乙烯裂解爐自動燒焦控制系統開發及應用

趙環宇

(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鍵設備,在烴類高溫裂解過程中,爐管內壁逐漸沉積焦炭,該焦炭層會降低乙烯產量,也給裂解爐安全運行帶來風險。目前,國內外應用較為廣泛的裂解爐清焦工藝是蒸汽-空氣燒焦法,通過在燒焦氣中加入空氣(以下稱燒焦空氣),減少稀釋蒸汽的方法提高燒焦過程的反應溫度。在保證操作安全的情況下,盡可能地優化燒焦過程,降低能耗和生產成本,延長裂解爐的生產周期,提高裝置生產操作管理水平,具有十分重大的研究意義和廣闊的發展空間[1-5]。文中結合順序控制和先進控制技術,開發了一套自動燒焦控制系統,有助于減少燒焦時間,精準控制燒焦溫度,達到燒焦過程的程序化、合理化、精準化,應用于乙烯裂解爐燒焦過程,節省了燒焦時間并大幅降低了操作員調節頻次,提高了企業經濟效益。

1 概念介紹

1.1 結焦原理

烴類裂解結焦過程分為初始結焦階段和穩態結焦階段。反應開始結焦速率較大,隨著反應進行,爐管表面逐漸被焦炭覆蓋而鈍化,結焦速率下降,最后趨于穩定。目前普遍認可的三種結焦機理為氣相結焦、催化結焦和自由基結焦[6-9]。

1.2 順序控制

順序控制系統是按照預先設定的順序,各個執行機構自動有秩序地進行操作,連續向前完成每階段的控制任務。在連續生產過程中,順序控制起著補充作用,協助連續控制執行更高級的控制。按照順序控制系統實現順序控制的特征,可以將順序控制劃分為時間順序控制、邏輯順序控制和條件順序控制三類[10]。

1.3 先進過程控制

先進控制(APC)將整個生產裝置或者某個工藝單元作為一個整體研究對象,通過模型辨識技術,描述各變量之間的關系,建立多變量動態矩陣控制器。多變量預測技術的應用,控制器可以依據被控變量的要求,提前調節操作變量,有效協調各個變量之間的關系,加之控制頻次的提升,可大幅降低被控變量的標準偏差,提高裝置運行的平穩性,使裝置處于最優操作點附近運行,實現被控變量卡邊控制,從而增加裝置的經濟效益。

2 自動燒焦程序開發

2.1 裂解爐燒焦操作

乙烯裂解爐的清焦過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混合,燒焦過程中空氣中的氧氣與爐管壁沉積的焦炭反應,完成裂解爐爐管的清焦過程[11]。裂解爐燒焦主要步驟如下:

1)切出急冷油塔。確認裂解氣閥關閉,現場相關準備完成。

2)燒焦前準備。準備工作包括: 確認盲板和導淋準備就緒,確認爐膛負壓處于合理區間,裂解爐運行處于“燒焦”狀態,燒焦空氣壓力合理,燒焦空氣閥準備完成。

3)裂解爐燒焦。操作步驟如下:

a)監控乙烯裂解爐爐膛出口溫度(tCOT),高于910 ℃時報警。

b)檢測tCOT變化率,3 min內變化超過8 ℃報警。

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

d)當φ(CO2)<0.2%或者乙烯裂解爐廢鍋出口溫度tTLE穩定不下降時,燒焦結束。

e)逐步關閉燒焦空氣閥,切除APC控制器。

4)燒焦結束切除爐膛。操作內容包括: 確認燒焦空氣閥關閉,裂解爐處于“備熱”狀態,爐膛負壓處于合理區間。

2.2 DCS控制程序構建

根據燒焦步驟在DCS上構建自動燒焦控制邏輯,主要用到的模塊有: 開關模塊、控制模塊、計時模塊、繪圖模塊。

1)開關模塊。用于燒焦系統及對應功能模塊的啟動、暫停、停止。

2)控制模塊。實現爐膛tCOT相關計算(最大、最小、平均值)及tCOT監控,實現相關PID回路的模式切換,判斷條件開啟及切除APC控制器,實現報警及其他相關信息的生成。

3)計時模塊。提供以時間為順控條件的模塊需要的計時功能。

4)繪圖模塊。提供人機交互界面,顯示報警及其他相關信息。

2.3 APC控制器構建

為了提高燒焦效率,使tCOT實現卡邊操作,在裂解爐燒焦過程中引入了tCOTAPC控制器,對tCOT進行預測。APC控制器在燒焦過程中的主要任務有: 實現平均tCOT卡上限控制;監控每組tCOT,依據平均值tCOTavg,最大值tCOTmax控制燒焦空氣提升速率;燒焦空氣開至最大流量后,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;燒焦過程結束后,關閉燒焦空氣閥。

構建APC控制器步驟如下:

1)獲取數據進行模型辨識。獲取燒焦過程歷史數據,辨識出燒焦空氣、降溫蒸汽、主稀釋蒸汽對tCOT的預測模型。

2)控制器組態。配置與DCS通信,如:tCOTavg上下限、測量值等。

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

燒焦的裂解爐共有6組tCOT,對應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組來說明控制方案及其對應的預測模型,APC控制器控制方案見表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,當燒焦空氣流量開到最大時,則由蒸汽流量控制。tCOTmax是爐管溫度的安全約束,達到該約束時,APC系統首先判斷燒焦空氣的流量是否達到最大,若未達到最大,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束的標識,平時不參與控制,其中一項指標達到系統設定的條件時,系統給出燒焦結束的指令,燒焦空氣閥得到燒焦結束指令后,按照規定速率將閥門關閉。

收集一個完整裂解爐燒焦周期的數據,利用APC的模型辨識技術,依據控制方案得到APC控制器預測模型,控制器利用該模型完成tCOT卡上限控制、關閉燒焦空氣閥等功能,以達到自動燒焦程序對控制器的要求。

3 應用效果

燒焦程序設置步進運行和自動運行兩種運行模式。步進運行是操作員設置好相應參數后,按照燒焦的步驟運行,每完成一個大步驟,需操作員確認后繼續運行;自動運行均由程序執行燒焦,操作員可隨時暫停運行。自動燒焦程序完成離線測試后,在對應的裂解爐上進行閉環投用,裂解爐的燒焦周期為48 h,手動燒焦和自動燒焦爐膛的tCOT,φ(CO2)及燒焦量如圖1和圖2所示。

圖1 手動燒焦爐膛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,利用多變量模型預測技術,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題,實現了tCOT平穩卡上限控制,手動燒焦開始后27 h到達tCOT上限,而自動燒焦在20 h達到tCOT燒焦上限。從控制結果上分析得出以下結論:

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

2)φ(CO2)及燒焦量。手動燒焦φ(CO2)從15 h開始快速上升,燒焦量也在此時開始快速增大,燒焦量集中在15～35 h時間段,自動燒焦φ(CO2)從7 h開始上升,燒焦量在8～40 h內平緩上升。

分析結果可以看出,自動燒焦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間創造了條件;燒焦量在整個燒焦過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,同時也降低了爐管損傷的風險。統計3次燒焦平均時間,手動燒焦時間為47.5 h,自動燒焦時間為46.1 h,每次燒焦時間平均節約了1.4 h。

4 結束語

乙烯裂解爐自動燒焦控制系統開發及應用實現了燒焦過程的自動化,提升了乙烯裝置的自動化水平,達到了如下目的: 自動燒焦程序的開發實現了燒焦過程的規范化,減少人員誤操作的隱患,保證裝置操作安全的同時,也大幅降低了操作員的勞動強度;順序控制技術和先進過程控制技術的結合,實現了燒焦過程爐管出口溫度的穩定及卡上限控制,A/B爐膛的爐管出口溫度分別提升了2.0 ℃,0.9 ℃;整個燒焦周期中,自動燒焦過程焦炭消耗量更為平穩,保證了不超溫的同時也提升了燒焦效率,每次燒焦時間平均節約了1.4 h。