喬智勇，莊稼，于可輝，祁彪，何超罡，楊勃

(國家能源集團 寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750400)

石油、化工等流程工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，規(guī)模、能耗巨大，具有流程復(fù)雜、高溫、高壓、易燃、易爆、高危的特點。百萬噸級烯烴更是石油、化工行業(yè)技術(shù)壁壘最高的裝置之一，工藝技術(shù)復(fù)雜，配套儀表等智能化設(shè)備、軟件繁多，對生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的規(guī)模、適應(yīng)性、可靠性、可維護性、開放性等方面要求很高，國內(nèi)烯烴(乙烯)項目控制系統(tǒng)市場始終被國外供應(yīng)商所壟斷，數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴(yán)重。建設(shè)大型的石油化工裝置，是發(fā)展規(guī)模經(jīng)濟有效的途徑之一，因此在百萬噸級聯(lián)合裝置上實現(xiàn)先進控制的自主化、自動化、智能化，無論在系統(tǒng)規(guī)模、控制難度上，還是在工程應(yīng)用、安全環(huán)保的示范意義上，百萬噸級烯烴先進控制的成功實踐，都代表著流程工業(yè)智能制造技術(shù)和模式發(fā)展的頂級水平。

通過核心主控裝備和軟件系統(tǒng)的國產(chǎn)化，探索智能制造的推廣應(yīng)用模式，實現(xiàn)乙烯、丙烯等石油化工生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制、精細(xì)化管理、科學(xué)決策等單元技術(shù)和集成創(chuàng)新技術(shù)的突破，完成烯烴聯(lián)合裝置從原料到產(chǎn)品，從生產(chǎn)控制到經(jīng)營決策，從生產(chǎn)管理到績效分析多層次、多視角、全方面的智能化管控，實現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提質(zhì)降本、節(jié)能減排、綠色環(huán)保等可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，并推廣應(yīng)用于石油、化工等流程行業(yè)。

1 裂解裝置簡介

裂解反應(yīng)主要過程是烴和蒸汽混合物在裂解爐中進行高溫?zé)崃呀猓纬筛缓蚁┖推渌N氣體的混合物，同時副產(chǎn)粗裂解汽油和燃料油；其他副產(chǎn)品包括丙烯和混合C4、氫氣(用于裝置內(nèi)的加氫反應(yīng))和甲烷(用作燃料氣)。裝置內(nèi)部生產(chǎn)的乙烷和丙烷，回到氣體原料裂解爐裂解再循環(huán)利用，以增加乙烯產(chǎn)率。

該項目裂解爐工段包括用于裂解新鮮液體原料的4臺192U型裂解爐和1臺用于裂解循環(huán)氣體原料的8M型裂解爐。192U型裂解爐為雙爐膛配置，每個爐膛中設(shè)置了96根U型變徑輻射爐管，每根U形爐管上進、上出共2程。8M型裂解爐為單爐膛(輻射室)結(jié)構(gòu)，8根M型爐管在爐膛中一字排列，每根M形爐管上進、上出共6程。

裂解反應(yīng)需要的熱量主要由裂解爐底部燒嘴燃燒產(chǎn)生的輻射熱提供，燃料主要有冷箱分離出的甲烷、氫氣、液化石油氣(LPG)和天然氣，燒嘴全部采用自然通風(fēng)的低氮氧化物型底部燒嘴，燃燒所需的氧氣通過環(huán)境空氣提供。每個燒嘴配置1臺空氣預(yù)熱器，用裝置多余的急冷水做熱源，加熱燃燒空氣，提高燃料的燃燒效率，節(jié)省能耗。

2 裂解裝置APC設(shè)計方案

乙烯裂解有3個關(guān)鍵變量，分別是停留時間、烴分壓、反應(yīng)溫度，這些變量在工業(yè)裂解爐上對應(yīng)4個主要操作參數(shù)： 原料進料流量、稀釋蒸汽流量、爐管出口壓力、爐管出口溫度(COT)。烴類原料裂解生成乙烯和丙烯的反應(yīng)平衡，主要取決于反應(yīng)的溫度和時間，尤其取決于最高的反應(yīng)溫度或COT。

丙乙烯轉(zhuǎn)化率是衡量裂解深度的主要指標(biāo)，原料的產(chǎn)品分布與反應(yīng)的劇烈程度有關(guān)。根據(jù)裂解原料的種類選取某種關(guān)鍵組分，并用它的轉(zhuǎn)化率衡量整個原料的轉(zhuǎn)化率，裂解深度越高，乙烯收率會越高，而丙乙烯比則會降低，甲烷和氫氣的收率也會提高。因此，可以通過調(diào)整裂解深度，在一定程度內(nèi)可以調(diào)整各個主要裂解產(chǎn)品的收率分配比；另外烴分壓也是影響反應(yīng)平衡的重要因素，分壓高的烴組分不利于生成乙烯產(chǎn)品，降低蒸汽比例或增大爐管出口壓力會減小特定原料的乙烯收率，產(chǎn)品的產(chǎn)率分布主要通過控制COT實現(xiàn)。

2.1 COT穩(wěn)定與支路平衡優(yōu)化控制

COT是裂解爐的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它是否平穩(wěn)，決定了裂解爐生產(chǎn)狀況的好壞，COT對乙烯收率的影響非常大。因此，把裂解爐COT控制得更精確，波動范圍更小，是裂解深度優(yōu)化的前提。選擇合適的裂解深度，兼顧較高的雙烯收率和較長的裂解爐運行周期，要求裂解爐管間的操作條件相近，應(yīng)避免過大的偏差。由于裂解爐內(nèi)部溫度場分布和爐管間熱效率的差異，各支路COT總存在偏差，常規(guī)控制是通過調(diào)整各支路的進料流量，COT與燃燒氣流量串級控制，COT作為主回路，燃料氣作為副回路，從而實現(xiàn)COT的一致性。APC控制器把支路進料流量、稀釋蒸汽流量、爐膛壓力作為主控變量和干擾變量，把COT、各支路溫度偏差、稀釋比、流量偏差、爐膛出口組分分析作為被控變量，在保證總進料量不變的前提下，根據(jù)各組爐管COT，調(diào)整各組爐管流量；各支路COT根據(jù)裂解爐管的運行狀態(tài)，進行適當(dāng)?shù)难a償，該補償量用于修正由于爐管流量差異導(dǎo)致的停留時間變化而引起的裂解深度偏差。

2.2 裂解爐處理量穩(wěn)定與自動提降控制

裂解爐的生產(chǎn)負(fù)荷有多種控制需求，如穩(wěn)定在某個固定量，根據(jù)指令調(diào)整負(fù)荷，或在滿足工藝條件下最大化處理等。APC控制器的操作策略是滿足某個固定量，操作人員設(shè)定裂解爐的總處理量后，控制器會根據(jù)各支爐管COT的分布情況，合理地分配各支爐管所調(diào)整的負(fù)荷，同時為了保證COT的穩(wěn)定性，燃料氣和用氧量自動匹配，以同時滿足COT穩(wěn)定和裂解爐處理量調(diào)整的要求。

2.3 加氫反應(yīng)器控制

加氫反應(yīng)過程是乙烯生產(chǎn)流程中非常重要的環(huán)節(jié)，由于加氫反應(yīng)非常靈敏，可變操作手段較少，常規(guī)PID控制實現(xiàn)精確操作比較困難。APC控制器把反應(yīng)器入口溫度、入口各組分摩爾分?jǐn)?shù)作為主控變量和干擾變量，把反應(yīng)器出口溫度、出口組分分析作為被控變量，在保證出料乙烯產(chǎn)品中乙炔摩爾分?jǐn)?shù)不超標(biāo)的前提下，使得反應(yīng)平穩(wěn)，乙烯損失最少，催化床層運行周期長?？紤]到出口乙炔摩爾分?jǐn)?shù)直接反映了出口氣體產(chǎn)品質(zhì)量，而活性和選擇性最能表征反應(yīng)平穩(wěn)程度，直接選擇出口乙炔摩爾分?jǐn)?shù)、催化劑活性和選擇性作為控制變量。

3 裂解裝置APC方案實施

根據(jù)乙烯裝置的實際生產(chǎn)特點，主要采用多變量模型預(yù)測控制技術(shù)，設(shè)計了適合乙烯裝置的控制器。乙烯裝置先進控制的主要任務(wù)是抑制外部擾動，合理動態(tài)調(diào)節(jié)各操作變量，平穩(wěn)各塔及各關(guān)鍵工藝指標(biāo)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低裝置能耗。

從總體上看，實施乙烯裝置生產(chǎn)過程APC后，提高了乙烯裝置的自動化水平，提高了裝置抗干擾能力和關(guān)鍵工藝參數(shù)的平穩(wěn)率，提高了裝置的產(chǎn)品質(zhì)量，降低了裝置能耗和操作人員的勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率，獲得了可觀的經(jīng)濟效益。裂解爐COT控制器投運前后對比如圖1所示，裂解爐進料量控制器投運前后對比如圖2所示，加氫反應(yīng)器出口乙炔摩爾分?jǐn)?shù)控制器投運前后對比如圖3所示。

圖1 裂解爐COT控制器投運前后對比示意

圖2 裂解爐進料量控制器投運前后對比示意

圖3 加氫反應(yīng)器出口乙炔摩爾分?jǐn)?shù)控制器投運前后對比示意

4 結(jié)束語

通過基于國產(chǎn)DCS的乙烯裂解裝置APC設(shè)計，提高了裝置運行平穩(wěn)性和雙烯收率，降低了單位產(chǎn)品能耗，提高了企業(yè)經(jīng)濟效益，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)裝置操作的標(biāo)準(zhǔn)化，減少了人為操作誤差，大幅地降低了操作人員的工作負(fù)荷，保證了裂解裝置的平穩(wěn)安全運行。