乙烯裂解深度先进控制在齐鲁石化中的应用

2019-04-23苏耀东刘鉴徵

石油化工自动化 2019年1期

苏耀东，刘鉴徵

(中国石化齐鲁分公司，山东淄博 255434)

乙烯装置控制的好坏，直接影响到乙烯生产企业的效益，研究先进控制(APC)技术在乙烯装置中的应用具有很大意义，并能带来可观的经济效益。裂解炉是乙烯装置的核心设备之一，裂解炉优化控制水平的优劣，不仅影响乙烯装置乙烯和丙烯的收率，而且直接影响后续单元的平稳操作。裂解炉的主要控制目标是控制裂解深度、生产量和产物选择性，其中裂解深度是关键参数。裂解深度主要受炉管出口温度、废热锅炉出口温度、原料油密度、进料量、汽烃比等变量影响。DCS在石化企业的普遍应用以及其软硬件设施的不断完善和增强，为APC在DCS上的实现创造了良好条件。APC在DCS上的深化应用增加了APC的可操作性和方便性。某公司和华东理工大学合作在DCS平台和服务器上，利用人工神经网络建模等智能控制技术对乙烯裂解炉裂解深度实施了APC控制，取得了较好的经济效益。本文重点介绍了该公司乙烯装置液体裂解炉实施裂解深度APC的原理、方法和效果。

1 乙烯裂解炉工艺简介

1.1 工艺流程

该公司乙烯生产装置以石脑油、加氢裂化尾油、轻柴油和循环乙烷作为主要原料，生产乙烯及其相关产品，乙烯装置的工艺流程如图1所示。以SRT-IV型裂解炉为例简单介绍裂解炉的工艺流程：该裂解炉可以裂解石脑油、加氢裂化尾油，有6组炉管，其中有1组炉管能裂解循环乙烷，对流段设有超高压蒸汽过热段。经过加热的烃物料在离开原料预热段后，与未经过过热的一次稀释蒸汽混合，混合后一起进入到预热段上部。二次稀释蒸汽在进入到混合喷嘴前，先进入到稀释蒸汽过热段，与预热段上部出口的物料，一起进入喷嘴混合器，原料在混合器中全部气化，再进入裂解炉辐射段的反应管，在反应管内的烃类原料急速升温，产生乙烯、丙烯、丁二烯、甲烷、乙烷等关联产品的裂解反应。为减少副反应导致的产品损失，裂解气需先经过废热锅炉回收热量，再进入急冷器降温冷却。裂解反应在辐射段中进行，为吸热反应。裂解炉的对流段，设有预热烃类原料、锅炉给水、过热稀释蒸汽等一系列的加热器，以满足热量回收的需要。

图1 某公司乙烯装置工艺流程示意

1.2 影响裂解深度的工艺因素

裂解反应进行的程度就是裂解深度。在裂解石脑油和加氢裂化尾油等液体原料时，通常分析裂解气中的主要产品甲烷、乙烯和丙烯的收率对比关系来表征裂解深度，裂解深度一般用丙烯和乙烯的收率比或甲烷和丙烯收率比来表示，该系统采用的是丙烯和乙烯的收率比。液体原料裂解产物收率与反应进程关系如图2所示。

从图2可以明显看出，在裂解反应的进程中，甲烷和乙烯的收率一直在逐步上升，而丙烯收率上升到一定程度后开始缓慢下降。因而当裂解深度达到一定程度时，丙烯和乙烯的收率比基本可以表征裂解深度的高低。

裂解反应的主要目的是获取优质产品，因此有必要对影响裂解深度的主要工艺因素进行有效分析和合理控制：

1) 裂解炉出口温度。是指裂解原料经过裂解炉辐射段裂解，到达急冷锅炉之前的裂解气温度。在原料组分、炉型和停留时间比较固定的条件下，由于裂解炉出口温度可以用热电偶实时测量，基本能反映裂解反应的程度，因而乙烯装置常以裂解炉出口温度作为控制裂解深度的重要指标。

2) 横跨温度。横跨温度是裂解反应刚开始的温度，横跨温度过高，裂解反应将在裂解炉对流段内进行，导致延长停留时间，促使二次反应，该现象在反应过程中应避免；横跨温度过低，一部分辐射段炉管成为预热段，反应停留时间相对缩短，辐射段炉管无法有效发挥作用，从而影响了实际裂解深度。

3) 停留时间。停留时间是裂解物料从进入炉子反应段到离开所需的时间，为避免反应时间过长导致包括乙烯在内的许多裂解产品裂解为炭和氢气，造成不必要的损失,停留时间应尽量短。

4) 稀释比和烃分压。稀释比是稀释蒸汽和裂解原料质量流量的比值，稀释比增大，可以提高炉管内物流速度并可以降低膜温，但是稀释比过大，也会带来一些不利因素，比如降低设备的生产能力，增加蒸汽及燃料消耗。裂解原料配入稀释剂后的混合气体处于高温低压状态，接近于理想气体，因此把烃和稀释剂的混合气体压力叫做总压，把混合气体中烃的压力叫做烃分压。水蒸气作为稀释剂，不仅可以降低烃分压和结焦程度，提高乙烯收率，还能稳定裂解温度，抑制原料中硫对炉管的腐蚀。

5) 炉出口压力。是指裂解原料裂解后，裂解气在进入急冷锅炉冷却之前的压力，该压力是判断急冷锅炉或裂解炉结焦程度和清焦的有效检测参数之一。

6) 急冷锅炉出口温度。裂解炉急冷锅炉出口温度是判断裂解炉运行周期的主要依据之一，型号确定的裂解炉急冷锅炉出口温度与裂解炉出口温度、进料量及稀释比等参数有关。

因此裂解反应条件应该满足高温、短停留时间、低烃分压的要求，且需要保证裂解温度、汽烃比，即蒸汽和烃类物质质量的比，保障生产负荷的平稳。

2 乙烯裂解深度先进控制策略

2.1 裂解深度神经网络软测量模型

人工神经网络从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象分析，建立某种模型，按不同的连接方式组成不同的网络。人工神经网络由大量的节点(或称神经元)构成，具有非线性、模拟并行性、容错性、鲁棒性、自联想、自学习和自适应等特点。

在建立裂解深度神经网络软测量模型的过程中，通过分析从现场采集的数据，最终确定采用总进料质量流量、进料密度、炉管平均出口温度、废热锅炉出口温度、汽烃比等作为裂解深度神经网络软测量模型的主要辅助变量。

裂解深度软测量模型作为主导变量和辅助变量之间的数学关系式为

y(k)=f(ρ(k),qm总(k),t1(k),t2(k),R(k))

(1)

式中：y(k)——裂解深度软测量值；ρ(k)——原料油密度，g/cm3；qm总——总进料质量流量，t/h；t1(k)——炉管平均出口温度，℃；t2(k)——废热锅炉出口温度，℃；R(k)——汽烃比。

将采集到的辅助变量数据做归一化处理，然后选择采集的部分样本训练神经网络，保留一部分样本对模型进行测试，保证获得的神经网络模型既有较好的训练精度，也可满足预测精度要求，即模型要有良好的逼近能力和泛化能力。用神经网络模型计算的裂解深度软测量值不能直接应用到裂解深度控制器中，必须经过在线分析仪的分析值实时校正测量模型结果，校正公式如下：

SMT101=STT101+α(ST101-SDY101)

(2)

式中：SMT101——校正后的模型输出；STT101——软测量模型输出；ST101——在线分析仪的分析值；SDY101——软测量模型10 min之前的输出值；α——校正系数。

α的取值为0～1，该值越大表示校正速度越快，但过大容易造成过程振荡，因此须设为较合适的值，既能使校正过程发挥作用，又能防止过程波动。

在软测量模型投用过程中，同时开发了裂解深度软测量在线校正系统，即通过裂解气在线分析仪实时校正软测量模型结果。在线校正系统在乙烯裂解深度APC服务器上实现。裂解深度软测量及在线校正过程如图3所示。

2.2 裂解深度控制方案

该公司乙烯裂解深度APC的控制方案策略如图4所示。首先通过神经元网络技术利用进料特性、裂解炉负荷、出口温度和横跨温度、汽烃比等主要相关变量计算当前的裂解深度，然后利用在线分析仪的分析值对裂解深度预测模型的计算值进行校正,并作为裂解深度控制器的输入值，装置操作人员通过深度控制器设定合适的SP值并将输出作为出口温度(COT)控制器的设定值，从而达到闭环控制。在裂解炉运行末期，如果COT的设定值达到预设的控制上限，现场操作人员可以通过调整裂解炉总进料质量流量等实现稳定裂解深度的目标。

图4 裂解深度APC的控制方案示意

裂解深度控制器可以直接利用DCS中的PID模块来实现。通过DCS组态模块搭建裂解深度控制器，一方面简洁、实用、方便和安全，另一方面操作界面直观优化，维护量小。

裂解深度APC系统的模块功能逻辑如图5所示，主要功能模块的作用如下：

1) 裂解深度预测模型。采用人工神经网络技术，利用相关的辅助变量计算裂解深度，然后和裂解气在线分析仪实际测量的裂解深度值进行样本训练比对，同时通过人工神经网络自适应学习，使人工神经网络计算值逐渐逼近裂解气在线分析仪的输出值。训练比对完成后，通过长期的数据采集和分析检验，实现人工神经网络模型对裂解深度的实时预测。

2) 裂解深度控制器。其输入值为经过裂解深度在线分析仪校正后的裂解深度神经网络软测量计算值，其设定值可由操作人员根据实际工况设定，或者由下一步实施的裂解深度实时在线优化(RTO)系统根据裂解炉运行最优化指标自动设定，其输出用来设定COT控制器的设定值SP。该模块利用DCS中的功能模块来实现，具有较好的可靠性和系统兼容性。

3) 在线分析仪异常监测模块。通过判断分析裂解气在线分析仪的测量值范围和变化，及时给出在线分析仪出现异常的报警信息，从而中断在线校正，避免裂解深度预测模型出现误差，影响控制效果。

4) 人机界面。在DCS上通过组态为操作人员提供友好的操作界面，实时显示裂解炉主要运行参数的状况和裂解深度控制器的运行情况。