[发明专利]一种用于乙烯裂解炉全运行周期裂解深度控制系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学工程和自动化控制领域，具体而言，涉及一种用于乙烯装置中裂解炉全运行周期裂解深度控制方法，

背景技术

乙烯是一种十分重要的化工原料，乙烯的产量、单套装置的规模和技术水平是衡量一个国家石化工业发展水平的重要标志。目前，烃类的蒸汽热裂解仍是生产乙烯的最主要方法，而乙烯裂解炉作为整个裂解装置的龙头，其操作的平稳性不仅影响乙烯装置的产量和产品质量，还会对下游生产装置的运行产生影响。因此，有效控制乙烯裂解炉的生产运行对整个裂解装置的长期稳定操作起到至关重要的作用。

乙烯收率是裂解炉最重要的操作指标，它主要取决于原料在裂解炉中的裂解深度。裂解深度有两种表示方法：(1)对于液体原料，例如石脑油和加氢尾油，裂解深度可以采用丙烯和乙烯的收率比值或者甲烷和丙烯的收率比值来表示；(2)对于气体原料，例如液化石油气和乙烷，裂解深度可以采用关键组分的转化率来表示。在实际应用中，为了获得一定的乙烯收率，必须将裂解深度控制在适当的范围之内。影响裂解深度的最主要因素是反应温度，反应温度越高，裂解深度越大，因此，大部分乙烯裂解炉均采用盘管出口温度(Coil Outlet Temperature，COT)来表征和控制裂解深度。

乙烯裂解炉通常采用图1所示的方案来控制COT出口温度：COT控制器实时比较COT测量值与设定值之间的关系，并根据比较结果来调整燃料气的流量，从而达到控制COT的目的。这种控制方案不具备裂解深度自动控制功能，操作人员无法直接给定裂解深度的设定值，而是通过设定目标COT值，从而间接控制裂解深度。这种控制方案的最大优点是简单易控，没有复杂的多重控制回路，因此在早期的裂解炉系统中得到广泛应用。它的缺点也显而易见：(1)这种控制方案并不能直接控制裂解深度，如果裂解炉的操作条件发生变化，例如原料性质发生改变或者裂解炉处于清焦末期，但是COT仍然保持在原值附近，那么裂解深度就会发生变化，影响整个装置的产品收率；(2)操作人员可以根据裂解气组分在线分析值以及操作经验来手动改变COT的设定值，从而达到动态调整裂解深度的目的，但是这种操作方法具有很大的滞后性和随机性，不利于裂解炉的稳定运行。

为了能够直接并且准确地控制裂解深度，可以采用图2所示的具有双重控制回路的COT控制方案。在该方案中，增加了一个裂解深度控制器，操作人员可以直接给定P/E(丙烯与乙烯的收率比值)的设定值，或者直接给定乙烯收率的设定值。裂解深度控制器与COT控制器形成串级控制，由裂解深度控制器动态给定COT控制器的设定值，从而令COT控制器可以动态调整裂解炉的COT，达到稳定控制裂解深度的目的。裂解气中各个主要产品的收率由裂解气组分在线分析仪表测量得到，并返回至裂解深度控制器作为对比测量值使用。这种控制方案虽然可以直接控制裂解深度，但是仍然存在很多问题：(1)在线分析仪表通常需要几分钟甚至几十分钟才能分析完一个样品，在此期间，裂解深度控制器无法得到实时有效的在线测量值，这很容易造成整个裂解炉系统运行不稳定；(2)这种控制方案严重依赖在线分析仪表，如果分析仪表发生故障，整个控制方案就会失效，此时必须立即停用裂解深度控制器，回到直接控制COT的模式，有时甚至会造成裂解炉紧急停车。

解决上述问题的一种策略就是尽量减弱控制系统对裂解气组分在线分析仪表的依赖程度，其中的一种方案就是引进一个“裂解深度预测模型”来实时向裂解深度控制器传送裂解深度的在线预测值。图3所示的基于预测模型的裂解深度Smith预估控制方案就是一个很典型的应用实例。该方案中最为核心的组成部分就是裂解深度预测模型，它通常是一种神经元网络模型，可以快速地根据裂解炉的操作参数(例如原料性质、裂解炉负荷、汽烃比、横跨温度、COT等)来计算出主要裂解产品的收率，从而间接求出裂解深度。为了保证预测值的有效性，通常需要根据在线分析仪表的测量值对其进行在线校正，并且在其将结果传递给裂解深度控制器之前进行滤波处理，摒除掉不合理的数据。既然裂解深度控制器是一种神经元网络模型，那么在其投入使用之前，必须对其进行严格有效的训练才行。训练时采用的数据主要有两个来源：(1)乙烯裂解装置的历史运行数据，包括原料性质、运行参数和裂解气收率等对应数据；(2)利用可靠的裂解反应数值模型对其进行大量训练。由于神经元网络的外推性存在很大的不确定性，因此，无论采用何种训练数据来源，都必须保证训练数据可以覆盖裂解炉将来可能遇到的所有原料性质和操作条件。

上述控制策略仍然存在若干问题：