乙烯裂解炉裂解深度控制与实时优化

张博

摘要：裂解炉是乙烯生产装置的关键单元，其先进控制与优化技术是乙烯装置优化运行技术重要的组成部分。解深度指标值确定的科学性。先进控制与优化系统的持续效益发挥离不开系统长周期稳定运行，但是实际过程的工况是经常变化的，这就需要加强对先进控制与优化系统的运行维护，实现先进控制系统维护常态化，使系统的效益能够持续发挥。

关键词：乙烯裂解裂解炉;深度控制;

一、裂解炉生产工艺简介

以石脑油为加工路线的乙烯装置按流程顺序依次分为裂解、急冷、压缩、分离 4 个主要单元，以及配套的火炬、污水处理、原料及产品贮存、水电汽风等公用工程单元。在裂解单元中，裂解炉非常关键，在整套乙烯装置中，它也是核心静设备。其作用是将石脑油、柴油、加氢尾油、液化石油气（LPC）等液态原料以及循环乙烷等气态原料加工成包含乙烯、丙烯及各种高副产品在内的裂解气。裂解炉的主要型号有 Lummus 公司的sRT、s&w 公司的 UsC、Lincd 公司的 Pyrobr_bk、中国石化的 CBL 等等。其结构一般包含炉体、炉管、汽包、废热锅炉、急冷器、烧嘴、烟囱、引风机等，炉内上部为对流段，下部为辐射段。

典型的裂解工艺通过燃料气的燃烧，裂解炉炉膛内产生 1000℃以上的高温，各种原料在炉内对流段预热并与稀释蒸汽混合（用于降低烃分压） 后，进人辐射段炉管，在高温作用下发生裂解反应，生成多组分的裂解气。为抑制二次反应的发生，通过废热锅炉、急冷器对高温裂解气进行冷却并 回收热量，随后裂解气进人急冷单元的汽油分馏塔。

裂解深度是评判以生产乙烯为主要目标的裂解反应的关键指标，裂解温度、原料在炉管内的停留时间以及烃分压是影响该指标的主要因素。因此，裂解炉的操作必须满足高温、短停留时间、低烃分压的要求等。

二、裂解炉先进控制、深度控制与实时优化

（一）先进控制

裂解深度是指裂解反应进行的程度，控制裂解深度的目的是保证裂解反应能达到预期的程度，使目标产物最佳化。表征裂解深度的参数有很多种，如甲烷收率、甲烷对丙烯的收率比（以下简称甲丙比）、丙烯对乙烯的收率比（以下简称丙乙比）、裂解炉裂解气出口温度（以下简称 C0T） 等等。但无论采用哪种参数来表征裂解深度，操作的变量都是 C0T。

由此可见，C0T 控制是裂解生产中最核心、最重要的控制方案。裂解炉先进控制（以下简称APC）的目标就是把炉管出口平均温度控制在期望值上，即保持合适的裂解深度。炉管出口平均温度的输出控制底部烧嘴燃 料气流量。此外，为保证裂解炉热负荷，还设置了侧壁烧嘴燃料气控制块。通过改变燃料气量来控制炉管出口平均温度。实际生产过程中，裂解原料的 变化较为频繁，不同原料的裂解深度需要相应调整，才能获得最优的收率 [3]。

（二）裂解深度控制

以某重油炉为例，说明裂解深度控制系统的构成。重油炉可以裂解石脑油和加氢尾油，稀释蒸汽（Ds）分为 2 次从不同位置注人，其裂解深度采用甲丙比来标识，当甲丙比上升时，表示裂解深度加深，反之当甲丙比下降时，表示裂解深度变浅。

裂解深度控制系统采用串级控制策略，内环为 C0T 控制，Cb2 为 C0T 温度控制器，用来稳定裂解炉操作，使裂解炉 C0T 跟踪设定值变化，外环为裂解深度控制，Cb1 为裂解深度控制器，在炉况变化或裂解油品属性变化时，用来控制裂解炉裂解深度的稳定和跟踪性能，控制对象为裂解爐， 控制指标为 C0T 温度和裂解深度（甲丙比）。

裂解深度指标主要依靠在线气相色谱实现在线分析。由于气相色谱工作机制的限制，裂解气从取样器到色谱分析仪输出分析结果大致需要4～ 10min，而裂解反应的时间通常少于 1min。因此，为克服如此大的时滞需要采用 smith 预估控制策略，控制方案图如图 1 所示。其中裂解深度模型可以根据 C0T、裂解原料属性（如密度、P0NA 等）、汽烃比、进料负荷等，采用神经网络等软测量方法对裂解深度进行预测。同时，为了纠 正裂解深度模型的偏差，需要用裂解气在线分析结果对裂解深度模型进行校正。

（三）实时优化系统

裂解收率预测在线集成模型包括 6 个子模型，分别对应 6 类石脑油油品，这 6 个子模型在有石脑油油品分析数据时，根据现场石脑油油品信息选择某个子模型，结合现场的操作数据（C0T、进料流量和汽烃比），由 选中的子模型对乙烯质量收率和丙烯质量收率进行预测。这 6 类模型将分别以 6 类石脑油聚类中心数据（包括直链烷烃总和、正构异构之比、比重）作为各模型的固定输人，代表 6 类石脑油的代表信息，而模型的其他 3 个输人变量（C0T、进料流量和汽烃比）则根据现场实时获取的数据进行输人， 进而计算得出乙烯质量收率和丙烯质量收率的预测值。

根据市场及效益情况，组织生产。根据乙烯、丙烯、高副产品等市场效益来选择乙烯、丙烯、高副产品等收率最大化作为优化性能指标。对上述所述的优化问题进行单纯的全局优化无法适应油品特性变化等不确定性因素带来的影响。因此，引人了滚动优化的思想，即在一定时间窗口内最大化经济性能指标，同时根据实际生产状况的变化适时地调整优化策略， 通过在逐步移动的时间窗口内不断修正优化的目标实现经济性能指标局部优化，进而实现长期运行的经济性能指标最优。

裂解炉优化变量均采用 C0T，因炉型及操作条件不同，优化范围不同， 一般是在优化范围内确定最优 C0T，再根据模型计算出最优丙乙比。实时优化系统（以下简称 RT0 系统）与裂解深度控制系统的关系如图 2 所示。RT0 系统通过气相色谱仪实时分析裂解气组分，并将分析数据与优化控制模型对比，通过调整裂解深度不断优化裂解气组成，达到增产目标产物的目的。

三、应用成效

目前，乙烯装置裂解炉的裂解深度控制与优化系统陆续投用，裂解炉 均实现了 RT0 自动控制。成立 RT0 团队后，各裂解炉的裂解深度控制投用率与 RT0 系统投用率显著提高。

在使用乙烯收率、丙乙双烯收率最大等各种模式下，RT0 系统自动控制裂解深度向目标值靠近，裂解产物分布逐渐接近控制目标，证明系统已 经可以正常运行。同时，RT0 系统投用后，可以根据市场各类产品价格， 实施调整优化模型，选取不同的裂解策略，增产目标产物，提高了单台裂解炉的经济效益。

项目投用期间，某重油炉的进料量为 38t/h 固定不变，项目投用前后， 乙烯收率降低 0.164%，丙烯收率提高 0.788%，副产品收率降低 0.546%（详细数据请参考用户使用报告），以 38t/h 进料量，每年 7200h 计算：

1、裂解炉经济效益 = 丙烯增产 - 乙烯减少 - 副产品损失 =682.51 万元 /_

2、社会效益，除上述直接经济效益外，RT0 系统投用后的能耗和物耗也有所降低，其中燃料消耗减少 0.11 吨/ 小时，锅炉给水消耗减少 0.779t/ h。此外，某重油炉在项目投用前后，C0T 温度降低 7℃，这对延长裂解炉的运行周期具有一定的积极作用。

结束语

综上所述，通过对乙烯装置裂解炉先进控制、深度控制与实时优化系统进行了简要的介绍，并具体阐述了如何提升裂解深度控制与实时优化系统投用率以及提升后的成效。

参考文献

[1]智茂轩.乙烯裂解气组成在线分析方法的研究及应用进展[J].石油化工 .2021.50（06）：622-626.

[2]黄一烽.浅谈乙烯裂解炉的配管设计[J].石油化工设计 .2021.38（02）：54- 58+6-7.

[3]黄子坤.乙烯裂解炉工艺概述与节能措施[J].山东化工 .2021.50（07）：146- 147.