王小強(qiáng) 田亮 程中克 常桂祖 李博 孟宏

中國石油蘭州化工研究中心

乙烯工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r反映了一個(gè)國家石油化工工業(yè)的水平，乙烯產(chǎn)量的大小是衡量一個(gè)國家石油化工工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。乙烯工業(yè)的龍頭是乙烯裂解裝置，其核心是裂解爐，對(duì)裂解爐進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)攻關(guān)，是保證乙烯裂解裝置高效、平穩(wěn)、安全、長周期穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。面對(duì)乙烯工業(yè)裝置規(guī)模不斷擴(kuò)大和原料復(fù)雜、工藝多變以及受市場(chǎng)影響更大的發(fā)展趨勢(shì)，利用計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化的方法，對(duì)乙烯裂解爐進(jìn)行模擬優(yōu)化，將優(yōu)化結(jié)果運(yùn)用于工業(yè)裂解爐操作實(shí)際，為裂解工藝的迅速調(diào)整和優(yōu)化，提供可靠的優(yōu)化運(yùn)行方案，實(shí)現(xiàn)乙烯原料的優(yōu)化配置及乙烯裂解爐的優(yōu)化運(yùn)行，受到乙烯生產(chǎn)企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)的普遍重視。

乙烯裂解爐操作計(jì)算機(jī)控制技術(shù)始于20世紀(jì)60年代初。此后，乙烯裂解爐計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化技術(shù)逐漸發(fā)展起來。裂解爐計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化軟件開發(fā)的核心，是裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是裂解爐設(shè)計(jì)、模擬及優(yōu)化的關(guān)鍵，是整個(gè)裂解爐模擬計(jì)算中最為重要的部分，也是模擬結(jié)果是否精確、可靠的決定因素。裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型分為自由基機(jī)理模型、分子反應(yīng)模型及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。以這3種模型為基礎(chǔ)，研究人員進(jìn)行了深入的技術(shù)研發(fā)，一些乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件成功地得到了工業(yè)應(yīng)用。

1 KTI公司SPYRO乙烯裂解模擬軟件

1.1 SPYRO軟件基本原理及工業(yè)應(yīng)用

基于自由基機(jī)理模型的荷蘭KTI公司開發(fā)的SPYRO乙烯裂解模擬軟件，是目前應(yīng)用較為廣泛的裂解爐模擬優(yōu)化軟件之一。SYPRO 軟件是在乙烯裂解過程半機(jī)理模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的過程模擬軟件, 廣泛應(yīng)用于乙烯裂解原料分析和裂解性能評(píng)價(jià)，主要包括了不同性質(zhì)乙烯裂解原料分析評(píng)價(jià)、跟蹤計(jì)算，為裂解溫度調(diào)整、裂解爐優(yōu)化運(yùn)行、提高乙烯和丙烯雙烯收率以及降低裝置能耗和物耗提供了技術(shù)支持[1]。

SPYRO乙烯裂解模擬軟件是用于乙烯裂解爐的穩(wěn)態(tài)專用過程模擬軟件，包含大約3000個(gè)裂解化學(xué)反應(yīng)方程，涉及128個(gè)烴類組分。實(shí)際應(yīng)用中，SPYRO 軟件以效益最大化為原則，可用于乙烯裂解原料和裂解爐運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化。在裂解產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)值最大化的原則下，結(jié)合乙烯、丙烯、丁二烯等產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格，建立價(jià)格體系，通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。對(duì)一定裂解原料，可進(jìn)行裂解爐出口溫度(COT)、稀釋蒸汽比和裂解爐爐管出口壓力(COP)等操作工藝條件優(yōu)化，并預(yù)測(cè)裂解爐運(yùn)行周期，得到最佳操作點(diǎn)。SPYRO乙烯裂解模擬軟件也可用于裂解原料的優(yōu)化組合，指導(dǎo)生產(chǎn)計(jì)劃和原料采購，提高乙烯裝置效益[2-4]。自1978年SPYRO軟件首次投入工業(yè)應(yīng)用后，在乙烯業(yè)界逐步成為乙烯產(chǎn)量預(yù)測(cè)的世界標(biāo)準(zhǔn)。KTI 公司利用該軟件開發(fā)出的具有兩程爐管的GK-Ⅴ型裂解爐，第1程具有較大比表面積，第2程有較大的流通面積，從而降低了烴分壓，提高了加熱段管壁熱強(qiáng)度，縮短了反應(yīng)物停留時(shí)間，提高了烯烴收率[5]。

1.2 SPYRO軟件的集成應(yīng)用

由于商業(yè)化因素，SPYRO軟件對(duì)用戶進(jìn)行了嚴(yán)格限制，只能對(duì)特定爐型及原料進(jìn)行模擬計(jì)算，不能更準(zhǔn)確模擬多成分混合原料裂解過程。對(duì)此，不同乙烯企業(yè)在具體應(yīng)用SPYRO 軟件時(shí)，采用SPYRO軟件為過程工業(yè)模型系統(tǒng)(process industry modeling system, 以下簡稱PIMS)軟件提供數(shù)據(jù)支撐，其方式有二種：①將SPYRO 軟件直接與PIMS 軟件連接；②用SPYRO 軟件計(jì)算不同原料質(zhì)量指標(biāo)對(duì)乙烯收率影響的對(duì)比值，再置入到PIMS模型中。不論何種方式，都屬于軟件的集成應(yīng)用。譬如，為實(shí)施具體的原料優(yōu)化方案，揚(yáng)子石化的羅德鴻[1]將ASPEN過程工業(yè)模型系統(tǒng)PIMS和 SPYRO集成，在PIMS軟件模擬乙烯連接的部分中，采用聯(lián)動(dòng)SPYRO迭代計(jì)算，實(shí)現(xiàn)PIMS 模擬優(yōu)化計(jì)算過程中多方案計(jì)算和Delta-Base模型中生產(chǎn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)模擬，生產(chǎn)運(yùn)行情況得到更準(zhǔn)確的反映, 使得乙烯裂解原料和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，達(dá)到了煉油與化工生產(chǎn)計(jì)劃整體優(yōu)化的目的。SPYRO軟件和PIMS軟件功能集成示意如圖1所示。

中沙(天津)石化有限公司在乙烯裂解裝置中，借助與SPYRO 軟件結(jié)合的APC控制系統(tǒng)模型，以德悉尼布公司研發(fā)的在線控制裂解爐SPYRO模型技術(shù)SPYRO-APC(SAPC)估算控制裂解深度，可實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)計(jì)算，提供實(shí)時(shí)裂解深度，結(jié)合產(chǎn)品最新市場(chǎng)價(jià)格，調(diào)整裂解深度優(yōu)化方向，達(dá)到各原料動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)裂解深度穩(wěn)定優(yōu)化操作，最大化乙烯裂解裝置效益，極大提高了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低了工作強(qiáng)度，提高了產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了卡邊控制和操作[6]。

2 中國石油蘭州中心EpSOS乙烯裂解模擬優(yōu)化軟件

2.1 EpSOS軟件的原理和基本構(gòu)架

基于分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)裂解原料和爐型組態(tài)的多樣性，中國石油蘭州化工研究中心與清華大學(xué)聯(lián)合，研發(fā)形成大型乙烯裂解模擬優(yōu)化軟件EpSOS。EpSOS軟件構(gòu)架主要包括3大功能模塊：①裂解過程建模模塊；②裂解過程模擬模塊；③原料信息預(yù)處理與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)回歸模塊。

裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是整個(gè)裂解爐模擬的核心，對(duì)裂解過程進(jìn)行科學(xué)合理而且趨近實(shí)際的建模，是乙烯裂解模擬優(yōu)化的關(guān)鍵。裂解過程建模模塊包括：①裂解反應(yīng)模型建模；②裂解爐結(jié)構(gòu)組態(tài)建模。

其中，反應(yīng)建模部分采用嚴(yán)格機(jī)理模型和分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，分別對(duì)具有詳細(xì)的烴組成的輕質(zhì)裂解原料(乙烷、丙烷、輕質(zhì)石腦油等)和不能測(cè)定詳細(xì)的烴組成的重質(zhì)裂解原料(輕柴油、加氫尾油等)建立裂解反應(yīng)模型。裂解爐結(jié)構(gòu)組態(tài)建模部分對(duì)不同構(gòu)型和幾何尺寸的裂解爐管進(jìn)行換算和組合，實(shí)現(xiàn)了不同裂解爐管、爐型的靈活組態(tài)。

裂解過程模擬模塊，除了可用來進(jìn)行裂解過程理想化的無結(jié)焦的單周期和含結(jié)焦的多周期的模擬計(jì)算外，還可以對(duì)帶有循環(huán)清焦操作的裂解過程進(jìn)行模擬計(jì)算，使模擬更趨近于工業(yè)實(shí)際。

原料信息預(yù)處理與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)回歸模塊，是對(duì)最直接和原始的裂解原料物性分析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和回歸，使其成為符合軟件模擬計(jì)算要求的數(shù)據(jù)。EpSOS乙烯裂解模擬優(yōu)化軟件系統(tǒng)基本構(gòu)架如圖2所示。

由此可見，EpSOS乙烯裂解模擬優(yōu)化軟件具有裂解原料分析數(shù)據(jù)預(yù)處理、參數(shù)回歸、多種爐型組態(tài)建模、裂解過程模擬、爐型組態(tài)建模和對(duì)單(多)周期以及帶有循環(huán)清焦操作的裂解過程進(jìn)行模擬計(jì)算等多種功能。

2.2 EpSOS軟件的工業(yè)應(yīng)用及延伸開發(fā)

EpSOS軟件用于蘭州石化公司乙烯工業(yè)爐石腦油裂解乙烯模擬計(jì)算[7]，裂解產(chǎn)物的模擬結(jié)果與實(shí)際工業(yè)裝置運(yùn)行結(jié)果對(duì)比見表1。

表1 石腦油裂解EpSOS軟件模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of simulated and measured results of EpSOS software for naphtha cracking裂解產(chǎn)物w(實(shí)測(cè)值)/%w(模擬值)/%相對(duì)偏差/%H21.2051.2060.083 0CH418.36518.357-0.043 6C2H62.8902.877-0.449 8C2H433.23033.2420.036 1C3H80.6950.6950.028 8C3H613.97013.9750.035 8C4H83.7303.7450.402 1C4H65.1755.1790.077 3n-C4H100.6450.6490.620 2三烯總和52.37552.3960.040 1

由表1可見，裂解產(chǎn)物模擬結(jié)果相對(duì)偏差絕對(duì)值<1.0%，模擬結(jié)果與工業(yè)數(shù)據(jù)基本吻合[8]。在驗(yàn)證EpSOS軟件模擬計(jì)算結(jié)果可靠性基礎(chǔ)上，對(duì)蘭州石化SW爐進(jìn)行全周期運(yùn)行現(xiàn)狀分析后，應(yīng)用EpSOS軟件對(duì)SW爐進(jìn)行全周期操作優(yōu)化計(jì)算，根據(jù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，改變優(yōu)化前全周期60天運(yùn)行、COT恒定860 ℃的操作條件為：仍運(yùn)行60天，但是前48天COT上調(diào)至866 ℃，后12天逐漸降至860 ℃。優(yōu)化結(jié)果實(shí)施效果見表2[9]。

由表2可見，優(yōu)化后乙烯收率由優(yōu)化前的33.26%提高至33.98%，提高0.72百分點(diǎn)，相對(duì)提高率達(dá)2.16%，丁二烯收率由優(yōu)化前的3.75%提高至3.85%，提高0.10百分點(diǎn)，相對(duì)提高率達(dá)2.67%。優(yōu)化后丙烯收率雖有所降低，但三烯總收率提高0.55百分點(diǎn)，相對(duì)提高率達(dá)1.08%。

表2 蘭州石化SW爐模擬優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of results before and after simulation and optimization of SW furnace in Lanzhou Petrochemical Company主要產(chǎn)物w(優(yōu)化前)/%w(優(yōu)化后)/%提高百分點(diǎn)相對(duì)提高率/%C2H433.26 33.98 0.72 2.16 C3H613.84 13.57 -0.27 -1.95 C4H63.75 3.85 0.10 2.67 三烯總和50.85 51.40 0.55 1.08

研究人員對(duì)EpSOS軟件進(jìn)行了持續(xù)開發(fā)和功能完善，先后形成了EpSOS1.0、EpSOS2.0系列乙烯裂解模擬優(yōu)化軟件。EpSOS軟件能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)裂解反應(yīng)產(chǎn)物的組成, 對(duì)于重要的裂解產(chǎn)物(乙烯、丙稀和丁二烯)的收率模擬結(jié)果相對(duì)偏差<1.0%, 對(duì)于其他裂解產(chǎn)物也有較高的預(yù)測(cè)精度，基本符合工業(yè)裝置運(yùn)行實(shí)際，且具有多周期模擬功能。利用該軟件對(duì)乙烯熱裂解過程進(jìn)行模擬和優(yōu)化，能較好地指導(dǎo)生產(chǎn), 對(duì)于提高乙烯生產(chǎn)裝置操作水平及經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

在EpSOS軟件基礎(chǔ)上，中國石油大乙烯專項(xiàng)完成的“石油烴裂解產(chǎn)物預(yù)測(cè)系統(tǒng)(HCPC)”軟件，以自由基反應(yīng)與分子反應(yīng)機(jī)理混合(Hybrid)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型為核心，建立的乙烯反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)含268個(gè)分子、1163個(gè)自由基以及11 851個(gè)反應(yīng)。HCPC軟件與商業(yè)化的SPYRO軟件相比，其主要區(qū)別如表3所列。

表3 中國石油HCPC與KTI公司SPYRO軟件功能對(duì)比Table 3 Comparison of SPYRO software functions between PetroChina HCPC and KTI中國石油烴裂解產(chǎn)物預(yù)測(cè)系統(tǒng)(HCPC)KTI公司SPYRO軟件設(shè)計(jì)/操作模擬/運(yùn)行優(yōu)化操作模擬詳細(xì)分子組成虛擬組成完整反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)不提供包含結(jié)焦動(dòng)力學(xué)模型沒有可進(jìn)行全周期模擬與優(yōu)化不提供

3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵蚁┝呀饽M軟件研究

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪前言系奶匦詤?shù)(PINOA值、BMCI值、ASTM餾程等)及操作條件(COT、COP、停留時(shí)間等)，直接與乙烯、丙烯等重要產(chǎn)物收率進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立烴類裂解制烯烴產(chǎn)物分布模型。西北大學(xué)研究者以工業(yè)裂解爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，將裂解原料特性和操作條件兩方面的影響因素結(jié)合，通過模型建立、模型參數(shù)選取和求解，建立起能預(yù)測(cè)乙烯、丙烯、丁二烯等產(chǎn)率的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，適用于石腦油、常減壓柴油等裂解原料的裂解計(jì)算[10]。通過相對(duì)誤差平均值對(duì)模型準(zhǔn)確度的比較發(fā)現(xiàn)，其所建立的模型形式簡單、參數(shù)易得、可較好地與烯烴產(chǎn)率關(guān)聯(lián)，計(jì)算結(jié)果比較精確[10-12]。石腦油裂解制丙烯和輕柴油裂解制乙烯實(shí)測(cè)產(chǎn)率值和計(jì)算值及相對(duì)偏差見表4。個(gè)別數(shù)據(jù)相對(duì)偏差較大，可見經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_度還有待于進(jìn)一步提高。

表4 丙烯產(chǎn)率和乙烯產(chǎn)率計(jì)算值及相對(duì)誤差Table 4 Calculated values and relative errors of propylene yield and ethylene yield項(xiàng)目BMCI值裂解溫度/℃w(實(shí)測(cè)產(chǎn)率)/%w(計(jì)算產(chǎn)率)/%相對(duì)偏差/%石腦油裂解制丙烯24.8279015.1815.02-1.0524.0280015.1514.67-3.1718.4684116.0415.58-2.8715.4282015.4015.26-0.91輕柴油裂解制乙烯17.6689530.9130.930.0618.0080024.9825.130.6025.1279022.5922.610.0925.0282024.3924.01-1.56

針對(duì)美國SW公司提供的計(jì)算機(jī)控制模型不能適用于大慶乙烯裝置，在SW公司提供的計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，關(guān)國民等對(duì)大慶30×104t石腦油乙烯裂解爐，提出了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧呀馍疃群瓦x擇性的乙烯裂解計(jì)算機(jī)控制數(shù)學(xué)模型，其包含了靜態(tài)前饋關(guān)聯(lián)式和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償參變量兩部分[13]。裂解爐運(yùn)轉(zhuǎn)周期預(yù)測(cè)和平均烴分壓是靜態(tài)前饋關(guān)聯(lián)式的核心，裂解爐的動(dòng)態(tài)特性則根據(jù)裝置測(cè)定數(shù)據(jù)確定，最終建立的石腦油裂解爐半經(jīng)驗(yàn)半理論計(jì)算機(jī)控制模型，計(jì)算結(jié)果與30×104t石腦油乙烯裂解爐裝置生產(chǎn)實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本吻合。由于該模型側(cè)重點(diǎn)是以經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)為主，在實(shí)際控制時(shí)會(huì)有誤差，對(duì)此研究者給出的解決方法是通過調(diào)整模型參數(shù)和比例因子來實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话闶轻槍?duì)不同爐型與裂解原料而專門建立的，模型包括大量經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，需要大量實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和工業(yè)裝置實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，側(cè)重于經(jīng)驗(yàn)，原理簡單，計(jì)算迅速，但是適用范圍窄，缺乏通用性。更大的問題是如果要利用其進(jìn)一步優(yōu)化，或做更進(jìn)一步的過程控制，單純依靠經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃茈y實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

(1)從實(shí)際效益分析來看，應(yīng)用乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件系統(tǒng)對(duì)裂解爐進(jìn)行迅捷快速的裂解原料和裂解工藝優(yōu)化所獲得的經(jīng)濟(jì)效益，約占全部乙烯裝置采用先進(jìn)控制技術(shù)后所獲得的經(jīng)濟(jì)效益的40%～50%[14]，這是非常可觀的。而且乙烯裂解爐的高效、平穩(wěn)、安全、長周期穩(wěn)定運(yùn)行，直接影響乙烯裝置產(chǎn)品收率，同時(shí)對(duì)裂解爐后續(xù)壓縮分離過程也會(huì)產(chǎn)生重要影響。因此，乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件系統(tǒng)的充分合理應(yīng)用，應(yīng)該受到重視。

(2)面對(duì)乙烯裝置規(guī)模不斷擴(kuò)大、原料復(fù)雜、工藝多變的趨勢(shì)，蒸汽裂解制造乙烯技術(shù)的發(fā)展方向朝著高溫、短停留時(shí)間、低烴分壓、高操作彈性、長運(yùn)轉(zhuǎn)周期、簡化操作和快速優(yōu)化等方面發(fā)展。在這樣的背景下，乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，具有較大的技術(shù)需求和應(yīng)用前景。

(3)目前，我國乙烯工業(yè)已經(jīng)具有相當(dāng)規(guī)模，乙烯生產(chǎn)技術(shù)取得了很大進(jìn)步。但是與國際先進(jìn)技術(shù)水平相比，仍然存在裝置規(guī)模小、裂解原料復(fù)雜多變且優(yōu)質(zhì)裂解原料不足、能耗和物耗高等問題。因此，針對(duì)乙烯裂解爐，將引進(jìn)國外與應(yīng)用國內(nèi)自主研發(fā)的乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)工業(yè)乙烯裂解爐進(jìn)行迅捷高效的優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于乙烯裂解裝置，以提高我國乙烯裝置的技術(shù)含量，提升乙烯裝置的競爭力，降低物耗和能耗，為我國乙烯工業(yè)裝置的技術(shù)進(jìn)步提供技術(shù)支撐。