李佳書，朱曄，孫天一，李進龍

工藝與裝備

乙烯裂解爐自動化投料方法和系統(tǒng)開發(fā)研究

李佳書，朱曄，孫天一，李進龍

（常州大學石油化工學院，江蘇 常州 213164）

乙烯裂解爐是乙烯裝置核心設備，但至今缺乏對其開車投料非穩(wěn)態(tài)過程的研究。鑒此，基于乙烯裂解爐開車投料過程的運行特點和工藝參數(shù)變化規(guī)律，建立非穩(wěn)態(tài)過程裂解爐出口溫度(COT)與碳烴進料流量、汽烴比和燃料氣流量復合數(shù)學模型，構建非穩(wěn)態(tài)過程分段控制邏輯和參數(shù)循環(huán)監(jiān)測方法，基于工業(yè)裝置的DCS控制系統(tǒng)開發(fā)人機交互系統(tǒng)，實現(xiàn)乙烯裂解爐開車投料非穩(wěn)態(tài)過程的平穩(wěn)運行。測試結果表明，自動化投料系統(tǒng)可大幅降低裂解爐開車投料階段COT的波動，同時使碳烴進料和燃料氣流量變化更平穩(wěn)。

裂解爐； 非穩(wěn)態(tài)過程； 乙烯； 自動化投料； 自動控制

乙烯是重要化工原料，其產(chǎn)量可衡量一個國家或地區(qū)石油化工發(fā)展水平。乙烯裝置中的關鍵設備是乙烯裂解爐，其決定著整個裝置的產(chǎn)品收率和能耗水平。目前，已對裂解爐的裂解機理[1]、運行技術[2]及優(yōu)化控制[3-4]等進行了大量的研究和實踐工作。然而，由于受運行過程中結焦影響[5]，乙烯裂解爐需頻繁停開爐和投退料操作，但至今對開車投料等非穩(wěn)態(tài)過程缺乏必要研究。國內(nèi)企業(yè)裂解爐的投退料過程基本均根據(jù)開停車卡片進行手動操作，未進行程序化控制和標準化作業(yè)。而在開停車非穩(wěn)態(tài)操作過程中，爐膛溫度、爐管出口溫度（COT）、廢熱鍋爐（TLE）出口溫度、燃料氣流量、爐膛升溫曲線等關鍵參數(shù)波動較大，對裂解爐的長周期和穩(wěn)定運行性能均有較大影響，同時影響運行過程能耗水平。鑒此，本文對裂解爐開車投料非穩(wěn)態(tài)過程進行初步探索，研究開發(fā)程序化和自動化投料控制操作方法，為裂解爐的標準化、智能化操作運行提供參考。

1 裂解爐及投料流程

乙烯裂解爐是在高溫條件下將與稀釋蒸汽混合后的碳烴原料熱裂解為乙烯、丙烯等小分子碳烴化合物的裝置，該系統(tǒng)主要由裂解爐本體、碳烴進料系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、TLE系統(tǒng)等組成，關鍵控制參數(shù)包括裂解爐出口溫度、碳烴與燃料氣進料流量、汽烴比、TLE出口溫度等，示意圖如圖1所示。裂解爐手動投料過程包括投料前裂解爐狀態(tài)確認、手動開啟碳烴進料控制閥（FIC00031~36）、通過燃料氣壓力控制閥（PIC00081/82）調(diào)節(jié)燃料氣流量、汽烴比控制、COT控制等，過程中必須嚴密實時注意COT溫度、不同組別爐管出口溫度和碳烴流量偏差、TLE出口溫度等。當系統(tǒng)達到預定的碳烴進料流量后，將COT、稀釋蒸汽（DS）、碳烴流量、燃料氣、稀釋比等控制系統(tǒng)轉投自動，使裂解爐進入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。

圖1 乙烯裂解爐基本流程和關鍵控制閥示意圖

2 系統(tǒng)設計開發(fā)

2.1 系統(tǒng)設計

根據(jù)裂解爐手動投料過程和開車卡片規(guī)定，總體的設計原則如圖2所示。在投料開始之初，首先對COT進行實時監(jiān)控，后確認整個系統(tǒng)是否滿足碳烴投料條件并進行正確的閥位設定；接著按照一定的增速緩慢增加碳烴流量，此通過碳烴進料閥（FIC00031~36）閥位控制，同時對流量進行監(jiān)測；碳烴投料過程按照碳烴進料量分段進行，前一分段確認無誤后再進入下一分段的投料，此過程根據(jù)投料前設定的系統(tǒng)參數(shù)循環(huán)進行，直到最后分段完成；當各項參數(shù)達到預定值并確認無誤后，將對應的控制閥均轉投自動，將系統(tǒng)過渡至穩(wěn)態(tài)運行。

圖2 自動化投料系統(tǒng)設計原則圖

鑒此，自動化投料過程的主要步驟設計為：①通過自動投料系統(tǒng)預置投料過程控制參數(shù)目標值；②投料前裂解爐運行參數(shù)及閥門狀態(tài)檢查；③通過開啟進料閥閥位打開進料閥至一定閥位，同時根據(jù)COT控制模型使COT保持在該步目標值；④繼續(xù)增加進料閥閥位輸出使裂解爐總進料負荷達到該步目標值，同時進行側壁燒嘴（如有）點火，并根據(jù)COT控制模型調(diào)整燃料氣流量，使COT達到該步目標值；⑤繼續(xù)增加進料閥閥位輸出使裂解爐總進料負荷達到該步目標值，同時進行底部燒嘴（部分主燒和/或輔燒燒嘴）點火，并根據(jù)COT控制模型調(diào)整燃料氣流量，使爐管出口溫度達到該步目標值；⑥將總進料和各組進料流量控制閥投自動，再將各組進料流量控制器投串級；⑦將COT與裂解爐底部燃料氣流量控制器置串級；⑧自動設置總進料流量、稀釋蒸汽流量和爐管出口溫度目標值并實現(xiàn)自動爬坡控制，直至各參數(shù)達到目標值；⑨在投料過程中，投料系統(tǒng)對關鍵過程參數(shù)進行實時循環(huán)監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)問題，由投料系統(tǒng)提示操作人員進行調(diào)整和操作；⑩系統(tǒng)復位并退出自動投料系統(tǒng)。

COT控制模型表示為：

COT=×（1）

=×HC+×DS+（2）

式中：—爐管出口溫度；

—燃料氣流量，Nm3·h-1；

HC—碳烴進料流量，t·h-1；

DS—稀釋蒸汽流量，t·h-1；

~—模型參數(shù)，根據(jù)裂解爐歷史運行數(shù)據(jù)及燃料氣熱值推算獲得。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

自動化投料系統(tǒng)的開發(fā)基礎是裝置在用的先進控制系統(tǒng)。為了保證原DCS控制系統(tǒng)的安全性，自動化投料系統(tǒng)于上位機服務器上開發(fā)，并實現(xiàn)整個投料系統(tǒng)的邏輯控制和關鍵參數(shù)實時監(jiān)測。基于現(xiàn)場DCS控制系統(tǒng)，設計的自動化投料系統(tǒng)人機交互主界面如圖3所示，其功能包括運行狀態(tài)顯示和提示、參數(shù)設定和實時顯示、系統(tǒng)控制。

圖3 自動化投料系統(tǒng)人機交互界面

自動化投料開始前，需通過“參數(shù)設置”進行系統(tǒng)的參數(shù)設定，即上述2.1節(jié)中分段投料的碳烴流量，該參數(shù)設置后必須進行裂解爐狀態(tài)“自檢”，否則“啟動”等控制按鈕無法操作，僅當系統(tǒng)自檢完成并通過后自動投料才可繼續(xù)進行。在自動投料過程中，在任意時刻，用戶均可通過“保持”和“繼續(xù)”對投料進程進行控制，也可通過“終止”按鈕將自動投料改為手動投料。另外，由于裂解爐火嘴的點火操作需要人工操作完成，因此系統(tǒng)通過界面上設置的“開始”和“結束”按鈕來匹配手動操作。

在界面的右側，用戶可選擇顯示投料過程中需重點監(jiān)測的參數(shù)，此區(qū)域將給出所需參數(shù)的實時變化趨勢，方便用戶實時判斷投料和裂解爐系統(tǒng)運行狀態(tài)，為指令操作提供重要參考。同時，用戶執(zhí)行的每一個指令和系統(tǒng)重要信息均顯示于界面的“操作指引和系統(tǒng)運行信息提示”區(qū)，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供保障。

3 系統(tǒng)測試

由于裂解爐類型多樣、碳烴原料屬性的不同及在運行過程中結焦事實的存在等，使得裂解爐運行特性產(chǎn)生差異，由此需根據(jù)裂解爐實際運行特點確定上述方程（1）和（2）中的模型參數(shù)。據(jù)此，本文選擇某10萬t·a-1裂解爐作為測試對象，對某一周期結束經(jīng)燒焦后的投料過程進行測試。

根據(jù)裂解爐的自身特點和歷史運行參數(shù)，獲得COT控制模型中的參數(shù)~分別為85 Nm3·t-1、22 Nm3·t-1、1982 Nm3·h-1和1.6 ℃·h·Nm-3。為了實現(xiàn)COT的穩(wěn)定控制，系統(tǒng)中設置參數(shù)的修正項，若COT高于設定值，則按一定比例減??；若COT等于低于設定值，則按一定比例增加。同時，為了保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，系數(shù)調(diào)節(jié)比例限幅為5%~12%，調(diào)節(jié)步長為0.01%~1%。

表1 實時循環(huán)監(jiān)控參數(shù)約束

另一方面，在投料過程中需對裂解爐裝置中關鍵參數(shù)進行監(jiān)測，表1給出對應關鍵參數(shù)及限幅。若在自動投料過程中監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某參數(shù)超限，系統(tǒng)立刻報警并在主操作界面給出提示，同時“保持”當前所有運行參數(shù)并停止投料，待排除故障后投料系統(tǒng)繼續(xù)運行。

根據(jù)所選裂解爐的運行特點，將裂解爐進料過程分為4個階段，通過人機交互界面設置每個階段的目標值，分別為25%（閥位）、18 t·h-1、30 t·h-1和42 t·h-1，如圖4所示，后進行裂解爐狀態(tài)“自檢”，滿足條件后按“啟動”即實現(xiàn)裂解爐的自動化投料，投料結束系統(tǒng)將自動退出。圖4給出了同一裂解爐手動投料和自動化投料過程中碳烴流量、燃料氣流量及COT三者的關系曲線，平面中的曲線為該三維曲線的投影。由圖可知，在手動投料過程中，操作人員可使碳烴進料流量逐步增加，直到目標值，但不能同時穩(wěn)定控制COT；而在自動化投料過程中，碳烴流量和COT均可保持穩(wěn)步增加。因此，自動化系統(tǒng)有效提高了過程運行的平穩(wěn)性和效率，同時降低了現(xiàn)場操作人員的勞動強度。

4 結 論

1）基于乙烯裂解爐開車投料非穩(wěn)態(tài)過程運行特點，提出了分段式自動化投料方法；

2）基于工業(yè)裝置運行特點和歷史數(shù)據(jù)，構建了COT的控制模型，同時基于現(xiàn)場DCS控制系統(tǒng)開發(fā)了一套自動化投料系統(tǒng)，實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)過程的自動化操作；

3）測試結果表明，該自動化投料系統(tǒng)可實現(xiàn)裂解爐非穩(wěn)態(tài)過程關鍵參數(shù)的平穩(wěn)控制，提高了裝置的運行效率和安全性。

［1］華豐，方舟，邱彤．乙烯裂解爐反應與傳熱耦合的智能混合建模與模擬[J]. 化工學報，2018，69(3)：923-930．

［2］夏信虎.乙烯裂解爐煙氣脫硝技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 遼寧化工, 2019, 48(8)：817-819．

［3］張利軍，李進龍.乙烯裝置裂解爐群進料負荷配置建模和優(yōu)化[J]. 計算機與應用化學, 2014, 31(11)：1359-1362．

［4］JIN Y K，LI J L，DU W L，et al. Integrated operation and cyclic scheduling optimization for an ethylene cracking furnaces system[J].., 2015, 54：3844-3854．

［5］岳莉，封瑞江，趙崇峰，等.乙烯裂解裝置中的結焦抑制劑[J]. 遼寧化工, 2004, 33(11)：656-658．

Study on an Automatic Feeding Method and System Development for Pyrolysis Furnace

,,,

（School of Petrochemical Engineering, Changzhou University, Changzhou Jiangsu 213164, China）

The prolysis furnace is a key apparatus in the ethylene plant. However, the study on the unsteady process of start-up and feeding was not enough so far. Therefore, based on the running characteristics of the furnace in the feeding process and the relationships among its different operation variables, a composite model of the coil outlet temperature (COT) relating to the flow rate of hydrocarbon feed, the ratio of dilute steam to hydrocarbon flows and fuel flow was proposed. The piecewise logic control method for unsteady process and the real time monitoring strategy were designed. An automatic system for hydrocarbon feeding was developed based on the field DCS control system,and the unsteady process of feeding controlled by the developed system in this work ran well. The testing results showed that the automatic control system could greatly reduce the fluctuation of COT and make the change of the hydrocarbon and fuel gas flow more stable.

Pyrolysis furnace; Unsteady process; Ethylene; Automatic feeding; Automatic control

國家自然基金項目（項目編號：21878025）。

2020-07-15

李佳書（1977-），女，滿族，實驗師，碩士，吉林省吉林市人，2007年畢業(yè)于燕山大學生物醫(yī)學工程專業(yè)，研究方向：XRF分析和過程優(yōu)化技術。

李進龍（1976-），男，副教授，博士，研究方向：熱力學與化工過程建模優(yōu)化。

TQ02

A

1004-0935（2020）11-1371-04