CN103289725B - 乙烯裂解炉的节能优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种乙烯裂解炉的节能优化控制方法，该方法包括采用数据驱动方法开发的气液相裂解原料的裂解深度模型、炉管结焦速率模型、乙烯装置能耗模型、关键工艺参数优化方法、乙烯裂解炉控制系统。采用本发明后，能够系统分析各裂解原料加工方案对能耗、产品收率、清焦周期的影响，依据优化计算的能耗和经济效益结果，得出最佳的裂解炉出口温度和油汽比控制指标，并由裂解炉优化控制器实现工艺指标的精确控制。优化计算裂解炉的关键工艺操作指标，最终由裂解炉先进控制系统实现操作指标的‘卡边’控制，实现了节能与经济效益的最大化目标。

Description

乙烯裂解炉的节能优化控制方法

技术领域

本发明涉及乙烯装置控制方法，特别涉及一种乙烯裂解炉的节能优化控制方法。

背景技术

乙烯裂解炉是乙烯装置的核心设备，不同的裂解原料对应于不同的炉型具有不同的最佳工艺操作条件，对于一定性质的裂解原料与特定的炉型来说，在满足目标运转周期和产品收率的前提下，都有其最适宜的裂解气出口温度、进料量与油汽比，需要裂解深度模型对原料进行评价，以确定最佳的工艺操作条件。

裂解炉是乙烯生产装置的龙头和关键设备，其能耗占装置总能耗的50％～60％，降低裂解炉的能耗是降低乙烯生产成本的重要途径之一。据测算，对裂解炉采取先进技术所获取的经济效益占整个乙烯装置的40％左右，国外企业已有成功应用的经验，并针对裂解深度模型开发出商用软件。对于特定的裂解原料和乙烯裂解工艺，乙烯提高1％的收率则装置能耗相应降低1％。而当裂解原料一定时，工艺条件是影响裂解炉运行周期的主要因素。北京化工大学等开展了裂解炉全周期建模及参数优化。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：现有的需建立严格的机理模型。在裂解炉运行过程中，受原料组分、燃料气压力、热值负荷变化、设备老化等因素影响，裂解炉的运行周期缩短，烧焦频繁，辐射段炉管多次出现断裂、堵塞等情况，严重影响了生产的正常运行。

发明内容

本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种对裂解炉的操作、控制和维护进行了优化和改进的乙烯裂解炉的节能优化控制方法。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种乙烯裂解炉的节能优化控制方法，包括以下步骤：

(1)建立裂解深度模型：

收集裂解炉装置中试和/或工业生产中裂解原料性质、裂解停留时间、裂解气出口温度、油汽比、裂解气压力、裂解气组分的数据，用机理分析与数据驱动建模相结合的方法建立裂解深度模型；

(2)建立炉管结焦速率模型：

通过中试与工业试验数据建立炉管每24小时温度上升速率与裂解炉操作指标的关系，得出结焦速率模型Y₃＝F(X₃)；

其中：Y₃为各裂解通道的结焦速率；

X₃为气液相裂解原料的组分、油汽比、裂解停留时间、裂解炉出口温度和裂解气压力；

(3)建立乙烯装置能耗模型：

乙烯能耗计算模型由裂解炉、压缩机与后分离系统能耗计算模块组成，根据燃料与能量平衡，依次收集并计算燃料气用量、各压缩机吸入压力、蒸汽消耗与后分离系统能耗，然后燃料气、蒸汽效能经折算后汇总相加，计算出全装置总能耗，根据行业标准与工艺分析对能耗进行折算，建立最终的能耗计算表达式；

(4)建立乙烯裂解炉控制系统：

a、设计裂解炉管平均COT(Coil Outlet Temperature，裂解炉出口温度)温度控制系统

平均COT温度计算公式为：其中：F_i为i支路流量，T_i为i支路出口温度，i＝1，...，n；

b、设计裂解炉各组炉管出口温度平衡控制系统

将各组出口温度作为被控变量(CVs)，各组进料流量调节器设定值作为操纵变量(MVs)，使被调对象构成了一个n输入n输出的系统；控制系统在满足的条件下，根据其温差大小，在保证总进料量不变的情况下，适当地调整各组炉管流量的设定值，使各组炉管出口温差最小；其中ΔF_i为第i组流量的变化量，n为每台裂解炉的裂解通道总数；

c、设计总进料及总进料流量提/降量控制系统

裂解炉进料流量提/降量控制系统是在原料加工量需改变时，根据当前操作状况平均分配各组裂解炉管的流量补偿值，然后计算总加工量改变时所需热负荷的补偿值，热负荷补偿值换算为相应的燃料气压力值，各炉管流量和燃料气压力值获得后，设定相应的DCS(集散控制系统)位号控制量，实现裂解炉进料流量提/降量控制。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

采用本发明的控制方法后，能够系统分析各裂解原料加工方案对能耗、产品收率、清焦周期的影响，依据优化计算的能耗和经济效益结果，得出最佳的裂解炉出口温度和油汽比控制指标，并由裂解炉优化控制器实现工艺指标的精确控制。该集成化优化控制系统‘离线’建立乙烯裂解装置的裂解深度、能耗、结焦速率等模型，优化计算裂解炉的关键工艺操作指标，最终由裂解炉先进控制系统实现操作指标的‘卡边’控制，实现节能与经济效益的最大化目标。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的乙烯裂解炉的节能优化控制方法流程图；

图2是本发明实施后乙烯裂解炉节能优化控制方法的系统框架图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，对于特定的裂解炉装置，建立相应的裂解深度模型、炉管结焦速率模型、乙烯装置能耗模型后，以能耗最小化对关键工艺参数进行优化，其优化结果为裂解炉控制器的控制目标，裂解炉控制系统与DCS控制系统组成的控制执行机构实现优化目标的卡边操作。

参见图2，建立乙烯裂解炉节能优化控制系统后，裂解深度模型读取DCS控制系统的实时数据和化验室信息管理系统的数据，DCS控制系统和化验室信息管理系统从现场操作获取数据，炉管结焦速率模型共享裂解深度模型所读取的数据，裂解深度模型与炉管结焦速率模型根据读取的数据，预测特定加工方案下的裂解深度及结焦速率。实时数据库采集并保存DCS控制系统的相关数据，乙烯装置能耗模型读取实时数据库的数据进行能耗计算。三个模型的计算结果输入到能耗优化计算模型，由能耗优化计算模型优化计算裂解炉关键工艺控制指标。优化的工艺操作指标经乙烯裂解炉装置技术管理人员审核后，下达给乙烯裂解炉控制系统，乙烯裂解炉控制系统与DCS控制系统进行交互，实现关键控制指标的卡边操作。

实施例1

本发明的乙烯裂解炉的节能优化控制方法，在兰州石化46万吨/年乙烯装置进行了应用，该装置的裂解炉采用KBR和ExxonMobil共同开发的SC-1型管式裂解炉。裂解炉的工艺流程可以分为原料预热、对流段、辐射段、高温裂解气急冷和热量回收等几个部分。

裂解炉有五种不同的原料：LPG(油田液化气)、丙烷、两种不同的石脑油进料、加氢尾油、循环乙烷和丙烷。裂解炉区包括5台SCORE SC-1型裂解炉，每台裂解炉的乙烯设计能力为16.25吨/小时，进入裂解炉的工艺流体平行的分成8组，并且5台裂解炉不同组都可以裂解两种原料。裂解炉的每一组在其它组进行裂解操作时都可以在线清焦。五台SC-1裂解炉中有三台(101B，102B，103B)的设计结构适用于裂解混合石脑油和/或加氢尾油。这些裂解炉中每台裂解炉的进料管线分为两个半区(每个半区有四组)，每个半区都可以裂解石脑油或加氢尾油。其它的两台裂解炉(104B，105B)用来裂解混合石脑油、LPG或乙丙烷。

本发明实施例的节能优化控制技术方法具体实施过程如下：

1、建立裂解深度模型：

乙烯裂解深度模型分液相裂解炉裂解深度模型和气相裂解炉裂解深度模型。收集中试与现场工业生产数据裂解原料性质、裂解停留时间、裂解炉出口温度、油汽比、裂解气压力、裂解气组分，用机理分析与数据驱动建模(支持向量机、线性及非线性回归)相结合的方法建立数学模型，以目的产品收率最大化为目标，优化设计裂解原料的最佳裂解方案。

液相裂解炉裂解深度模型，EY₁＝F(X₁)，其中：EY₁为裂解气乙烯收率，X₁为液相裂解原料的组分(正构烷烃、异构烷烃、环烷烃、烯烃和芳烃)、裂解停留时间、裂解炉出口温度、油汽比、裂解气压力。

气相裂解炉裂解深度模型，EY₂＝F(X₂)，其中：EY₂为裂解气乙烯收率，X₂为气相裂解原料的组分(如甲烷、乙烷、丙烷、十六烷烃等)、裂解停留时间、裂解炉出口温度、油汽比、裂解气压力。

2、建立炉管结焦速率模型：

收集中试和/或裂解炉装置工业有关裂解炉操作指标与炉管结焦速率的试验数据，建立炉管每24小时温度上升速率与裂解炉操作指标的关系，得出结焦速率模型Y₃＝F(X₃)，其中：Y₃为各裂解通道的结焦速率，X₃为气液相裂解原料的组分、油汽比、裂解停留时间、裂解炉出口温度、裂解气压力。建立气相和液相裂解炉的结焦速率模型后，根据裂解炉装置工况确定清焦周期与结焦速率之间的折算因子，将结焦速率折算为裂解炉清焦周期能耗，优化工艺操作参数。

3、建立乙烯装置能耗模型

乙烯能耗计算模型由裂解炉、压缩机与后分离系统能耗计算模块组成，根据燃料与能量平衡，依次收集或计算燃料气用量、各压缩机吸入压力、蒸汽消耗与后分离系统能耗，然后经燃料气、蒸汽效能折算后汇总相加，计算出全装置燃料气及蒸汽用量。根据行业标准与工艺分析对能耗进行折算，建立最终的能耗计算表达式。

4、优化关键工艺参数(能耗优化计算模型)

建立裂解深度、结焦速率、乙烯装置能耗模型后，建立基于气液相裂解炉折算能耗和乙烯装置能耗的全装置能耗计算表达式，以能耗最小化为优化目标，裂解需求、裂解深度、结焦速率为约束，优化裂解炉COT及油气比工艺控制指标，其优化模型表达式为：

Min：p₁YL₃ ²/EY₁ ²+p₂Y₄ ²/(EY₁ ²+EY₂ ²)+p₃YV₃ ²/EY₂ ²

$\mathrm{st}:\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{EY}}_1=F\left(X_1\right)\\ {\mathrm{EY}}_2=F\left(X_2\right)\\ {\mathrm{YL}}_3=F\left({\mathrm{XL}}_3\right)\\ {\mathrm{YV}}_3=F\left({\mathrm{XV}}_3\right)\\ Y_4=F\left(X_4\right)\\ {\mathrm{fL}}_{\min }\≤{\mathrm{fL}}_i\≤{\mathrm{fL}}_{\max }\\ {\mathrm{TL}}_{\min }\≤{\mathrm{TL}}_i\≤{\mathrm{TL}}_{\mathrm{amx}}\\ {\mathrm{StorL}}_{\min }\≤{\mathrm{StorL}}_i\≤{\mathrm{StorL}}_{\max }\\ {\mathrm{fV}}_{\min }\≤{\mathrm{fV}}_i\≤{\mathrm{fV}}_{\max }\\ {\mathrm{TV}}_{\min }\≤{\mathrm{TV}}_i\≤{\mathrm{TV}}_{\mathrm{amx}}\\ {\mathrm{StorV}}_{\min }\≤{\mathrm{StorV}}_i\≤{\mathrm{StorV}}_{\max }\end{array}\right.$

其中：p₁是液相裂解炉裂解周期的能耗换算因子、p₃是汽相裂解炉裂解周期能耗换算因子，p₂是裂解炉结焦速率与能耗之间的换算因子、YL₃是液相裂解炉结焦速率、YV₃是汽相裂解炉结焦速率，fL_min与fL_max是液相裂解炉进料量上下限，fV_min与fV_max是汽相裂解炉进料量上下限，TL_min与TL_max是液相裂解炉COT上下限，TV_min与TV_max是汽相裂解炉COT上下限，StorL_min与StorL_max是液相裂解炉油汽比上下限，StorV_min与StorV_max是汽相裂解炉油汽比上下限。

在特定的加工条件下，以能耗最小为优化目标，优化计算出最佳的裂解炉COT温度和油汽比。

5、建立乙烯裂解炉控制系统：

乙烯裂解炉控制系统主要由：裂解炉管平均COT温度先进控制系统、裂解炉各组炉管出口温度平衡控制系统、总进料及总进料流量提/降量控制系统组成。

设计炉管平均COT温度先进控制系统，以增强控制回路的抗扰动能力，缩短其对设定值变化的动态响应过程，并提高控制精度。平均COT温度计算公式为：其中：F_i为i支路流量，T_i为i支路出口温度，i＝1，...，n。

裂解炉各组进料炉管出口温度平衡控制系统的控制方案是将各组出口温度作为被控变量(CVs)，各组进料流量调节器设定值作为操纵变量(MVs)，使被调对象构成了一个n输入n输出的系统。控制系统在满足(ΔF_i为第i组流量的变化量，n为每台裂解炉的裂解通道总数)的条件下，根据裂解炉管管间温差大小，在保证总进料量不变的情况下，适当地调整各组炉管流量的设定值，使各组炉管出口温差最小。为保证生产安全，各组流量的最大差值控制在15％以内。

裂解炉进料流量提/降量控制系统是在原料加工量需改变时，根据当前操作状况平均分配各组裂解炉管的流量补偿值，然后计算总加工量改变时所需热负荷的补偿值，热负荷补偿值换算为相应的燃料气压力值。各炉管流量和燃料气压力值获得后，设定相应的DCS位号控制量，最终实现裂解炉进料流量提/降量控制。因此，提/降量控制系统在规定的时间内实现规定的提/降量，并与各组COT温度平衡控制系统一起协调工作，以将进料量变化引起的不良影响降至最小。

本发明避免采取昂贵的商用软件，又不进行严格的机理模型分析，而采用数据驱动方法建立裂解炉模型，提供一种裂解深度优化与裂解炉先进控制器的集成化应用技术，将带来最大化的节能效益。

本发明实施例的方法在兰州石化公司46万吨/年乙烯装置进行了应用，直接经济效益来自于提高的乙烯及丙烯(即双烯)收率。实现过程的优化控制，减小了频繁手动操作对COT的严重干扰，减弱燃料气压力、干燥器切换等事件发生时操作的波动幅度，从而保证整个裂解炉装置的COT平稳率维持在较高的水平。建立裂解炉装置的裂解深度模型，对不同的裂解工况进行操作条件优化，使双烯收率维持在较高的水平，实现了裂解炉的节能优化。使用乙烯裂解炉的节能优化控制方法后，COT控制平稳，增加了高价值产品的收率。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种乙烯裂解炉的节能优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立裂解深度模型：

收集裂解炉装置中试和/或工业生产的裂解原料性质、裂解停留时间、裂解气出口温度、油汽比、裂解气压力、裂解气组分，用机理分析与数据驱动建模相结合的方法建立裂解深度模型；所述数据驱动建模为支持向量机、线性及非线性回归；

(2)建立炉管结焦速率模型：

通过中试与工业试验数据建立炉管每24小时温度上升速率与裂解炉操作指标的关系，得出结焦速率模型Y₃＝F(X₃)；

其中：Y₃为各裂解通道的结焦速率；

X₃为气液相裂解原料的组分、油汽比、裂解停留时间、裂解气出口温度和裂解气压力；

(3)建立乙烯装置能耗模型：

乙烯能耗计算模型由裂解炉、压缩机与后分离系统能耗计算模块组成，根据燃料与能量平衡，依次收集并计算燃料气用量、各压缩机吸入压力、蒸汽消耗与后分离系统能耗，然后燃料气、蒸汽效能经折算后汇总相加，计算出全装置总能耗，根据行业标准与工艺分析对能耗进行折算，建立最终的能耗计算表达式；

(4)建立能耗优化计算模型

建立裂解深度、结焦速率、乙烯装置能耗模型后，建立基于气液相裂解炉折算能耗和乙烯装置能耗的全装置能耗计算表达式，以能耗最小化为优化目标，裂解需求、裂解深度、结焦速率为约束，优化裂解炉COT及油气比工艺控制指标；

(5)建立乙烯裂解炉控制系统：

a、设计裂解炉管平均COT温度控制系统

平均COT温度计算公式为：其中：F_i为i支路流量，T_i为i支路出口温度，i＝1,…,n；

b、设计裂解炉各组炉管出口温度平衡控制系统

将各组出口温度作为被控变量(CVs)，各组进料流量调节器设定值作为操纵变量(MVs)，使被调对象构成了一个n输入n输出的系统；控制系统在满足的条件下，根据其温差大小，在保证总进料量不变的情况下，适当地调整各组炉管流量的设定值，使各组炉管出口温差最小；其中ΔF_i为第i组流量的变化量，n为每台裂解炉的裂解通道总数；

c、设计总进料及总进料流量提/降量控制系统

裂解炉进料流量提/降量控制系统是在原料加工量需改变时，根据当前操作状况平均分配各组裂解炉管的流量补偿值，然后计算总加工量改变时所需热负荷的补偿值，热负荷补偿值换算为相应的燃料气压力值，各炉管流量和燃料气压力值获得后，设定相应的DCS位号控制量，实现裂解炉进料流量提/降量控制。