eFAS技术在乙烯裂解炉的应用*

汪志成,武传朋,苟成冬

(1.中韩(武汉)石油化工有限公司,湖北武汉 430000 2.中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104)

0 前言

乙烯产量已成为衡量国家石油化工发展水平的重要指标,乙烯工业的蓬勃发展带动整个以石油为原料的石油化工行业的快速发展[1,2]。乙烯裂解炉是乙烯生产装置的核心,决定整个乙烯装置的生产能力、平稳生产和总体能耗,乙烯裂解炉控制品质的好坏将直接影响整个装置的安全平稳运行[3-5]。先进控制技术(APC)以工艺控制方案分析和数学模型计算为核心,实现过程控制优化和工艺卡边操作,提高装置自动化水平[6]。因此,乙烯装置采用先进控制技术是挖掘装置内在潜力、降低能耗,提升装置安全平稳运行水平的重要手段。

乙烯装置实际生产过程中原料较为复杂,主要体现为原料轻质化和多样化。轻油炉原设计以石脑油为主,仅短暂作为气体炉清焦时气体原料裂解备用炉,但目前长期裂解液化石油气(LPG),同时由于原料供应紧张造成裂解炉频繁切换原料,因此运行周期较短,为保证装置满负荷生产,实际工况为8台裂解炉同时运行,无备用裂解炉。裂解炉负荷调整会对系统造成不同程度的波动,尤其是压缩机组,因吸入压力变化较大造成系统频繁波动[7],威胁生产过程的安全。同时裂解炉频繁切换,造成裂解炉出口温度(COT)等关键操作变量波动大,影响装置安全、平稳运行。针对这一问题,2016年某石化乙烯装置引进韩国自动投退料及烧焦APC系统——eFAS系统,以改善裂解炉切换时的平稳性。

1 乙烯装置和eFAS技术简介

1.1 乙烯装置概述

某石化乙烯装置原设计年产乙烯80×104t,分为8台裂解炉,其中1台 CBL-R 循环气体裂解炉(简称乙烷炉),设计裂解原料为乙烷,裂解深度(乙烷转化率)为65%,实际操作原料为装置自产的循环乙烷和循环丙烷,以及来自炼厂的LPG和C3的混合物;5台CBL-V型轻液体原料裂解炉(简称轻油炉),设计裂解原料为石脑油(NAP),裂解深度(丙烯/乙烯)为0.51;2台CBL-V型重液体原料裂解炉(简称重油炉),设计裂解原料为加氢尾油(HVGO)和石脑油。现对装置进行扩能(110×104t/a)改造,新增2台裂解炉:一台裂解炉以裂解气体原料LPG为主,并可作为乙烷炉的备用炉,兼顾裂解石脑油;另一台裂解炉为CBL-IX 型炉,裂解原料为 NAP、HVGO、AGO(常压瓦斯油)。

1.2 eFAS技术简介

裂解炉自动投退料及烧焦APC系统是引进韩国的一项新技术——eFAS技术,该技术首先建立裂解炉负荷、温度、稀释蒸汽及烧焦空气等关键参数控制模型,然后结合裂解炉切换标准操作编写控制程序,实现各关键参数的程序化控制,以达到各参数平稳缓慢变化的目的。该项技术的应用可以降低投退料操作时负荷变化导致的系统波动及对机组的冲击,提高裂解炉运行效率,同时节省物耗,发挥原料的最大效益,提升装置的安全平稳运行水平。

该技术主要具备以下4个功能,分别是裂解炉自动投退料、自动烧焦、负荷自动调整及COT自动调整。其中裂解炉投退料与COT调整程序可以同步进行,也可以分开使用,具有较好的灵活性。

2 eFAS技术在乙烯装置的应用

2.1 裂解炉自动投退料

eFAS技术的自动投退料功能主要是在设定时间内同时完成2台裂解炉之间的切换工作。由于裂解炉投退料对切操作复杂,因此在裂解炉切换时人工操作易导致裂解气压缩机吸入压力波动,气液相负荷变化较大,切换时间较长的问题。eFAS技术自动投退料功能可以减小装置负荷波动带来的影响,起到安全控制的作用。

开始进行自动投退料功能时,首先在自动投退料功能界面将需要切出的裂解炉改为“退料”模式,需要投料的裂解炉改为“进料”模式,一般情况下切换时间设定为45 min,但切换时间可根据装置实际加工负荷和工艺要求的投退料速率范围进行设定。投料负荷变化速率或退料负荷变化速率一般要求维持在800～1 200 (kg/h)/min范围内。切换时间设定完毕后检查投用裂解炉的状态,然后在裂解炉参数设定界面设定目标负荷、目标稀释比及投退料裂解炉目标COT。

程序设定完毕后,将裂解炉控制器由“自动”模式切至“程序”模式,然后点击“切换开始”按钮,裂解炉开始进入正常的切换流程。切换过程中若遇到意外情况发生,只需将控制器切出“程序”模式即可暂停。待故障处理完毕后,恢复控制器至“程序”模式,程序仍会继续进行直至裂解炉切换完成。

裂解炉切换过程在运行初始阶段可以在低流量下进行手动控制,当各组流量稳定后程序切换为自动控制继续运行,负荷增加过程中可根据各组温差来自动调整各组流量,维持各组温度平均。同时在程序运行过程中遇到故障时可暂停投料,或改为手动控制进行手动投料操作。裂解炉的生产负荷控制,当某组炉管的进料量因温度均衡控制而改变后,可通过自动调整其它几组炉管烃进料量控制模块的设定值,将其改变的流量再分配到另外的炉管进料中予以补偿。总负荷控制采用非线性控制方法,为了减弱总进料量变化对炉管出口温度的影响,实现总负荷的稳定有效控制,采取了小偏差时减弱总负荷控制器的控制作用,大偏差时加强控制器的控制作用的策略。

2台炉切换过程负荷变化曲线如图1所示。由图1可知,在执行投退料操作时,eFAS技术负荷自动调整程序能稳定地维持总体负荷不变,2台裂解炉负荷呈线性调整,负荷变化曲线平顺无波动,呈线性稳定增加或减小,所以eFAS技术实现了2台裂解炉负荷的平稳切换,保障了系统的安全稳定。

图1 2台裂解炉切换过程负荷变化曲线

2.2 裂解炉自动烧焦

自动烧焦程序是在设定时间内自动完成裂解炉烧焦工作。该功能具有较强灵活性,可根据实际需求自行设定不同炉型、不同步骤的烧焦时间。不同炉型的结焦量、结焦类型存在差异,因此烧焦时间不同。一般而言,重油炉焦层比轻油炉焦层相对较厚,因此重油炉的烧焦时间更长,在自动烧焦模块中需设定更长的烧焦时间。裂解炉烧焦完毕后点击烧焦界面“烧焦结束”按钮,可结束烧焦程序,然后系统自动进入蒸汽热备状态。

蒸汽-空气烧焦过程总体表现为放热,空气中的氧与焦炭剧烈反应并放出大量的热量,因此空气量的微小变化会对炉管壁温产生剧烈的影响,所以清焦过程中要严格控制空气的流量,特别在清焦初期控制空气流量将更为重要。当炉管出现热斑时,应通过减少空气流量﹑增加稀释蒸汽注入量或降低炉管出口温度的方式进行调节。

以加氢尾油裂解炉烧焦为例,烧焦曲线如图2所示。由图2可知,烧焦时长约38 h,稀释蒸汽和烧焦空气呈现“此消彼长”的状态,减少手动操作对稀释蒸汽及烧焦空气的调整,在保证烧焦质量的同时可以减少操作人员的劳动强度。配合CO/CO2在线监测,可以监控烧焦过程的剧烈程度,根据烧焦的剧烈程度对COT进行调整,控制COT在700～800 ℃范围内,避免反应太过剧烈损坏炉管。不同炉型的烧焦时间并不一致,一般情况下,气体炉和轻油炉烧焦完成时间在24 h左右,但根据裂解炉运行时间长短可以适当缩减各步骤烧焦时间,进行快速烧焦。

图2 加氢尾油裂解炉烧焦曲线

裂解炉在执行烧焦程序时,稀释蒸汽量和烧焦空气量可按照预先设定的烧焦步骤进行,COT可根据需要单独调整。实际运行过程中,裂解炉易出现各组COT难以调整平均的情况,因此对裂解炉整体COT的手动干预十分必要。通过调整裂解炉各组COT,可以保障每组炉管烧焦时间充足。最后通过采样分析裂解炉出口尾气中CO2和CO的含量来确定烧焦过程是否结束。一般手动烧焦时间约72 h,采用自动烧焦,烧焦时长降至40 h以内,烧焦时长大大缩短,装置生产运行效率明显提高。

2.3 裂解炉负荷自动调整

负荷自动调整是指裂解炉在运行过程中,加工负荷需要大幅调整时,同时进行多台裂解炉的负荷自动增减工作。该功能可作为单台裂解炉退出或投用时负荷调整使用,提高裂解炉负荷调整效率。

裂解炉负荷自动调整功能最大的应用体现在整体裂解炉负荷不变的工况下,单台裂解炉投用或切出。单台裂解炉的投用或切出会导致其他6～7台裂解炉的负荷发生变化,一般情况下,每台裂解炉会出现5～10 t的负荷调整。裂解炉负荷调整过程,裂解深度、炉膛燃烧情况以及COT等都会出现不同程度的变化,稍有不慎就会引起系统波动,甚至产品不合格。因此,负荷自动调整能实现裂解炉切换的同时,负荷同步调整到目标值,避免COT及系统波动,减少物料损失,提高装置安全平稳化运行。

单台裂解炉手动投料和自动投料负荷变化曲线如图3所示。由图3可知,裂解炉自动投料初始阶段,在低流量下进行手动控制,当各组流量稳定后程序自动控制继续运行,与手动投料相比,自动投料负荷呈线性稳定增加,负荷变化曲线平顺且波动小,达到预定值后,负荷保持平稳。同时发现,自投料开始至投料完成,裂解炉手动投料过程用时约80 min,自动投料过程用时约50 min,裂解炉自动投料与手动投料相比,投料时间缩短30 min,提高了装置生产运行效率。

图3 裂解炉手动投料与自动投料负荷变化曲线

2.4 裂解炉COT自动调整

裂解炉操作控制是对进料流量、稀释蒸汽流量、燃料流量和COT的控制,COT是裂解炉运行中最重要的参数,但最终目标是控制转化率。

一般情况下,操作人员过度依赖经验,当热电偶运行稳定,裂解气在线分析仪测量误差较大时,容易使操作员把COT作为最终控制目标。测量COT的热电偶一般在较为苛刻的条件下工作,由于老化或金属氧化性的逐渐变化,且变化速度不一致,使测量精度发生改变或改变不一致,最终将影响乙烯产量、收率和裂解炉清焦周期。因此实际生产中会结合裂解深度调整相应的COT。

COT自动调整是指在设定时间内调整裂解炉COT的变化,此功能主要适用于一台或多台裂解炉的COT调整。裂解炉COT自动调整可以减少手动调整时带来的升温速率问题,同时还可以在较大区间内多次设定目标值进行调整,所以可以使裂解炉升降温在特定区间内变化更加平缓,对系统冲击更小。图4是裂解炉COT手动调整和自动调整变化曲线。由图4可知,裂解炉COT手动调整过程,COT曲线呈现较大幅度波动;裂解炉COT自动调整过程,COT曲线平顺且波动小,裂解炉安全平稳运行性能增加。同时可以发现COT自动调整与手动调整相比,调整用时更少,调整效率更高。

图4 裂解炉COT手动调整和自动调整变化曲线

3 技术应用效果

以H-006裂解炉为例,取相同时间段内,eFAS技术投用前后,手动烧焦与自动烧焦程序进行比较,eFAS技术投用前后烧焦过程物料消耗如表1、表2所示。由表1、表2可知,自动烧焦与手动烧焦相比,燃料气、稀释蒸汽、烧焦风等物料消耗均降低,手动烧焦过程消耗物料总价约69.7万元,自动烧焦过程消耗物料总价约62.4万元,平均一次切换烧焦过程节约物料成本约7.3万元,按照全年烧焦50次计算,累计节约成本约365万元,提高了装置经济效益。

表1 eFAS技术投用前烧焦过程物料消耗

表2 eFAS技术投用后烧焦过程物料消耗

以H-006裂解炉为例,eFAS技术投用前后,手动烧焦与自动烧焦程序能耗如表3所示。收率均按35%乙烯计算,由表3可知,eFAS技术投用后,自动烧焦能耗比手动烧焦相比,折算降低能耗约66 kg标油/tC2H4,大大降低了装置能耗。

表3 eFAS技术投用前后烧焦过程能耗

4 结论

eFAS技术是一种高效的裂解炉自动投退料及烧焦的APC系统。采用eFAS技术后,COT控制曲线更为平滑、裂解炉负荷呈线性调整,无大范围波动,装置安全平稳运行性能增加。

在使用该系统后,以单次切换烧焦过程节约的物料成本计算,预估全年累计节约成本总额约365万元,提高了装置经济效益。同时,eFAS技术投用后,降低装置能耗约66 kg标油/tC2H4。

综上所述,裂解炉自动投退料及烧焦的eFAS系统可有效提高裂解炉的使用效率,增强企业对裂解炉的安全控制,显著降低裂解炉烧焦过程物耗能耗,实现了低碳、安全、高效生产,具有良好的应用前景。