乙烯裂解炉裂解深度控制与实时优化

乙烯裂解炉裂解深度控制与实时优化

董金刚

大庆石化公司化工一厂裂解车间

摘要：裂解深度实时优化策略充分利用目前现场大都具备的裂解气在线分析仪提供的数据，利用机理模型和历史数据构造的神经网络集成模型的“正向预测”，辅以现场裂解气在线分析仪的“逆向校正”，一定程度降低了对原料组分分析仪的依赖。本系统改变传统人工确定裂解深度指标值的模式，提高裂解炉裂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：裂解炉;深度控制;实时优化;

引言

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，进入辐射段炉管，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，随后裂解气进入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。

1工艺流程

乙烷自乙烯装置的原料预热区来，进入裂解炉对流段上部初步预热后，返回乙烷饱和塔进行增湿处理。经增湿后的原料在二级急冷锅炉内与裂解产物换热后，分八路进入对流段下部炉管。饱和乙烷在对流段被加热到横跨温度后，经横跨管进入辐射段炉管，进一步升温裂解，然后进入一级急冷锅炉，通过急冷使裂解气迅速冷却，以抑制二次反应，同时回收热量。裂解气由一级急冷锅炉进入二级急冷锅炉再次降温后，经过裂解气大阀，汇合至总管后，再进入分馏塔。来自超高压锅炉给水泵的锅炉给水，进入对流段预热，然后进入汽包。汽包内锅炉给水通过下降管进入急冷锅炉集箱换热，再由上升管返回至汽包，产生超高压蒸汽。超高压蒸汽出汽包后，进入对流段过热段过热，经过热后与超高压蒸汽并网。在超高压蒸汽过热器上、下段之间设有减温增湿器，以控制超高压蒸汽过热器的出口温度。由此可知，裂解炉主产裂解气，副产超高压蒸汽，反应所需能量来源于燃料燃烧。

2裂解炉深度控制与实时优化

2.1裂解深度控制

在实际生产过程中，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。因此，在建立了APC的基础上，又进一步研发了裂解深度控制系统。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次从不同位置注入，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COT控制，Gc2为COT温度控制器，用来稳定裂解炉操作，使裂解炉COT跟踪设定值变化，外环为裂解深度控制，Gc1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，控制对象为裂解炉，控制指标为COT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。其中裂解深度模型可以根据COT、裂解原料属性（如密度、PONA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。

2.2优化裂解炉汽包液位输入选择

由于裂解炉汽包液位液位低低可能造成汽包爆裂，所以汽包液位测量采用3个双式平衡容器测量，当液位低于17%时联锁停裂解炉；由于液位测量为3个，所以在液位控制主回路输入可以优化为3个液位测量取中输入，则无论哪一个液位测量故障时，均不影响汽包液位控制输入，避免汽包液位控制失控。

2.3裂解炉炉管服役状态

尽管从金相组织分析裂解炉炉管碳化物组织老化并不严重，但是机械性能检测炉管的机械性能已经严重下降，室温拉伸强度降低，尤其是塑性指标下降明显，使得材料变得更脆。由于裂解炉炉管工作条件苛刻，外壁接触炉膛高温氧化气氛，温度高达1100℃，而内壁则为高温氧化－渗碳的复杂环境。因此内、外壁形成的致密且与炉管基体结合良好的Cr2O3－SiO2氧化膜的保护对炉管的长周期安全运行具有至关重要的作用。此次炉管在烧焦期间发生穿孔的主要原因是炉管内壁的氧化物保护膜发生脱落，失去了保护作用的炉管材料在高温下抵抗含固体焦炭颗粒的烧焦气体的冲刷能力非常弱。而氧化膜脱落与几方面因素有关:①随着炉管服役时间的延长，炉管内壁的氧化膜越来越厚，氧化膜内部的内应力也越来越大而使其进入容易脱落状态;

②氧化膜与炉管基体之间的热膨胀系数的显著差别，使得在烧焦期间温度发生剧烈变化时氧化膜更容易脱落;③该炉管材质成分中Si的含量明显低于标准规定的含量，使得Cr2O3氧化膜与炉管基体之间形成SiO2粘附层变少，使得氧化物保护膜容易脱落;保护膜脱落后炉管在高碳活度气氛中由于渗碳会分解出金属离子导致金属粉化、分解出的金属颗粒也会造成炉管的冲刷;④BA－110裂解炉运行记录显示泄漏炉管在此前运行时发生过超温运行的情况，同时烧焦过程烧焦程序不规范，而烧焦不彻底会造成焦粒在炉管内部附着进而导致氧化膜与炉管的脱离。

2.4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（COT、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入，代表6类石脑油的代表信息，而模型的其他3个输入变量（COT、进料流量和汽烃比）则根据现场实时获取的数据进行输入，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，引入了滚动优化的思想，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。

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