因此在裂解深度優化模型設計中，模型的增益也應該隨著進料組分的變化而變化。先進控制軟件Profit Controller 中具有按產品價值優化的功能（PVO），允許用戶利用靈活的與價格相關聯的二次目標函數，按照需求設定優化目標，優化目標包括了高附加值產品價值最大、雙烯產品價值最大化或乙烯產率最大等，將SAPC 模型與PVO 相結合，計算的結果在線連續修改Profit Controller 中的裂解深度和各組分產品的產率與爐出口溫度的模型增益，從而為被控變量和操作變量提供了目標和方向，實現了在滿足操作約束的前提下將整個裝置推向最為經濟的操作區域[8]，PVO 與SAPC 結合優化關系如圖1 所示。

2.2.2 裂解爐先進控制器

采用先進控制軟件對每一臺裂解爐設計一個控制器，一共包含了10 個先進控制器，每個控制器的子模型變量包括了被控變量（CV）：裂解深度（P/E）、氧含量、爐膛負壓、最大TMT、爐膛側壁熱量占比以及多個用于裂解深度優化的優化變量；干擾變量（DV）：稀釋比DSR、爐膛出口壓力COP；操作變量（MV）：COT、風機轉速、風門、側壁熱量。

2.2.3 數據接口模塊（Socket）

數據接口模塊包含3 個數據接口（Socket）：輸入數據接口（Socket1）、輸出數據接口（Socket2）和模型增益接口（Socket3）。輸入數據包括裂解爐幾何尺寸、操作條件輸入數據等，操作條件輸入參數需要先進行有效性檢驗和計算才能輸入到模型中，Socket1 用于向SAPC 裂解模型程序寫入數據；輸出數據主要指的是通過SAPC 模型計算獲得的裂解深度（P/E 比、M/P 比、轉化率）、各組分產品產率等，Socket2 用于從SAPC 裂解模型程序讀取數據；Socket3 就是用于從SAPC 裂解模型程序提取相關增益值，通過與10 個Profit Controller 控制器相連接并對控制器中關鍵模型進行實時增益更新，如圖2 所示。

圖2 裂解爐先進控制系統架構

3 先進控制系統實施及效果

3.1 裂解深度在線優化

在裂解爐型已確定的情況下，控制不同的裂解原料以及運行狀況下裂解爐運行的最佳裂解深度，是提高乙烯、丙烯收率以及其他經濟效益指標的最有效措施，該公司乙烯裝置裂解深度在線優化主要采用了雙烯產品價值最大化或者乙烯產率最大模式進行生產，在滿足爐子的約束條件下，通過對COT在合適的范圍內進行實時調節，優化裂解深度，提高裝置效益[9]。選取原料性質相對穩定并且具有代表性的時間段進行裂解深度在線優化投用前后效果進行測算，以雙烯產品價值最大化為優化目標，考慮對比期間系統工況變化對雙烯收率提高的影響，將裂解爐在先進控制器投用前后的雙烯收率進行計算分析，可以得出雙烯產率提高0.42%，每年可增加將近3 000 萬的經濟效益。圖3 為采用石腦油作為原料的裂解爐，選擇雙烯產品價值最大，根據求解目標： PVO=乙烯產品產率×乙烯產品價格+丙烯產品產率×丙烯產品價格，將乙烯丙烯的產率跟市場價格聯系起來，可以尋找到當前操作條件下的最佳裂解深度（P/E）以及對應的COT 值，通過PVO的動態優化求解方案，使得裂解爐始終在滿足控制器約束的條件下優化運行，從而創造更多效益。

圖3 PVO 和 P/E 關系圖

3.2 裂解爐燃燒負荷優化控制

裂解爐的燃燒熱量由側壁燒嘴和底部燒嘴燃燒聯合提供，側壁燃燒器提供基本的燃燒負荷，底部熱負荷大小由爐管出口溫度COT 決定，且側壁和底部燃燒器提供的熱量負荷存在一定的比例，以優化爐膛底部至拱頂的輻射熱通量的分布，因此當爐管出口溫度變化時，底部和側壁的燃燒負荷都要進行相應改變。先進控制的投用提供了通過對不同裂解負荷下對側壁燃燒負荷的區間控制確保了當COT改變，底部燃燒熱量隨之變化時，側壁和底部燃燒負荷比例仍能保持在固定的區間值內，通過計算燃燒負荷比例控制比投用前平均標準偏差降低78.16%，從而保證了爐膛整體的熱量分布，控制效果如表1 所示。

表1 燃燒負荷比例控制

3.3 裂解爐氧含量優化控制

裂解爐爐內過?？諝夂拓搲旱目刂剖侨紵鞑僮骱脡牡年P鍵。通常過剩空氣系數除了滿足燃料完全燃燒以外，還應考慮一定余量[10]。先進控制器通過協調裂解爐風門開度和引風機轉速，實現裂解爐過剩煙氣氧含量、爐膛壓力的區間控制，并設定優化目標來確保滿足正常燃燒工況的前提下將過剩煙氣氧含量從投用前的平均2.0%降至1.8%左右，過剩氧含量控制平均標準偏差降低70.01%，且操作員操作次數降幅70%以上。對裂解爐氧含量實施先進控制，不僅提高了裂解爐的熱效率，降低裝置能耗，同時也大大降低了操作員的勞動強度，實現了精細和平穩控制，控制效果如表2 所示。

表2 裂解爐氧含量控制和優化

4 結束語

先進控制技術在該公司乙烯裂解爐上的應用效果表明，常規DCS 控制系統是石化企業平穩運行的基礎，而先進控制技術則進一步提升了DCS 控制系統的控制能力，解決了常規PID 控制對復雜工業控制的效果問題，是企業實現精細化操作和管理、創造效益的有效工具。如何更好地設計出適合企業生產的先進控制模型進行應用實踐，需要先進控制軟件實施人員和企業生產技術管理人員的共同努力和配合。