乙烯裂解炉裂解深度的先进过程控制与优化分析

张鑫方莫力根

乙烯裂解炉裂解深度的先进过程控制与优化分析

张鑫方1莫力根2

（1中国石油化工股份有限公司茂名分公司，广东525000）（2北京航天动力研究所，北京100076）

在乙烯裂解装置炉中，引入先进过程控制与优化系统APC，能够保证装置的稳定可靠运行，减少装置波动引发的安全问题。本文立足当前市场发展情况，对乙烯裂解炉的裂解深度优化方向进行了调整，希望能够实现不同原料动态实时裂解深度的优化，促进经济效益的提高。

乙烯裂解炉；裂解深度；过程控制；优化

乙烯裂解炉先进控制策略包括几点，一是减少烟道气氧含量，优化燃料消耗；二是优化裂解深度；三是对裂解炉管管壁温度TMT进行优化控制，减少结焦现象；四是控制裂解炉的进料流量，使得其能够达到目标值。乙烯裂解炉主要用于裂解气的加工，是乙烯生产装置的核心所在，可以将天然气、原油、炼厂气等加工成裂解气，提供给其它的乙烯装置，完成乙烯加工。裂解深度是衡量乙烯裂解炉内部裂解反应程度的一个重要指标，需要控制在合理范围内，才能够保证产品收率。因此，做好乙烯裂解炉裂解深度的控制和优化意义重大。

1 先进过程控制与优化系统

1.1 SPYRO模型

SPYRO软件是基于自由基原理的一种模拟软件，在已知原料组成的基础上，可以对各种炉型的裂解过程进行预测和模拟，也可以输入现有裂解原料的性质数据以及操作工况，对产物分布进行模拟，并以此为依据明确最佳操作工况，对裂解炉的运行状态进行监控。以离线SPYRO模型配合PIMS软件，对不同裂解原料的最优裂解深度进行了明确和优化。考虑到裂解炉操作中实际操作工况以及裂解原料的组成性质处于动态变化中，为了确保裂解炉运行的稳定性，实现裂解深度的最优化，需要设计先进过程控制和优化系统[1]。

1.2 控制目标

将常规控制中裂解炉出口温度操作控制转变为先进过程的裂解深度控制，可以实现裂解反应操作条件的稳定性和均一性，使得其产物的分布更加稳定，减少波动现象。在约束条件下，通过优化控制，能够有效减少废料，实现增产增效的目的，同时也能够保证作业人员、设备以及作业环境的安全性。

2 乙烯裂解炉裂解深度的优化控制

2.1 裂解深度优化流程

受市场供需关系变化的影响，乙烯生产设备的价格也存在较大的波动，从市场的角度出发，应该尽量采用最大化模式进行生产。基于此，裂解炉深度的优化目标应该放在对原料的合理利用，从中获取最大的产品价值。结合SAPC模型，可以以分钟为单位，通过实时计算，得到相应的裂解深度，如果裂解炉出口存在有分析数据，模型计算可以提供在线更新功能，通过原料在线分析与SAPC模型的联合，可以完成对裂解深度随原料变化情况的分析和研究。结合SPYRO模型和APC系统，结合稳定的COT（最优裂解深度），可以对裂解深度进行有效控制，继而提升乙烯的产量[2]。

2.2 优化方向调整

优化方向的调整应该立足市场，以石油脑为例进行分析，伴随着裂解深度的降低，乙烯、氢气、甲烷等的收率明显下降，丙烯、粗裂解汽油等的收率则显著提高。结合SPYRO模型的离线数据，在COT（最优裂解深度）均值为835℃时，每降低1℃，丙烯产量会增加0.09%，粗裂解气产量增加0.04%，乙烯产量减少0.13%，甲烷产量减少0.04%。为了更好的研究总体效益，这里结合0.9的系数，对其进行综合考虑。依照8000h/年、400t/h的进料，结合不同裂解产品的价格表（表1），展开分析计算。

以丙烯产量最大化的工况进行计算，每年最大化丙烯产量的效益为0.9×8000h×400t/h×（丙烯×8239+混合C4×6308-乙烯× 9044-甲烷×870-氢气×13416+粗裂解汽油×5980）=0.9×8000× 400×（0.09%×83239+0.07%×6308+0.04%×5980-0.13%×9044-0.07%×870-0.004%×13416）≈3796589元。结合计算结果，COT（最优裂解深度）每降低1℃，总体效益能够提高约380万元。

表1 不同裂解产品价格

2.3 最优裂解深度确立

依照石油脑、液化气等不同裂解材料的性质，结合SPYRO离线模型，对不同原料在不同裂解深度下的产品分布进行分析和模拟计算，在充分考虑原料价格、产品价格以及投料负荷安排等的基础上，运用ASPEN-PIMS软件，进行优化分析，可以得到乙烯裂解炉在效益最大化工况下，各个裂解原料的裂解深度，并将之作为控制目标。从裂解炉的实际运行情况出发，结合APC系统，进行裂解炉最优裂解深度的调整，使得各种原料的裂解深度能够达到设定值[3]。

3 结语

结合先进控制项目，可以有效提升乙烯裂解炉运行的平稳性，降低操作人员的劳动强度，同时减少了人为误操作以及生产过程的上下游干扰问题，能够显著提高产品的质量。同时，先进控制项目的实施，也可以在强化装置处理能力的同时，延长其使用寿命，为企业的经济效益带来较大的增长。

[1]唐昭.乙烯裂解炉裂解深度的先进过程控制与优化[J].安徽化工,2016,42(2):42-44.

[2]蒋勇,梅华,胡天生,王宏刚.乙烯裂解炉裂解深度在线优化研究与应用[J].化工进展,2010,29(7):1373-1376.

[3]方晴晴.乙烯裂解炉软测量建模及裂解深度实时优化[D].华东理工大学,2015.