石俊學(xué)

(中國石油吉林石化公司 乙烯廠，吉林 吉林 132021)

乙烯工業(yè)是石油化工發(fā)展的標志，歷來被用作衡量一個國家石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展水平，其發(fā)展直接影響到國家經(jīng)濟基礎(chǔ)和綜合國力。近年來，先進控制技術(shù)對乙烯生產(chǎn)裝置安全高效運行起著越來越重要的作用，人們已不滿足單純從乙烯生產(chǎn)過程的工藝設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)備上獲得經(jīng)濟效益，而是應(yīng)用化學(xué)工程技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)和自動化控制技術(shù)，對乙烯生產(chǎn)過程實行計算機先進控制和優(yōu)化操作，充分發(fā)揮設(shè)備的內(nèi)在潛力，以低能耗、低成本及高產(chǎn)出獲得較高的經(jīng)濟效益。

1 吉林石化公司乙烯裝置概況

中國石油吉林石化公司采用德國Linde公司工藝技術(shù)，于1996年9月建成30萬t/a乙烯裝置，后于2001年又增加了一臺乙烷爐，使乙烯生產(chǎn)能力增加到38萬t/a。2004年吉林石化公司進行了裂解爐改造，將原有的1#～6#裂解爐的乙烯生產(chǎn)能力由6萬t/a提高到8.4萬t/a。2005年仍然采用Linde公司的工藝技術(shù)，新建一條并列的乙烯生產(chǎn)線，將裝置規(guī)模擴大至70萬t/a。該裝置具有原料適應(yīng)性強，操作彈性大，產(chǎn)品收率高等特點，它主要以石腦油(含煉油廠石腦油和外購石腦油)、輕柴油、加氫裂化尾油、加氫輕石腦油、液化氣以及裝置自身循環(huán)乙烷/丙烷、碳五等為原料，經(jīng)過高溫裂解、急冷、壓縮、分離、汽油加氫精制等幾道工序，生產(chǎn)乙烯、丙烯、裂解碳四、加氫汽油、乙炔、氫氣、輕質(zhì)燃料油和焦油等產(chǎn)品，以滿足下游多套裝置深加工的原料需求。

吉林石化公司70萬t/a乙烯裝置2011年綜合能耗(標油)為623.89 kg/t，與國內(nèi)先進水平[茂名乙烯綜合能耗(標油)為539.97 kg/t]仍存在較大差距，迫切需要利用新技術(shù)、新設(shè)備，提高能源利用效率。目前，先進控制技術(shù)在國內(nèi)外的石油化工裝置廣泛應(yīng)用，提高了企業(yè)的自動化程度，減小了關(guān)鍵生產(chǎn)指標的波動范圍，提高了裝置運行平穩(wěn)度，達到了節(jié)能降耗的目的。

2 乙烯裝置先進控制技術(shù)概述

乙烯生產(chǎn)過程從操作上可以分為“熱區(qū)”和“冷區(qū)”。“熱區(qū)”包括裂解爐、廢熱鍋爐、急冷塔；“冷區(qū)”包括壓縮機、冷箱系統(tǒng)、加氫反應(yīng)器和精餾塔。由于乙烯生產(chǎn)過程非常復(fù)雜，采取了關(guān)鍵單元獨立控制，相關(guān)單元協(xié)調(diào)控制的策略，既避免了大控制系統(tǒng)因個別回路的影響導(dǎo)致癱瘓，也可嵌入現(xiàn)場操作人員經(jīng)驗，使先進控制系統(tǒng)的實現(xiàn)更加靈活。

2.1 裂解爐先進控制技術(shù)

裂解爐是乙烯裝置的核心設(shè)備，從裂解原料到乙烯、丙烯以及其它高附加值產(chǎn)品的產(chǎn)出，所有主要質(zhì)變過程都是在裂解爐內(nèi)完成的。裂解爐的穩(wěn)定、長周期、高負荷生產(chǎn)，是乙烯裝置正常運行的保證。根據(jù)吉林石化公司乙烯裝置中裂解爐的工藝操作狀況和要求，設(shè)計和開發(fā)了裂解爐先進控制系統(tǒng)，包括爐管出口溫度(COT)控制系統(tǒng)、溫度均衡控制系統(tǒng)和汽烴比控制系統(tǒng)。

2.1.1 裂解爐COT控制

裝置9#裂解爐COT控制系統(tǒng)的邏輯功能圖見圖1。

圖1 裂解爐COT控制邏輯功能圖

COT控制的主要功能模塊包括：TIC_09008：COT控制器1，與側(cè)壁燃料氣壓力PIC_09008構(gòu)成串級調(diào)節(jié)回路，正?？刂茽顟B(tài)為AUTO，PIC_09008投用串級(CAS)；TC_09008A：COT控制器2，與底部各組燃料氣壓力PIC_0900*相關(guān)聯(lián)，正常投用狀態(tài)為AUTO，反饋值(PV)和設(shè)定值(SP)與TIC_09008相同。即新設(shè)計的COT控制回路同時調(diào)節(jié)底部和側(cè)壁的燃料氣壓力，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2.1.2 爐管出口溫度均衡控制

圖1中同時給出了溫度均衡控制回路。裂解生產(chǎn)過程正常運行時，COT溫度控制可以保證總的COT保持穩(wěn)定，是“粗調(diào)”，但是并不能保證各組爐管的溫度均衡，當(dāng)各組爐管溫度偏差較大時，溫度高的爐管容易結(jié)焦，會影響整個裂解爐的運行周期，因此要求輻射段各組爐管出口溫度之間的差值不得超過某個上限值，即4組爐管的出口溫度保持平衡，進行“細調(diào)”。

爐管溫度均衡控制系統(tǒng)以4組爐管的平均溫度為基礎(chǔ)，對底部燃料氣燒嘴進行協(xié)調(diào)控制，使每組爐管出口溫度與平均爐管出口溫度之差最小，主要功能模塊包括TDC_0905*：A側(cè)第一組爐管溫度偏差控制器，該控制器的PV值是COT溫度與該組爐管溫度的偏差(PV=COT溫度-該組爐管溫度)，當(dāng)PV值為0時，表示該組爐管溫度與COT溫度相同，輸出與對應(yīng)的底部燃料氣壓力關(guān)聯(lián)；相比于原控制系統(tǒng)的“各自為戰(zhàn)”，由各組爐管溫度控制對應(yīng)底部燃料氣調(diào)節(jié)閥，新設(shè)計的由COT控制器和溫度均衡控制器共同協(xié)調(diào)控制底部燃料各燒嘴發(fā)熱量，優(yōu)點在于同時兼顧了COT和溫度均衡，提高了控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)能力。

2.1.3 汽烴比控制

裂解爐汽烴比控制系統(tǒng)的邏輯功能圖見圖2。

汽烴比控制系統(tǒng)的投用穩(wěn)定了稀釋蒸汽和進料的比值，有利于穩(wěn)定COT和單組爐管溫度、延長裂解爐運行周期、增加產(chǎn)品收率。

圖2 裂解爐汽烴比控制回路

2.2 精餾塔先進控制技術(shù)

精餾是化工、石油化工、煉油生產(chǎn)過程中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)傳熱過程、其目的是將混合物中的各個組分分離，達到規(guī)定的純度。乙烯裝置的精餾單元包括脫乙烷塔、乙烯精餾塔、脫丙烷塔、丙烯精餾塔和脫甲烷塔等。針對這些過程的特點和現(xiàn)場的實際需求，開發(fā)了精餾塔的先進控制系統(tǒng)，主要包括塔頂和塔釜關(guān)鍵指標的軟測量系統(tǒng)、塔頂和塔釜關(guān)鍵指標的智能推斷控制等。

2.2.1 關(guān)鍵指標軟測量系統(tǒng)

基于吉林石化公司乙烯精餾操作單元模型化結(jié)果和操作過程控制理論， 根據(jù)工業(yè)裝置的實時操作工況，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)過程數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)與校正技術(shù)，開發(fā)了乙烯精餾塔塔頂和塔釜關(guān)鍵質(zhì)量指標的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測量系統(tǒng)，并對軟測量輸出進行實時在線校正。乙烯精餾塔塔頂乙烷濃度的軟測量結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 關(guān)鍵指標軟測量結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 塔頂和塔釜關(guān)鍵指標智能推斷控制

在關(guān)鍵指標軟測量系統(tǒng)開發(fā)成功的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于該軟測量系統(tǒng)的推斷控制技術(shù)，實時控制精餾塔塔頂產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)“卡邊”控制，減少質(zhì)量過剩；減小塔釜中的產(chǎn)品損失，確保了塔頂產(chǎn)品的純度和塔釜損失最小。精餾塔先進控制的結(jié)構(gòu)框圖見圖4。

圖4 精餾塔先進控制結(jié)構(gòu)框圖

3 乙烯裝置先進控制技術(shù)的實施

3.1 裂解爐先進控制技術(shù)的實施

裂解爐先進控制系統(tǒng)是在DCS控制器中實現(xiàn)的，這提高了系統(tǒng)的可操作性和運行的安全性。以9#爐為例，該系統(tǒng)由64個功能模塊構(gòu)成：過程值計算與處理模塊(RP)23個，控制模塊(RC)點20個，數(shù)值過渡模塊(Numeric)點11個，邏輯模塊(LOGIC)10個。

結(jié)合先進控制系統(tǒng)，開發(fā)了先進控制操作與監(jiān)控流程圖，包括了COT控制回路和溫度均衡控制回路狀態(tài)監(jiān)控，爐管測量溫度熱電偶選擇，COT和溫度偏差設(shè)定值調(diào)整模塊，先進控制一鍵投用、切除模塊(圖5對話框)，提高了操作的靈活性，減少了操作人員的負擔(dān)，有利于先進控制系統(tǒng)的投用。

裂解爐先進控制系統(tǒng)的流程圖見圖5。

圖5 裂解爐先進控制系統(tǒng)DCS流程圖

圖6 精餾塔先進控制系統(tǒng)DCS流程圖

3.2 精餾塔先進控制技術(shù)的實施

精餾塔先進控制系統(tǒng)的實現(xiàn)也是在DCS上完成的，關(guān)鍵指標的軟測量及其在線校正通過CL程序完成。以新區(qū)脫甲烷塔T4111為例，該系統(tǒng)由13個功能模塊構(gòu)成：過程值計算與處理模塊(RP)6個，控制模塊(RC)點3個，數(shù)值過渡模塊(Numeric)點2個，關(guān)鍵質(zhì)量指標程序處理模塊(PM)2個。

根據(jù)脫甲烷塔塔頂和塔釜控制指標的需求，新增了濃度控制器AIC_41509和AIC_41502、溫度控制器TIC_41510，串級回路的投用和切除方式和操作人員日常的操作習(xí)慣一致，所以無需另行開發(fā)先控系統(tǒng)投用和切除模塊。

精餾塔先進控制系統(tǒng)的流程圖見圖6。

4 乙烯裝置先進控制技術(shù)的運行效果

開發(fā)完成的乙烯裝置裂解爐和精餾塔先進控制系統(tǒng)全部上線穩(wěn)定運行，經(jīng)過72 h標定，運行效果良好，COT、溫度偏差、精餾塔關(guān)鍵溫度和濃度等指標的波動范圍明顯降低。同時，先進控制技術(shù)的實施也降低了裝置的能耗，減少了產(chǎn)品損失。

4.1 裂解爐先進控制系統(tǒng)運行效果

先進控制技術(shù)實施后，老區(qū)裂解爐(1#～7#)的COT波動由±7 ℃降低到±3 ℃；部分裂解爐COT波動在±1.5 ℃以內(nèi)；溫度偏差波動范圍在±3 ℃以內(nèi)；新區(qū)裂解爐(8#～10#)的COT波動由±7 ℃降低到±2 ℃；部分裂解爐COT波動在±1.5 ℃以內(nèi)；溫度偏差波動均在±2 ℃以內(nèi)。運行效果見圖7。

t/h圖7 裂解爐先進控制系統(tǒng)運行效果

4.2 精餾塔先進控制系統(tǒng)運行效果

先進控制技術(shù)實施后，乙烯精餾塔、丙烯精餾塔關(guān)鍵組分濃度波動幅度降低30%以上；脫甲烷塔、脫乙烷塔、脫丙烷塔、脫丁烷塔關(guān)鍵溫度點波動幅度降低30%以上。運行效果見圖8。

t/h圖8 精餾塔先進控制系統(tǒng)運行效果

4.3 節(jié)能降耗效果分析

先進控制技術(shù)的實施不僅穩(wěn)定了關(guān)鍵指標的平穩(wěn)度，還具有明顯的節(jié)能、增產(chǎn)和降耗的效果。

根據(jù)統(tǒng)計分析和測算，裂解爐單位進料燃料氣消耗平均降低了約2%，先進控制技術(shù)實施前后燃料氣消耗的對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 2#裂解爐先進控制技術(shù)實施前后燃料氣消耗情況

先進控制技術(shù)實施后，新區(qū)冷箱與脫甲烷系統(tǒng)的乙烯濃度人工分析數(shù)據(jù)平均值為0.70%(先進控制技術(shù)實施前為1.5%)，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 AP37506φ(乙烯)月平均值

根據(jù)測算，先進控制技術(shù)降低新區(qū)冷箱與脫甲烷系統(tǒng)乙烯損失減少量為2 699.3 t/a。

先進控制技術(shù)實施后，新區(qū)丙烯精餾塔塔釜損失丙烯濃度統(tǒng)計平均為9.23%(先進控制技術(shù)實施前為17.81%)，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 AP55509φ(乙烯)月平均值

根據(jù)測算，先進控制技術(shù)降低丙烯精餾塔塔釜丙烯損失減少量為420.6 t/a。

5 結(jié) 論

乙烯裝置作為石化裝置的核心，流程長，設(shè)備多，上下關(guān)聯(lián)，操作難度大。先進控制技術(shù)能夠從根本上改變傳統(tǒng)的操控模式，它將儀表自動化控制、計算機編程以及化工反應(yīng)與精餾操作等技術(shù)相融合，最終體現(xiàn)在操作參數(shù)波動范圍的縮小上，減少人為因素干擾，實現(xiàn)平穩(wěn)控制，達到節(jié)能降耗的目的。通過對吉林石化乙烯裝置先進控制技術(shù)在爐區(qū)及精餾系統(tǒng)投用過程及結(jié)果的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)整個裝置的操作平穩(wěn)性顯著提高，這直接體現(xiàn)在裂解爐燃料氣消耗量的減少和精餾塔產(chǎn)品損失率的降低上，最終能反映出裝置能耗和經(jīng)濟效益指標的改善。當(dāng)然，該技術(shù)不僅僅體現(xiàn)在以上兩方面，針對乙烯裝置特點，還能對加氫選擇性控制，公用工程系統(tǒng)的管網(wǎng)優(yōu)化，以及裂解爐爐群原料加工優(yōu)化等方面加以應(yīng)用，也會收到顯著效果。