乙烯裂解炉自动烧焦控制系统开发及应用

赵环宇

(上海汉中诺软件科技有限公司,上海 200120)

裂解炉是乙烯装置的关键设备,在烃类高温裂解过程中,炉管内壁逐渐沉积焦炭,该焦炭层会降低乙烯产量,也给裂解炉安全运行带来风险。目前,国内外应用较为广泛的裂解炉清焦工艺是蒸汽-空气烧焦法,通过在烧焦气中加入空气(以下称烧焦空气),减少稀释蒸汽的方法提高烧焦过程的反应温度。在保证操作安全的情况下,尽可能地优化烧焦过程,降低能耗和生产成本,延长裂解炉的生产周期,提高装置生产操作管理水平,具有十分重大的研究意义和广阔的发展空间[1-5]。文中结合顺序控制和先进控制技术,开发了一套自动烧焦控制系统,有助于减少烧焦时间,精准控制烧焦温度,达到烧焦过程的程序化、合理化、精准化,应用于乙烯裂解炉烧焦过程,节省了烧焦时间并大幅降低了操作员调节频次,提高了企业经济效益。

1 概念介绍

1.1 结焦原理

烃类裂解结焦过程分为初始结焦阶段和稳态结焦阶段。反应开始结焦速率较大,随着反应进行,炉管表面逐渐被焦炭覆盖而钝化,结焦速率下降,最后趋于稳定。目前普遍认可的三种结焦机理为气相结焦、催化结焦和自由基结焦[6-9]。

1.2 顺序控制

顺序控制系统是按照预先设定的顺序,各个执行机构自动有秩序地进行操作,连续向前完成每阶段的控制任务。在连续生产过程中,顺序控制起着补充作用,协助连续控制执行更高级的控制。按照顺序控制系统实现顺序控制的特征,可以将顺序控制划分为时间顺序控制、逻辑顺序控制和条件顺序控制三类[10]。

1.3 先进过程控制

先进控制(APC)将整个生产装置或者某个工艺单元作为一个整体研究对象,通过模型辨识技术,描述各变量之间的关系,建立多变量动态矩阵控制器。多变量预测技术的应用,控制器可以依据被控变量的要求,提前调节操作变量,有效协调各个变量之间的关系,加之控制频次的提升,可大幅降低被控变量的标准偏差,提高装置运行的平稳性,使装置处于最优操作点附近运行,实现被控变量卡边控制,从而增加装置的经济效益。

2 自动烧焦程序开发

2.1 裂解炉烧焦操作

乙烯裂解炉的清焦过程主要受空气流量影响,烧焦空气与稀释蒸汽在裂解炉炉管内混合,烧焦过程中空气中的氧气与炉管壁沉积的焦炭反应,完成裂解炉炉管的清焦过程[11]。裂解炉烧焦主要步骤如下:

1)切出急冷油塔。确认裂解气阀关闭,现场相关准备完成。

2)烧焦前准备。准备工作包括: 确认盲板和导淋准备就绪,确认炉膛负压处于合理区间,裂解炉运行处于“烧焦”状态,烧焦空气压力合理,烧焦空气阀准备完成。

3)裂解炉烧焦。操作步骤如下:

a)监控乙烯裂解炉炉膛出口温度(tCOT),高于910 ℃时报警。

b)检测tCOT变化率,3 min内变化超过8 ℃报警。

c)APC控制器打开,通过烧焦空气及主稀释蒸汽流量控制tCOT,尽量保持tCOT高位运行。

d)当φ(CO2)<0.2%或者乙烯裂解炉废锅出口温度tTLE稳定不下降时,烧焦结束。

e)逐步关闭烧焦空气阀,切除APC控制器。

4)烧焦结束切除炉膛。操作内容包括: 确认烧焦空气阀关闭,裂解炉处于“备热”状态,炉膛负压处于合理区间。

2.2 DCS控制程序构建

根据烧焦步骤在DCS上构建自动烧焦控制逻辑,主要用到的模块有: 开关模块、控制模块、计时模块、绘图模块。

1)开关模块。用于烧焦系统及对应功能模块的启动、暂停、停止。

2)控制模块。实现炉膛tCOT相关计算(最大、最小、平均值)及tCOT监控,实现相关PID回路的模式切换,判断条件开启及切除APC控制器,实现报警及其他相关信息的生成。

3)计时模块。提供以时间为顺控条件的模块需要的计时功能。

4)绘图模块。提供人机交互界面,显示报警及其他相关信息。

2.3 APC控制器构建

为了提高烧焦效率,使tCOT实现卡边操作,在裂解炉烧焦过程中引入了tCOTAPC控制器,对tCOT进行预测。APC控制器在烧焦过程中的主要任务有: 实现平均tCOT卡上限控制;监控每组tCOT,依据平均值tCOTavg,最大值tCOTmax控制烧焦空气提升速率;烧焦空气开至最大流量后,tCOT满足工艺要求前提下,控制降温蒸汽及主稀释蒸汽的下降速率;烧焦过程结束后,关闭烧焦空气阀。

构建APC控制器步骤如下:

1)获取数据进行模型辨识。获取烧焦过程历史数据,辨识出烧焦空气、降温蒸汽、主稀释蒸汽对tCOT的预测模型。

2)控制器组态。配置与DCS通信,如:tCOTavg上下限、测量值等。

3)自定义脚本。完成不同条件下控制方案的切换;烧焦结束条件判断及按照规定速率关闭烧焦空气阀。

烧焦的裂解炉共有6组tCOT,对应6组烧焦空气,6组降温蒸汽及6组主稀释蒸汽,以下以其中1组来说明控制方案及其对应的预测模型,APC控制器控制方案见表1所列。

表1 APC控制器控制方案

表1中,“+”和“-”表示变量之间的关系,如烧焦空气流量增加则tCOTavg升高。tCOTavg卡上限控制,工艺条件允许下,尽可能提高烧焦空气量,当烧焦空气流量开到最大时,则由蒸汽流量控制。tCOTmax是炉管温度的安全约束,达到该约束时,APC系统首先判断烧焦空气的流量是否达到最大,若未达到最大,tCOTmax由烧焦空气流量控制,否则由蒸汽流量控制。φ(CO2)和tTLE的值作为判断烧焦结束的标识,平时不参与控制,其中一项指标达到系统设定的条件时,系统给出烧焦结束的指令,烧焦空气阀得到烧焦结束指令后,按照规定速率将阀门关闭。

收集一个完整裂解炉烧焦周期的数据,利用APC的模型辨识技术,依据控制方案得到APC控制器预测模型,控制器利用该模型完成tCOT卡上限控制、关闭烧焦空气阀等功能,以达到自动烧焦程序对控制器的要求。

3 应用效果

烧焦程序设置步进运行和自动运行两种运行模式。步进运行是操作员设置好相应参数后,按照烧焦的步骤运行,每完成一个大步骤,需操作员确认后继续运行;自动运行均由程序执行烧焦,操作员可随时暂停运行。自动烧焦程序完成离线测试后,在对应的裂解炉上进行闭环投用,裂解炉的烧焦周期为48 h,手动烧焦和自动烧焦炉膛的tCOT,φ(CO2)及烧焦量如图1和图2所示。

图1 手动烧焦炉膛tCOT及烧焦量示意

从图1,图2可以看出,由于炉管出口温度APC控制器的介入,利用多变量模型预测技术,提升了控制精度和控制频率,解决了tCOT控制中的多变量耦合问题,实现了tCOT平稳卡上限控制,手动烧焦开始后27 h到达tCOT上限,而自动烧焦在20 h达到tCOT烧焦上限。从控制结果上分析得出以下结论:

1)A/B炉膛tCOT。手动烧焦平均值分别为853.9 ℃,854.7 ℃,自动烧焦平均值分别为855.9 ℃,855.6 ℃,自动烧焦tCOTavg比手动烧焦分别提高了2.0 ℃,0.9 ℃;自动烧焦A/B炉膛tCOT比手动烧焦tCOT更加平稳,标准偏差分别降低了8.6%,7.7%。

2)φ(CO2)及烧焦量。手动烧焦φ(CO2)从15 h开始快速上升,烧焦量也在此时开始快速增大,烧焦量集中在15～35 h时间段,自动烧焦φ(CO2)从7 h开始上升,烧焦量在8～40 h内平缓上升。

分析结果可以看出,自动烧焦A/B炉膛tCOT基本一致,温差较小,平均温度的提升为降低裂解炉烧焦时间创造了条件;烧焦量在整个烧焦过程中消耗速率更为平缓,烧焦空气和蒸汽由APC控制,保证tCOT不超温,同时也降低了炉管损伤的风险。统计3次烧焦平均时间,手动烧焦时间为47.5 h,自动烧焦时间为46.1 h,每次烧焦时间平均节约了1.4 h。

4 结束语

乙烯裂解炉自动烧焦控制系统开发及应用实现了烧焦过程的自动化,提升了乙烯装置的自动化水平,达到了如下目的: 自动烧焦程序的开发实现了烧焦过程的规范化,减少人员误操作的隐患,保证装置操作安全的同时,也大幅降低了操作员的劳动强度;顺序控制技术和先进过程控制技术的结合,实现了烧焦过程炉管出口温度的稳定及卡上限控制,A/B炉膛的炉管出口温度分别提升了2.0 ℃,0.9 ℃;整个烧焦周期中,自动烧焦过程焦炭消耗量更为平稳,保证了不超温的同时也提升了烧焦效率,每次烧焦时间平均节约了1.4 h。