乙烯裂解炉先进控制技术的应用研究

孙新民

(中国石油大庆石化公司化工一厂，黑龙江 大庆 163714)

乙烯装置是石化工业中能耗最大的装置之一。裂解炉是乙烯装置的关键设备，也是乙烯装置的能耗大户，其能耗占装置总能耗的50%～60%。降低裂解炉的能耗是降低乙烯生产成本的重要途径之一。随着节能降耗任务的日趋紧迫，采用各种先进技术积极开展裂解炉节能降耗的攻关，挖掘潜力，降低成本，收到良好的效果[1]。其中，通过实施先进控制，优化裂解炉操作，能够提高乙烯、丙烯收率，使乙烯装置生产能耗明显下降。因此，充分利用DCS与计算机技术的优势，运用现代控制技术，有针对性地开发乙烯裂解炉先进控制系统，对于充分发挥现有生产装置的运行潜力，有效实现增产、节能、降耗的目标具有十分重要的意义。

1 工艺流程简介

乙烯裂解炉的工艺流程如图1所示，预热后的原料和稀释蒸汽发生系统来的稀释蒸汽在进入每台裂解炉之前分成平行的8路，这些物料由流量控制，在辐射炉固定燃烧条件下，为保证期望的裂解深度，可由辐射炉管的出口温度来控制进料流量。经对流段预热后，八路烃进料与八路稀释蒸汽混合形成八路混合(烃+蒸汽)。进入每路炉管的稀释蒸汽由流量比例控制以保持期望的蒸汽/烃比。每个集合管对应24个辐射管，共有192根辐射管。

每路辐射管底部集合管的混合原料经文丘里分配后进入辐射段。无论在操作过程还是在清焦过程中，文丘里能保证分配到每个辐射合管的混合原料经文丘里分配后进入辐射段。由总管来的锅炉给水经锅炉给水预热盘管预热后进入高压汽包。高压汽包釆用三冲量控制可以克服汽包液位、蒸汽用量波动和汽包假液位造成的影响。高压汽包出来的饱和蒸汽进入裂解炉冷蒸汽过热盘管过热后，由蒸汽减温器注入锅炉给水，再经热蒸汽过热盘管加热到要求的温度后进入超高压蒸汽总管。

2 乙烯裂解炉先进控制系统方案

乙烯装置裂解炉先进控制系统包括：炉管平均COT温度的自适应内模控制、八路进料炉管出口温度平衡控制和总进料流量提/降量控制等内容。

2.1 炉管平均COT控制

裂解炉炉管平均COT是裂解炉最关键的被控变量，平均COT控制好坏直接决定了乙烯裂解深度，因此必须加以严格控制。设计炉管平均COT内模控制系统，以增强控制回路的抗扰动能力，缩短其对设定值变化的动态响应过程，并提高控制精度[2]。对烃进料流量(也反映了DS流量)、炉膛温度等可测的干扰变量采用前馈调节，以消除或减弱其对COT的影响。采用串级控制结构，即燃压力控制(PIC)与平均COT控制(TIC)串级[3]。图2是裂解炉平均COT先进控制示意图。其中燃料压力是常规PI调节，COT先进控制算法采用基于极点配置的内模控制算法。

2.2 八路进料炉管出口温度平衡控制

裂解炉分八路进料，各路均有流量调节器。生产要求各路进料的出口温度之间的差值不得超过某个上限值，即要求几路进料的出口温度保持平衡。然而裂解炉尽管内部各路进料炉管和燃料烧嘴是按几何对称布置的，但往往因各个烧嘴燃料以及送风量等不均衡，而出现“偏火”，进而致使各路进料在炉内吸收热量不均衡，最终导致各路进料的出口温度不平衡[4]。如果各路进料出口温度之差过大，温度低的物料不能充分裂解，温度高的管内物料则容易结焦，阻塞管道，导致管内阻力增加，进料量减少，加剧结焦现象，并使炉管弯曲变形，这样形成恶性循环，若不及时处理，轻者炉管寿命降低，并影响裂解炉的运行周期，重者管壁烧穿，造成重大事故[5]。此外，各路出口温度不平衡也影响了乙烯收率。

图1 裂解炉炉管平均COT温度控制方块图

图2 裂解炉炉管平均COT温度控制方框图

各路进料出口温度通常靠操作工改变各路进料流量来调整，但生产要求总进料流量保持常值，当改变某路进料流量的同时，必须要调整其它各路的进料流量以保证总进料流量不变，而调整其它路流量，势必又将使其它各路的出口温度发生变化，因此人工调节十分困难 。

2.3 总进料流量提/降量控制

裂解炉进料流量提/降量控制系统的设计原则是在原料加工量需改变时，控制系统能根据当前操作状况合理地分配裂解炉各路的流量，以尽量减少流量变化对裂解炉出口温度的影响。为此，提/降量控制系统在规定的时间内实现规定的提/降量，并与各路COT温度平衡控制系统一起协调工作，以将进料量变化引起的不良影响降至最小[7]。这样平稳地实现提/降量控制，既保证了裂解炉的平稳操作又改变了生产负荷。

3 乙烯裂解炉先进控制应用效果与分析

乙烯裂解炉先进控制应用后可以明显的看出先控投用后使得平均COT测量值与设定值之间极差变小，表明该系统能有效地抑制燃料气热值变化、进料流量变化等干扰对平均COT的影响，先进控制投用使得支路控制更加平稳，使得其极差变小，体现了良好的控制效果。

图4和图5分别为先进控制系统投用前后的裂解炉平均COT控制效果实时曲线图。从图3可以看出，先进控制系统投用前由于DCS常规控制反应相对滞后，对炉膛温度、原料流量等干扰的影响抑制能力不足，导致平均COT波动较为剧烈，与工艺给定目标值的偏差较大。从图4中可以看出相对DCS常规控制，先控系统对平均COT的控制非常有效，表现为在投用后平均COT温度波动更加平稳，控制效果更加平滑，平均COT控制指标基本可实现‘卡边’操作。投用后达到了在正常情况下使裂解炉平均COT对目标值的标准偏差小于1℃的目标。

图3 裂解炉进料炉管出口温度平衡控制及总进料流量提/降量控制结构图

图4 先进控制投用前裂解炉炉平均COT控制效果图

图5 先进控制投用后裂解炉平均COT投用后控制效果图

从图6和图7运行曲线可以看出投用前各支路本身COT温度时而波动较大、时而波动较小，但相对于平均COT而言，各支路之间的温差较大，支路间温差超过10℃，这对于乙烯的裂解深度和收率将会产生较大影响。而先进控制投运后通过实时优化调整各支路的烃进料流量，达到了在正常情况下使投用相同原料的各支路之间的COT标准差控制在1℃以内的目标。从实时数据统计的结果可以看出：裂解炉COT先进控制器连续投用期间，针对原料和燃料组分及压力波动、炉膛负压波动、氧含量不足或过剩导致的炉膛火焰燃烧不均匀等轻微影响，COT先进控制器的运行效果比较理想。

图6 支路温度平衡先进控制投用前控制效果图

图7 支路温度平衡先进控制投用后控制效果图

4 结论

裂解炉是乙烯厂龙头装置的关键设备，对乙烯生产能力、装置平稳生产和能耗具有举足轻重的作用。其控制的好坏，直接影响乙烯的收率和后续工序的操作稳定。温度低的物料不能充分裂解，温度高的物料则容易结焦阻塞管道，从而使烧焦次数增多，缩短炉管使用寿命。乙烯裂解炉先进控制的目的就是充分利用DCS与计算机技术的优势，运用先进控制技术，优化裂解炉操作，提高乙烯收率，发挥现有生产装置的运行潜力，有效实现增产、节能、降耗，一定会为企业带来显著的经济效益和社会效益。