COT 温度先进控制在乙烯裂解炉中的应用

谢 磊 员 鑫

（中国石油兰州石化公司电仪事业部）

按照中国石油关于塔里木和长庆油田乙烷、液化气和轻烃资源利用方案的要求，在产能不变的前提下，对某乙烯装置进行恢复性改造，将原有的6 台年产2 万吨乙烯KBR 毫秒炉更换为3台年产4 万吨的轻质裂解炉，裂解原料采用长庆天然气轻烃回收厂分离出的液化石油气。 裂解炉是乙烯装置的关键设备，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。 随着节能降耗任务的日趋紧迫，相关企业近年来积极开展裂解炉节能降耗的攻关，采取了一系列措施，效果明显［1］。 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，采取先进控制技术，优化裂解炉操作， 能够很好地提高乙烯和丙烯收率，使乙烯装置生产能耗明显下降。 因此， 充分利用DCS 与计算机的优势，运用现代控制技术，有针对性地开发APC 先进控制和优化系统，对充分发挥现有生产装置的运行潜力， 有效实现增产、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［2］。

1 裂解炉工艺简介

中国寰球工程有限公司的HQF-L Ⅱ型裂解炉的结构主要分为对流段和辐射段两部分。 裂解炉为单辐射室，全部采用底部烧嘴，辐射炉管为两程， 炉管内壁设有中国寰球工程有限公司的专利产品强化传热元件，提高传热效率和选择性，降低结焦倾向，延长清焦周期，辐射段炉管强度计算按照API 530 进行，炉管的设计寿命为100 000h。

裂解炉对流段由上至下，各盘管依次为原料预热Ⅰ段、省煤器、原料预热Ⅱ段、DS 过热段、高压蒸汽过热Ⅰ段、 高压蒸汽过热Ⅱ段和HC+DS段。 在原料预热单元预热后的气相轻烃（LPG）进入裂解炉对流段的原料预热Ⅰ段和Ⅱ段预热，经过两段原料预热后的LPG，再与过热后的稀释蒸汽混合进入HC+DS 段。 在辐射段炉管反应后出来的裂解气首先进入裂解气急冷换热器，与来自汽包的锅炉给水换热迅速冷却并副产高压蒸汽，再在裂解气第二急冷换热器经高压锅炉给水冷却到235℃后进入急冷单元。 经对流段省煤器预热后的锅炉给水进到裂解气第二急冷换热器进一步预热，预热后进入汽包，汽包与裂解气急冷换热器形成热虹吸系统，产生的高压蒸汽经汽包分液后进入对流段高压蒸汽过热Ⅰ段，过热后的蒸汽经减温器降温后再进入高压蒸汽过热Ⅱ段，由减温器控制高压蒸汽的最终出口温度。

2 乙烯裂解炉先进控制

2.1 裂解炉COT 控制方案

以F110 裂解炉为例， 介绍先进控制方案的设计与实施。 裂解炉炉膛辐射段出口有PASS1A、PASS3A 两部分，其出口共有48 个COT 测量点，通过控制裂解炉炉管的进料和进裂解炉燃料气的流量，实现COT 温度稳定控制的目的。 裂解炉采用立管式双面辐射，每台裂解炉有两组进料通道PASS1A 和PASS3A，每组24 根炉管，共计48根炉管，每根炉管出口安装一支K 型贴壁式双支热电偶， 通过计算PASS1A 和PASS3A 通道上的平均温度来进行COT 温度的实际控制。COT 平均温度T 的计算公式为：

式中 Ti——第i 根炉管的温度，℃。

裂解炉炉管平均COT 是裂解炉最关键的被控变量，通过COT 温度先进控制器，增强控制回路的抗扰动能力，缩短对其设定值变化的动态响应过程，并提高控制精度［3］。COT 温度先进控制系统在辐射段共采用3 个COT 控制器，根据所选通道，采用不同的控制器进行COT 控制。 而不同于其他裂解炉先进控制方式的是，又增加了两个不同的模式转换，分别是压力控制模式和流量控制模式，根据实际工况要求，采用不同的COT 控制器和控制模式，能有效抑制干扰，最大化地提高系统运行的稳定性。 COT 控制框图如图1 所示。

图1 COT 控制框图

2.2 炉膛盘管出口温度控制

该年产24 万吨乙烯项目基于裂解炉进料配置，实现炉膛盘管出口温度控制功能。 为了实现对炉膛辐射段出口温度的有效控制，以裂解炉的4 组轻烃进料FIC11106、11206、11306、11406 作为前馈， 给COT 控制器输出一个先进补充信号，以提前增大或降低燃烧量。通过在DCS 上对选择开关HS-11030A 进行相应设置，由操作人员选择不同的控制模式（共3 种通道切换模式），裂解炉的两组进料PASS1A 和PASS3A 对应进料控制会自动根据COT 温度控制系统进行调节。

2.2.1 复杂控制回路构成说明

每台裂解炉炉膛的COT 独立控制， 炉膛由PASS1A 和PASS3A 两部分组成。 每部分都有24个温度检测点， 根据24 个温度测量值求得各自的COT 平均温度。

TY11115 代表PASS1A 的24 个测温点的平均值；TY11315 代表PASS3A 的24 个测温点的平均 值；TY11327 是 对TY11115 和TY11315 两 个值进行再次平均计算出的平均值。

PASS1A 和PASS3A 共48 个测温点的平均值为TY11327。 TIC11126 为PASS1A 的COT 控制器，其输出作为PASS1A 进料流量控制器的设定值；TIC11326 为PASS3A 的COT 控制器，其输出作为PASS3A 进料流量控制器的设定值。

炉膛辐射段出口的48 个炉管出口温度测点的平均值作为TIC11327 的测量值， 控制器的输出作为炉膛燃料流量的热值控制器的设定值。

FHS-11011 为炉膛的COT 控制模式选择开关，通过选择不同的模式COT 将采用不同的控制方式。 FIC11106 和FIC11306 是PASS1A 的进料流量控制器，FIC11206 和FIC11406 是PASS3A的进料流量控制器。

FIC11011 为进炉膛的燃料气流量控制器。PIC11011A 为进炉膛的燃料气压力高超驰控制器。 PIC11011B 为进炉膛的燃料气压力低超驰控制器。PIC11011C 为进炉膛的燃料气压力控制器。整个复杂回路有48 个温度检测点、4 个流量检测点、6 台调节阀、13 个调节器、5 个切换开关和2个高低选择开关。

2.2.2 COT 先进控制方案的实现

HS-11030A 选择位置1。 PASS1A 被选中，通道一COT 控制器TIC11126 的输出值作为流量控制器FIC11011 的给定值， 通过串级控制来调节燃料气流量设定值。 而PASS3A 的COT 控制器TIC11326 与流量控制器FIC11306 和FIC11406进行串级控制， 调节通道三进料流量的设定值，同时PASS1A 的进料流量控制器FIC11106 和FIC11206 进入自动调节模式。

HS-11030A 选择位置2。 PASS3A 被选中，通道三COT 控制器TIC11326 的输出值作为流量控制器FIC11011 的给定值， 通过串级控制调节燃料气流量设定值。 而PASS1A 的COT 控制器TIC11126 与流量控制器FIC11106 和FIC11206进行串级控制， 调节通道一进料流量的设定值，同时PASS3A 的进料流量控制器FIC11306 和FIC11406 进入自动调节模式。

HS-11030A 选择位置3。 PASS1A 和PASS3A通道都被选中， 炉膛平均值COT 控制器TIC11327 的测量值是通过 TIC11126 和TIC11326 的平均值再次平均， 通过流量控制器FIC11011 调节燃料气流量。通道一和通道三的进料流量控制器都被打到自动模式。

2.2.3 热量控制

根据FHS-11011 控制模式选择开关，模式开关置1 时， 通过HS-11030A 选择开关选择TIC11126 或TIC11326 或TIC11327 相对应的温度控制器串级控制FIC11011； 模式开关FHS-11011 置2 时， 通过PIC11011A/B/C 燃料气压力控制器调节燃料气流量设定值。

PIC11011A 是一个燃料气压力高超驰控制器。 当燃料气压力比允许的极限值（300kPa）高时，PIC11011A 将通过低信号选择器PY-11011A来控制阀门FV-11011A/B，降低燃料气流量。

PIC11011B 是一个燃料气压力低超驰控制器。 当燃料气压力比允许的极限值（10kPa）低时，PIC11011B 将通过高信号选择器PY-11011B 来控制阀门FV-11011A/B 增加燃料气流量。

FY-11011C 和FY-11011D 是FHS-11011 的分程输出功能块。 如图2 所示，FY-11011C 将输入的25%～100%转换成0%～100%的输出值发送给FV-11011A。 FY-11011D 将输入的0%～25%转换成0%～100%的输出值发送给FV-11011B。

图2 F110 裂解炉燃料气分程控制

3 裂解炉COT 控制在DCS 上的实施

乙烯3 台裂解炉DCS 主要是利旧原横河CS3000 系统的FCS01 和FCS02 两台控制站改造，为了满足先进控制技术的应用，每台裂解炉配置1 台PC 机作为操作员站，为乙烯装置裂解炉先进控制系统提供计算运行环境。 操作员站与工程师站建立以太网实现通信连接，进行数据传送［4］。

F110 裂解炉COT 控制的部分逻辑如图3 所示。

图3 F110 裂解炉COT 温度控制逻辑框图（部分）

无论裂解炉COT 控制采用哪种通道模式，一旦裂解炉触发SD-1 联锁 （此时裂解炉仅切断进料）， 系统程序会自动将控制模式切换到模式3，即 HS-11030A 选 择 位 置 3，COT 控 制 器TIC11126、TIC11326、TIC11327 会自动调节DCS的PID 块，使之进入自动控制模式，同时将COT设定值给定为820℃， 调节阀将根据偏差值自动进行调节［5］。

4 结束语

COT 先进控制方案在乙烯裂解炉中实施，结合实际运行情况，选择不同的控制模式，极大地提高了COT 的控制效果，提高了控制精度和平稳性，增强了回路的抗干扰能力，从而进一步保证了乙烯和丙烯产品的收率及其合格率，经济效益显著提升，而且节能降耗效果明显，延长了装置的生产周期，实现了低碳、安全、高效生产，为进一步优化控制奠定了良好的基础。