基于熱量平衡的裂解爐支路溫度及負荷控制方法

楊松柏，李全善，戴景義，翟迎春，王開發，焦 陽，張天星

(1.中國石油獨山子石化公司塔里木石化分公司，新疆 庫爾勒 841000；2.北京世紀隆博科技有限責任公司；3.昆侖數智科技有限公司)

乙烯裝置是石化企業的“龍頭”裝置,裂解爐是乙烯裝置提高乙烯等高附加值產品收率、降低能耗的關鍵設備[1]。裂解原料經預熱后進入裂解爐發生裂解反應,裂解氣送至下游進行分離得到主要產品。反應溫度是影響裂解反應能否正常進行的重要操作參數之一[2],衡量反應溫度的一個重要指標是裂解爐出口溫度(COT)。裂解爐本身有多變量、非線性、大時滯、強耦合的特點,其任何參數的微小變化都會影響整體運行,造成裝置波動,使系統控制難度增大。裂解爐采取多路爐管設計,往往因各燒嘴燃料等分配不均衡而出現“偏火”現象,致使各組爐管進料在爐內吸收的熱量不均衡,容易造成流量少的管內介質超溫、裂解、結焦等問題,難以用常規控制方法來解決。

國內外學者對裂解爐支路溫度均衡以及裂解爐控制問題展開了深入研究。其中,金強等[3]提出了一種基于T-S模型的多變量模糊自適應狀態空間預測控制算法,作為支路溫度平衡控制器,開發和實施了乙烯裂解爐支路平衡先進控制系統;林文燕[1]提出利用霍尼韋爾公司多變量預測先進控制軟件Profit Controller和TECHNIP公司的SPYRO裂解爐機理模型開發了系列先進控制系統并進行了在線應用和優化;謝磊等[4]設計了HQF-LⅡ型COT先進控制方案。上述研究大多依賴國外先進控制軟件來控制裂解深度或COT,本課題提出基于熱量平衡的裂解爐支路溫度及負荷控制方法,在集散控制系統(DCS)上增加支路溫度及負荷控制器和各支路溫度控制器,通過計算支路溫度與COT的偏差對支路進料流量進行調整,實現均衡控制支路溫度的目的,同時考慮裂解原料負荷變化時裂解爐運行操作特性改變對COT及支路溫度帶來的擾動;進而通過加入負荷控制,協同調配各支路流量分配,有效減少裂解爐運行過程及負荷調整過程中支路溫度的波動,提高裂解爐整體運行的平穩性。該方法成功應用于某石化公司0.60 Mt/a乙烷制乙烯裝置的5臺裂解爐,實現了開工過程對裂解爐的精準且平穩控制,為一次開車成功提供了有力技術支撐。以下介紹技術的開發及應用情況。

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品,再經過脫雜質處理和逐級精餾進行產品分離。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注入蒸汽。這種操作可利用低壓蒸汽作為稀釋蒸汽,比傳統方法節能。

圖1 裂解爐的工藝流程

乙烯裝置共配置5臺氣體原料裂解爐(4開1備)。裂解爐由對流段和輻射段組成,氣相乙烷原料經裂解爐對流段的原料預熱盤管預熱到500～800 ℃后進入原料增濕塔底部,與塔頂的熱工藝水逆流接觸。工藝水汽化后與乙烷原料達到設定的稀釋比,之后進入裂解爐對流段的混合原料預熱Ⅰ段及Ⅱ段進行過熱,達到橫跨溫度后,進入輻射段爐管發生裂解反應,在700～900 ℃的高溫下反應得到乙烯和其他副產物。

盡管裂解爐內各組爐管和燒嘴是按幾何對稱布置的,但往往因各燒嘴的燃料量、送風量等不均衡而出現“偏火”現象,致使各組爐管進料在爐內吸收熱量不均衡,最終導致各組爐管的出口溫度不均衡,增大了爐管結焦的傾向,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,兩個質量相同、溫度不同的物體放在一起時,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,稱為達到熱平衡。在分析裂解爐爐管熱量傳導時,爐管的典型參數分布還受到爐管結焦情況、爐膛熱場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偏差大的問題。通過調節各支路進料流量使支路溫度與COT一致,對支路溫度偏高的支路增加進料流量,對支路溫度偏低的支路減少進料流量。某一支路調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

當不改變總進料負荷時,即固定各支路進料總和的前提下,通過重新分配支路進料流量的方式,達到支路溫度與COT一致的目的。裂解爐支路溫度及負荷控制系統的結構如圖2所示。裂解爐進料有n組,其中FC(1)為第1支路進料流量控制器,FC(n)為第n支路進料流量控制器,TC(1)為第1支路進料的出口溫度控制器,TC(n)為第n支路進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)組成串級控制回路,通過調節燃料氣流量實現COT的調節。T1-in、Tn-in分別表示第1支路及第n支路進料的入口溫度,T1-out、Tn-out分別表示第1支路及第n支路進料的出口溫度。設置支路溫度及負荷控制器,根據各支路入口溫度與出口溫度、COT、支路流量、負荷進行運算,得到每個支路流量的調整量,最終輸出至進料流量調節閥。

支路溫度均衡的調整方法為對支路溫度偏高的支路增加進料流量,對支路溫度偏低的支路減少進料流量,最終實現各支路出口溫度與COT相一致。對于第i個支路而言,若出口溫度Ti-out高于COT,在現有支路進料流量FLi的基礎上,增加調整流量ADi,原Ti-out高出COT部分所對應的熱量應當與流量為ADi的原料由入口溫度Ti-in加熱到COT的過程中所吸收的熱量相等。根據熱量平衡原理及換熱公式,則有如下表達式:

(1)

(2)

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

(3)

(4)

為了穩定負荷,需要使SIC與SDC相等,設定允許各支路調整量的限值為LM,計算支路增量系數CIC和支路減量系數CDC,具體計算式如下:

LM=min[SIC,abs(SDC)]

(5)

CIC=LM/SIC

(6)

CDC=LM/SDC

(7)

考慮到支路流量調整的安全性,設定支路平衡系統中單次調節的最大流量增量/減量為DFL,則實際單次最大流量調節增量/減量SMA及單次調整系數CSA按如下分配關系計算:

SMA=min(LM,DFL)

(8)

CSA=SMA/LM

(9)

最終由式(10)計算得到第i個支路進料量的調整量DFLi。

(10)

最終支路溫度均衡調整后的支路進料量為FL′i,其計算式為:

FL′i=FLi+DFLi

(11)

2.3 負荷控制

當裂解爐需要提降負荷時,在支路溫度均衡調整的同時增減每個支路的進料流量,以達到提降負荷的目的。假定裂解爐總負荷設定值為TLSV,則負荷調成后每個支路流量FL″i的計算式為:

(12)

每個支路流量按照均衡狀態下的流量分配比例來調整總負荷的分配問題,可以保證不破壞原有的熱量平衡,各支路溫度均衡不會受到提降負荷的影響。

3 裂解爐支路溫度及負荷控制方法的應用

3.1 實施步驟

裂解爐支路溫度及負荷控制方法在裝置DCS中可以直接實施,為充分發揮DCS的操作潛力,通過控制器的組態和連接以及控制語言和控制邏輯的編制來設計支路溫度及負荷控制器,其結構如圖3所示。

具體實施步驟為:①讀取裂解爐支路入口溫度、出口溫度及支路進料流量;②設定單個支路單次最大調節增量/減量;③根據熱量平衡原理,在DCS上開發支路溫度及負荷控制器,并在DCS中下裝調試;④支路溫度及負荷控制器計算得到每個支路進料調整量;⑤讀取裂解爐總負荷的設定值,并計算得到各支路流量控制器的設定值。

3.2 實施效果

某石化公司0.60 Mt/a乙烷制乙烯裝置共有5臺裂解爐,每臺裂解爐都包括兩個輻射段爐膛(A爐膛、B爐膛),兩個爐膛并排布置。烴進料和稀釋蒸汽經混合及預熱后進入輻射段,每個爐膛的進料流量組數為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,每組烴進料配一組稀釋蒸汽。裂解爐投用支路溫度均衡及負荷控制后,各支路溫度和COT的變化曲線見圖4。由圖4可以看出,裂解爐開工初期各支路受熱不均勻,支路溫度偏差最大達到5 ℃,在運行至293 min時投用支路溫度及負荷控制,之后A、B爐膛各支路溫度和COT快速實現“多線合一”,支路溫度的差別控制在1 ℃以內,控制效果顯著,充分發揮了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

實施裂解爐支路溫度及負荷控制后,設置單個支路最大調節增量/減量為0.1 t/min,運行至100 min時,負荷降低2 t,待運行至200 min時,再將負荷提高2 t,裂解爐A的實施結果如圖5所示。由圖5可以看出,負荷降低和提高時COT及支路溫度控制平穩,COT波動范圍精準控制在±0.5 ℃,支路溫差波動范圍控制在1 ℃內,負荷調整對COT基本沒有影響,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 實施支路溫度及負荷控制后裂解爐A的溫度及流量運行曲線

裝置投料11 h即產出合格產品,開工期間未發生大的生產波動,未排出火炬,未排出超常污水,開車用時刷新了乙烯項目開工紀錄。支路溫度及負荷控制的實施保證了裂解爐平穩運行,延長了運行時間,降低了爐管結焦的可能性,提高了裂解爐的工作效率,同時降低了操作人員勞動強度,為新建裝置一次開車成功提供了有力基礎和保障。

4 結 論

開發了基于熱量平衡的支路溫度及負荷控制方法,并在某石化公司0.60 Mt/a乙烷制乙烯裝置開工過程成功應用。取得了以下結果:

(1)針對裂解爐正常運行過程和負荷調整過程中支路出口溫度存在偏差的問題,基于熱量平衡的原理,提出了一種裂解爐支路溫度及負荷控制方法。

(2)在 DCS 上采用現有模塊設計裂解爐支路溫度及負荷控制器,進行控制器的組態和連接以及控制語言和控制邏輯的編制,充分發揮了DCS的操作潛力。

(3)開工過程裂解爐COT和支路溫度快速實現“多線合一”,實現支路溫度均衡控制;同時考慮了工藝要求改變負荷的情況,增加了負荷控制,確保COT不受負荷調整的影響,降低操作人員勞動強度,為新建裝置一次開車成功提供了有力基礎和保障。

(4)在裝置正常運行狀態下,COT波動范圍為±0.5 ℃,支路溫差波動范圍控制在1 ℃內,實現了COT精準控制,進一步保證了裂解爐平穩運行,延長了運行時間,降低了爐管結焦的可能性,從而提高了裂解爐的工作效率。

符號說明

ADi——第i個支路需要調整的支路流量,t/h;

CDC——支路減量系數;

CIC——支路增量系數;

CSA——單次調整系數;

Cp——傳熱系數;

DFL——支路平衡系統中單次調節的最大流量增量/減量,t/h;

DFLi——第i個支路進料量的調整量,t/h;

FLi——第i個支路進料量,t/h;

FL′i——支路溫度均衡調整后的第i個支路進料量,t/h;

FL″i——負荷調整后的第i個支路進料量,t/h;

LM——允許各支路調整量的限值,t/h;

n——裂解爐進料組數;

Q——調整前后傳輸的熱量和,kW·h;

SIC——支路進料調整量的增量和,t/h;

SDC——支路進料調整量的減量和,t/h;

SMA——實際單次流量調節增量/減量,t/h;

COT——裂解爐COT,℃;

Ti-in——第i個支路進料入口溫度,℃;

Ti-out——第i個支路進料出口溫度,℃;

Tn-in——第n個支路進料入口溫度,℃;

Tn-out——第n個支路進料出口溫度,℃;

T1-in——第1個支路進料入口溫度,℃;

T1-out——第1個支路進料出口溫度,℃;

TLSV——裂解爐總負荷設定值,t/h。