专利名称：一种工业裂解炉生产操作的自动在线控制方法
技术领域：
本发明涉及乙烯工业裂解炉，更具体的，涉及乙烯装置中裂解炉生产操作优化的在线自控方法。
背景技术：
目前，世界乙烯总产量的99%都是通过裂解炉以蒸汽裂解方式生产的，当前和未来新增加的乙烯产能也主要是由裂解炉以蒸汽裂解方式来生产的。裂解炉是生产乙烯、丙烯、丁二烯、芳烃等基础有机化工原料的主要装置，裂解炉能耗占到整个乙烯生产装置的 70%以上。在裂解炉生产操作过程中，除了裂解原料之外，影响裂解产物收率的因素为进料量Foil)、蒸汽量(此)或稀释比(蒸汽量/进料量，RW/0)、裂解炉辐射段炉管出口温度 (COT)。对于物性不同的裂解原料，即使采用相同的裂解炉和操作条件，则其裂解产物收率分布不相同；即使物性相同的裂解原料，使用不同的裂解炉或者操作条件，其裂解产物收率分布也不相同。因此，在裂解炉生产过程中，往往针对裂解原料物性，优化裂解炉操作条件， 使经济价值或者经济附加值较高的裂解产物(如乙烯、丙烯等)收率达到最大，降低原料和能量消耗，降低生产成本，是乙烯生产企业面临的一个难题。工业裂解炉通常通过裂解深度实现裂解炉平稳操作，裂解深度通常是丙烯与乙烯或甲烷与丙烯的重量比。中国专利CN1456895A、CN2519911Y、CN201173877Y提出从裂解炉废热锅炉出口引出一股裂解气物流，通过对裂解气进行冷却等预处理实现裂解气在线取样或者利用在线色谱进行在线分析。对于在线取得裂解气样进行离线分析或者由在线色谱分析获得裂解气中氢气、甲烷、乙烯、丙烯的含量，从而可以计算裂解深度，通过控制裂解深度来控制裂解炉操作变量(原料进料量、稀释蒸汽量、炉管出口温度)，从而实现裂解炉的平稳操作。在裂解炉研究和设计过程中，裂解炉专利商和科学院所根据石油烃热裂解化学反应过程开发石油烃热裂解反应半机理半经验模型或机理模型，并将其编制成裂解炉模拟软件，包括如 TECHNIP 公司的 SPYR0、LUMMUS 的 PYPS、CRACKER、CRACKSIM、FIHR，用于模拟计算裂解产物收率，其中APSEN公司将SPYRO软件融入其开发的裂解炉先进控制技术，对乙烯装置进行操作优化，并在工业裂解炉得到应用。利用工业装置或者试验装置的数据可开发石油烃热裂解反应动力学模型，如中国专利CN1686973提出裂解炉装置进行先进行控制的一种方法，通过神经网络模型建立原料密度、投油量、水油比、炉管平均出口温度、锅炉出口温度等与原料裂解深度的关系模型。中国专利CN1150300提出了将CN1686973中的关系模型应用于乙烯裂解炉的智能控制，通过控制原料裂解深度的平稳使得各操作参数进行合理的选取，并保持后面工段的操作的稳定。上述方案提出了通过控制裂解深度的平稳使裂解炉生产保持平稳，却忽略经济价值或者经济附加值较高的裂解产物(乙烯、丙烯、丁二烯、芳烃等一种或者几种)的收率裂解产物收率是否处于最优状态。
工业裂解炉裂解产物有上百种，但乙烯装置生产的最终裂解产品数量有限，通常不会超过十几种，而裂解产品在市场上以一定的价格出售，并受供求关系影响。烯烃生产企业的裂解炉年生产能力不同，乙烯装置生产的裂解产品存在较大的差异乙烯年产量小于30万吨的生产企业，裂解产品主要为乙烯和丙烯；乙烯年产量大于等于30万吨的生产企业，裂解产品主要为乙烯、丙烯、丁二烯、芳烃。除了乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯这些主要裂解产品之外，烯烃生产企业还生产氢气、碳四馏分、裂解汽油、裂解柴油、燃料油等含有一定经济价值或者经济附加值的副产品。近年来，石油价格在较大范围内振荡，裂解产品价格随之振荡。裂解产品价格除了受原料的价格影响之外，还受市场供需关系的影响，供不应求的裂解产品价格较高，而供大于求的裂解产品价格较低。在裂解炉生产操作过程中，收率较高的裂解产品价格未必较高， 收率较低的裂解产品价值较低。因此，裂解炉操作仅仅以双烯或三烯三苯为主要裂解产品而忽略其他副产品的价值和裂解产品市场价格波动不能使生产企业的经济效益达到较高水平，因此裂解炉操作应该充分考虑每一种裂解产品的市场价值，应该根据裂解产品的市场供需关系和价格来指导裂解炉生产操作，使裂解炉生产的裂解产品的总价格达到最大， 从而使生产企业的经济效益达到最大化。由上可知，传统的裂解炉操作方法仅仅考虑到裂解炉的平稳性，并为考虑到裂解炉生产的经济性问题，如CN1150300提出了将CN1686973中的关系模型应用于乙烯裂解炉的智能控制，通过控制原料裂解深度的平稳使得各操作参数进行合理的选取，并保持后面工段的操作的稳定。上述方案提出了通过控制裂解原料的裂解深度的平稳，使裂解炉生产保持平稳，却忽略裂解炉生产的裂解产品的总价格是否处于最大，从而无法判断其生产经济效益是否达到最优。
发明内容
为了解决上述问题，本发明涉及到一种用于工业裂解炉生产操作的自动控制方法。与传统的采用控制裂解深度来实现裂解炉平稳操作的方法不同，采用本发明的工业裂解炉在线自动控制系统，使工业裂解炉生产的裂解产品的总价值达到最大，从而提高生产企业的经济效益。本发明提供的工业裂解炉在线自动控制方法，其过程包括建立裂解产物价格体系、建立裂解炉裂解产物价值最大优化模型、裂解原料物性分析、裂解炉操作优化计算、裂解深度测定、裂解炉运行状态判断、裂解炉操作在线调整。通过裂解产物价格体系与裂解炉裂解产物预测模型建立裂解炉裂解产物价值最大化模型，将模型安装在与裂解炉集散控制系统相连的服务器上，服务器根据输入的裂解原料物性分析数据、裂解炉操作条件对裂解炉操作条件进行优化计算，并与实际操作的裂解深度进行比较，对裂解炉运行状态进行判断若裂解炉操作处于优化运行范围之内，则执行原操作条件，否则对裂解炉操作进行调整，将优化的操作条件输入裂解炉集散控制系统，从而实现裂解炉操作的优化。具体方案如下本发明提供工业裂解炉在线自动控制的方法，使裂解炉生产的裂解产物价值最大。所述的方法包括以下步骤1，建立裂解产物价格体系根据裂解炉裂解产物是否能够直接或者间接通过乙烯装置最终形成裂解产品来确定裂解产物价格若裂解产物可最终形成裂解产品，其价格等于裂解产品的价格，否则价格为零；2，建立裂解炉裂解产物价值最大化优化模型基于裂解炉裂解产物收率预测模型，将裂解炉裂解产物预测模型裂解产物收率与1中的对应的裂解产物价格体相乘，该模型可根据裂解原料物性、操作条件、裂解产物价格体系计算出裂解产物收率、裂解产物流量、裂解产物总价值；采用平均搜索等数学方法建立裂解炉裂解产物价值最大化优化模型， 该模型根据裂解炉和裂解原料物性，在裂解炉操作条件范围之内，通过搜索或者计算裂解炉裂解原料在通过操作条件下的裂解产物收率、裂解产物总价值，寻找出裂解产物总价值最大时的操作条件以及裂解产物收率。3，裂解原料物性分析根据裂解炉裂解产物价值最大化优化模型所需要的裂解原料物性参数，分析裂解原料的物性参数。4，裂解炉操作优化计算将裂解炉价值最大化优化模型安装在服务器上，服务器与裂解炉集散控制系统相连。裂解炉集散控制系统将裂解炉操作条件输入服务器中，服务器会根据分析的裂解原料物性、操作条件，优化计算出裂解产物总价值最大对应的操作条件和裂解产物收率。5，裂解深度测定通过在线色谱分析裂解气的甲烷、乙烯、丙烯的摩尔含量，计算出裂解深度。6，裂解炉运行状态判断根据优化计算出的裂解产物收率计算出相应的裂解深度，并与工业裂解炉测定的裂解深度进行比较，判断裂解炉运行是否处于优化操作范围之内。7，裂解炉操作在线调整如果裂解炉不处于优化操作范围内，对裂解炉进行在线调整，将裂解炉裂解产物价值最大化优化模型计算的操作条件通过服务器输入裂解炉集散控制系统，由此实现裂解炉优化操作。在裂解炉生产操作过程中，客户端/服务器(C/S)安装有裂解炉裂解产物价值最大化优化模型，服务器与裂解炉集散控制系统相连，通过服务器以实现裂解炉的生产自动优化控制。裂解炉裂解产物价值最大化优化模型根据裂解原料物性、操作条件(进料量、蒸汽量或稀释比、Χ0Τ)以及裂解产物价格，计算出裂解产品总价值最大对应的炉管出口温度 (COT)和相应条件下所有裂解产物的收率。通过工业实际运行数据与优化计算结果对比，判断裂解炉是否处于优化操作状态若处于优化操作状态则不进行调整，否则将优化计算的操作条件通过服务器输入裂解炉集散控制系统，以实现裂解炉操作优化控制。优选地，工业裂解炉裂解产物价格是基于乙烯装置生产的裂解产品的价格，直接或者间接生产裂解产品的裂解产物的价格为该裂解产品的价格。优选地，裂解炉裂解产物价值最大化模型是以裂解炉裂解产物预测模型为基础开发出裂解炉裂解产物总价值模型即裂解炉裂解产物总价值=进料量X Σ裂解产物收率流量X裂解产物市场价格。更优地，基于裂解炉裂解产物总价值模型，建立裂解炉裂解产物价值最大化优化模型即采用平均搜索等数学方法，寻找或者计算操作条件范围内裂解产物总价值最大对应的操作条件和裂解产物收率，优化的操作条件通常是指炉管出口温度(COT)。
进一步优选地，裂解炉裂解产物收率预测模型是根据实验数据或者半机理模型或机理模型推到或回归得到了，根据裂解原料物性和操作条件计算出裂解炉裂解产物的收率。对于裂解炉裂解产物收率价值最大化优化模型计算结果，需要与工业裂解炉实际运行状况进行对比，以判断工业裂解炉实际操作是否处于优化操作范围内。对于裂解炉操作优化是否处理优化范围内的依据裂解炉裂解产物价值最大化优化模型计算的裂解深度与工业裂解炉实际运行的裂解深度之间的相对误差。相对误差=I优化计算裂解深度-实际运行的裂解深度I /优化计算裂解深度优选地，相对误差值小于10%，裂解炉处于优化操作范围之内，相对误差值优选 5%。如果裂解炉实际运行处于优化状态，则不需要对裂解炉操作进行调整，否则将优化计算的操作条件通过服务器输入裂解炉集散控制系统，从而实现裂解炉的操作优化。对于裂解炉的裂解深度，通常是裂解产物中丙烯收率/乙烯收率(重量)或甲烷收率/丙烯收率(重量)。对于裂解炉裂解产物价值最大化优化模型，在优化计算时即计算出优化的操作条件，又计算出所有裂解产物的收率，包括甲烷、乙烯、丙烯，因此利用优化计算结果可以计算出优化条件下的裂解深度。对于工业裂解炉的实际运行的裂解深度，可采与以下方法分析计算得到在废热锅炉出口引出一股裂解气，将该裂解气冷却到0-50°C，然后利用工业在线色谱分析裂解气中的甲烷、乙烯、丙烯的摩尔含量，将之转化成丙烯/乙烯或甲烷/丙烯的重量比，由此可计算出工业裂解炉实际运行过程中的裂解深度。根据乙烯装置生产的裂解产品市场价格，确定裂解炉每种裂解产物的价格。在裂解炉集散控制系统(DCQ附近设置客户端/服务器(C/幻相连，客户端/服务器(C/S)安装有裂解炉裂解产物价值最大优化模型。在裂解炉生产操作过程中，裂解炉裂解产物收率价值最大模型根据裂解原料物性分析数据和工业裂解炉运行数据，计算出裂解产物价值最大对应的炉管出口温度和相应的收率，根据计算甲烷、乙烯、丙烯的收率计算优化条件下的 COT。在裂解炉废热锅炉出口引出一股裂解气，将该裂解气冷却到0-50°C之后，利用工业在线色谱或者离线色谱分析冷却之后裂解气中甲烷、乙烯、丙烯的重量含量，以此计算裂解炉运行的裂解深度。计算模型计算的裂解深度和裂解炉运行的裂解深度的差值与模型计算值得比值，判断工业裂解炉是否处于优化操作状态范围内。若比之小于等于10%，则裂解炉运行处于优化状态范围内，否则处于非优化状态范围内，比值优选5 %。若裂解炉运行不处于优化状态，则对裂解炉运行进行调整，将优化计算得到的炉管出口温度(COT)输入裂解炉集散控制系统(DCS)中，实现裂解产物价值达到最优的在线操作控制。裂解产物价格取决于裂解产品的价格，能够通过乙烯装置转化成最终裂解产品的裂解产物的价格，就等于裂解产品的价格，否则价格设置为零，由此可以建立裂解炉裂解产物价格体系。裂解炉裂解产物收率预测模型是裂解炉在线优化操作的核心。裂解炉裂解产物价值最大优化模型是以裂解炉裂解产物预测模型为基础，针对裂解原料的物性、裂解炉操作运行数据、裂解产物价格体系，在限定裂解炉操作范围内，采用平均搜索法等数学方法，计算或者寻找出裂解产品价值最大的操作条件以及裂解产物收率。裂解炉裂解产物收率预测模型可以是通过试验数据归纳的数学模型或者通过裂解原料热裂解反应推导的半机理半经验模型或者机理模型。裂解炉裂解产物收率预测数学模型类型和方法较多，如采用BP神经网络或者非线性回归对工业或小试装置的试验数据进行回归归纳形成的模型；而机理模型相对较少，机理模型由国外裂解炉专利商和科研院开发，如TECHNIP公司的SPYRO软件、 LUMMUS公司PYPS软件等，均可计算裂解炉运行操作的裂解产物收率分布。裂解炉热裂解所使用的裂解原料为石油烃。石油烃由轻烃和液体裂解原料组成， 轻烃裂解原料如乙烷、丙烷、LPG，液体裂解原料如石脑油、柴油、加氢尾油。原料物性分析数据是用于裂解炉裂解产物收率优化模型计算的参数，对于轻烃来说，原料物性数据主要是组成重量含量；对于液体裂解原料来说，物性数据较多，如比重、ASTM馏程、族组成、折光率、残炭值、原料详细组成。原料物性的分析可采取离线或者在线分析，分析数据可直接或者间接输入客户端/服务器(C/幻，物性数据如ASTM馏程、比重、族组成、详细组成(重量含量)等。在裂解炉生产操作过程中，裂解炉的运行数据由裂解炉集散控制系统(DCS)进行设置和控制，如原料进料量、稀释蒸汽量或者稀释比、横跨段温度(XOT)、炉管出口温度 (COT)，其中炉管出口温度(COT)是裂解炉裂解产物价值最大优化模型所优化的对象，裂解炉生产操作通过调节炉管出口温度来实现操作优化。裂解炉裂解产物价值最大优化模型根据裂解原料物性、原料进料量、稀释蒸汽量(稀释比)、横跨段温度(XOT)、裂解产物价格体系，计算出裂解炉生产裂解产品价格最大对应的COT以及裂解产物收率。裂解炉裂解产物价值最大优化模型所需的原料进料量、稀释蒸汽量或稀释比、横跨段温度O(OT)可通过裂解炉集散控制系统(DCQ直接或间接输入客户端/服务器(C/S)，裂解产物价格体系则可直接输入客户端/服务器(C/S)。优化结果(炉管出口温度)可由客户端/服务器(C/S)直接或者间接输入裂解炉集散控制系统实现裂解炉优化控制。对于优化后的炉管出口温度， 应该限制在裂解炉正常操作范围之内，否则过高会造成裂解炉运行周期大大缩短。本发明涉及到裂解炉裂解深度的测定方法。该方法在裂解炉废热锅炉出口引出一股裂解气，将该裂解气冷却至0-20°C形成气相和液相两股物流。利用工业在线色谱或者离线色谱分析裂解气中甲烷、乙烯、丙烯的含量，以计算裂解深度(丙烯/乙烯或者甲烷/丙烯)。在裂解炉生产操作过程中，在应用裂解炉裂解产物价值最大优化模型进行优化计算之后，应对裂解炉运行状态判断，看裂解炉的COT是否处于优化操作状态范围内。判断的依据是裂解炉裂解产物收率优化模型根据裂解原料物性和裂解炉运行数据(原料进料量、 蒸汽量或稀释比、Χ0Τ)计算的裂解深度和裂解炉运行的裂解深度的差值绝对值与模型计算的裂解深度的比值。若比值小于等于10%则裂解炉处于优化运行操作状态范围内，不需对COT不调整；若大于10%则裂解炉处于非优化运行状态，需要对COT进行调整，比值优选 5%。调整的方法是将裂解炉收率产物优化模型计算的COT输入裂解炉DCS系统，从而实现裂解炉的优化生产操作。裂解炉集散控制系统(DCS系统)调整炉管出口温度速率不得高于15°C/小时，因为调整速度太快可能会造成炉管内壁焦炭剥落而堵塞炉管。如果裂解炉裂解产物价值最大优化模型计算的COT超出裂解炉正常操作范围，应该将COT设置为裂解炉操作范围内的最高值。本发明提出裂解炉操作的新方法，通过该方法不但可实现裂解炉的平稳控制，还可使裂解炉生产的裂解产品价值达到最大化，从而提高了生产企业的经济效益。
图1为COT与裂解产品价值关系。
具体实施例方式下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围包括但不限于这些实施例的内容。将本发明的方法应用于某烯烃厂的CBL-III型工业裂解炉。该烯烃厂乙烯生产能力为20万吨，乙烯装置生产的最终裂解产品为乙烯、丙烯、碳四馏分、裂解汽油、裂解柴油、 裂解燃料油。以裂解产品市场价格为依据，建立裂解产物价格体系，(如表1所示)。CBL_III 型裂解炉裂解原料为石脑油，采用32组2-1型炉管，年产6万吨乙烯。在裂解炉附近安装一台美国THERMO公司的ANTARIS傅立叶近红外分析仪，在线分析石脑油物性。在裂解炉集散控制系统附近设置一台服务器，服务器与裂解炉集散控制系统和傅立叶近红外分析仪相联。表1为裂解产物价格。
权利要求
1.一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其过程包括建立裂解原料物性分析、裂解炉操作优化计算，其特征在于，裂解产物价格体系、建立裂解炉裂解产物价值最大优化模型、裂解深度测定、裂解炉运行状态判断、裂解炉操作在线调整，进一步包括以下步骤(1)建立价格体系确立每种裂解产物的价格；(2)建模建立裂解炉裂解产物价值最大优化模型，并将其安装在客户端/服务器(C/ S)上；(3)原料分析分析裂解原料物性；(4)优化将裂解原料物性分析数据和工业裂解炉运行数据输入裂解炉裂解产物价值最大优化模型中，计算出优化的裂解炉操作条件和裂解产物收率，并计算出裂解深度；(5)裂解深度测定测定工业裂解炉运行状态下的裂解深度；(6)运行状态判断将裂解炉裂解产物价值最大优化模型计算裂解深度与运行的数据进行比较，判断裂解运行是否处于优化状态范围内；(7)调整若裂解炉运行处于优化操作状态范围内，则不对裂解炉生产操作进行调整； 若裂解炉运行不处于优化状态范围，则将优化后的操作条件输入裂解炉集散控制系统(DCS 系统)中，实现对裂解炉在线优化操作。
2.根据权利要求1所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于所述的裂解炉的裂解原料为石油烃，包括轻烃、石脑油、柴油、加氢尾油。
3.根据权利要求1所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，分析的裂解原料物性是用于裂解炉裂解产物价值最大优化模型计算的参数，包括比重、 ASTM馏程、族组成重量含量、原料详细组成重量含量。
4.根据权利要求1所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，裂解炉裂解产物的价格与其相关的乙烯装置生产的裂解产品的市场价格相同，不关联的裂解产物价格为零。
5.根据权利要求1所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，裂解炉裂解产物价值最大优化模型是以裂解炉裂解产物预测模型为基础，针对裂解原料的物性、裂解炉运行操作数据、裂解产物价格，在裂解炉操作条件约束范围内，采用数学方法寻找或者计算出裂解产物价值最大的操作条件以及裂解产物收率。
6.根据权利要求5所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，所述的数学方法包括搜索方法。
7.根据权利要求5所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，所述的裂解炉裂解产物收率预测模型是通过试验数据归纳的数学模型或根据裂解原料热裂解反应推导的半经验半机理模型或机理模型，该模型可根据裂解物性和裂解炉操作条件计算出裂解产物收率。
8.根据权利要求5所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，所述的裂解炉运行数据为操作变量，即原料进料量、稀释蒸汽量或者稀释比、横跨段温度(XOT)，优化的操作条件为炉管出口温度(COT)。
9.根据权利要求5所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，所述的裂解炉裂解产物价值最大优化模型根据原料物性、原料进料量、稀释蒸汽量或稀释比(稀释蒸汽量/原料进料量)、横跨段温度(XOT)，计算出裂解产物价值达到最大对应的炉管出口温度(COT)和相应的裂解产物收率。
10.根据权利要求1所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，所述的裂解炉的裂解深度是丙烯/乙烯或者甲烷/丙烯收率重量比值。
11.根据权利要求1所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，裂解炉运行状态判断是将裂解炉裂解产物价值最大优化模型计算的裂解深度和工业裂解炉运行裂解深度的差值绝对值与模型计算的裂解深度比值，以判断裂解炉运行是否处于优化操作状态范围。若所计算的比值小于等于10%，裂解炉运行处于优化状态；若大于 10%裂解炉运行处于非优化状态。
12.根据权利要求11所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，所述的比值的最优比值为5%。
13.根据权利要求1所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，裂解炉生产操作在线优化和调整的对象是炉管出口温度(COT)，若裂解炉处于优化状态，则对裂解炉COT不进行调整；若裂解炉处于非优化状态，将裂解炉裂解产物收率优化模型计算的COT输入裂解炉集散控制系统(DCS系统)中，从而实现裂解炉操作优化控制。
14.根据权利要求10所述的一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，其特征在于，调整炉管出口温度速率不得高于15°C/小时。
全文摘要
本发明是一种工业裂解炉生产操作的在线自动控制方法，涉及到建立裂解产物价格体系、建立裂解炉裂解产物价值最大优化模型、裂解原料物性分析、裂解炉操作优化计算、裂解深度测定、裂解炉运行状态判断、裂解炉操作在线调整。与传统采用控制裂解深度来实现裂解炉平稳操作的方法不同，本发明是通过裂解炉裂解产物价值最大优化模型将裂解深度与生产的裂解产品价值关联起来，通过控制裂解深度来实现裂解炉生产的裂解产品价值达到最大，使乙烯装置生产的裂解产品价值达到最大，从而提高生产企业的经济效益。
文档编号G05B13/04GK102289199SQ201010204480
公开日2011年12月21日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者周丛, 巴海鹏, 张兆斌, 张利军, 张永刚, 李蔚, 杜志国, 王国清 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院