乙烯裂解炉模拟优化软件现状及其应用

王小强 田亮 程中克 常桂祖 李博 孟宏

中国石油兰州化工研究中心

乙烯工业的发展状况反映了一个国家石油化工工业的水平，乙烯产量的大小是衡量一个国家石油化工工业发展水平的重要标志。乙烯工业的龙头是乙烯裂解装置，其核心是裂解炉，对裂解炉进行优化运行技术攻关，是保证乙烯裂解装置高效、平稳、安全、长周期稳定运行的重要手段。面对乙烯工业装置规模不断扩大和原料复杂、工艺多变以及受市场影响更大的发展趋势，利用计算机模拟优化的方法，对乙烯裂解炉进行模拟优化，将优化结果运用于工业裂解炉操作实际，为裂解工艺的迅速调整和优化，提供可靠的优化运行方案，实现乙烯原料的优化配置及乙烯裂解炉的优化运行，受到乙烯生产企业和研发机构的普遍重视。

乙烯裂解炉操作计算机控制技术始于20世纪60年代初。此后，乙烯裂解炉计算机模拟优化技术逐渐发展起来。裂解炉计算机模拟优化软件开发的核心，是裂解反应动力学模型。裂解反应动力学模型是裂解炉设计、模拟及优化的关键，是整个裂解炉模拟计算中最为重要的部分，也是模拟结果是否精确、可靠的决定因素。裂解反应动力学模型分为自由基机理模型、分子反应模型及经验模型。以这3种模型为基础，研究人员进行了深入的技术研发，一些乙烯裂解炉模拟优化软件成功地得到了工业应用。

1 KTI公司SPYRO乙烯裂解模拟软件

1.1 SPYRO软件基本原理及工业应用

基于自由基机理模型的荷兰KTI公司开发的SPYRO乙烯裂解模拟软件，是目前应用较为广泛的裂解炉模拟优化软件之一。SYPRO 软件是在乙烯裂解过程半机理模型的基础上开发的过程模拟软件, 广泛应用于乙烯裂解原料分析和裂解性能评价，主要包括了不同性质乙烯裂解原料分析评价、跟踪计算，为裂解温度调整、裂解炉优化运行、提高乙烯和丙烯双烯收率以及降低装置能耗和物耗提供了技术支持[1]。

SPYRO乙烯裂解模拟软件是用于乙烯裂解炉的稳态专用过程模拟软件，包含大约3000个裂解化学反应方程，涉及128个烃类组分。实际应用中，SPYRO 软件以效益最大化为原则，可用于乙烯裂解原料和裂解炉运行参数的优化。在裂解产品市场价值最大化的原则下，结合乙烯、丙烯、丁二烯等产品的市场价格，建立价格体系，通过建立数学模型进行计算。对一定裂解原料，可进行裂解炉出口温度(COT)、稀释蒸汽比和裂解炉炉管出口压力(COP)等操作工艺条件优化，并预测裂解炉运行周期，得到最佳操作点。SPYRO乙烯裂解模拟软件也可用于裂解原料的优化组合，指导生产计划和原料采购，提高乙烯装置效益[2-4]。自1978年SPYRO软件首次投入工业应用后，在乙烯业界逐步成为乙烯产量预测的世界标准。KTI 公司利用该软件开发出的具有两程炉管的GK-Ⅴ型裂解炉，第1程具有较大比表面积，第2程有较大的流通面积，从而降低了烃分压，提高了加热段管壁热强度，缩短了反应物停留时间，提高了烯烃收率[5]。

1.2 SPYRO软件的集成应用

由于商业化因素，SPYRO软件对用户进行了严格限制，只能对特定炉型及原料进行模拟计算，不能更准确模拟多成分混合原料裂解过程。对此，不同乙烯企业在具体应用SPYRO 软件时，采用SPYRO软件为过程工业模型系统(process industry modeling system, 以下简称PIMS)软件提供数据支撑，其方式有二种：①将SPYRO 软件直接与PIMS 软件连接；②用SPYRO 软件计算不同原料质量指标对乙烯收率影响的对比值，再置入到PIMS模型中。不论何种方式，都属于软件的集成应用。譬如，为实施具体的原料优化方案，扬子石化的罗德鸿[1]将ASPEN过程工业模型系统PIMS和 SPYRO集成，在PIMS软件模拟乙烯连接的部分中，采用联动SPYRO迭代计算，实现PIMS 模拟优化计算过程中多方案计算和Delta-Base模型中生产数据的动态模拟，生产运行情况得到更准确的反映, 使得乙烯裂解原料和产物结构得到优化，达到了炼油与化工生产计划整体优化的目的。SPYRO软件和PIMS软件功能集成示意如图1所示。

中沙(天津)石化有限公司在乙烯裂解装置中，借助与SPYRO 软件结合的APC控制系统模型，以德悉尼布公司研发的在线控制裂解炉SPYRO模型技术SPYRO-APC(SAPC)估算控制裂解深度，可实现分钟级计算，提供实时裂解深度，结合产品最新市场价格，调整裂解深度优化方向，达到各原料动态实时裂解深度稳定优化操作，最大化乙烯裂解装置效益，极大提高了装置运行的稳定性，降低了工作强度，提高了产量，实现了卡边控制和操作[6]。

2 中国石油兰州中心EpSOS乙烯裂解模拟优化软件

2.1 EpSOS软件的原理和基本构架

基于分子反应动力学模型，针对裂解原料和炉型组态的多样性，中国石油兰州化工研究中心与清华大学联合，研发形成大型乙烯裂解模拟优化软件EpSOS。EpSOS软件构架主要包括3大功能模块：①裂解过程建模模块；②裂解过程模拟模块；③原料信息预处理与反应动力学参数回归模块。

裂解反应动力学模型是整个裂解炉模拟的核心，对裂解过程进行科学合理而且趋近实际的建模，是乙烯裂解模拟优化的关键。裂解过程建模模块包括：①裂解反应模型建模；②裂解炉结构组态建模。

其中，反应建模部分采用严格机理模型和分子反应动力学模型，分别对具有详细的烃组成的轻质裂解原料(乙烷、丙烷、轻质石脑油等)和不能测定详细的烃组成的重质裂解原料(轻柴油、加氢尾油等)建立裂解反应模型。裂解炉结构组态建模部分对不同构型和几何尺寸的裂解炉管进行换算和组合，实现了不同裂解炉管、炉型的灵活组态。

裂解过程模拟模块，除了可用来进行裂解过程理想化的无结焦的单周期和含结焦的多周期的模拟计算外，还可以对带有循环清焦操作的裂解过程进行模拟计算，使模拟更趋近于工业实际。

原料信息预处理与反应动力学参数回归模块，是对最直接和原始的裂解原料物性分析数据进行处理和回归，使其成为符合软件模拟计算要求的数据。EpSOS乙烯裂解模拟优化软件系统基本构架如图2所示。

由此可见，EpSOS乙烯裂解模拟优化软件具有裂解原料分析数据预处理、参数回归、多种炉型组态建模、裂解过程模拟、炉型组态建模和对单(多)周期以及带有循环清焦操作的裂解过程进行模拟计算等多种功能。

2.2 EpSOS软件的工业应用及延伸开发

EpSOS软件用于兰州石化公司乙烯工业炉石脑油裂解乙烯模拟计算[7]，裂解产物的模拟结果与实际工业装置运行结果对比见表1。

表1 石脑油裂解EpSOS软件模拟结果与实测结果对比Table 1 Comparison of simulated and measured results of EpSOS software for naphtha cracking裂解产物w(实测值)/%w(模拟值)/%相对偏差/%H21.2051.2060.083 0CH418.36518.357-0.043 6C2H62.8902.877-0.449 8C2H433.23033.2420.036 1C3H80.6950.6950.028 8C3H613.97013.9750.035 8C4H83.7303.7450.402 1C4H65.1755.1790.077 3n-C4H100.6450.6490.620 2三烯总和52.37552.3960.040 1

由表1可见，裂解产物模拟结果相对偏差绝对值<1.0%，模拟结果与工业数据基本吻合[8]。在验证EpSOS软件模拟计算结果可靠性基础上，对兰州石化SW炉进行全周期运行现状分析后，应用EpSOS软件对SW炉进行全周期操作优化计算，根据优化计算结果，改变优化前全周期60天运行、COT恒定860 ℃的操作条件为：仍运行60天，但是前48天COT上调至866 ℃，后12天逐渐降至860 ℃。优化结果实施效果见表2[9]。

由表2可见，优化后乙烯收率由优化前的33.26%提高至33.98%，提高0.72百分点，相对提高率达2.16%，丁二烯收率由优化前的3.75%提高至3.85%，提高0.10百分点，相对提高率达2.67%。优化后丙烯收率虽有所降低，但三烯总收率提高0.55百分点，相对提高率达1.08%。

表2 兰州石化SW炉模拟优化前后结果对比Table 2 Comparison of results before and after simulation and optimization of SW furnace in Lanzhou Petrochemical Company主要产物w(优化前)/%w(优化后)/%提高百分点相对提高率/%C2H433.26 33.98 0.72 2.16 C3H613.84 13.57 -0.27 -1.95 C4H63.75 3.85 0.10 2.67 三烯总和50.85 51.40 0.55 1.08

研究人员对EpSOS软件进行了持续开发和功能完善，先后形成了EpSOS1.0、EpSOS2.0系列乙烯裂解模拟优化软件。EpSOS软件能够较准确地预测裂解反应产物的组成, 对于重要的裂解产物(乙烯、丙稀和丁二烯)的收率模拟结果相对偏差<1.0%, 对于其他裂解产物也有较高的预测精度，基本符合工业装置运行实际，且具有多周期模拟功能。利用该软件对乙烯热裂解过程进行模拟和优化，能较好地指导生产, 对于提高乙烯生产装置操作水平及经济效益，具有重要的工业应用价值。

在EpSOS软件基础上，中国石油大乙烯专项完成的“石油烃裂解产物预测系统(HCPC)”软件，以自由基反应与分子反应机理混合(Hybrid)反应动力学模型为核心，建立的乙烯反应网络含268个分子、1163个自由基以及11 851个反应。HCPC软件与商业化的SPYRO软件相比，其主要区别如表3所列。

表3 中国石油HCPC与KTI公司SPYRO软件功能对比Table 3 Comparison of SPYRO software functions between PetroChina HCPC and KTI中国石油烃裂解产物预测系统(HCPC)KTI公司SPYRO软件设计/操作模拟/运行优化操作模拟详细分子组成虚拟组成完整反应网络不提供包含结焦动力学模型没有可进行全周期模拟与优化不提供

3 经验模型乙烯裂解模拟软件研究

经验模型是把原料的特性参数(PINOA值、BMCI值、ASTM馏程等)及操作条件(COT、COP、停留时间等)，直接与乙烯、丙烯等重要产物收率进行关联，建立烃类裂解制烯烃产物分布模型。西北大学研究者以工业裂解炉生产数据为基础，采用数理统计方法，将裂解原料特性和操作条件两方面的影响因素结合，通过模型建立、模型参数选取和求解，建立起能预测乙烯、丙烯、丁二烯等产率的经验模型，适用于石脑油、常减压柴油等裂解原料的裂解计算[10]。通过相对误差平均值对模型准确度的比较发现，其所建立的模型形式简单、参数易得、可较好地与烯烃产率关联，计算结果比较精确[10-12]。石脑油裂解制丙烯和轻柴油裂解制乙烯实测产率值和计算值及相对偏差见表4。个别数据相对偏差较大，可见经验模型的精确度还有待于进一步提高。

表4 丙烯产率和乙烯产率计算值及相对误差Table 4 Calculated values and relative errors of propylene yield and ethylene yield项目BMCI值裂解温度/℃w(实测产率)/%w(计算产率)/%相对偏差/%石脑油裂解制丙烯24.8279015.1815.02-1.0524.0280015.1514.67-3.1718.4684116.0415.58-2.8715.4282015.4015.26-0.91轻柴油裂解制乙烯17.6689530.9130.930.0618.0080024.9825.130.6025.1279022.5922.610.0925.0282024.3924.01-1.56

针对美国SW公司提供的计算机控制模型不能适用于大庆乙烯装置，在SW公司提供的计算机控制结构基础上，关国民等对大庆30×104t石脑油乙烯裂解炉，提出了基于经验模型的裂解深度和选择性的乙烯裂解计算机控制数学模型，其包含了静态前馈关联式和动态补偿参变量两部分[13]。裂解炉运转周期预测和平均烃分压是静态前馈关联式的核心，裂解炉的动态特性则根据装置测定数据确定，最终建立的石脑油裂解炉半经验半理论计算机控制模型，计算结果与30×104t石脑油乙烯裂解炉装置生产实际测试结果基本吻合。由于该模型侧重点是以经验关联为主，在实际控制时会有误差，对此研究者给出的解决方法是通过调整模型参数和比例因子来实现。

经验模型一般是针对不同炉型与裂解原料而专门建立的，模型包括大量经验参数，需要大量实验室数据和工业装置实测数据进行回归，侧重于经验，原理简单，计算迅速，但是适用范围窄，缺乏通用性。更大的问题是如果要利用其进一步优化，或做更进一步的过程控制，单纯依靠经验模型很难实现。

4 结语

(1)从实际效益分析来看，应用乙烯裂解炉模拟优化软件系统对裂解炉进行迅捷快速的裂解原料和裂解工艺优化所获得的经济效益，约占全部乙烯装置采用先进控制技术后所获得的经济效益的40%～50%[14]，这是非常可观的。而且乙烯裂解炉的高效、平稳、安全、长周期稳定运行，直接影响乙烯装置产品收率，同时对裂解炉后续压缩分离过程也会产生重要影响。因此，乙烯裂解炉模拟优化软件系统的充分合理应用，应该受到重视。

(2)面对乙烯装置规模不断扩大、原料复杂、工艺多变的趋势，蒸汽裂解制造乙烯技术的发展方向朝着高温、短停留时间、低烃分压、高操作弹性、长运转周期、简化操作和快速优化等方面发展。在这样的背景下，乙烯裂解炉模拟优化软件系统的开发和应用，具有较大的技术需求和应用前景。

(3)目前，我国乙烯工业已经具有相当规模，乙烯生产技术取得了很大进步。但是与国际先进技术水平相比，仍然存在装置规模小、裂解原料复杂多变且优质裂解原料不足、能耗和物耗高等问题。因此，针对乙烯裂解炉，将引进国外与应用国内自主研发的乙烯裂解炉模拟优化软件系统相结合，对工业乙烯裂解炉进行迅捷高效的优化，并将优化结果应用于乙烯裂解装置，以提高我国乙烯装置的技术含量，提升乙烯装置的竞争力，降低物耗和能耗，为我国乙烯工业装置的技术进步提供技术支撑。