乙烯裂解炉先进控制系统开发与应用_李平

绍了先进控制系统硬软件结构、先进控制与常规控 制 的 切 换 逻 辑、先 进 控 制 ＤＣＳ操 作 界 面。本 系 统 的 投 用 极 大
地提高了裂解炉控制的平稳性和控制精度，带来了显著的经济效益。
关键词：乙烯裂解炉；先进控制；温度控制；乙烯装置
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８－１１５７．２０１１．０８．０２２
是气液相混合裂解炉。每台裂解炉有８组进料，这 些物 料 由 流 量 控 制， 每 组 有 ２８ 根 辐 射 管， 共 有 ２２４根辐射管。ＳＣ－１ 裂 解 炉 型 全 部 采 用 底 部 火 嘴， 给炉管出口温度平衡控制带来一定的困难。该乙烯 装置裂 解 炉 原 设 计 的 平 均 炉 出 口 温 度 （ＣＯＴ） 串 级 ＰＩＤ 回 路 不 能 正 常 投 运 为 “自 动 ” 模 式， 造 成 ＣＯＴ 的波动 较 大。 此 外， 也 未 采 用 多 炉 管 的 支 路 平衡控制。 裂 解 炉 操 作 人 员 主 要 凭 经 验 来 频 繁 调 整，以保证裂解炉的平稳运行。这样，操作人员的 劳动强度很大，也很难保证操作的一致性。因此， 迫切需要设计裂解炉先进控制系统。
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增产、节能、降耗的目标具有十分重要的意义，也 是实现内涵发展的必由之路。
兰 州 石 化 ４６ 万 吨／年 乙 烯 装 置 裂 解 炉 采 用 ＫＢＲ 和 ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ共同 开 发 的 ＳＣ－１ 型 管 式 裂 解 炉。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 １６．２５ｔ·ｈ－１，５ 台 ＳＣ－１裂解炉中 有 ３ 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， 为 液相 裂 解 炉。 其 他 的 两 台 裂 解 炉 （１０４Ｂ，１０５Ｂ） 用来 裂 解 混 合 石 脑 油、ＬＰＧ 和 （或 ） 乙 烷／丙 烷，
变量采用前馈调 节， 以 消 除 或 减 弱 其 对 ＣＯＴ 的 影
响。采用两 重 串 级 控 制 结 构，即 燃 料 压 力 控 制
（ＰＩＣ）与平均 ＣＯＴ 温度控制 （ＴＩＣ） 两重串级。图
１是裂解炉管平均 ＣＯＴ 温度先进控制示意图，其中
ＰＩＣ是常规 ＰＩ调节，ＴＩＣ采用先进控制算法［８］。
平均 ＣＯＴ 温度 Ｔ 的计算公式为
乙烯装置裂解炉先进控制要求一般包括：在安 全生产的基础上， 稳 定 裂 解 炉 的 ＣＯＴ 温 度 和 总 进 料流量，同时实现各组炉管间温度的均衡控制，实 现提高 “双烯” 收率、降低能耗的目的。
１ 乙 烯 裂 解 炉 先 进 控 制
１．１ 裂解炉平均 ＣＯＴ温度控制器
裂解炉炉管平均 ＣＯＴ 温 度 是 裂 解 炉 最 关 键 的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ＳＣ－１ｔｙｐｅ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｈｅａｔｅｒｓ ａｔ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ ４６０ＫＴＡ Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｌａｎｔ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｃｏｉｌ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ，ｔｈｅ ｐａｓｓ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｂａｌａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ，ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｇｉｃ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ＤＣＳ ｒｅｇｕｌａｒ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅ ＤＣＳ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｅａｄｉｎｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｃｃｕｒａｃｙ ｆｏｒ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｈｅａｔｅｒｓ ａｒｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
１．２ ８ 组 进 料 炉 管 出 口 温 度 平 衡 控 制 裂解炉分８组进料，各组均有流量调节器。生
产要求各组进料的出口温度之间的差值不得超过某
个上限值，即要求几路进料的出口温度保持平衡，
以使各组炉管进料在裂解炉中的受热一致，炉膛温
度对各组炉管的影响相同。这样可以达到裂解后的
各组炉管出口裂解气要求的裂解深度，并使各组炉
８
∑ＦｉＴｉ
Ｔ＝
ｉ＝１ ８
∑Ｆｉ
ｉ＝１
（１）
图１ 裂解炉炉管平均 ＣＯＴ 温度控制结构 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｈｅａｔｅｒ
ａｖｅｒａｇｅ ＣＯＴ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
式中 Ｆｉ为 第ｉ 支 路 流 量；Ｔｉ为 第ｉ 支 路 出 口 温 度 ，ｉ＝１，２， … ，７，８。
（１ 辽宁石油化工大学信息与控制工程学院，辽宁 抚顺 １１３００１；２ 中国石油兰州石化分公司自动化研究院，甘肃 兰州 ７３００６０）
摘要：以中国石油兰州石化公司４６万吨／年乙烯装置裂解炉为对象，设 计 并 实 施 了 ５ 台 ＳＣ－１型 乙 烯 裂 解 炉 先 进
控制系统，包括平均 ＣＯＴ 温度控制、管间温度平衡控制、总进料流量控制。详 细 描 述 了 该 系 统 的 工 程 实 施 ， 介
料炉管出口温度 平 衡 控 制 及 总 进 料 流 量 提／降 量 控 制方案示意图。 １．３ 总 进 料 流 量 提／降 量 控 制
裂解炉进料 流 量 提／降 量 控 制 系 统 的 设 计 原 则 是在原料加工量需改变时，控制系统能根据当前操 作状况合理地分配裂解炉各组的流量，以尽量减少 流量变化 对 裂 解 炉 出 口 温 度 的 影 响。 为 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 （图２），以将 进 料 量 变 化 引 起 的 不 良 影 响 降 至 最 小。这样平稳 地 实 现 提／降 量 控 制， 既 保 证 了 裂 解 炉的平稳操作，又改变了生产负荷。
ＬＩ Ｐｉｎｇ１，ＬＩ Ｑｉ’ａｎ１，ＬＥＩ Ｒｏｎｇｘｉａｏ２，ＣＨＥＮ Ａｉｊｕｎ２，ＲＥＮ Ｌｉｌｉ ２，ＣＡＯ Ｗｅｉ ２
（１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｓｈｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｓｈｕｎ１１３００１，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ； ２Ｉ ｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００６０，Ｇａｎｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｈｅａｔｅｒｓ；ａｄｖａｎｃｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｌａｎｔ
引 言
乙烯装置是石化工业中能耗最大的装置之一。 裂解炉是乙烯装置的关键设备，也是乙烯装置的能 耗 大 户， 其 能 耗 占 装 置 总 能 耗 的 ５０％ ～６０％ 。 ［１］ 降低裂解炉的能耗是降低乙烯生产成本的重要途径 之一。随着节能降耗任务的日趋紧迫，相关企业近
２０１１－０５－０１ 收 到 初 稿 ，２０１０－０５－１１ 收 到 修 改 稿 。 联系人及第一作者：李平 （１９６４—），男，博士，教授。 基金项目：辽宁省 高 等 学 校 优 秀 人 才 支 持 计 划 （２００８ＲＣ３２）；
辽宁省高校创新团队支持计划 （２００７Ｔ１０３）。
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２０１１－０５－０１． Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＬＩ Ｐｉｎｇ，ｌｉｐｉｎｇ＠ｌｎｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｔｅｍ：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ Ｌｉａｏｎｉｎｇ
被控变量。它经常受到干燥器切换、燃料变化和原
料组分变化等干扰的影响，且有些因素是随机的、
不可控的。 设 计 炉 管 平 均 ＣＯＴ 温 度 先 进 控 制 器，
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。对烃进料流
量 （也反 映 了 ＤＳ 流 量）、 炉 膛 温 度 等 可 测 的 干 扰
Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ Ｔａｌｅｎｔｓ ｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （２００８ＲＣ３２）ａｎｄ ｔｈｅ Ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ Ｃｒｅａｔｉｖｅ Ｔｅａｍ ｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ （２００７Ｔ１０３）．
第８期
李平等：乙烯裂解炉先进控制系统开发与应用
管结焦程度相同，延长炉管使用寿命和清焦周期。
然而裂解炉尽管内部各组进料炉管和燃料烧嘴是按
几何对称布置的，但往往因各个烧嘴燃料以及送风
量等不均衡，而出现 “偏 火”， 进 而 致 使 各 组 进 料
在炉内吸收热量不均衡，最终导致各组进料的出口
Байду номын сангаас
温度不平衡。
各组进料炉管出口温度通常靠操作工改变各组
进料流量 来 调 整， 但 生 产 要 求 总 进 料 流 量 保 持 常
中 图 分 类 号 ：ＴＰ ２７３ 文 献 标 志 码 ：Ａ
文章编号：０４３８－１１５７ （２０１１）０８－２２１６－０５
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｈｅａｔｅｒｓ