乙烯裂解爐裂解深度的先進過程控制與優化分析

張鑫方莫力根

乙烯裂解爐裂解深度的先進過程控制與優化分析

張鑫方1莫力根2

（1中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東525000）（2北京航天動力研究所，北京100076）

在乙烯裂解裝置爐中，引入先進過程控制與優化系統APC，能夠保證裝置的穩定可靠運行，減少裝置波動引發的安全問題。本文立足當前市場發展情況，對乙烯裂解爐的裂解深度優化方向進行了調整，希望能夠實現不同原料動態實時裂解深度的優化，促進經濟效益的提高。

乙烯裂解爐；裂解深度；過程控制；優化

乙烯裂解爐先進控制策略包括幾點，一是減少煙道氣氧含量，優化燃料消耗；二是優化裂解深度；三是對裂解爐管管壁溫度TMT進行優化控制，減少結焦現象；四是控制裂解爐的進料流量，使得其能夠達到目標值。乙烯裂解爐主要用于裂解氣的加工，是乙烯生產裝置的核心所在，可以將天然氣、原油、煉廠氣等加工成裂解氣，提供給其它的乙烯裝置，完成乙烯加工。裂解深度是衡量乙烯裂解爐內部裂解反應程度的一個重要指標，需要控制在合理范圍內，才能夠保證產品收率。因此，做好乙烯裂解爐裂解深度的控制和優化意義重大。

1 先進過程控制與優化系統

1.1 SPYRO模型

SPYRO軟件是基于自由基原理的一種模擬軟件，在已知原料組成的基礎上，可以對各種爐型的裂解過程進行預測和模擬，也可以輸入現有裂解原料的性質數據以及操作工況，對產物分布進行模擬，并以此為依據明確最佳操作工況，對裂解爐的運行狀態進行監控。以離線SPYRO模型配合PIMS軟件，對不同裂解原料的最優裂解深度進行了明確和優化。考慮到裂解爐操作中實際操作工況以及裂解原料的組成性質處于動態變化中，為了確保裂解爐運行的穩定性，實現裂解深度的最優化，需要設計先進過程控制和優化系統[1]。

1.2 控制目標

將常規控制中裂解爐出口溫度操作控制轉變為先進過程的裂解深度控制，可以實現裂解反應操作條件的穩定性和均一性，使得其產物的分布更加穩定，減少波動現象。在約束條件下，通過優化控制，能夠有效減少廢料，實現增產增效的目的，同時也能夠保證作業人員、設備以及作業環境的安全性。

2 乙烯裂解爐裂解深度的優化控制

2.1 裂解深度優化流程

受市場供需關系變化的影響，乙烯生產設備的價格也存在較大的波動，從市場的角度出發，應該盡量采用最大化模式進行生產。基于此，裂解爐深度的優化目標應該放在對原料的合理利用，從中獲取最大的產品價值。結合SAPC模型，可以以分鐘為單位，通過實時計算，得到相應的裂解深度，如果裂解爐出口存在有分析數據，模型計算可以提供在線更新功能，通過原料在線分析與SAPC模型的聯合，可以完成對裂解深度隨原料變化情況的分析和研究。結合SPYRO模型和APC系統，結合穩定的COT（最優裂解深度），可以對裂解深度進行有效控制，繼而提升乙烯的產量[2]。

2.2 優化方向調整

優化方向的調整應該立足市場，以石油腦為例進行分析，伴隨著裂解深度的降低，乙烯、氫氣、甲烷等的收率明顯下降，丙烯、粗裂解汽油等的收率則顯著提高。結合SPYRO模型的離線數據，在COT（最優裂解深度）均值為835℃時，每降低1℃，丙烯產量會增加0.09%，粗裂解氣產量增加0.04%，乙烯產量減少0.13%，甲烷產量減少0.04%。為了更好的研究總體效益，這里結合0.9的系數，對其進行綜合考慮。依照8000h/年、400t/h的進料，結合不同裂解產品的價格表（表1），展開分析計算。

以丙烯產量最大化的工況進行計算，每年最大化丙烯產量的效益為0.9×8000h×400t/h×（丙烯×8239+混合C4×6308-乙烯× 9044-甲烷×870-氫氣×13416+粗裂解汽油×5980）=0.9×8000× 400×（0.09%×83239+0.07%×6308+0.04%×5980-0.13%×9044-0.07%×870-0.004%×13416）≈3796589元。結合計算結果，COT（最優裂解深度）每降低1℃，總體效益能夠提高約380萬元。

表1 不同裂解產品價格

2.3 最優裂解深度確立

依照石油腦、液化氣等不同裂解材料的性質，結合SPYRO離線模型，對不同原料在不同裂解深度下的產品分布進行分析和模擬計算，在充分考慮原料價格、產品價格以及投料負荷安排等的基礎上，運用ASPEN-PIMS軟件，進行優化分析，可以得到乙烯裂解爐在效益最大化工況下，各個裂解原料的裂解深度，并將之作為控制目標。從裂解爐的實際運行情況出發，結合APC系統，進行裂解爐最優裂解深度的調整，使得各種原料的裂解深度能夠達到設定值[3]。

3 結語

結合先進控制項目，可以有效提升乙烯裂解爐運行的平穩性，降低操作人員的勞動強度，同時減少了人為誤操作以及生產過程的上下游干擾問題，能夠顯著提高產品的質量。同時，先進控制項目的實施，也可以在強化裝置處理能力的同時，延長其使用壽命，為企業的經濟效益帶來較大的增長。

[1]唐昭.乙烯裂解爐裂解深度的先進過程控制與優化[J].安徽化工,2016,42(2):42-44.

[2]蔣勇,梅華,胡天生,王宏剛.乙烯裂解爐裂解深度在線優化研究與應用[J].化工進展,2010,29(7):1373-1376.

[3]方晴晴.乙烯裂解爐軟測量建模及裂解深度實時優化[D].華東理工大學,2015.