先进控制技术在乙烯裂解炉上的开发及应用

林文燕

（福建联合石油化工有限公司，福建 泉州 362800）

先进控制APC（Advanced Process Control）技术就是以计算机和控制网络为信息载体，运用科学、先进的控制理论和控制方法，对工艺生产过程进行分析计算，在常规控制基础上建立生产过程的数学模型，将传统的常规PID 控制升级到多变量（多输入多输出）的模型预估控制。乙烯装置是石化企业的“龙头老大”，提高乙烯、丙烯等高价值产品收率，降低装置能耗，可以有效增加公司的生产效益，而裂解炉则是乙烯装置提高乙烯等高附加值产品收率、降低能耗的关键设备，因此在裂解炉上实施先进控制技术，是企业提高控制水平、增加效益的重要手段[1-5]。本文介绍了该公司在原有DCS 控制系统基础上利用霍尼韦尔公司多变量预测先进控制软件Profit Controller 和TECHNIP 公司的SPYRO 裂解炉机理模型在10 台乙烯裂解炉上开发了裂解炉先进控制系统，实现了该系统的在线应用优化。

1 裂解炉生产控制概况

该公司乙烯装置裂解炉生产过程具有原料类型种类繁多、进料性质变化大、进料类型切换频繁以及同一台裂解炉加工多种原料的特点。DCS 控制系统采用的是Emerson 公司的DeltaV 系统，生产过程主要通过常规PID 回路进行控制，控制方案设计中包括裂解炉总负荷控制及支路温差控制、燃料气热值控制、汽烃比控制等，自控投用率较高，但是裂解深度采用离线指导通过调节炉出口温度COT 来进行控制，在裂解炉负荷调整及原料性质波动时就会存在无法精确及时调整COT 获得最佳的裂解深度和裂解产品收率的情况，这就会造成经济效益的损失[6]；裂解炉的燃烧负荷控制中，底部燃烧热负荷由炉子COT 变化控制，而侧壁负荷往往因需要操作工去手动调节计算而未及时调整；裂解炉过剩烟气氧含量的控制主要通过操作工的观察来调节通风量，这样容易存在比较大的调节滞后，平均过剩烟气氧含量偏大，使得炉子热效率降低，导致燃料气浪费，装置能耗提高。

2 先进控制系统开发

2.1 先进控制系统目标

1）通过在线裂解炉机理模型的运用，实现裂解深度在线优化，达到可灵活实现单台裂解炉高附加值产品、双烯产品价值最大化或乙烯产率最大的选择；

2）维持裂解炉底部和侧壁燃烧热负荷的合理分配，保裂解炉在工艺和设备约束下优化运行；

3）降低裂解炉烟气氧含量波动，提高裂解炉热效率，降低装置能耗和操作工劳动强度。

2.2 先进控制系统设计

裂解炉先进控制系统是建立在目前运行的DCS控制系统之上，结构上主要包含了先进控制系统相关的功能模块以及数据接口（Socket）模块。

2.2.1 裂解深度在线优化

裂解深度是衡量裂解炉内裂解反应进行程度的重要指标。由于裂解原料各不相同，所以裂解深度在相同的条件下，裂解过程中所产生的目标产品收率也可能会存在一定的差异，这就需要根据不同裂解原料和实际运行情况来准确调整好裂解深度，以便目标产品收率达到最优化状态，实现裂解炉炉在运行中效益最大化的目标[7]。在线SPYRO 裂解炉模型SAPC 是TECHNIP 公司用于乙烯装置的控制与实时优化的机理模型软件，将SAPC 基于霍尼韦尔的UniSim Design 流程模拟软件平台运行，并通过相应的输入参数如进料组分、进料流量、COT 及COP等，计算出裂解深度（丙烯/乙烯质量比，简称P/E）或转化率、最大炉管表面温度TMT 和裂解产物分布等不可测的工艺参数[6]。在裂解炉操作中裂解深度随着进料组分变化而变化，因此在裂解深度优化模型设计中，模型的增益也应该随着进料组分的变化而变化。先进控制软件Profit Controller 中具有按产品价值优化的功能（PVO），允许用户利用灵活的与价格相关联的二次目标函数，按照需求设定优化目标，优化目标包括了高附加值产品价值最大、双烯产品价值最大化或乙烯产率最大等，将SAPC 模型与PVO 相结合，计算的结果在线连续修改Profit Controller 中的裂解深度和各组分产品的产率与炉出口温度的模型增益，从而为被控变量和操作变量提供了目标和方向，实现了在满足操作约束的前提下将整个装置推向最为经济的操作区域[8]，PVO 与SAPC 结合优化关系如图1 所示。

2.2.2 裂解炉先进控制器

采用先进控制软件对每一台裂解炉设计一个控制器，一共包含了10 个先进控制器，每个控制器的子模型变量包括了被控变量（CV）：裂解深度（P/E）、氧含量、炉膛负压、最大TMT、炉膛侧壁热量占比以及多个用于裂解深度优化的优化变量；干扰变量（DV）：稀释比DSR、炉膛出口压力COP；操作变量（MV）：COT、风机转速、风门、侧壁热量。

2.2.3 数据接口模块（Socket）

数据接口模块包含3 个数据接口（Socket）：输入数据接口（Socket1）、输出数据接口（Socket2）和模型增益接口（Socket3）。输入数据包括裂解炉几何尺寸、操作条件输入数据等，操作条件输入参数需要先进行有效性检验和计算才能输入到模型中，Socket1 用于向SAPC 裂解模型程序写入数据；输出数据主要指的是通过SAPC 模型计算获得的裂解深度（P/E 比、M/P 比、转化率）、各组分产品产率等，Socket2 用于从SAPC 裂解模型程序读取数据；Socket3 就是用于从SAPC 裂解模型程序提取相关增益值，通过与10 个Profit Controller 控制器相连接并对控制器中关键模型进行实时增益更新，如图2 所示。

图2 裂解炉先进控制系统架构

3 先进控制系统实施及效果

3.1 裂解深度在线优化

在裂解炉型已确定的情况下，控制不同的裂解原料以及运行状况下裂解炉运行的最佳裂解深度，是提高乙烯、丙烯收率以及其他经济效益指标的最有效措施，该公司乙烯装置裂解深度在线优化主要采用了双烯产品价值最大化或者乙烯产率最大模式进行生产，在满足炉子的约束条件下，通过对COT在合适的范围内进行实时调节，优化裂解深度，提高装置效益[9]。选取原料性质相对稳定并且具有代表性的时间段进行裂解深度在线优化投用前后效果进行测算，以双烯产品价值最大化为优化目标，考虑对比期间系统工况变化对双烯收率提高的影响，将裂解炉在先进控制器投用前后的双烯收率进行计算分析，可以得出双烯产率提高0.42%，每年可增加将近3 000 万的经济效益。图3 为采用石脑油作为原料的裂解炉，选择双烯产品价值最大，根据求解目标： PVO=乙烯产品产率×乙烯产品价格+丙烯产品产率×丙烯产品价格，将乙烯丙烯的产率跟市场价格联系起来，可以寻找到当前操作条件下的最佳裂解深度（P/E）以及对应的COT 值，通过PVO的动态优化求解方案，使得裂解炉始终在满足控制器约束的条件下优化运行，从而创造更多效益。

图3 PVO 和 P/E 关系图

3.2 裂解炉燃烧负荷优化控制

裂解炉的燃烧热量由侧壁烧嘴和底部烧嘴燃烧联合提供，侧壁燃烧器提供基本的燃烧负荷，底部热负荷大小由炉管出口温度COT 决定，且侧壁和底部燃烧器提供的热量负荷存在一定的比例，以优化炉膛底部至拱顶的辐射热通量的分布，因此当炉管出口温度变化时，底部和侧壁的燃烧负荷都要进行相应改变。先进控制的投用提供了通过对不同裂解负荷下对侧壁燃烧负荷的区间控制确保了当COT改变，底部燃烧热量随之变化时，侧壁和底部燃烧负荷比例仍能保持在固定的区间值内，通过计算燃烧负荷比例控制比投用前平均标准偏差降低78.16%，从而保证了炉膛整体的热量分布，控制效果如表1 所示。

表1 燃烧负荷比例控制

3.3 裂解炉氧含量优化控制

裂解炉炉内过剩空气和负压的控制是燃烧器操作好坏的关键。通常过剩空气系数除了满足燃料完全燃烧以外，还应考虑一定余量[10]。先进控制器通过协调裂解炉风门开度和引风机转速，实现裂解炉过剩烟气氧含量、炉膛压力的区间控制，并设定优化目标来确保满足正常燃烧工况的前提下将过剩烟气氧含量从投用前的平均2.0%降至1.8%左右，过剩氧含量控制平均标准偏差降低70.01%，且操作员操作次数降幅70%以上。对裂解炉氧含量实施先进控制，不仅提高了裂解炉的热效率，降低装置能耗，同时也大大降低了操作员的劳动强度，实现了精细和平稳控制，控制效果如表2 所示。

表2 裂解炉氧含量控制和优化

4 结束语

先进控制技术在该公司乙烯裂解炉上的应用效果表明，常规DCS 控制系统是石化企业平稳运行的基础，而先进控制技术则进一步提升了DCS 控制系统的控制能力，解决了常规PID 控制对复杂工业控制的效果问题，是企业实现精细化操作和管理、创造效益的有效工具。如何更好地设计出适合企业生产的先进控制模型进行应用实践，需要先进控制软件实施人员和企业生产技术管理人员的共同努力和配合。