汪志成,武傳朋,茍成冬

(1.中韓(武漢)石油化工有限公司,湖北武漢 430000 2.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

乙烯產(chǎn)量已成為衡量國家石油化工發(fā)展水平的重要指標,乙烯工業(yè)的蓬勃發(fā)展帶動整個以石油為原料的石油化工行業(yè)的快速發(fā)展[1,2]。乙烯裂解爐是乙烯生產(chǎn)裝置的核心,決定整個乙烯裝置的生產(chǎn)能力、平穩(wěn)生產(chǎn)和總體能耗,乙烯裂解爐控制品質(zhì)的好壞將直接影響整個裝置的安全平穩(wěn)運行[3-5]。先進控制技術(shù)(APC)以工藝控制方案分析和數(shù)學模型計算為核心,實現(xiàn)過程控制優(yōu)化和工藝卡邊操作,提高裝置自動化水平[6]。因此,乙烯裝置采用先進控制技術(shù)是挖掘裝置內(nèi)在潛力、降低能耗,提升裝置安全平穩(wěn)運行水平的重要手段。

乙烯裝置實際生產(chǎn)過程中原料較為復雜,主要體現(xiàn)為原料輕質(zhì)化和多樣化。輕油爐原設(shè)計以石腦油為主,僅短暫作為氣體爐清焦時氣體原料裂解備用爐,但目前長期裂解液化石油氣(LPG),同時由于原料供應緊張造成裂解爐頻繁切換原料,因此運行周期較短,為保證裝置滿負荷生產(chǎn),實際工況為8臺裂解爐同時運行,無備用裂解爐。裂解爐負荷調(diào)整會對系統(tǒng)造成不同程度的波動,尤其是壓縮機組,因吸入壓力變化較大造成系統(tǒng)頻繁波動[7],威脅生產(chǎn)過程的安全。同時裂解爐頻繁切換,造成裂解爐出口溫度(COT)等關(guān)鍵操作變量波動大,影響裝置安全、平穩(wěn)運行。針對這一問題,2016年某石化乙烯裝置引進韓國自動投退料及燒焦APC系統(tǒng)——eFAS系統(tǒng),以改善裂解爐切換時的平穩(wěn)性。

1 乙烯裝置和eFAS技術(shù)簡介

1.1 乙烯裝置概述

某石化乙烯裝置原設(shè)計年產(chǎn)乙烯80×104t,分為8臺裂解爐,其中1臺 CBL-R 循環(huán)氣體裂解爐(簡稱乙烷爐),設(shè)計裂解原料為乙烷,裂解深度(乙烷轉(zhuǎn)化率)為65%,實際操作原料為裝置自產(chǎn)的循環(huán)乙烷和循環(huán)丙烷,以及來自煉廠的LPG和C3的混合物;5臺CBL-V型輕液體原料裂解爐(簡稱輕油爐),設(shè)計裂解原料為石腦油(NAP),裂解深度(丙烯/乙烯)為0.51;2臺CBL-V型重液體原料裂解爐(簡稱重油爐),設(shè)計裂解原料為加氫尾油(HVGO)和石腦油?，F(xiàn)對裝置進行擴能(110×104t/a)改造,新增2臺裂解爐:一臺裂解爐以裂解氣體原料LPG為主,并可作為乙烷爐的備用爐,兼顧裂解石腦油;另一臺裂解爐為CBL-IX 型爐,裂解原料為 NAP、HVGO、AGO(常壓瓦斯油)。

1.2 eFAS技術(shù)簡介

裂解爐自動投退料及燒焦APC系統(tǒng)是引進韓國的一項新技術(shù)——eFAS技術(shù),該技術(shù)首先建立裂解爐負荷、溫度、稀釋蒸汽及燒焦空氣等關(guān)鍵參數(shù)控制模型,然后結(jié)合裂解爐切換標準操作編寫控制程序,實現(xiàn)各關(guān)鍵參數(shù)的程序化控制,以達到各參數(shù)平穩(wěn)緩慢變化的目的。該項技術(shù)的應用可以降低投退料操作時負荷變化導致的系統(tǒng)波動及對機組的沖擊,提高裂解爐運行效率,同時節(jié)省物耗,發(fā)揮原料的最大效益,提升裝置的安全平穩(wěn)運行水平。

該技術(shù)主要具備以下4個功能,分別是裂解爐自動投退料、自動燒焦、負荷自動調(diào)整及COT自動調(diào)整。其中裂解爐投退料與COT調(diào)整程序可以同步進行,也可以分開使用,具有較好的靈活性。

2 eFAS技術(shù)在乙烯裝置的應用

2.1 裂解爐自動投退料

eFAS技術(shù)的自動投退料功能主要是在設(shè)定時間內(nèi)同時完成2臺裂解爐之間的切換工作。由于裂解爐投退料對切操作復雜,因此在裂解爐切換時人工操作易導致裂解氣壓縮機吸入壓力波動,氣液相負荷變化較大,切換時間較長的問題。eFAS技術(shù)自動投退料功能可以減小裝置負荷波動帶來的影響,起到安全控制的作用。

開始進行自動投退料功能時,首先在自動投退料功能界面將需要切出的裂解爐改為“退料”模式,需要投料的裂解爐改為“進料”模式,一般情況下切換時間設(shè)定為45 min,但切換時間可根據(jù)裝置實際加工負荷和工藝要求的投退料速率范圍進行設(shè)定。投料負荷變化速率或退料負荷變化速率一般要求維持在800～1 200 (kg/h)/min范圍內(nèi)。切換時間設(shè)定完畢后檢查投用裂解爐的狀態(tài),然后在裂解爐參數(shù)設(shè)定界面設(shè)定目標負荷、目標稀釋比及投退料裂解爐目標COT。

程序設(shè)定完畢后,將裂解爐控制器由“自動”模式切至“程序”模式,然后點擊“切換開始”按鈕,裂解爐開始進入正常的切換流程。切換過程中若遇到意外情況發(fā)生,只需將控制器切出“程序”模式即可暫停。待故障處理完畢后,恢復控制器至“程序”模式,程序仍會繼續(xù)進行直至裂解爐切換完成。

裂解爐切換過程在運行初始階段可以在低流量下進行手動控制,當各組流量穩(wěn)定后程序切換為自動控制繼續(xù)運行,負荷增加過程中可根據(jù)各組溫差來自動調(diào)整各組流量,維持各組溫度平均。同時在程序運行過程中遇到故障時可暫停投料,或改為手動控制進行手動投料操作。裂解爐的生產(chǎn)負荷控制,當某組爐管的進料量因溫度均衡控制而改變后,可通過自動調(diào)整其它幾組爐管烴進料量控制模塊的設(shè)定值,將其改變的流量再分配到另外的爐管進料中予以補償?？傌摵煽刂撇捎梅蔷€性控制方法,為了減弱總進料量變化對爐管出口溫度的影響,實現(xiàn)總負荷的穩(wěn)定有效控制,采取了小偏差時減弱總負荷控制器的控制作用,大偏差時加強控制器的控制作用的策略。

2臺爐切換過程負荷變化曲線如圖1所示。由圖1可知,在執(zhí)行投退料操作時,eFAS技術(shù)負荷自動調(diào)整程序能穩(wěn)定地維持總體負荷不變,2臺裂解爐負荷呈線性調(diào)整,負荷變化曲線平順無波動,呈線性穩(wěn)定增加或減小,所以eFAS技術(shù)實現(xiàn)了2臺裂解爐負荷的平穩(wěn)切換,保障了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

圖1 2臺裂解爐切換過程負荷變化曲線

2.2 裂解爐自動燒焦

自動燒焦程序是在設(shè)定時間內(nèi)自動完成裂解爐燒焦工作。該功能具有較強靈活性,可根據(jù)實際需求自行設(shè)定不同爐型、不同步驟的燒焦時間。不同爐型的結(jié)焦量、結(jié)焦類型存在差異,因此燒焦時間不同。一般而言,重油爐焦層比輕油爐焦層相對較厚,因此重油爐的燒焦時間更長,在自動燒焦模塊中需設(shè)定更長的燒焦時間。裂解爐燒焦完畢后點擊燒焦界面“燒焦結(jié)束”按鈕,可結(jié)束燒焦程序,然后系統(tǒng)自動進入蒸汽熱備狀態(tài)。

蒸汽-空氣燒焦過程總體表現(xiàn)為放熱,空氣中的氧與焦炭劇烈反應并放出大量的熱量,因此空氣量的微小變化會對爐管壁溫產(chǎn)生劇烈的影響,所以清焦過程中要嚴格控制空氣的流量,特別在清焦初期控制空氣流量將更為重要。當爐管出現(xiàn)熱斑時,應通過減少空氣流量﹑增加稀釋蒸汽注入量或降低爐管出口溫度的方式進行調(diào)節(jié)。

以加氫尾油裂解爐燒焦為例,燒焦曲線如圖2所示。由圖2可知,燒焦時長約38 h,稀釋蒸汽和燒焦空氣呈現(xiàn)“此消彼長”的狀態(tài),減少手動操作對稀釋蒸汽及燒焦空氣的調(diào)整,在保證燒焦質(zhì)量的同時可以減少操作人員的勞動強度。配合CO/CO2在線監(jiān)測,可以監(jiān)控燒焦過程的劇烈程度,根據(jù)燒焦的劇烈程度對COT進行調(diào)整,控制COT在700～800 ℃范圍內(nèi),避免反應太過劇烈損壞爐管。不同爐型的燒焦時間并不一致,一般情況下,氣體爐和輕油爐燒焦完成時間在24 h左右,但根據(jù)裂解爐運行時間長短可以適當縮減各步驟燒焦時間,進行快速燒焦。

圖2 加氫尾油裂解爐燒焦曲線

裂解爐在執(zhí)行燒焦程序時,稀釋蒸汽量和燒焦空氣量可按照預先設(shè)定的燒焦步驟進行,COT可根據(jù)需要單獨調(diào)整。實際運行過程中,裂解爐易出現(xiàn)各組COT難以調(diào)整平均的情況,因此對裂解爐整體COT的手動干預十分必要。通過調(diào)整裂解爐各組COT,可以保障每組爐管燒焦時間充足。最后通過采樣分析裂解爐出口尾氣中CO2和CO的含量來確定燒焦過程是否結(jié)束。一般手動燒焦時間約72 h,采用自動燒焦,燒焦時長降至40 h以內(nèi),燒焦時長大大縮短,裝置生產(chǎn)運行效率明顯提高。

2.3 裂解爐負荷自動調(diào)整

負荷自動調(diào)整是指裂解爐在運行過程中,加工負荷需要大幅調(diào)整時,同時進行多臺裂解爐的負荷自動增減工作。該功能可作為單臺裂解爐退出或投用時負荷調(diào)整使用,提高裂解爐負荷調(diào)整效率。

裂解爐負荷自動調(diào)整功能最大的應用體現(xiàn)在整體裂解爐負荷不變的工況下,單臺裂解爐投用或切出。單臺裂解爐的投用或切出會導致其他6～7臺裂解爐的負荷發(fā)生變化,一般情況下,每臺裂解爐會出現(xiàn)5～10 t的負荷調(diào)整。裂解爐負荷調(diào)整過程,裂解深度、爐膛燃燒情況以及COT等都會出現(xiàn)不同程度的變化,稍有不慎就會引起系統(tǒng)波動,甚至產(chǎn)品不合格。因此,負荷自動調(diào)整能實現(xiàn)裂解爐切換的同時,負荷同步調(diào)整到目標值,避免COT及系統(tǒng)波動,減少物料損失,提高裝置安全平穩(wěn)化運行。

單臺裂解爐手動投料和自動投料負荷變化曲線如圖3所示。由圖3可知,裂解爐自動投料初始階段,在低流量下進行手動控制,當各組流量穩(wěn)定后程序自動控制繼續(xù)運行,與手動投料相比,自動投料負荷呈線性穩(wěn)定增加,負荷變化曲線平順且波動小,達到預定值后,負荷保持平穩(wěn)。同時發(fā)現(xiàn),自投料開始至投料完成,裂解爐手動投料過程用時約80 min,自動投料過程用時約50 min,裂解爐自動投料與手動投料相比,投料時間縮短30 min,提高了裝置生產(chǎn)運行效率。

圖3 裂解爐手動投料與自動投料負荷變化曲線

2.4 裂解爐COT自動調(diào)整

裂解爐操作控制是對進料流量、稀釋蒸汽流量、燃料流量和COT的控制,COT是裂解爐運行中最重要的參數(shù),但最終目標是控制轉(zhuǎn)化率。

一般情況下,操作人員過度依賴經(jīng)驗,當熱電偶運行穩(wěn)定,裂解氣在線分析儀測量誤差較大時,容易使操作員把COT作為最終控制目標。測量COT的熱電偶一般在較為苛刻的條件下工作,由于老化或金屬氧化性的逐漸變化,且變化速度不一致,使測量精度發(fā)生改變或改變不一致,最終將影響乙烯產(chǎn)量、收率和裂解爐清焦周期。因此實際生產(chǎn)中會結(jié)合裂解深度調(diào)整相應的COT。

COT自動調(diào)整是指在設(shè)定時間內(nèi)調(diào)整裂解爐COT的變化,此功能主要適用于一臺或多臺裂解爐的COT調(diào)整。裂解爐COT自動調(diào)整可以減少手動調(diào)整時帶來的升溫速率問題,同時還可以在較大區(qū)間內(nèi)多次設(shè)定目標值進行調(diào)整,所以可以使裂解爐升降溫在特定區(qū)間內(nèi)變化更加平緩,對系統(tǒng)沖擊更小。圖4是裂解爐COT手動調(diào)整和自動調(diào)整變化曲線。由圖4可知,裂解爐COT手動調(diào)整過程,COT曲線呈現(xiàn)較大幅度波動;裂解爐COT自動調(diào)整過程,COT曲線平順且波動小,裂解爐安全平穩(wěn)運行性能增加。同時可以發(fā)現(xiàn)COT自動調(diào)整與手動調(diào)整相比,調(diào)整用時更少,調(diào)整效率更高。

圖4 裂解爐COT手動調(diào)整和自動調(diào)整變化曲線

3 技術(shù)應用效果

以H-006裂解爐為例,取相同時間段內(nèi),eFAS技術(shù)投用前后,手動燒焦與自動燒焦程序進行比較,eFAS技術(shù)投用前后燒焦過程物料消耗如表1、表2所示。由表1、表2可知,自動燒焦與手動燒焦相比,燃料氣、稀釋蒸汽、燒焦風等物料消耗均降低,手動燒焦過程消耗物料總價約69.7萬元,自動燒焦過程消耗物料總價約62.4萬元,平均一次切換燒焦過程節(jié)約物料成本約7.3萬元,按照全年燒焦50次計算,累計節(jié)約成本約365萬元,提高了裝置經(jīng)濟效益。

表1 eFAS技術(shù)投用前燒焦過程物料消耗

表2 eFAS技術(shù)投用后燒焦過程物料消耗

以H-006裂解爐為例,eFAS技術(shù)投用前后,手動燒焦與自動燒焦程序能耗如表3所示。收率均按35%乙烯計算,由表3可知,eFAS技術(shù)投用后,自動燒焦能耗比手動燒焦相比,折算降低能耗約66 kg標油/tC2H4,大大降低了裝置能耗。

表3 eFAS技術(shù)投用前后燒焦過程能耗

4 結(jié)論

eFAS技術(shù)是一種高效的裂解爐自動投退料及燒焦的APC系統(tǒng)。采用eFAS技術(shù)后,COT控制曲線更為平滑、裂解爐負荷呈線性調(diào)整,無大范圍波動,裝置安全平穩(wěn)運行性能增加。

在使用該系統(tǒng)后,以單次切換燒焦過程節(jié)約的物料成本計算,預估全年累計節(jié)約成本總額約365萬元,提高了裝置經(jīng)濟效益。同時,eFAS技術(shù)投用后,降低裝置能耗約66 kg標油/tC2H4。

綜上所述,裂解爐自動投退料及燒焦的eFAS系統(tǒng)可有效提高裂解爐的使用效率,增強企業(yè)對裂解爐的安全控制,顯著降低裂解爐燒焦過程物耗能耗,實現(xiàn)了低碳、安全、高效生產(chǎn),具有良好的應用前景。