乙烯裂解爐裂解深度控制與實時優化

張博

摘要：裂解爐是乙烯生產裝置的關鍵單元，其先進控制與優化技術是乙烯裝置優化運行技術重要的組成部分。解深度指標值確定的科學性。先進控制與優化系統的持續效益發揮離不開系統長周期穩定運行，但是實際過程的工況是經常變化的，這就需要加強對先進控制與優化系統的運行維護，實現先進控制系統維護常態化，使系統的效益能夠持續發揮。

關鍵詞：乙烯裂解裂解爐;深度控制;

一、裂解爐生產工藝簡介

以石腦油為加工路線的乙烯裝置按流程順序依次分為裂解、急冷、壓縮、分離 4 個主要單元，以及配套的火炬、污水處理、原料及產品貯存、水電汽風等公用工程單元。在裂解單元中，裂解爐非常關鍵，在整套乙烯裝置中，它也是核心靜設備。其作用是將石腦油、柴油、加氫尾油、液化石油氣（LPC）等液態原料以及循環乙烷等氣態原料加工成包含乙烯、丙烯及各種高副產品在內的裂解氣。裂解爐的主要型號有 Lummus 公司的sRT、s&w 公司的 UsC、Lincd 公司的 Pyrobr_bk、中國石化的 CBL 等等。其結構一般包含爐體、爐管、汽包、廢熱鍋爐、急冷器、燒嘴、煙囪、引風機等，爐內上部為對流段，下部為輻射段。

典型的裂解工藝通過燃料氣的燃燒，裂解爐爐膛內產生 1000℃以上的高溫，各種原料在爐內對流段預熱并與稀釋蒸汽混合（用于降低烴分壓） 后，進人輻射段爐管，在高溫作用下發生裂解反應，生成多組分的裂解氣。為抑制二次反應的發生，通過廢熱鍋爐、急冷器對高溫裂解氣進行冷卻并 回收熱量，隨后裂解氣進人急冷單元的汽油分餾塔。

裂解深度是評判以生產乙烯為主要目標的裂解反應的關鍵指標，裂解溫度、原料在爐管內的停留時間以及烴分壓是影響該指標的主要因素。因此，裂解爐的操作必須滿足高溫、短停留時間、低烴分壓的要求等。

二、裂解爐先進控制、深度控制與實時優化

（一）先進控制

裂解深度是指裂解反應進行的程度，控制裂解深度的目的是保證裂解反應能達到預期的程度，使目標產物最佳化。表征裂解深度的參數有很多種，如甲烷收率、甲烷對丙烯的收率比（以下簡稱甲丙比）、丙烯對乙烯的收率比（以下簡稱丙乙比）、裂解爐裂解氣出口溫度（以下簡稱 C0T） 等等。但無論采用哪種參數來表征裂解深度，操作的變量都是 C0T。

由此可見，C0T 控制是裂解生產中最核心、最重要的控制方案。裂解爐先進控制（以下簡稱APC）的目標就是把爐管出口平均溫度控制在期望值上，即保持合適的裂解深度。爐管出口平均溫度的輸出控制底部燒嘴燃 料氣流量。此外，為保證裂解爐熱負荷，還設置了側壁燒嘴燃料氣控制塊。通過改變燃料氣量來控制爐管出口平均溫度。實際生產過程中，裂解原料的 變化較為頻繁，不同原料的裂解深度需要相應調整，才能獲得最優的收率 [3]。

（二）裂解深度控制

以某重油爐為例，說明裂解深度控制系統的構成。重油爐可以裂解石腦油和加氫尾油，稀釋蒸汽（Ds）分為 2 次從不同位置注人，其裂解深度采用甲丙比來標識，當甲丙比上升時，表示裂解深度加深，反之當甲丙比下降時，表示裂解深度變淺。

裂解深度控制系統采用串級控制策略，內環為 C0T 控制，Cb2 為 C0T 溫度控制器，用來穩定裂解爐操作，使裂解爐 C0T 跟蹤設定值變化，外環為裂解深度控制，Cb1 為裂解深度控制器，在爐況變化或裂解油品屬性變化時，用來控制裂解爐裂解深度的穩定和跟蹤性能，控制對象為裂解爐， 控制指標為 C0T 溫度和裂解深度（甲丙比）。

裂解深度指標主要依靠在線氣相色譜實現在線分析。由于氣相色譜工作機制的限制，裂解氣從取樣器到色譜分析儀輸出分析結果大致需要4～ 10min，而裂解反應的時間通常少于 1min。因此，為克服如此大的時滯需要采用 smith 預估控制策略，控制方案圖如圖 1 所示。其中裂解深度模型可以根據 C0T、裂解原料屬性（如密度、P0NA 等）、汽烴比、進料負荷等，采用神經網絡等軟測量方法對裂解深度進行預測。同時，為了糾 正裂解深度模型的偏差，需要用裂解氣在線分析結果對裂解深度模型進行校正。

（三）實時優化系統

裂解收率預測在線集成模型包括 6 個子模型，分別對應 6 類石腦油油品，這 6 個子模型在有石腦油油品分析數據時，根據現場石腦油油品信息選擇某個子模型，結合現場的操作數據（C0T、進料流量和汽烴比），由 選中的子模型對乙烯質量收率和丙烯質量收率進行預測。這 6 類模型將分別以 6 類石腦油聚類中心數據（包括直鏈烷烴總和、正構異構之比、比重）作為各模型的固定輸人，代表 6 類石腦油的代表信息，而模型的其他 3 個輸人變量（C0T、進料流量和汽烴比）則根據現場實時獲取的數據進行輸人， 進而計算得出乙烯質量收率和丙烯質量收率的預測值。

根據市場及效益情況，組織生產。根據乙烯、丙烯、高副產品等市場效益來選擇乙烯、丙烯、高副產品等收率最大化作為優化性能指標。對上述所述的優化問題進行單純的全局優化無法適應油品特性變化等不確定性因素帶來的影響。因此，引人了滾動優化的思想，即在一定時間窗口內最大化經濟性能指標，同時根據實際生產狀況的變化適時地調整優化策略， 通過在逐步移動的時間窗口內不斷修正優化的目標實現經濟性能指標局部優化，進而實現長期運行的經濟性能指標最優。

裂解爐優化變量均采用 C0T，因爐型及操作條件不同，優化范圍不同， 一般是在優化范圍內確定最優 C0T，再根據模型計算出最優丙乙比。實時優化系統（以下簡稱 RT0 系統）與裂解深度控制系統的關系如圖 2 所示。RT0 系統通過氣相色譜儀實時分析裂解氣組分，并將分析數據與優化控制模型對比，通過調整裂解深度不斷優化裂解氣組成，達到增產目標產物的目的。

三、應用成效

目前，乙烯裝置裂解爐的裂解深度控制與優化系統陸續投用，裂解爐 均實現了 RT0 自動控制。成立 RT0 團隊后，各裂解爐的裂解深度控制投用率與 RT0 系統投用率顯著提高。

在使用乙烯收率、丙乙雙烯收率最大等各種模式下，RT0 系統自動控制裂解深度向目標值靠近，裂解產物分布逐漸接近控制目標，證明系統已 經可以正常運行。同時，RT0 系統投用后，可以根據市場各類產品價格， 實施調整優化模型，選取不同的裂解策略，增產目標產物，提高了單臺裂解爐的經濟效益。

項目投用期間，某重油爐的進料量為 38t/h 固定不變，項目投用前后， 乙烯收率降低 0.164%，丙烯收率提高 0.788%，副產品收率降低 0.546%（詳細數據請參考用戶使用報告），以 38t/h 進料量，每年 7200h 計算：

1、裂解爐經濟效益 = 丙烯增產 - 乙烯減少 - 副產品損失 =682.51 萬元 /_

2、社會效益，除上述直接經濟效益外，RT0 系統投用后的能耗和物耗也有所降低，其中燃料消耗減少 0.11 噸/ 小時，鍋爐給水消耗減少 0.779t/ h。此外，某重油爐在項目投用前后，C0T 溫度降低 7℃，這對延長裂解爐的運行周期具有一定的積極作用。

結束語

綜上所述，通過對乙烯裝置裂解爐先進控制、深度控制與實時優化系統進行了簡要的介紹，并具體闡述了如何提升裂解深度控制與實時優化系統投用率以及提升后的成效。

參考文獻

[1]智茂軒.乙烯裂解氣組成在線分析方法的研究及應用進展[J].石油化工 .2021.50（06）：622-626.

[2]黃一烽.淺談乙烯裂解爐的配管設計[J].石油化工設計 .2021.38（02）：54- 58+6-7.

[3]黃子坤.乙烯裂解爐工藝概述與節能措施[J].山東化工 .2021.50（07）：146- 147.