乙烯裂解炉自动烧焦专家控制系统的开发与应用

智茂轩 蒋明敬 陆向东 朱 伟 赵 众 陈德坤

（1.中石化镇海炼化分公司； 2.北京化工大学信息科学与技术学院）

乙烯作为石油化工行业最重要的单体之一，在全世界有着巨大的需求量和生产量，乙烯的产能也成为衡量一个国家经济发展水平的重要指标。 目前，世界上广泛使用的乙烯生产技术主要分为管式裂解炉蒸汽热裂解法和深冷分离法两种，其中采用管式裂解炉蒸汽热裂解法制取乙烯占到了乙烯总产量的98%以上。

在管式裂解炉蒸汽热裂解法的生产过程中，裂解原料和水蒸气相互混合，经过管式裂解炉对流段的预热后，在辐射段发生脱氢反应或碳链断裂反应，并产生大量烯烃。 反应过程中还同时有其他重要石油化工原料产生，如苯、甲苯、二甲苯、乙炔及丁二烯等。 在裂解炉辐射段炉管内，裂解反应需要较高的反应温度，同时伴随发生副反应。 在裂解过程中会发生聚合、缩合等二次反应，导致裂解炉炉管内壁上附着一层焦炭，影响后续生产过程，此过程即为结焦［1，2］。 由于我国石油原料中轻烃组分含量较低，在裂解过程中结焦现象尤为严重。 管式裂解炉的生产周期分为裂解和清焦两个阶段。 在裂解阶段，结焦会导致裂解炉炉管内壁逐渐沉积一层焦炭，使裂解炉炉管内径减小，裂解装置处理量降低；焦炭厚度逐渐累积会使炉管热阻增强并且降低传热效率。 这些直接导致乙烯装置的产量降低和能耗增加， 缩短乙烯装置的生产周期， 甚至会影响安全生产。 因此， 在裂解炉炉管内壁焦炭累积到一定厚度时必须停产清焦［3］。 裂解过程和乙烯产品的质量与产量相关，而清焦过程则关系着乙烯装置的停产时间，影响乙烯装置的生产周期。 在清焦过程中，过长的持续时间和过高的清焦温度都会降低裂解炉管壁的使用寿命，增加能源消耗，甚至有烧穿炉管壁的风险，对乙烯装置造成不可逆转的损害，威胁整个生产过程的安全。 因此，在保证操作安全的情况下，尽可能地优化清焦过程，降低能耗和生产成本，增加裂解炉的生产周期，提高装置生产操作管理水平等，具有十分重大的研究意义和广阔的发展空间［4］。

1 管式裂解炉清焦技术

近年来，管式裂解炉蒸汽热裂解技术在乙烯生产中广泛应用，但乙烯裂解炉清焦技术却一直没有重大突破［5］。目前，乙烯裂解炉主要有4 种清焦工艺：蒸汽清焦法［6］、蒸汽-空气清焦法、水力或机械清焦法和催化清焦法。

蒸汽-空气清焦法是目前使用最为广泛的裂解炉清焦工艺， 也是本项目所采用的清焦方法。蒸汽-空气清焦法通过在清焦气中加入空气，减少稀释蒸汽的方法提高清焦过程的温度。 乙烯裂解炉的清焦过程主要受空气流量影响，清焦空气与稀释蒸汽在裂解炉炉管内混合，清焦过程中空气中的氧气与炉管壁沉积的焦炭反应，完成裂解炉炉管的清焦过程［5］。该工艺具有操作简单、易于控制及清焦速度快等优点。 使计算机控制可以应用于清焦过程，为裂解炉在线自动清焦控制系统的设计与开发提供了工艺基础。 蒸汽-空气清焦法主要发生的化学反应如下：

蒸汽-空气清焦法控制参数趋势如图1 所示。

图1 蒸汽-空气清焦法控制参数趋势

2 工业裂解炉自动烧焦专家控制系统

2.1 系统结构

中石化镇海炼化分公司烯烃部的BA104 管式裂解炉采用Honeywell PKS 系统， 针对BA104管式裂解炉设计的自动烧焦控制系统结构如图2所示。

2.2 自动烧焦方案

2.2.1 基础回路PID 控制器性能评价与优化

裂解操作炉管中进行的是石脑油等原料的裂解过程，而烧焦操作炉管中进行的则是焦炭的燃烧过程。 裂解炉由裂解切换到烧焦时，所用基础回路的控制器是相同的，但是回路的对象特性已经改变，所以基础回路需要进行控制器性能评价与优化整定，使得后续在线控制器的控制方案能够很好地执行。

图2 自动烧焦控制系统结构示意图

2.2.2 基于专家控制的自动烧焦系统

专家控制系统是一类包含知识和推理的智能计算机程序，其内部含有大量专家水平的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理问题。 本项目采用的专家控制器由知识库（KB）、控制规则集（CRS）、推理机（IE）和特征识别与信息处理 （FR＆IP）4 部分组成， 如图3所示。

自动烧焦知识库用于存放工业过程控制领域的知识，由经验数据库（DB）、学习与适应装置（LA）组成。经验数据库主要存储烧焦经验和数据集；学习与适应装置的功能是根据在线获取的裂解炉出口温度 （Coil Outlet Temperature，COT）信息，补充或修改知识库内容，改进烧焦系统的性能，进而提高问题的求解能力。

自动烧焦专家控制器的知识库用产生式规则建立，这种表达方式有较高的灵活性，每条产生式规则都可独立地增删、修改，使知识库的内容便于更新。

控制规则集是对烧焦对象的各种控制模式和经验的归纳、总结。 由于规则条数不多，搜索空间很小，推理机构就十分简单。 本项目采用正向推理方法逐次判别各种规则的条件， 满足则执行，否则继续搜索。

图3 自动烧焦专家控制器结构框图

特征识别与信息处理模块的作用是实现对COT 检测信息的提取与加工，为烧焦控制决策和学习适应提供依据，它主要抽取COT 动态过程的特征信息，识别系统的工况状态，并对特征信息做必要的计算和分析。

自动烧焦专家控制器的被控变量为60 根炉管的COT 升温斜率；操纵变量为蒸汽流量控制回路设定值、空气流量控制回路设定值和COT 设定值。

2.3 系统开发

基于图3 的自动烧焦专家控制器结构， 开发了基于DCS 顺控逻辑的自动烧焦专家控制系统。裂解炉自动烧焦专家控制系统的功能是实现裂解炉的自动烧焦，其过程包括启动前检查、COT 温度要求判定、 启动自动烧焦启发式规则和手/自动切换， 同时设置状态显示按钮表明烧焦过程所处状态。 裂解炉自动烧焦专家控制系统的主控操作界面、 系统启动检查操作界面和系统烧焦规则界面分别如图4～6 所示。 为了实现工业数据的保密，笔者将实际数据隐藏，但趋势是真实的。

图4 系统主控操作界面

图5 系统启动检查操作界面

图6 系统烧焦规则界面

3 工业应用

3.1 基础回路PID 控制器性能评价与优化

利用CPA 控制器性能评估软件［7］对BA104管式裂解炉的烧焦基础回路进行了性能评价，评价汇总如图7 所示，详细的分回路计算如图8～11所示。 从评价结果可以看出，烧焦基础回路运行良好，仅需对空气回路进行PID 参数微调。

图7 BA104 管式裂解炉的烧焦基础回路控制性能评价

图8 BA104 管式裂解炉的蒸汽回路控制性能评价

图9 BA104 管式裂解炉的空气回路控制性能评价

3.2 自动烧焦控制结果

乙烯裂解炉自动烧焦专家控制系统在中石化镇海炼化分公司烯烃部的BA104 管式裂解炉上应用，BA104 管式裂解炉的烧焦专家控制器蒸汽和空气输出如图12 所示，COT 控制效果如图13 所示。

图10 BA104 管式裂解炉的COT 回路控制性能评价

图11 BA104 管式裂解炉的燃料气回路控制性能评价

图12 BA104 管式裂解炉烧焦专家控制器蒸汽和空气输出

图13 BA104 管式裂解炉烧焦专家控制器COT 控制结果

从实际应用结果可以看出，COT 变化平稳，没有大幅跳变。 该系统的投运，保证了烧焦过程的安全进行。

4 结束语

针对中石化镇海炼化分公司烯烃部的BA104 管式裂解炉的生产现状、存在的问题及其需求， 设计实现了基于蒸汽-空气清焦法的裂解炉自动烧焦专家控制系统，并设计了适合于工业应用的自动烧焦控制软件。 实际应用表明：从人工手动烧焦升级为基于专家控制的自动烧焦技术，实现了操作的规范化，降低了生产操作的波动，保证了操作的安全，为下一步实现快速烧焦奠定了基础。 该系统的开发与应用，为实现工业裂解炉自动烧焦提供了一条新的有效途径。