基于熱量平衡的裂解爐支路溫度及負(fù)荷控制方法

楊松柏，李全善，戴景義，翟迎春，王開(kāi)發(fā)，焦 陽(yáng)，張?zhí)煨?/p>

(1.中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司塔里木石化分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.北京世紀(jì)隆博科技有限責(zé)任公司；3.昆侖數(shù)智科技有限公司)

乙烯裝置是石化企業(yè)的“龍頭”裝置,裂解爐是乙烯裝置提高乙烯等高附加值產(chǎn)品收率、降低能耗的關(guān)鍵設(shè)備[1]。裂解原料經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入裂解爐發(fā)生裂解反應(yīng),裂解氣送至下游進(jìn)行分離得到主要產(chǎn)品。反應(yīng)溫度是影響裂解反應(yīng)能否正常進(jìn)行的重要操作參數(shù)之一[2],衡量反應(yīng)溫度的一個(gè)重要指標(biāo)是裂解爐出口溫度(COT)。裂解爐本身有多變量、非線性、大時(shí)滯、強(qiáng)耦合的特點(diǎn),其任何參數(shù)的微小變化都會(huì)影響整體運(yùn)行,造成裝置波動(dòng),使系統(tǒng)控制難度增大。裂解爐采取多路爐管設(shè)計(jì),往往因各燒嘴燃料等分配不均衡而出現(xiàn)“偏火”現(xiàn)象,致使各組爐管進(jìn)料在爐內(nèi)吸收的熱量不均衡,容易造成流量少的管內(nèi)介質(zhì)超溫、裂解、結(jié)焦等問(wèn)題,難以用常規(guī)控制方法來(lái)解決。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)裂解爐支路溫度均衡以及裂解爐控制問(wèn)題展開(kāi)了深入研究。其中,金強(qiáng)等[3]提出了一種基于T-S模型的多變量模糊自適應(yīng)狀態(tài)空間預(yù)測(cè)控制算法,作為支路溫度平衡控制器,開(kāi)發(fā)和實(shí)施了乙烯裂解爐支路平衡先進(jìn)控制系統(tǒng);林文燕[1]提出利用霍尼韋爾公司多變量預(yù)測(cè)先進(jìn)控制軟件Profit Controller和TECHNIP公司的SPYRO裂解爐機(jī)理模型開(kāi)發(fā)了系列先進(jìn)控制系統(tǒng)并進(jìn)行了在線應(yīng)用和優(yōu)化;謝磊等[4]設(shè)計(jì)了HQF-LⅡ型COT先進(jìn)控制方案。上述研究大多依賴國(guó)外先進(jìn)控制軟件來(lái)控制裂解深度或COT,本課題提出基于熱量平衡的裂解爐支路溫度及負(fù)荷控制方法,在集散控制系統(tǒng)(DCS)上增加支路溫度及負(fù)荷控制器和各支路溫度控制器,通過(guò)計(jì)算支路溫度與COT的偏差對(duì)支路進(jìn)料流量進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)均衡控制支路溫度的目的,同時(shí)考慮裂解原料負(fù)荷變化時(shí)裂解爐運(yùn)行操作特性改變對(duì)COT及支路溫度帶來(lái)的擾動(dòng);進(jìn)而通過(guò)加入負(fù)荷控制,協(xié)同調(diào)配各支路流量分配,有效減少裂解爐運(yùn)行過(guò)程及負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中支路溫度的波動(dòng),提高裂解爐整體運(yùn)行的平穩(wěn)性。該方法成功應(yīng)用于某石化公司0.60 Mt/a乙烷制乙烯裝置的5臺(tái)裂解爐,實(shí)現(xiàn)了開(kāi)工過(guò)程對(duì)裂解爐的精準(zhǔn)且平穩(wěn)控制,為一次開(kāi)車成功提供了有力技術(shù)支撐。以下介紹技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用情況。

1 乙烷制乙烯裂解爐工藝流程

某石化公司0.60 Mt/a乙烷制乙烯裝置以高溫蒸汽裂解方法制取乙烯等產(chǎn)品,再經(jīng)過(guò)脫雜質(zhì)處理和逐級(jí)精餾進(jìn)行產(chǎn)品分離。裂解爐的工藝流程如圖1所示。為了充分利用低品位熱能,降低蒸汽消耗量和能耗,與傳統(tǒng)工藝直接向原料管線中注入稀釋蒸汽不同,乙烷制乙烯裝置采用增濕塔系統(tǒng)注入蒸汽。這種操作可利用低壓蒸汽作為稀釋蒸汽,比傳統(tǒng)方法節(jié)能。

圖1 裂解爐的工藝流程

乙烯裝置共配置5臺(tái)氣體原料裂解爐(4開(kāi)1備)。裂解爐由對(duì)流段和輻射段組成,氣相乙烷原料經(jīng)裂解爐對(duì)流段的原料預(yù)熱盤管預(yù)熱到500～800 ℃后進(jìn)入原料增濕塔底部,與塔頂?shù)臒峁に囁媪鹘佑|。工藝水汽化后與乙烷原料達(dá)到設(shè)定的稀釋比,之后進(jìn)入裂解爐對(duì)流段的混合原料預(yù)熱Ⅰ段及Ⅱ段進(jìn)行過(guò)熱,達(dá)到橫跨溫度后,進(jìn)入輻射段爐管發(fā)生裂解反應(yīng),在700～900 ℃的高溫下反應(yīng)得到乙烯和其他副產(chǎn)物。

盡管裂解爐內(nèi)各組爐管和燒嘴是按幾何對(duì)稱布置的,但往往因各燒嘴的燃料量、送風(fēng)量等不均衡而出現(xiàn)“偏火”現(xiàn)象,致使各組爐管進(jìn)料在爐內(nèi)吸收熱量不均衡,最終導(dǎo)致各組爐管的出口溫度不均衡,增大了爐管結(jié)焦的傾向,縮短了爐管的使用壽命[5-6]。

2 基于熱量平衡的支路溫度及負(fù)荷控制方法

2.1 熱量平衡原理

由熱量平衡原理可知,物體上升與下降相同的溫度,吸收或放出的熱量相等。理想情況下,兩個(gè)質(zhì)量相同、溫度不同的物體放在一起時(shí),高溫物體放出的熱量全部被低溫物體吸收,最后兩物體溫度相同,稱為達(dá)到熱平衡。在分析裂解爐爐管熱量傳導(dǎo)時(shí),爐管的典型參數(shù)分布還受到爐管結(jié)焦情況、爐膛熱場(chǎng)分布以及爐管特性等多方面因素的影響[7]。本課題采用重新分配各支路流量的方法解決裂解爐各支路溫度與COT偏差大的問(wèn)題。通過(guò)調(diào)節(jié)各支路進(jìn)料流量使支路溫度與COT一致,對(duì)支路溫度偏高的支路增加進(jìn)料流量,對(duì)支路溫度偏低的支路減少進(jìn)料流量。某一支路調(diào)整前后遵循熱量平衡原理,吸收的熱量等于放出的熱量。

2.2 支路溫度控制

當(dāng)不改變總進(jìn)料負(fù)荷時(shí),即固定各支路進(jìn)料總和的前提下,通過(guò)重新分配支路進(jìn)料流量的方式,達(dá)到支路溫度與COT一致的目的。裂解爐支路溫度及負(fù)荷控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。裂解爐進(jìn)料有n組,其中FC(1)為第1支路進(jìn)料流量控制器,FC(n)為第n支路進(jìn)料流量控制器,TC(1)為第1支路進(jìn)料的出口溫度控制器,TC(n)為第n支路進(jìn)料的出口溫度控制器,TC(COT)為COT控制器,FC(G)為裂解爐燃料氣流量控制器,TC(COT)與FC(G)組成串級(jí)控制回路,通過(guò)調(diào)節(jié)燃料氣流量實(shí)現(xiàn)COT的調(diào)節(jié)。T1-in、Tn-in分別表示第1支路及第n支路進(jìn)料的入口溫度,T1-out、Tn-out分別表示第1支路及第n支路進(jìn)料的出口溫度。設(shè)置支路溫度及負(fù)荷控制器,根據(jù)各支路入口溫度與出口溫度、COT、支路流量、負(fù)荷進(jìn)行運(yùn)算,得到每個(gè)支路流量的調(diào)整量,最終輸出至進(jìn)料流量調(diào)節(jié)閥。

支路溫度均衡的調(diào)整方法為對(duì)支路溫度偏高的支路增加進(jìn)料流量,對(duì)支路溫度偏低的支路減少進(jìn)料流量,最終實(shí)現(xiàn)各支路出口溫度與COT相一致。對(duì)于第i個(gè)支路而言,若出口溫度Ti-out高于COT,在現(xiàn)有支路進(jìn)料流量FLi的基礎(chǔ)上,增加調(diào)整流量ADi,原Ti-out高出COT部分所對(duì)應(yīng)的熱量應(yīng)當(dāng)與流量為ADi的原料由入口溫度Ti-in加熱到COT的過(guò)程中所吸收的熱量相等。根據(jù)熱量平衡原理及換熱公式,則有如下表達(dá)式:

(1)

(2)

裂解爐支路溫度均衡調(diào)整過(guò)程中,在沒(méi)有負(fù)荷調(diào)整指令的前提下,裂解爐的進(jìn)料總負(fù)荷需要保持不變。由此,分別按照式(3)和式(4)計(jì)算各支路進(jìn)料調(diào)整量的增量和SIC及各支路進(jìn)料調(diào)整量的減量和SDC。

(3)

(4)

為了穩(wěn)定負(fù)荷,需要使SIC與SDC相等,設(shè)定允許各支路調(diào)整量的限值為L(zhǎng)M,計(jì)算支路增量系數(shù)CIC和支路減量系數(shù)CDC,具體計(jì)算式如下:

LM=min[SIC,abs(SDC)]

(5)

CIC=LM/SIC

(6)

CDC=LM/SDC

(7)

考慮到支路流量調(diào)整的安全性,設(shè)定支路平衡系統(tǒng)中單次調(diào)節(jié)的最大流量增量/減量為DFL,則實(shí)際單次最大流量調(diào)節(jié)增量/減量SMA及單次調(diào)整系數(shù)CSA按如下分配關(guān)系計(jì)算:

SMA=min(LM,DFL)

(8)

CSA=SMA/LM

(9)

最終由式(10)計(jì)算得到第i個(gè)支路進(jìn)料量的調(diào)整量DFLi。

(10)

最終支路溫度均衡調(diào)整后的支路進(jìn)料量為FL′i,其計(jì)算式為:

FL′i=FLi+DFLi

(11)

2.3 負(fù)荷控制

當(dāng)裂解爐需要提降負(fù)荷時(shí),在支路溫度均衡調(diào)整的同時(shí)增減每個(gè)支路的進(jìn)料流量,以達(dá)到提降負(fù)荷的目的。假定裂解爐總負(fù)荷設(shè)定值為TLSV,則負(fù)荷調(diào)成后每個(gè)支路流量FL″i的計(jì)算式為:

(12)

每個(gè)支路流量按照均衡狀態(tài)下的流量分配比例來(lái)調(diào)整總負(fù)荷的分配問(wèn)題,可以保證不破壞原有的熱量平衡,各支路溫度均衡不會(huì)受到提降負(fù)荷的影響。

3 裂解爐支路溫度及負(fù)荷控制方法的應(yīng)用

3.1 實(shí)施步驟

裂解爐支路溫度及負(fù)荷控制方法在裝置DCS中可以直接實(shí)施,為充分發(fā)揮DCS的操作潛力,通過(guò)控制器的組態(tài)和連接以及控制語(yǔ)言和控制邏輯的編制來(lái)設(shè)計(jì)支路溫度及負(fù)荷控制器,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

具體實(shí)施步驟為:①讀取裂解爐支路入口溫度、出口溫度及支路進(jìn)料流量;②設(shè)定單個(gè)支路單次最大調(diào)節(jié)增量/減量;③根據(jù)熱量平衡原理,在DCS上開(kāi)發(fā)支路溫度及負(fù)荷控制器,并在DCS中下裝調(diào)試;④支路溫度及負(fù)荷控制器計(jì)算得到每個(gè)支路進(jìn)料調(diào)整量;⑤讀取裂解爐總負(fù)荷的設(shè)定值,并計(jì)算得到各支路流量控制器的設(shè)定值。

3.2 實(shí)施效果

某石化公司0.60 Mt/a乙烷制乙烯裝置共有5臺(tái)裂解爐,每臺(tái)裂解爐都包括兩個(gè)輻射段爐膛(A爐膛、B爐膛),兩個(gè)爐膛并排布置。烴進(jìn)料和稀釋蒸汽經(jīng)混合及預(yù)熱后進(jìn)入輻射段,每個(gè)爐膛的進(jìn)料流量組數(shù)為2,其中A爐膛中爐管為1、3支路,B爐膛中爐管為2、4支路,每組烴進(jìn)料配一組稀釋蒸汽。裂解爐投用支路溫度均衡及負(fù)荷控制后,各支路溫度和COT的變化曲線見(jiàn)圖4。由圖4可以看出,裂解爐開(kāi)工初期各支路受熱不均勻,支路溫度偏差最大達(dá)到5 ℃,在運(yùn)行至293 min時(shí)投用支路溫度及負(fù)荷控制,之后A、B爐膛各支路溫度和COT快速實(shí)現(xiàn)“多線合一”,支路溫度的差別控制在1 ℃以內(nèi),控制效果顯著,充分發(fā)揮了DCS的操作潛力。

—1支路; —3支路; —COT

—2支路; —4支路; —COT圖4 裂解爐爐膛支路溫度及COT的變化曲線

實(shí)施裂解爐支路溫度及負(fù)荷控制后,設(shè)置單個(gè)支路最大調(diào)節(jié)增量/減量為0.1 t/min,運(yùn)行至100 min時(shí),負(fù)荷降低2 t,待運(yùn)行至200 min時(shí),再將負(fù)荷提高2 t,裂解爐A的實(shí)施結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,負(fù)荷降低和提高時(shí)COT及支路溫度控制平穩(wěn),COT波動(dòng)范圍精準(zhǔn)控制在±0.5 ℃,支路溫差波動(dòng)范圍控制在1 ℃內(nèi),負(fù)荷調(diào)整對(duì)COT基本沒(méi)有影響,表明本研究所提出的基于熱量平衡的支路溫度及負(fù)荷控制方法有良好的控制性能。

—COT; —1支路; —3支路

—1支路; —3支路圖5 實(shí)施支路溫度及負(fù)荷控制后裂解爐A的溫度及流量運(yùn)行曲線

裝置投料11 h即產(chǎn)出合格產(chǎn)品,開(kāi)工期間未發(fā)生大的生產(chǎn)波動(dòng),未排出火炬,未排出超常污水,開(kāi)車用時(shí)刷新了乙烯項(xiàng)目開(kāi)工紀(jì)錄。支路溫度及負(fù)荷控制的實(shí)施保證了裂解爐平穩(wěn)運(yùn)行,延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間,降低了爐管結(jié)焦的可能性,提高了裂解爐的工作效率,同時(shí)降低了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度,為新建裝置一次開(kāi)車成功提供了有力基礎(chǔ)和保障。

4 結(jié) 論

開(kāi)發(fā)了基于熱量平衡的支路溫度及負(fù)荷控制方法,并在某石化公司0.60 Mt/a乙烷制乙烯裝置開(kāi)工過(guò)程成功應(yīng)用。取得了以下結(jié)果:

(1)針對(duì)裂解爐正常運(yùn)行過(guò)程和負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中支路出口溫度存在偏差的問(wèn)題,基于熱量平衡的原理,提出了一種裂解爐支路溫度及負(fù)荷控制方法。

(2)在 DCS 上采用現(xiàn)有模塊設(shè)計(jì)裂解爐支路溫度及負(fù)荷控制器,進(jìn)行控制器的組態(tài)和連接以及控制語(yǔ)言和控制邏輯的編制,充分發(fā)揮了DCS的操作潛力。

(3)開(kāi)工過(guò)程裂解爐COT和支路溫度快速實(shí)現(xiàn)“多線合一”,實(shí)現(xiàn)支路溫度均衡控制;同時(shí)考慮了工藝要求改變負(fù)荷的情況,增加了負(fù)荷控制,確保COT不受負(fù)荷調(diào)整的影響,降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度,為新建裝置一次開(kāi)車成功提供了有力基礎(chǔ)和保障。

(4)在裝置正常運(yùn)行狀態(tài)下,COT波動(dòng)范圍為±0.5 ℃,支路溫差波動(dòng)范圍控制在1 ℃內(nèi),實(shí)現(xiàn)了COT精準(zhǔn)控制,進(jìn)一步保證了裂解爐平穩(wěn)運(yùn)行,延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間,降低了爐管結(jié)焦的可能性,從而提高了裂解爐的工作效率。

符號(hào)說(shuō)明

ADi——第i個(gè)支路需要調(diào)整的支路流量,t/h;

CDC——支路減量系數(shù);

CIC——支路增量系數(shù);

CSA——單次調(diào)整系數(shù);

Cp——傳熱系數(shù);

DFL——支路平衡系統(tǒng)中單次調(diào)節(jié)的最大流量增量/減量,t/h;

DFLi——第i個(gè)支路進(jìn)料量的調(diào)整量,t/h;

FLi——第i個(gè)支路進(jìn)料量,t/h;

FL′i——支路溫度均衡調(diào)整后的第i個(gè)支路進(jìn)料量,t/h;

FL″i——負(fù)荷調(diào)整后的第i個(gè)支路進(jìn)料量,t/h;

LM——允許各支路調(diào)整量的限值,t/h;

n——裂解爐進(jìn)料組數(shù);

Q——調(diào)整前后傳輸?shù)臒崃亢?kW·h;

SIC——支路進(jìn)料調(diào)整量的增量和,t/h;

SDC——支路進(jìn)料調(diào)整量的減量和,t/h;

SMA——實(shí)際單次流量調(diào)節(jié)增量/減量,t/h;

COT——裂解爐COT,℃;

Ti-in——第i個(gè)支路進(jìn)料入口溫度,℃;

Ti-out——第i個(gè)支路進(jìn)料出口溫度,℃;

Tn-in——第n個(gè)支路進(jìn)料入口溫度,℃;

Tn-out——第n個(gè)支路進(jìn)料出口溫度,℃;

T1-in——第1個(gè)支路進(jìn)料入口溫度,℃;

T1-out——第1個(gè)支路進(jìn)料出口溫度,℃;

TLSV——裂解爐總負(fù)荷設(shè)定值,t/h。