乙烯裂解爐自動燒焦專家控制系統的開發與應用

智茂軒 蔣明敬 陸向東 朱 偉 趙 眾 陳德坤

（1.中石化鎮海煉化分公司； 2.北京化工大學信息科學與技術學院）

乙烯作為石油化工行業最重要的單體之一，在全世界有著巨大的需求量和生產量，乙烯的產能也成為衡量一個國家經濟發展水平的重要指標。 目前，世界上廣泛使用的乙烯生產技術主要分為管式裂解爐蒸汽熱裂解法和深冷分離法兩種，其中采用管式裂解爐蒸汽熱裂解法制取乙烯占到了乙烯總產量的98%以上。

在管式裂解爐蒸汽熱裂解法的生產過程中，裂解原料和水蒸氣相互混合，經過管式裂解爐對流段的預熱后，在輻射段發生脫氫反應或碳鏈斷裂反應，并產生大量烯烴。 反應過程中還同時有其他重要石油化工原料產生，如苯、甲苯、二甲苯、乙炔及丁二烯等。 在裂解爐輻射段爐管內，裂解反應需要較高的反應溫度，同時伴隨發生副反應。 在裂解過程中會發生聚合、縮合等二次反應，導致裂解爐爐管內壁上附著一層焦炭，影響后續生產過程，此過程即為結焦［1，2］。 由于我國石油原料中輕烴組分含量較低，在裂解過程中結焦現象尤為嚴重。 管式裂解爐的生產周期分為裂解和清焦兩個階段。 在裂解階段，結焦會導致裂解爐爐管內壁逐漸沉積一層焦炭，使裂解爐爐管內徑減小，裂解裝置處理量降低；焦炭厚度逐漸累積會使爐管熱阻增強并且降低傳熱效率。 這些直接導致乙烯裝置的產量降低和能耗增加， 縮短乙烯裝置的生產周期， 甚至會影響安全生產。 因此， 在裂解爐爐管內壁焦炭累積到一定厚度時必須停產清焦［3］。 裂解過程和乙烯產品的質量與產量相關，而清焦過程則關系著乙烯裝置的停產時間，影響乙烯裝置的生產周期。 在清焦過程中，過長的持續時間和過高的清焦溫度都會降低裂解爐管壁的使用壽命，增加能源消耗，甚至有燒穿爐管壁的風險，對乙烯裝置造成不可逆轉的損害，威脅整個生產過程的安全。 因此，在保證操作安全的情況下，盡可能地優化清焦過程，降低能耗和生產成本，增加裂解爐的生產周期，提高裝置生產操作管理水平等，具有十分重大的研究意義和廣闊的發展空間［4］。

1 管式裂解爐清焦技術

近年來，管式裂解爐蒸汽熱裂解技術在乙烯生產中廣泛應用，但乙烯裂解爐清焦技術卻一直沒有重大突破［5］。目前，乙烯裂解爐主要有4 種清焦工藝：蒸汽清焦法［6］、蒸汽-空氣清焦法、水力或機械清焦法和催化清焦法。

蒸汽-空氣清焦法是目前使用最為廣泛的裂解爐清焦工藝， 也是本項目所采用的清焦方法。蒸汽-空氣清焦法通過在清焦氣中加入空氣，減少稀釋蒸汽的方法提高清焦過程的溫度。 乙烯裂解爐的清焦過程主要受空氣流量影響，清焦空氣與稀釋蒸汽在裂解爐爐管內混合，清焦過程中空氣中的氧氣與爐管壁沉積的焦炭反應，完成裂解爐爐管的清焦過程［5］。該工藝具有操作簡單、易于控制及清焦速度快等優點。 使計算機控制可以應用于清焦過程，為裂解爐在線自動清焦控制系統的設計與開發提供了工藝基礎。 蒸汽-空氣清焦法主要發生的化學反應如下：

蒸汽-空氣清焦法控制參數趨勢如圖1 所示。

圖1 蒸汽-空氣清焦法控制參數趨勢

2 工業裂解爐自動燒焦專家控制系統

2.1 系統結構

中石化鎮海煉化分公司烯烴部的BA104 管式裂解爐采用Honeywell PKS 系統， 針對BA104管式裂解爐設計的自動燒焦控制系統結構如圖2所示。

2.2 自動燒焦方案

2.2.1 基礎回路PID 控制器性能評價與優化

裂解操作爐管中進行的是石腦油等原料的裂解過程，而燒焦操作爐管中進行的則是焦炭的燃燒過程。 裂解爐由裂解切換到燒焦時，所用基礎回路的控制器是相同的，但是回路的對象特性已經改變，所以基礎回路需要進行控制器性能評價與優化整定，使得后續在線控制器的控制方案能夠很好地執行。

圖2 自動燒焦控制系統結構示意圖

2.2.2 基于專家控制的自動燒焦系統

專家控制系統是一類包含知識和推理的智能計算機程序，其內部含有大量專家水平的知識和經驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理問題。 本項目采用的專家控制器由知識庫（KB）、控制規則集（CRS）、推理機（IE）和特征識別與信息處理 （FR＆IP）4 部分組成， 如圖3所示。

自動燒焦知識庫用于存放工業過程控制領域的知識，由經驗數據庫（DB）、學習與適應裝置（LA）組成。經驗數據庫主要存儲燒焦經驗和數據集；學習與適應裝置的功能是根據在線獲取的裂解爐出口溫度 （Coil Outlet Temperature，COT）信息，補充或修改知識庫內容，改進燒焦系統的性能，進而提高問題的求解能力。

自動燒焦專家控制器的知識庫用產生式規則建立，這種表達方式有較高的靈活性，每條產生式規則都可獨立地增刪、修改，使知識庫的內容便于更新。

控制規則集是對燒焦對象的各種控制模式和經驗的歸納、總結。 由于規則條數不多，搜索空間很小，推理機構就十分簡單。 本項目采用正向推理方法逐次判別各種規則的條件， 滿足則執行，否則繼續搜索。

圖3 自動燒焦專家控制器結構框圖

特征識別與信息處理模塊的作用是實現對COT 檢測信息的提取與加工，為燒焦控制決策和學習適應提供依據，它主要抽取COT 動態過程的特征信息，識別系統的工況狀態，并對特征信息做必要的計算和分析。

自動燒焦專家控制器的被控變量為60 根爐管的COT 升溫斜率；操縱變量為蒸汽流量控制回路設定值、空氣流量控制回路設定值和COT 設定值。

2.3 系統開發

基于圖3 的自動燒焦專家控制器結構， 開發了基于DCS 順控邏輯的自動燒焦專家控制系統。裂解爐自動燒焦專家控制系統的功能是實現裂解爐的自動燒焦，其過程包括啟動前檢查、COT 溫度要求判定、 啟動自動燒焦啟發式規則和手/自動切換， 同時設置狀態顯示按鈕表明燒焦過程所處狀態。 裂解爐自動燒焦專家控制系統的主控操作界面、 系統啟動檢查操作界面和系統燒焦規則界面分別如圖4～6 所示。 為了實現工業數據的保密，筆者將實際數據隱藏，但趨勢是真實的。

圖4 系統主控操作界面

圖5 系統啟動檢查操作界面

圖6 系統燒焦規則界面

3 工業應用

3.1 基礎回路PID 控制器性能評價與優化

利用CPA 控制器性能評估軟件［7］對BA104管式裂解爐的燒焦基礎回路進行了性能評價，評價匯總如圖7 所示，詳細的分回路計算如圖8～11所示。 從評價結果可以看出，燒焦基礎回路運行良好，僅需對空氣回路進行PID 參數微調。

圖7 BA104 管式裂解爐的燒焦基礎回路控制性能評價

圖8 BA104 管式裂解爐的蒸汽回路控制性能評價

圖9 BA104 管式裂解爐的空氣回路控制性能評價

3.2 自動燒焦控制結果

乙烯裂解爐自動燒焦專家控制系統在中石化鎮海煉化分公司烯烴部的BA104 管式裂解爐上應用，BA104 管式裂解爐的燒焦專家控制器蒸汽和空氣輸出如圖12 所示，COT 控制效果如圖13 所示。

圖10 BA104 管式裂解爐的COT 回路控制性能評價

圖11 BA104 管式裂解爐的燃料氣回路控制性能評價

圖12 BA104 管式裂解爐燒焦專家控制器蒸汽和空氣輸出

圖13 BA104 管式裂解爐燒焦專家控制器COT 控制結果

從實際應用結果可以看出，COT 變化平穩，沒有大幅跳變。 該系統的投運，保證了燒焦過程的安全進行。

4 結束語

針對中石化鎮海煉化分公司烯烴部的BA104 管式裂解爐的生產現狀、存在的問題及其需求， 設計實現了基于蒸汽-空氣清焦法的裂解爐自動燒焦專家控制系統，并設計了適合于工業應用的自動燒焦控制軟件。 實際應用表明：從人工手動燒焦升級為基于專家控制的自動燒焦技術，實現了操作的規范化，降低了生產操作的波動，保證了操作的安全，為下一步實現快速燒焦奠定了基礎。 該系統的開發與應用，為實現工業裂解爐自動燒焦提供了一條新的有效途徑。