裂解乙烯裝置先進控制技術的應用

曹 靜，方 明，莊 稼

（國家能源集團寧夏煤業烯烴二分公司，銀川 750400）

0 引言

近些年來，中國化工行業發展迅猛，乙烯的產量以及與其配套的裂解裝置的自動化水平，工藝指標合格率都是衡量石化發展水平的重要指標。乙烯裝置中裂解爐群是整個乙烯生產的靈魂，其作用是把石腦油，LPG，C5-C9，PP重組分等高碳化合物通過加熱裂解成含各類低碳組份的裂解氣，再通過后續精餾裝置分離出乙烯、丙烯等產品供給下游聚合裝置使用。為提高乙烯產量和收率，優化控制方式來提高關鍵工藝參數的平穩率和合格率是一種切實有效的做法。

本廠的裂解爐工段包括4臺192U型液體裂解爐，1臺8M型氣體裂解爐，乙烯、丙烯總設計生產能力為90萬噸/年。液體爐為雙爐膛配置，每個爐膛中設置96根U型變徑輻射爐管，每根U型爐管上進上出共兩程。氣體爐為單爐膛（輻射室）結構，8根M 型爐管在爐膛中一字排列，每根M型爐管上進上出共6程。

其主要工藝流程是將原料石腦油由罐區泵組送至裂解爐后，在裂解爐的對流段與離開輻射段的高溫煙氣進行換熱，并與稀釋蒸汽混合，逐步預熱到橫跨溫度送入輻射段爐管進行裂解。裂解反應需要的熱量主要由裂解爐底部燒嘴燃燒產生的輻射熱提供。裂解爐運行所需的燃燒負壓由安裝在對流段上方的引風機提供，粗裂解氣經三級冷卻后送入急冷系統，在正常工況下，裂解爐常為四開一備，精餾裝置采用前脫丙烷前加氫工藝，實現裂解產品精細切割，獲得合格乙烯、丙烯。

裂解裝置整個工藝過程中的物料流、能量流關聯性高，耦合性強。每個單元都具有特殊的動態響應，如大閉環、大滯后、反向響應等，整個大閉環控制過程要求響應必須快，但單一的PID控制由于存在操作變量、被控變量變化頻繁，工藝穩定性差的缺點，不能滿足裂解裝置的上述要求，基于模型預測控制的先進控制技術則很好地解決了這些問題，其能站在大局上用物料平衡和能量守恒的原則來處理約束和實現過程解耦。能較好地適用在裂解爐群、C2/C3加氫反應、高低壓脫丙烷塔、脫乙烷塔及乙烯塔等裝置。

1 裂解乙烯裝置先進控制技術的應用

1.1 工程控制常用算法

1.1.1 PID控制

PID控制器的參數整定是裝置實現自動控制的核心內容，它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間。主流的參數整定法有臨界比例法、反應曲線法、衰減法。

PID控制主要有標準PID控制，比例微分先行PID控制，微分先行PID控制。

1）標準PID算法

該控制模式主要應用在時間常數比較長的生產過程，以及設定值變化帶來的瞬時響應的控制，根據設定值的變化實施比例、積分和微分控制。

計算表達式如下：

設此時刻回路的PV為PVt，SV值為SVt，前一刻為PVt-1，SV為SVt-1，前兩刻為PVt-2，SV為SVt-2。

其中：

KD為微分濾波系數。

2）比例微分先行PID控制

該控制模式與標準PID控制算法不一樣，設定值的變化不影響比例和微分作用，即使設定值突變也不會引起操作輸出的急劇變化，容易獲得穩定的控制特性，對于被控過程特性的變化、負載的變化和擾動，相應的執行比例、積分和微分控制作用，可以達到較好的控制效果。

計算表達式如下：

設此時刻回路的PV為PVt，SV值為SVt，此時前一刻為PVt-1，SV為SVt-1，前兩刻為PVt-2，SV為SVt-2。

其中：

KD為微分濾波系數。

3）微分先行PID控制

該控制模式在設定值變化時只執行比例和積分控制，沒有微分作用。該算法主要應用在希望對設定值變化有較好的跟蹤特性的場合，如串級控制回路的副回路。

計算表達式如下：

設此時刻回路的PV為PVt，SV值為SVt，此時前一刻為PVt-1，SV為SVt-1，前兩刻為PVt-2，SV為SVt-2。

其中：

KD為微分濾波系數。

1.1.2 先進控制

乙烯裝置先進控制的目標是提高乙烯裝置的自動化水平，提高裝置抗干擾能力和關鍵工藝參數的平穩率，提高裝置產品質量，降低裝置能耗和操作人員勞動強度，提高勞動生產率。

在乙烯裝置中，一些重要的質量指標與控制指標之間還存在較大的差距，未能實現產品質量的“卡邊”控制。采用先進控制系統提高產品質量的平穩度后，可進一步采用“卡邊”控制，優化蒸汽用量降低能耗，獲得可觀的經濟效益。

1）通過支路平衡及負荷自動升降技術，實現裂解爐支路溫度偏差控制及COT精確控制，提高裂解爐運行穩定性。

2）裂解爐燃燒熱效率建模，應用軟測量技術，實現熱效率實時計算，通過燃燒系統優化卡邊控制，提升裂解爐燃燒效率。

3）通過對分餾塔系的優化操作，實現卡邊控制，進一步提高裝置能量利用率，提高產品收率，實現節能降耗，挖潛增效。

1.2 先進控制方案

根據裂解裝置的實際生產特點，主要采用多變量模型預測控制技術，設計了適合裂解裝置的控制器。

1）COT溫度穩定優化控制

圖1 一號裂解爐COT溫度先控投用前后效果對比圖Fig.1 1th Comparison chart of the effect before and after the COT temperature control of cracking furnace

圖2 C2加氫三反出口炔含量先控投用前后效果對比圖Fig.2 Comparison of the effects before and after the first control of the export acetylene content of C2 hydrogenation three rebels

平均COT溫度是裂解爐的關鍵指標之一，是裂解爐裂解深度的衡量指標，選擇合適的裂解深度，可以兼顧較高的雙烯收率和較長的裂解爐運行周期。裂解爐出口溫度受很多因素影響，如燃料流量、壓力、熱值；爐管進料流量、壓力、稀釋比等，相互干擾的因素比較多，控制器通過預測模型，較好地解決了上述干擾的影響，提高了平均COT溫度的控制精度、平穩率，縮短平均COT跟蹤設定目標的動態響應時間。

2）自動升降負荷控制

裂解爐的生產負荷有多種控制需求，可穩定在某一固定值，可根據指令調整負荷，可在滿足工藝條件下最大化進料量等。目前本廠所使用的控制策略是在滿足某一固定量的條件下，操作人員通過設定裂解爐的總處理量和支路進料偏差后，APC控制器會根據各支爐管COT溫度分布情況，合理分配各支爐管所能處理的負荷，同時為了保證COT溫度的穩定性和裂解爐處理量的調整，燃料氣用量會自動匹配。

3）C2、C3加氫反應器先進控制

加氫反應過程是乙烯生產流程中重要的一個環節，加氫反應對溫度非常靈敏，其操作手段較少，實現精確操作困難大。影響加氫反應的因素有：入口溫度、氫炔比、空速、溫度梯度以及催化劑活性等相關因素。應用軟測量技術計算各反應器反應器深度，合理分配每個床層每一反應深度，盡量避免過加氫，降低烯烴損失，提高雙烯收率。

4）精餾系統先進控制

精餾系統前后各塔均保持能量平衡和物料平衡，精餾系統先進控制包含脫甲烷塔、脫乙烷塔、脫丙烷塔、脫丁烷塔、乙烯精餾塔和丙烯精餾塔等。通過先控系統的應用，在確保裝置安全平穩的前提下，提高了精餾裝置的自動化水平、裝置的抗干擾能力、關鍵工藝參數的平穩率，實現了精餾系統卡邊控制，提高了雙烯收率、節能降耗。

2 應用前后對比

先進控制系統自投運以來，各APC模塊控制展現出良好的穩態性能，在改善裝置的運行狀況的情況下，還提高了控制品質。實現了COT溫度穩定與支路平衡，實現了裂解爐負荷自動升降，實現了裂解爐燃燒效率優化卡邊控制。

1）裂解爐群關鍵變量先進控制系統投用前后效果對比如圖1所示。

2）加氫反應系統關鍵變量先進控制系統投用前后效果對比如圖2所示。

3）精餾系統關鍵變量先進控制系統投用前后效果對比如圖3所示。

3 結語

經裝置連續運行的考驗，先進控制展現出良好的穩態性能，改善了裝置的運行狀況，提高了產品質量。COT溫度波動幅度下降到1℃以內，實現全系統負荷自動升降及換熱網絡解耦。

圖3 脫丁烷塔靈敏板溫度先控投用前后效果對比圖Fig.3 Comparison chart of the effect before and after the temperature control of the sensitive plate of the stripper tower