乙烯裂解炉裂解深度的先进过程控制与优化

唐昭（中沙（天津）石化有限公司，天津300271）



乙烯裂解炉裂解深度的先进过程控制与优化

唐昭
（中沙（天津）石化有限公司，天津300271）

摘要：乙烯裂解装置的先进控制与优化系统（APC）能够实现装置稳定运行，减少装置的波动。结合产品最新市场情况，合理调整裂解深度优化方向，借助APC控制系统模型、SPYRO模型和进料分析仪，实现不同原料动态实时裂解深度稳定优化操作。

关键词：裂解炉；APC控制系统；SPYRO模型；裂解深度

1　先进过程控制与优化系统

1.1SPYRO模型与先进过程控制与优化系统

SPYRO（Steam Pyrolysis，蒸汽裂解）软件是一个基于自由基机理的模拟软件，含有3500多个反应，200余种自由基和分子。在已知原料组成的前提下，能预测和模拟从C2到石脑油、柴油和加氢尾油在各炉型的热裂解过程；可以通过输入现有裂解原料性质及操作工况来模拟产物分布，进而确定最佳操作工况，并监控裂解炉运行状态。

公司通过投用离线SPYRO软件模型，并与PIMS软件结合，优化确定了各裂解原料的最优裂解深度。裂解炉操作中，裂解原料的组成性质及裂解炉操作工况参数是实时动态变化的。为了确保裂解炉稳定在最优裂解深度下操作，需要设计并实施在线online- SPYRO软件模型（SAPC）结合APC。

1.2控制目标

从常规控制的单纯的裂解炉出口温度（COT）操作，到先进控制的裂解深度（P/E）的控制，使得裂解反应的操作条件更加稳定和均一，产物的组成更加稳定，从而实现裂解炉运行稳定，减少波动。在运行约束内，优化控制，卡边操作，达到减少废料、增加产量、增加效益的目的；同时显著增加人员、环境、设备的安全性。

裂解炉先进控制策略如下：

①通过PID和支路平衡的整定减少裂解炉COT偏差；②通过最小化烟道气氧含量优化燃料气消耗；③优化裂解深度；④控制裂解炉的进料流量到目标值；⑤控制炉管管壁温度TMT，减少结焦；⑥稳定操作，提高装置运行的稳定性。

通过图1和表1可以看出，APC控制程序通过控制裂解炉的进料流量和TMT温度,达到优化裂解深度、减少结焦和过剩氧含量最小化，提高了装置运行的稳定性。

2　裂解深度优化控制

2.1裂解深度动态优化流程

由于乙烯或丙烯市场供需关系的急剧变化，乙烯装置产品相对价格也经常变化，因此根据乙烯及丙烯的市场需求，裂解炉采用最大化乙烯模式或者最大化丙烯模式进行生产。根据以上信息，裂解炉的优化目标就成为从原料中得到最大的产品价值以应对市场变化。因此，必须在炉子的约束条件下，优化炉子的裂解深度。SAPC模型能够每分钟进行计算来提供实时的裂解深度。当裂解炉出口有分析数据或化验室分析数据时，SAPC模型计算可在线更新（如SAPC模型中的COT偏置项等）。若原料在线分析数据及分析结果与SAPC联用，便可实时地反映裂解深度随原料变化的情况（见图2）。

通常，较低的裂解炉出口温度导致较高的丙烯产量，但是也高度依赖进料组成。因此，联合使用在线SPYRO模型与APC，通过稳定COT来稳定P/E比，并提高P/E比，可以带来丙烯产量的增加。

2.2结合市场调整优化方向

通过图3可以看出，以石脑油为例，随着裂解深度的降低（即PE Ratio提高），乙烯、氢气、甲烷、重馏分和#2重馏分的收率降低，而丙烯，混合C4和粗裂解汽油的收率提高。传统的生产经验便是乙烯最大化产量，但从SPYRO的离线数据可以发现，对于石脑油裂解炉，当COT平均值在835℃的时候，每降低1℃的COT，将带来下列结果：增加丙烯0.09％；增加混合C40.07％；增加C6～C8（粗裂解气）0.04％；减少乙烯0.13％；减少甲烷0.07％；减少H20.004％；减少重馏分和#2重馏分产量较少，可忽略不计。

为了反映总体效益，使用一个系数0.9进行综合考虑，按8000h/年，400t/h进料和表2中各产品价格为例计算。

每年最大化丙烯产量的效益=0.9*8000h*400t/h* （C3H6*8239元+ Mixed C4*6308元- C2H4*9044元-Methane*870元- Hydrogen*13416元+ Crude pygas *5976）= 0.9*8000*400*（0.09％*8239+0.07％*6308 + 0.04％*5976- 0.13％*9044- 0.07％*870- 0.004％*13416）=3796589元

从计算结果可以看出，降低1℃的COT，能够带来约380万元的年效益，经济效益可观。

2.3确立各种原料最优裂解深度（COT）

根据液化气、石脑油和加氢尾油各裂解原料性质，通过离线SPYRO模拟计算出各原料在不同裂解深度下的产品分布，结合原料、产品最新市场价格及投料负荷安排，通过ASPEN- PIMS软件优化出在装置效益最大化下的各裂解原料裂解深度作为控制目标。结合各裂解炉实际运行状态，通过APC优化调整各炉COT，使各裂解原料裂解深度达到设定值。具体流程及结果如图4和表3。

3　结论

通过实施先进控制项目，提高了乙烯装置生产运行平稳率，降低了操作人员的劳动强度，减少人为的操作失误和生产过程上下游的相互干扰，进而实现装置卡边操作，提高产品产量，提升市场竞争力。实施先进控制项目后还实现了裂解炉负荷的智能分配，在提高装置处理能力的同时，延长了裂解炉的运行周期。实施先进控制是企业信息化应用中一项投入少、增效快的重要措施。大量实践证明，先进控制能为企业创造巨大的经济效益。

参考文献

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[3]王松汉.乙烯装置技术与运行[M].北京：中国石化出版社，2009：796- 807.□

The Advanced Process Control and Optimization for Cracking Depth of Furnace in Ethylene Plant

TANG Zhao
（SIPNOPECSABICTianjin Petrochemical Co.，Ltd.，Tianjin 300271，China）

Abstract:To design and implement the APC system in ethylene plant cracking section，stabilize the operation and decrease the fluctuation. Combining with latest market price，adjust the optimization direction continuously. By APC model，SPYRO model and feed analyzer，realize the dynamic state real time optimized operation.

Key words:furnace；APCcontrol system；SPYROmodel；crackingdepth

作者简介：唐昭（1985-），男，毕业于北京化工大学，博士研究生，工程师，从事乙烯装置裂解炉裂解深度优化控制及SPYRO与APC项目工作，13352027997，zhao.tang@ss- tpc.com。

收稿日期：2015- 11- 16

中图分类号：TQ203.8

文献标识码：B

文章编号：1008- 553X（2016）02- 0042- 03

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.02.013