46萬t/a乙烯裝置裂解爐先進控制技術應用及分析

方建林，李曉軍，楊 軍，郭德科

（中國石油蘭州石化公司乙烯廠，甘肅蘭州 730060）

46萬t/a乙烯裝置裂解爐先進控制技術應用及分析

方建林，李曉軍，楊 軍，郭德科

（中國石油蘭州石化公司乙烯廠，甘肅蘭州 730060）

裂解爐COT溫度均衡控制是提高“雙烯”收率、降低能耗的一條重要途徑。介紹了蘭州石公司46萬t/a乙烯裝置裂解爐的工藝特點，先進控制系統在裂解爐上的應用，并對應用效果進行了分析和評價。同時就先進控制系統實際運行過程中存在的問題進行了剖析，并提出了相應的解決措施。

乙烯裝置；裂解爐；先進控制系統；應用

中國石油蘭州石化公司的46萬t/a乙烯裝置，由美國KBR公司提供工藝包和裂解爐、脫甲烷系統及深冷分離、乙烯分離及制冷單元的基礎設計。中國寰球工程公司負責預熱單元、急冷單元、壓縮堿洗單元、冷熱分離單元、公用工程單元的基礎設計以及全部的詳細設計。裝置于2005年3月開工建設，2006年11月18日投料開車。

裝置主要由原料預處理、裂解（SC-1型管式裂解爐）、急冷（KBR公司專利技術）、壓縮、分離（四段壓縮，雙塔前脫丙烷、前加氫、先進的脫乙烷塔、低壓乙烯塔及乙烯壓縮機構成開式熱泵等工藝技術）和公用工程組成。

裝置裂解爐采用DeltaV DCS控制系統，主要的控制回路、檢測參數和聯鎖與報警功能皆由此系統完成。為了滿足裝置連續運行的要求，筆者設計了相應的溫度、壓力、液位及流量等參數的單回路控制系統。由于裂解爐原來所設計的COT溫度串級回路無法投到“自動控制”模式，導致COT溫度的波動比較大，而且沒有用多個通道的支路平衡控制，因而各通道之間的流量差和溫差是由操作人員手動進行調節的。燃料熱值是基于燃料組成推算獲得，由于計算值與實際估算值差距較大，所以也沒有采用熱值控制。

為保證裂解爐的平穩運行，在先進控制系統投用之前是由操作人員根據個人經驗頻繁調整的，不但無法保證操作的一致性，相關操作人員的工作量也非常大。COT的控制精度低，很難實現裝置效益的最大化。乙烯裝置裂解爐的控制要求包括：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，提高“雙烯”的收率同時降低能耗。

在此，筆者根據中國石油蘭州石化乙烯裝置裂解爐控制系統的現狀和控制要求，同時借鑒國外實施乙烯裂解爐先進控制和優化的經驗設計并應用適合裝置特點和要求的先進控制技術。

1 先進控制技術的應用

中國石油蘭州石化公司的46萬t/a乙烯裝置裂解爐采用SC-1型管式裂解爐，其工藝流程分為原料預熱、對流段、輻射段、高溫裂解氣急冷及熱量回收等部分。裝置設計的原料為丙烷、LPG、石腦油和加氫尾油，4種原料均以液體形式進入乙烯裝置進料儲罐，不同原料經過原料緩沖罐脫除水和雜質，以便降低原料變化對下游生產的影響。經原料泵加壓后送出進入原料預熱系統，預熱換熱器則利用可得到的低溫位熱量來預熱裂解爐原料，預熱到99℃進入裂解爐。石腦油和加氫尾油原料是以液相形態進入裂解爐中，而丙烷和LPG進料是以氣態形式進入裂解爐。

中國石油蘭州石化公司的46萬t/a乙烯裝置裂解爐的工藝特點：①原料種類多，裂解反應復雜。原料和生成物都參與反應，因此反應控制困難。②裂解反應過程是吸熱過程，要求提高反應溫度，縮短停留時間，反應的控制更困難，反應加熱采用多組爐管，因此爐管間相互有關聯，而且對反應深度有影響。③應促使一次反應的進行，抑制二次反應的發生，這就要求嚴格控制稀釋劑水蒸氣的用量，即控制汽烴比。④全部采用底部火嘴，如此爐管出口溫度的平衡控制就有困難。

針對上述工藝特點，由遼寧石油化工大學與中國石油蘭州石化公司組成了46萬t/a乙烯裂解爐先進控制項目組，協作完成了先控平臺搭建、五臺乙烯裂解爐基礎回路參數整定、模型測試、DCS邏輯切換及操作界面組態下裝和先進控制算法的投運等工作。

在首臺裂解爐102B先進控制系統投用后，根據實際運行情況在其它裂解爐101B、103B、104B、105B相繼試投運期間，對燃料熱值波動、進料組分波動增加了相應的補償控制，提高了COT溫度的控制精度。

2 先進控制技術應用效果及評價

46萬t/a乙烯裝置先進控制要求在單一原料裂解爐及氣液相通道裂解的裂解爐上實現COT的先進控制功能，包括COT偏差控制、各通道COT均衡控制、裂解爐總進料控制等功能。優化控制各進料管的流量和燃料氣進料量，使裂解爐的COT溫度偏差控制在±1℃以內；在裂解原料切換、裂解原料物性波動、以及其它波動對裂解爐運行產生大干擾的情況下，COT偏差控制在±3℃以內；在正常情況下，裂解爐總進料流量波動范圍在1％以內；在總進料流量的提/降量過程中，總進料流量波動范圍在3％以內。

先進控制系統通過實現輻射段爐管出口溫度（COT）的自動優化控制，減少了手動操作過程中各參數間的相互影響，各通道的COT控制指標已實現“卡邊”操作，COT設定值較未投先控前平均提高了2℃，即將液相通道COT由865±3℃，提高至目前的（867±1）℃，將氣相通道COT由870～875℃，提高至目前的（875±1）℃。

乙烯裝置裂解爐采用先進控制技術之后，能達到增強裝置抗干擾能力、平穩操作，減少關鍵工藝參數波動，從而為提高裂解爐的熱效率、降低爐管結焦速率、延長裂解爐投用時間、提高雙烯收率奠定了堅實的基礎。且采用先進控制也降低了人工調整頻率，提高了裝置的自動化水平。

項目實施后，對于該項目效果進行了標定，標定結果表明，5臺裂解爐的先進控制器能夠將COT標準偏差控制在±1℃以內。并且在各種干擾因素影響下，如原料和燃料組分及壓力波動、爐膛負壓波動、氧含量不足或過剩導致的爐膛火焰燃燒不均勻等，COT先進控制器運行效果非常理想。平均COT測量值與平均COT設定值、各通道COT與平均COT測量值的平均偏差和標準偏差都非常小，數據見表1。

表1 五臺裂解爐八個通道COT溫度總體分布及偏差

圖1 先控系統投用前后效果對比

由圖1可以看出，相對DCS人工控制，先進控制系統對COT的控制非常有效，表現為各通道COT曲線積聚，各通道間的COT偏差很小，各通道的COT控制指標已實現卡邊操作。圖1中COT大幅波動是由于裂解爐切換、提降量或工藝出現大波動造成的。

先進控制系統投用后，COT控制精度達到了±1℃，隨著裂解爐COT控制精度的提高，對于目的產品收率的提高、裂解爐生產周期的延長，以及裝置能耗、物耗的降低都有很大益處。

根據中石油化工研究院蘭州化工研究中心提交的《乙烯廠石腦油裂解評價報告》，“在0.50水油比條件下，裂解溫度每提高5℃，乙烯收率增加0.60％左右。本次石腦油裂解時丙烯收率較低，但是隨著裂解溫度的提高，丙烯收率下降的趨勢非常小”結論，圖2～圖3為各產物變化趨勢。

圖2 乙烯收率隨裂解溫度變化趨勢

圖3 丙烯收率隨裂解溫度 變化趨勢

由圖2可知，裂解溫度每提高5℃，乙烯收率增加0.60％左右，且溫度升高與乙烯收率提高之間線性關系良好。先進控制系統投用后，實現輻射段爐管出口溫度（COT）的自動優化控制，各通道的COT控制指標已實現“卡邊”操作，COT設定值較未投先控之前平均提高了2℃，則乙烯收率提高約0.24％。

另外，先進控制系統投用后，改變了操作人員需要頻繁調整各通道原料量以及燃料氣量來精確控制COT溫度的操作模式，COT指標的工藝平穩率從先進控制系統投用之前的88.73％提升至95.01％，避免了人工調整的滯后性和不穩定性，裝置工藝平穩率大幅度提高。先進控制系統投用前后乙烯裝置雙烯收率和乙烯綜合能耗詳見表2：

表2 近幾年乙烯裝置雙烯收率及能耗數據

3 存在問題

3.1 爐膛火焰燃燒不穩定

裂解爐先進控制系統投用以后，個別裂解爐由于火焰燃燒不穩定，先進控制器投用受到影響甚至無法投用，但是經過技術人員對燒嘴風門進行多次調整和摸索，總結出了一套較為準確的調整火焰的方法，由于火焰原因導致先進控制系統運行不穩定或者無法投用的問題基本得以解決。圖4為2#裂解爐風門調整后COT變化曲線：

圖4 2#爐COT曲線圖

如圖4所示，雖然經過調整火焰后2#爐COT波動情況得到一定的改善，但仍然不太理想。后來發現在先控未投用的情況下，二號爐COT溫度漂移的情況也非常頻繁，技術人員也找不到很好的應對措施，在先控投用的情況下，該擾動也極大地影響了先控的控制精度，單靠先進控制系統無法予以較好地解決，目前只有通過頻繁調整火焰來克服。主要存在問題是目前燒嘴的火焰燃燒狀況不理想，準備下一步對燒嘴進行改造，以從根本上解決火焰燃燒不穩定的問題。

3.2 裂解原料變化大

3.2.1 氣相原料總管壓力波動

通過對歷史操作數據分析，發現4#、5#裂解爐E/P爐前總管壓力（110PIC001）波動對氣相通道COT的影響比較大，且該擾動無法消除。如丙烷管線爐前總管壓力（110PIC001）波動，曾經造成裂解爐氣相通道進料量波動較大，導致正在裂解氣相原料的4#爐因干擾太大先進控制系統自動切除，5#爐先進控制系統控制精度嚴重變差。

3.2.2 原料組分變化

目前1#、3#、5#爐液相裂解原料共用103F（原料緩沖罐），103F有三股進料，分別是石腦油、外購輕烴/拔頭油、公司內部互供拔頭油。一般情況后兩股輕質裂解原料不進行流量控制，103F的液位是通過調整石腦油FIC127進料來控制。由于原來原料緩沖罐液面控制回路靈敏度太高，當輕烴和拔頭油流量發生變化時，石腦油進料量也隨之改變以穩定103F液面，此時將造成原料組分在短時間內發生較大變化，導致裂解爐COT的波動，先控系統控制精度受到很大影響。通過對液面控制器進行兩次PID參數整定，在考慮裝置出現最大波動時原料緩沖罐不出現空罐或滿罐的情況下，適當降低了液面控制器的靈敏度，減緩了原料組成變化的幅度，改善了先控系統控制精度。但裂解爐COT溫度對原料組成的變化非常敏感，先控系統無法較好的克服此類問題對COT控制精度的影響。

4 結論

從表1可以看出：5臺裂解爐COT先進控制器連續投運期間，在各種干擾因素存在下，如原料和燃料組分及壓力波動、爐膛負壓波動、氧含量不足或過剩導致的爐膛火焰燃燒不均勻等，COT先進控制器運行效果非常理想。

從運行曲線、實時數據及統計分析結果可以得出如下結論：正常情況下，5臺裂解爐COT先控實現了標準偏差控制在1度以內的目標；大擾動下，標準偏差的控制也在3度以內；控制效果非常理想；加工總量平穩，波動率低于0.5％；裂解爐運行工況穩定的前提下，標定時先進控制投用率達到99.5％。

總之，先進控制系統在蘭州石化46萬t/a乙烯裝置上得到了成功的應用。實施后，重要的生產參數自動維持在工藝的許可范圍內，使生產更加安全，運行更加經濟。過程變量的波動幅度明顯減少，提高了系統的穩定性，實現了產品質量的卡邊操作，進一步提高了產品產量，從而提高了裝置的經濟效益。

Application and Analysis of Cracking Furnace Advanced Process Control Technology in 460KT/Year Ethylene Plant

Fang Jian-lin，Li Xiao-jun，Yang Jun，Guo De-ke

Cracking furnace COT temperature balance control is an important way to improve ethylene-propylene yield and reducing energy consumption.This paper introduces the process of 46KT/year cracking plant of Lanzhou Petrochemical Company，application of advanced control system in ethylene cracking furnace.Meanwhile，it analyzes and evaluates he application effect of advanced control system.Finally，it analyzes the existing problems in the actual operation of advanced control system and puts forward the corresponding solutions.

ethylene plant；cracking furnace；advanced control；application

TQ113.25

A

1003-6490（2016）08-0044-03

2016-08-08

方建林（1967—），男，甘肅蘭州人，工程師，主要從事生產運行和計劃統計管理工作。