趙環(huán)宇

(上海漢中諾軟件科技有限公司,上海 200120)

裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備,在烴類(lèi)高溫裂解過(guò)程中,爐管內(nèi)壁逐漸沉積焦炭,該焦炭層會(huì)降低乙烯產(chǎn)量,也給裂解爐安全運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。目前,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的裂解爐清焦工藝是蒸汽-空氣燒焦法,通過(guò)在燒焦氣中加入空氣(以下稱(chēng)燒焦空氣),減少稀釋蒸汽的方法提高燒焦過(guò)程的反應(yīng)溫度。在保證操作安全的情況下,盡可能地優(yōu)化燒焦過(guò)程,降低能耗和生產(chǎn)成本,延長(zhǎng)裂解爐的生產(chǎn)周期,提高裝置生產(chǎn)操作管理水平,具有十分重大的研究意義和廣闊的發(fā)展空間[1-5]。文中結(jié)合順序控制和先進(jìn)控制技術(shù),開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)燒焦控制系統(tǒng),有助于減少燒焦時(shí)間,精準(zhǔn)控制燒焦溫度,達(dá)到燒焦過(guò)程的程序化、合理化、精準(zhǔn)化,應(yīng)用于乙烯裂解爐燒焦過(guò)程,節(jié)省了燒焦時(shí)間并大幅降低了操作員調(diào)節(jié)頻次,提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 概念介紹

1.1 結(jié)焦原理

烴類(lèi)裂解結(jié)焦過(guò)程分為初始結(jié)焦階段和穩(wěn)態(tài)結(jié)焦階段。反應(yīng)開(kāi)始結(jié)焦速率較大,隨著反應(yīng)進(jìn)行,爐管表面逐漸被焦炭覆蓋而鈍化,結(jié)焦速率下降,最后趨于穩(wěn)定。目前普遍認(rèn)可的三種結(jié)焦機(jī)理為氣相結(jié)焦、催化結(jié)焦和自由基結(jié)焦[6-9]。

1.2 順序控制

順序控制系統(tǒng)是按照預(yù)先設(shè)定的順序,各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)有秩序地進(jìn)行操作,連續(xù)向前完成每階段的控制任務(wù)。在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中,順序控制起著補(bǔ)充作用,協(xié)助連續(xù)控制執(zhí)行更高級(jí)的控制。按照順序控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)順序控制的特征,可以將順序控制劃分為時(shí)間順序控制、邏輯順序控制和條件順序控制三類(lèi)[10]。

1.3 先進(jìn)過(guò)程控制

先進(jìn)控制(APC)將整個(gè)生產(chǎn)裝置或者某個(gè)工藝單元作為一個(gè)整體研究對(duì)象,通過(guò)模型辨識(shí)技術(shù),描述各變量之間的關(guān)系,建立多變量動(dòng)態(tài)矩陣控制器。多變量預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,控制器可以依據(jù)被控變量的要求,提前調(diào)節(jié)操作變量,有效協(xié)調(diào)各個(gè)變量之間的關(guān)系,加之控制頻次的提升,可大幅降低被控變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差,提高裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性,使裝置處于最優(yōu)操作點(diǎn)附近運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)被控變量卡邊控制,從而增加裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

2 自動(dòng)燒焦程序開(kāi)發(fā)

2.1 裂解爐燒焦操作

乙烯裂解爐的清焦過(guò)程主要受空氣流量影響,燒焦空氣與稀釋蒸汽在裂解爐爐管內(nèi)混合,燒焦過(guò)程中空氣中的氧氣與爐管壁沉積的焦炭反應(yīng),完成裂解爐爐管的清焦過(guò)程[11]。裂解爐燒焦主要步驟如下:

1)切出急冷油塔。確認(rèn)裂解氣閥關(guān)閉,現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)準(zhǔn)備完成。

2)燒焦前準(zhǔn)備。準(zhǔn)備工作包括: 確認(rèn)盲板和導(dǎo)淋準(zhǔn)備就緒,確認(rèn)爐膛負(fù)壓處于合理區(qū)間,裂解爐運(yùn)行處于“燒焦”狀態(tài),燒焦空氣壓力合理,燒焦空氣閥準(zhǔn)備完成。

3)裂解爐燒焦。操作步驟如下:

a)監(jiān)控乙烯裂解爐爐膛出口溫度(tCOT),高于910 ℃時(shí)報(bào)警。

b)檢測(cè)tCOT變化率,3 min內(nèi)變化超過(guò)8 ℃報(bào)警。

c)APC控制器打開(kāi),通過(guò)燒焦空氣及主稀釋蒸汽流量控制tCOT,盡量保持tCOT高位運(yùn)行。

d)當(dāng)φ(CO2)<0.2%或者乙烯裂解爐廢鍋出口溫度tTLE穩(wěn)定不下降時(shí),燒焦結(jié)束。

e)逐步關(guān)閉燒焦空氣閥,切除APC控制器。

4)燒焦結(jié)束切除爐膛。操作內(nèi)容包括: 確認(rèn)燒焦空氣閥關(guān)閉,裂解爐處于“備熱”狀態(tài),爐膛負(fù)壓處于合理區(qū)間。

2.2 DCS控制程序構(gòu)建

根據(jù)燒焦步驟在DCS上構(gòu)建自動(dòng)燒焦控制邏輯,主要用到的模塊有: 開(kāi)關(guān)模塊、控制模塊、計(jì)時(shí)模塊、繪圖模塊。

1)開(kāi)關(guān)模塊。用于燒焦系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)功能模塊的啟動(dòng)、暫停、停止。

2)控制模塊。實(shí)現(xiàn)爐膛tCOT相關(guān)計(jì)算(最大、最小、平均值)及tCOT監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)相關(guān)PID回路的模式切換,判斷條件開(kāi)啟及切除APC控制器,實(shí)現(xiàn)報(bào)警及其他相關(guān)信息的生成。

3)計(jì)時(shí)模塊。提供以時(shí)間為順控條件的模塊需要的計(jì)時(shí)功能。

4)繪圖模塊。提供人機(jī)交互界面,顯示報(bào)警及其他相關(guān)信息。

2.3 APC控制器構(gòu)建

為了提高燒焦效率,使tCOT實(shí)現(xiàn)卡邊操作,在裂解爐燒焦過(guò)程中引入了tCOTAPC控制器,對(duì)tCOT進(jìn)行預(yù)測(cè)。APC控制器在燒焦過(guò)程中的主要任務(wù)有: 實(shí)現(xiàn)平均tCOT卡上限控制;監(jiān)控每組tCOT,依據(jù)平均值tCOTavg,最大值tCOTmax控制燒焦空氣提升速率;燒焦空氣開(kāi)至最大流量后,tCOT滿足工藝要求前提下,控制降溫蒸汽及主稀釋蒸汽的下降速率;燒焦過(guò)程結(jié)束后,關(guān)閉燒焦空氣閥。

構(gòu)建APC控制器步驟如下:

1)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行模型辨識(shí)。獲取燒焦過(guò)程歷史數(shù)據(jù),辨識(shí)出燒焦空氣、降溫蒸汽、主稀釋蒸汽對(duì)tCOT的預(yù)測(cè)模型。

2)控制器組態(tài)。配置與DCS通信,如:tCOTavg上下限、測(cè)量值等。

3)自定義腳本。完成不同條件下控制方案的切換;燒焦結(jié)束條件判斷及按照規(guī)定速率關(guān)閉燒焦空氣閥。

燒焦的裂解爐共有6組tCOT,對(duì)應(yīng)6組燒焦空氣,6組降溫蒸汽及6組主稀釋蒸汽,以下以其中1組來(lái)說(shuō)明控制方案及其對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)模型,APC控制器控制方案見(jiàn)表1所列。

表1 APC控制器控制方案

表1中,“+”和“-”表示變量之間的關(guān)系,如燒焦空氣流量增加則tCOTavg升高。tCOTavg卡上限控制,工藝條件允許下,盡可能提高燒焦空氣量,當(dāng)燒焦空氣流量開(kāi)到最大時(shí),則由蒸汽流量控制。tCOTmax是爐管溫度的安全約束,達(dá)到該約束時(shí),APC系統(tǒng)首先判斷燒焦空氣的流量是否達(dá)到最大,若未達(dá)到最大,tCOTmax由燒焦空氣流量控制,否則由蒸汽流量控制。φ(CO2)和tTLE的值作為判斷燒焦結(jié)束的標(biāo)識(shí),平時(shí)不參與控制,其中一項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的條件時(shí),系統(tǒng)給出燒焦結(jié)束的指令,燒焦空氣閥得到燒焦結(jié)束指令后,按照規(guī)定速率將閥門(mén)關(guān)閉。

收集一個(gè)完整裂解爐燒焦周期的數(shù)據(jù),利用APC的模型辨識(shí)技術(shù),依據(jù)控制方案得到APC控制器預(yù)測(cè)模型,控制器利用該模型完成tCOT卡上限控制、關(guān)閉燒焦空氣閥等功能,以達(dá)到自動(dòng)燒焦程序?qū)刂破鞯囊蟆?/p>

3 應(yīng)用效果

燒焦程序設(shè)置步進(jìn)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩種運(yùn)行模式。步進(jìn)運(yùn)行是操作員設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)后,按照燒焦的步驟運(yùn)行,每完成一個(gè)大步驟,需操作員確認(rèn)后繼續(xù)運(yùn)行;自動(dòng)運(yùn)行均由程序執(zhí)行燒焦,操作員可隨時(shí)暫停運(yùn)行。自動(dòng)燒焦程序完成離線測(cè)試后,在對(duì)應(yīng)的裂解爐上進(jìn)行閉環(huán)投用,裂解爐的燒焦周期為48 h,手動(dòng)燒焦和自動(dòng)燒焦?fàn)t膛的tCOT,φ(CO2)及燒焦量如圖1和圖2所示。

圖1 手動(dòng)燒焦?fàn)t膛tCOT及燒焦量示意

從圖1,圖2可以看出,由于爐管出口溫度APC控制器的介入,利用多變量模型預(yù)測(cè)技術(shù),提升了控制精度和控制頻率,解決了tCOT控制中的多變量耦合問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了tCOT平穩(wěn)卡上限控制,手動(dòng)燒焦開(kāi)始后27 h到達(dá)tCOT上限,而自動(dòng)燒焦在20 h達(dá)到tCOT燒焦上限。從控制結(jié)果上分析得出以下結(jié)論:

1)A/B爐膛tCOT。手動(dòng)燒焦平均值分別為853.9 ℃,854.7 ℃,自動(dòng)燒焦平均值分別為855.9 ℃,855.6 ℃,自動(dòng)燒焦tCOTavg比手動(dòng)燒焦分別提高了2.0 ℃,0.9 ℃;自動(dòng)燒焦A/B爐膛tCOT比手動(dòng)燒焦tCOT更加平穩(wěn),標(biāo)準(zhǔn)偏差分別降低了8.6%,7.7%。

2)φ(CO2)及燒焦量。手動(dòng)燒焦φ(CO2)從15 h開(kāi)始快速上升,燒焦量也在此時(shí)開(kāi)始快速增大,燒焦量集中在15～35 h時(shí)間段,自動(dòng)燒焦φ(CO2)從7 h開(kāi)始上升,燒焦量在8～40 h內(nèi)平緩上升。

分析結(jié)果可以看出,自動(dòng)燒焦A/B爐膛tCOT基本一致,溫差較小,平均溫度的提升為降低裂解爐燒焦時(shí)間創(chuàng)造了條件;燒焦量在整個(gè)燒焦過(guò)程中消耗速率更為平緩,燒焦空氣和蒸汽由APC控制,保證tCOT不超溫,同時(shí)也降低了爐管損傷的風(fēng)險(xiǎn)。統(tǒng)計(jì)3次燒焦平均時(shí)間,手動(dòng)燒焦時(shí)間為47.5 h,自動(dòng)燒焦時(shí)間為46.1 h,每次燒焦時(shí)間平均節(jié)約了1.4 h。

4 結(jié)束語(yǔ)

乙烯裂解爐自動(dòng)燒焦控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了燒焦過(guò)程的自動(dòng)化,提升了乙烯裝置的自動(dòng)化水平,達(dá)到了如下目的: 自動(dòng)燒焦程序的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了燒焦過(guò)程的規(guī)范化,減少人員誤操作的隱患,保證裝置操作安全的同時(shí),也大幅降低了操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度;順序控制技術(shù)和先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了燒焦過(guò)程爐管出口溫度的穩(wěn)定及卡上限控制,A/B爐膛的爐管出口溫度分別提升了2.0 ℃,0.9 ℃;整個(gè)燒焦周期中,自動(dòng)燒焦過(guò)程焦炭消耗量更為平穩(wěn),保證了不超溫的同時(shí)也提升了燒焦效率,每次燒焦時(shí)間平均節(jié)約了1.4 h。