关键词：DCS 乙烯装置 裂解 控制
裂解是烃类原料在高温条件下，发生链断裂或脱氢反应，生成烯烃及其它产物的过程。扬子石化2#乙烯装置共有5台大型裂解炉(BA-1101～BA-1105)，老区BA-108炉为2#乙烯的循环乙烷炉。原料罐区来的原料（AGO、NAP、LNAP、HGO/HVGO、LPG），在流量控制下进入裂解炉对流段的原料预热盘管与烟气对流换热，然后同加入的DS（稀释蒸汽）按相应的汽/油比混合进入混合预热盘管加热后进入辐射段的辐射炉管[1]。物料在辐射段炉管内迅速升温进行裂解反应，生成氢气、甲烷、乙烯、丙烯等低级烯烃及其它反应物的混和裂解气。
2010年1月，扬子石化烯烃厂2#乙烯装置裂解炉区裂解深度控制系统完成开发并投用。2014年1月，在裂解深度控制系统的基础上，完成了针对石脑油原料的裂解深度实时优化系统（RTO）开发并投用。主要控制技术设置如下：
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图1 裂解深度实时优化系统结构图
系统由裂解收率在线模型与裂解深度实时优化系统、DCS控制系统、液相油品属性分析、现场设备及仪表组成；其中裂解收率在线模型与实时优化系统包括裂解炉收率预测的智能推理集成模型和裂解深度在线优化系统，DCS控制系统内包含炉管出口温度控制系统和裂解深度控制系统，现场设备及仪表主要包括裂解气分析仪、控制阀及测量仪表等，详见图1。
1现场设备和仪表
1.1控制阀及测量仪表等
各类控制功能的良好执行，必须依赖基础层控制品质。目前，2#乙烯裂解炉区域常规控制仪表方面，所有仪表、阀门均满足工艺使用要求，尤其近年来，经过仪表专业与工艺专业的共同努力，对稀释蒸汽流量仪表增加凝液罐后，之前困扰自控率提升的稀释蒸汽回路不能投自控的问题已解决。目前，该区域各基础控制回路均能正常投自动，能满足炉管出口温度控制、裂解深度控制及RTO应用要求。
1.2裂解气在线色谱分析仪
裂解气在线色谱分析仪用于对裂解炉出口各组分的占比进行定量分析。其测量信号作为裂解后的实际生产情况的反映，与裂解深度反应机理模型计算结果进行对比，以判断裂解效果与预测效果是否一致。2#乙烯BA-1101~BA-1105炉出口共设置了三台色谱分析仪，其中BA1101、1102炉共用一台色谱仪AT8010/8020，BA1103、1104炉共用一台色谱仪AT8030/8040，BA1105炉独立设置一台色谱仪AT8050。色谱仪的良好运行，与样品预处理系统的良好运行息息相关。其中，采样装置和样品处理系统是用好色谱分析仪的关键。由于裂解炉出口裂解气温度高，含焦粉颗粒、重组分等，因此裂解炉出口必须设置专用的取样器，即前处理系统PY-GAS，用于除去样品中的固体、焦油、重组分和水，并且对样品进行冷却、净化，以保证后路一体化伴热管缆及色谱仪的良好运行。因此，对上述前处理系统、一体化伴热管缆专人、固定频次的维护模式不可或缺。
2 液相油品属性分析仪
目前2#乙烯液相进料油品属性分析仪为：近红外光谱分析仪。用于油品的组分（POINA值）的分析。裂解原料有5个物理属性，POINA值代表直链烷烃的品质全组分构成，各字母分别代表：
P：正构链烷烃，简称烷烃，较易裂解生成乙烯、丙烯；
O：烯烃，裂解困难，易造成结焦；
I：异构烷烃，裂解困难；
N：环烷烃，裂解的乙烯、丙烯的收率不如烷烃高，还容易生成较多芳烃；
A：芳烃，裂解困难，易生成重质芳烃，并造成结焦等。
近红外光谱分析仪的应用可以及时地识别各种原料的POINA值变化，并通过APC优化模型实时地在线调整相应的裂解深度，优化原料的利用、产品结构，多生产高附加值产品，减少能耗物耗，使生产始终处于最优状态。
3 DCS系统
裂解炉安全、稳定的操作控制将直接影响乙烯装置以及后续生产装置生产运行，裂解炉的主要控制指标为收率、负荷稳定、能源消耗、生产安全等。2#乙烯裂解炉的控制,主要是在DCS系统内通过组态实现。主要有以下两种：一种是利用先进控制技术的炉管出口温度控制，另外一种为裂解深度控制。当然还包括一些其它的辅助控制。
3.1炉管出口温度控制
裂解炉裂解气出口温度控制COT是乙烯裂解生产中最核心、最重要的控制方案[2]。裂解炉COT 温度主要受进料流量变化、炉膛燃烧热负荷、炉管结焦情况等的影响，并且有些因素是随机、不可控的。裂解炉平均 COT 温度主要通过调节燃料气流量进行控制。通过调节裂解炉侧壁、底部的流量，保证炉出口平均温度的平稳控制。同时，要考虑燃料气压力对系统的安全影响。由于原料裂解过程中，物料通过6组并行进料管线进入裂解炉进行裂解反应，在裂解之前进料需要注入一定比例的稀释蒸汽稀释油品的黏度，以提高裂解过程的效率，从而减少管壁结焦情况。
不同油品需要注入的蒸汽量是不一致的，注入稀释蒸汽混合后的物料先进入炉膛的对流段预热，然后进入辐射段裂解，产生裂解气。由于热电偶的测量存在较大纯滞后，使作为控制主参数的COT出口温度不能有效地作为高品质的测量参数及时调节燃料气控制阀的动作。如果不实行APC，裂解炉的正常生产就无法进行，因此APC是裂解生产过程中关键的控制方案。负荷APC是对温度控制影响较大的另一个关联参数，负荷决定了炉出口温度COT的变化。在正常的生产过程中，不允许负荷发生大的变化，在工艺负荷变化时，通常是通过负荷控制器中均匀的操作。因此要控制好COT温度，首先要保证好生产负荷的稳定。同时，稳定均衡的COT温度控制，可以延长裂解炉的运行周期，减少清焦的次数，充分扩大裂解炉的效能和减少设备的老化、损坏，减少维修工程量即炉子的切换周期，实现增产、稳产、高产。图2为裂解炉炉管出口温度控制结构图
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3.2裂解深度控制
裂解深度控制结构如图3，深度控制是基于在线工业色谱分析仪的分析数据(甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丙烷等组分)来控制裂解炉出口温度，保持裂解气所要求的组分。影响裂解深度的主要因素为原料类型及组分、进料与蒸汽比、裂解炉出口温度等。裂解深度控制系统中炉出口温度为可调变量，其余由操作员设定，通常采用APC实现裂解深度控制。当裂解炉出口温度控制器在串级时，裂解深度控制才起作用。每次用分析数据计算的实际裂解深度与设定的裂解深度相比较，每次比较产生一个偏差，偏差信号限制在一定范围内。通过偏差信号调整裂解炉出口温度的设定值，直到实际的裂解深度等于所要求的裂解深度。
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3.3其他相关控制
3.3.1进料量与稀释蒸汽比值控制
为保证裂解炉安全稳定操作运行，裂解炉的总烃进料量和各组炉管的烃进料量、总稀释蒸汽量和各组炉管的稀释蒸汽量均应保持恒定。控制各组炉管烃进料量和稀释蒸汽流量以及辐射段炉管的出口温度应尽可能相同，控制各组炉管烃进料量与稀释蒸汽流量比相同，改善炉管的温度分布，减缓炉管内结焦速度。
裂解炉烃进料流量控制中，总烃进料流量控制器调节各组炉管烃进料量流量相同。由于各种因素造成各组炉管的出口温度不尽相同，导致各组炉管的裂解气裂解深度或结焦程度有所不同。故在各组炉管总烃进料流量控制中，设置裂解炉组炉管出口温度平衡控制。当总烃进料变化时，各组炉管出口温度自动跟踪总平均温度。组炉管出口温度平衡控制与组炉管烃进料和稀释蒸汽比值控制协同调节各组炉管的烃和稀释蒸汽流量，维持各组炉管出口温度基本相同。
3.3.2汽包液位控制
为回收裂解炉裂解气的热量，降低裂解炉的能耗，每台裂解炉顶部设有汽包，产生高压蒸汽，并在对流段过热产生超高压蒸汽。液位控制是汽包控制的重要环节，无论是低液位还是高液位，特别是低低液位时将给人员和生产安全造成威胁。汽包液位采用三冲量控制方案。汽包液位三冲量控制系统实际是前馈控制－串级控制系统。超高压蒸汽流量（带温度压力补偿）与注入超高压蒸汽主管的锅炉给水流量差值作为前馈控制变量。汽包液位控制器的输出与前馈控制变量相加，作为锅炉给水流量控制器的设定值，调节进高压汽包的锅炉给水流量。汽包液位采用 3 台液位变送器测量，并对测量值进行“三取中”，既保证控制系统安全性，又保证可用性。
3.3.3超高压蒸汽过热温度控制
超高压蒸汽过热温度通常控制在500～520℃ 。在超高压蒸汽过热器的出口安装4支温度检测元件用于测量超高压蒸汽过热温度，三支用于超高压过热蒸汽温度高高联锁，一只用于超高压蒸汽过热温度控制器的测量值。在对流段设有减温器，控制器的输出控制注入锅炉给水流量来调节超高压蒸汽的过热温度，以防止锅炉给水以液体形式进入换热管，导致换热管损坏。
4裂解收率在线模型与实时优化系统
实时优化（Real Time Optimization，RTO）控制是一种解决复杂流程工业过程优化与控制的有效手段；实时优化控制将回路控制与过程运行优化相结合，采用两层结构，上层通过计划调度优化经济性能指标，产生底层控制回路的设定值，即当前裂解深度优化结果的计算值；底层通过控制器使被控变量跟踪这个计算值，从而尽可能使过程运行在经济优化状态[3]。
丙烯/乙烯质量比或甲烷/丙烯质量比（控制指标的裂解深度）是控制裂解炉运行的重要指标，通过调节该指标可以控制乙烯、丙烯的产出比例和产出量。过高的裂解深度会影响裂解炉的运行周期，过低的裂解深度则影响产出的产品产量，并会增加裂解炉的能耗，影响生成成本。通常轻质油品裂解过程控制选用丙乙比作为深度控制指标，重质油品裂解过程控制选用甲丙比作为深度控制指标。
烯烃厂2#乙烯装置裂解炉RTO系统由华东理工大学开发，其技术路线是：从裂解炉运行的经济效益的角度出发提出了乙烯裂解炉双烯收率经济效益优化指标（可选），通过优化该经济指标能够找到不同的裂解原料以及工艺参数条件下裂解炉运行的最佳裂解深度，保证产品收率或效益最大化。同时在优化过程中引入了在线校正和滚动优化思想，能够有效地克服双烯收率模型的不确定性以及工艺扰动。
裂解收率在线模型与裂解深度实时优化系统需要石脑油油品属性以及当前裂解炉运转条件及变量，其中裂解原料油品属性目前采用近红外分析仪分析并将数据通讯至DCS系统，再由DCS上传至过程实时数据库中；裂解深度优化系统服务器从数据库读取油品信息和裂解炉运转条件及变量，计算出当前裂解深度优化结果，通过OPC服务器，优化结果推至DCS系统，作为裂解深度控制系统的设定值。
RTO的投用，可以有效解决裂解炉优化问题，通过裂解气在线分析仪输出对其进行在线校正，更新关键工艺参数的设定值，按照工艺生产要求达到烯烃收率或经济效益最大化。同时，对于原料的变化能实时滚动优化，保证裂解炉始终在最优工艺参数下运行。
5结语
整个裂解炉控制的良好运行与其各个环节均密不可分：
1、自控仪表的良好运行，随着装置的运行，实际工况也会不断变化，因此，需要维护力量的全程跟进，做好全员巡检及预防性维护工作；
2、近红外光谱分析仪、裂解气在线色谱分析仪的运行与维护，尤其重点关注色谱分析仪的预处理系统，良好维护才能保证分析仪的正常稳定运行，为工艺生产以及优化系统提供准确在线分析数据；
3、先进控制系统实现则是一项复杂的系统工程，充分发挥了DCS系统高级控制功能，完成软测量技术和先进控制策略的工程实施需要。但在投用以后，根据生产实际需要定期的进行参数调整及模型优化。
相信通过各方的共同努力，定能使2#乙烯裂解炉运行在最佳状态，为生产降本增效。
参考文献
1、宋立臣. 燕山乙烯装置全流程闭环实时优化技术应用.乙烯工业，2013，25（4）
2、王玉华. 裂解炉的自动控制.乙烯工业，2011，23（1）
3、杨金城. 基于近红外分析仪的裂解炉先进控制和实时优化技术.石油化工自动化，2014，50（4）
论文作者:吴迪
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/23
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