专利名称：裂解炉在线快速清焦的自动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种自动控制方法，更具体地说，涉及一种用于乙烯工业裂解炉烧清 焦的自动控制方法。
背景技术：
乙烯是石油化学工业最重要的基础原料之一，乙烯工业的发展水平总体上代表了 一个国家石油化学工业的水平。制取乙烯的方法很多，以管式炉裂解技术最为成熟，具有结 构比较简单、运转稳定和乙烯收率高等优点。乙烯裂解炉是乙烯生产的关键设备之一。裂 解原料在高温条件下生成乙烯、丙烯等产物的同时也伴随不饱和烃的聚合、芳烃脱氢和稠 环化等副反应，反应产物逐步在炉管内壁沉积而形成焦层。由于焦碳是热的不良导体，沉积 在炉管内壁的焦碳导致炉管外壁温度升高；另一方面焦碳还导致炉管管径变小，压降增大， 因此成为限制裂解炉的运行周期的主要因素。为了维护正常生产，裂解炉必须定期进行清 焦操作。目前，管式裂解炉辐射段清焦基本已实现自动化不停炉在线清焦。此种清焦方法 可以保证裂解炉在不停炉的情况下，将水蒸汽和空气按照一定的比例通入辐射段炉管进行 清焦，具有清焦速度快，操作方便、易于控制的优点。现有的裂解炉在线清焦程序一般分为二大步骤辐射段炉管和废热锅炉清焦过 程。对辐射段炉管的清焦阶段大致可分成10 30步时间段。每一步有四个控制变量，即 清焦时间、水蒸汽流量、空气流量、炉管出口温度(COT)。在清焦程序的控制下，分阶段自动 调整清焦各项参数，在预定的时间内使焦碳清除干净。对废热锅炉的清焦阶段可分成2 10步时间段，废热锅炉清焦阶段一般采用纯空气清焦。焦碳在高温下与水蒸汽空气混合物进行化学反应，生成一氧化碳和二氧化碳，同 时放出热量。在通常情况下，裂解炉专利商提供的清焦程序操作弹性较大，裂解炉清焦时水 蒸汽/空气比例较大，在炉管中氧气在混合物中的浓度较低，确保氧气与焦碳反应比较缓 慢，以防止焦碳燃烧剧烈而放出热量过多对炉管造成破坏。国内乙烯厂许多裂解炉的裂解原料性质变化较大，其焦碳特性的差异也很大，裂 解炉专利提供商在提供清焦技术时，要考虑到不同裂解原料结焦的特性，往往给出一个相 对比较保守的清焦程序，因此存在裂解某一原料后清焦时间过长的可能，造成资源的浪费。在工厂实际清焦操作过程中，仅仅对几个清焦步骤进行离线取样分析，以确认辐 射段炉管是否清焦干净，取样分析结果往往比较滞后，因此造成清焦时间往往比设计的长， 严重影响了管式裂解炉的在线生产时间，增大了乙烯的生产成本，减少了裂解炉的经济效益。CN1155680C公开了一种裂解炉在线清焦过程的自动控制方法，其控制程序运行在 计算机集散控制系统(DCS)的应用模块上。该方法主要是通过计算机程序对清焦蒸汽流 量、清焦空气流量和炉管出口温度进行控制，自动地实现裂解炉的平稳除焦。由于没有在线 分析清焦尾气中二氧化碳的浓度的反馈，该方法只是将各变量根据经验设定输入变量，并不能根据清焦的实际程度对清焦过程进行实时的调控。CN1282730C公开了一种在线监控烧除焦碳过程的方法，该方法包括在裂解炉或急冷锅炉出口处开一个内径为10 15mm的物流导出孔，从该孔接入导出管，清焦尾气由导管 引入冷却器、气体流量计和在线监测设备，其中所述的在线监测设备包括气体净化设备、红 外分析仪和数据处理器。在该专利中不分析清焦尾气中氧气的含量，并且由于该专利中重 点提及清焦尾气的在线净化和分析设备，对于DCS系统中的清焦控制程序根据清焦尾气分 析结果自动按程序调整清焦步骤并没有做出具体说明。因此，应用DCS系统的清焦控制逻辑程序依据所获取的清焦尾气的分析监测数 据，自动保持和调整清焦过程的各项参数，尽量减少清焦时间，进行安全、快速清焦，提高管 式裂解炉在线生产时间，是提高管式裂解炉的产量以及工厂经济效益的重要途径之一。
发明内容
目前绝大多数乙烯工业裂解炉的清焦程序均采取一定比例的水蒸汽和空气的混 合物清焦。在工业裂解炉清除焦碳的过程中，影响清焦速度的因素有三种空气量、水蒸汽 量和炉管出口温度(COT)。为了提高工业裂解炉的焦碳燃烧速率，可采取的办法有提高空 气量，减少水蒸汽量，提高炉管出口温度。本发明方法中，集散控制系统即DCS系统的清焦控制逻辑程序利用在线分析仪器 在线分析工业裂解炉清焦尾气干气中的二氧化碳、一氧化碳和氧气的浓度，并由自动采集 分析结果数据存储在固定内存单元内。在本发明方法中，DCS系统的清焦控制逻辑程序根据所监测到的清焦尾气中二氧 化碳、一氧化碳、氧气浓度含量的高低以及变化趋势，自动保持和调整清焦蒸汽流量、清焦 空气流量和炉管出口温度，自动实现裂解炉的平稳清焦。清焦控制逻辑程序的主要控制变量是清焦蒸汽流量、清焦空气流量以及炉管出口 温度，主要调节变量是清焦蒸汽流量控制器、清焦空气流量控制器以及裂解炉燃料气压力。具体技术方案如下本发明提供的裂解炉辐射段在线快速清焦过程的自动控制方法为在工业裂解炉 辐射段清焦过程中，实时在线分析清焦尾气干气的一氧化碳、二氧化碳和氧气的浓度，将在 线分析结果远传入裂解炉集散控制系统中，集散控制系统的清焦控制逻辑程序根据在线分 析数据调整进入裂解炉的蒸汽流量、空气流量和炉管出口温度中的一个、两个或三个清焦 参数。更具体地说，在保持清焦参数至少15分钟不变后，在满足以下条件中至少一个 时(a)所述的清焦尾气干气中二氧化碳浓度为4%≤CO2 ≤ 6%，且所述的清焦尾气 干气中一氧化碳的浓度和二氧化碳的浓度均保持稳定；(b)所述的清焦尾气干气中二氧化碳浓度为4%≤CO2 ≤ 6%，且所述的清焦尾气 干气中一氧化碳的浓度持续下降；(c)所述的清焦尾气干气中二氧化碳浓度为4%≤CO2≤6%，且持续下降；调节裂解炉清焦参数的措施为以当前参数值为基础，增加10% 100%的空气 流量和减少5% 25%的蒸汽量，空气与水蒸汽的最大质量流速比例不高于1 1，且水蒸汽与空气总质量流率使文丘里前后压力比大于0. 9 ；当清焦尾气干气中二氧化碳浓度低于4%时，以当前参数值为基础，增加10% 100%的空气流量、减少5% 25%的蒸汽量和提高5°C 30°C的炉管出口温度；当炉管出 口温度调节到清焦控制逻辑程序所允许的最高温度时，延长烧焦时间至二氧化碳浓度小于 0. 2%，辐射段炉管自动控制清焦过程结束；在每步参数调节后，如果清焦尾气干气中氧气浓度大于12%且二氧化碳浓度低于 8%，则执行调整后的参数，否则退回调整前的参数。优选地，在清焦控制逻辑程序调整清焦参数的前4个步骤，优选的保持清焦蒸汽 流量不变，仅提高清焦空气流量。优选地，集散控制系统的清焦控制逻辑程序每隔1 30分钟对清焦尾气干气分析 数据进行判断以确定是否需要调节清焦参数。优选地，集散控制系统的清焦控制逻辑程序将裂解炉辐射段清焦起始阶段的蒸汽 流量、空气流量和炉管出口温度变量进行初始化，并装入工作内存中。 更优选地，初始炉管出口温度为780 800°C。更优选地，初始炉管出口温度为800°C。更优选地，初始蒸汽流量为裂解炉吹扫蒸汽流量。更优选地，初始空气流量为初始蒸汽流量的1/20 1/2。更优选地，初始空气流量为初始蒸汽流量的1/10。在本发明中，如果没有特别指出，所述浓度均指体积百分比含量，所述流量均指质
量流量。在本发明的方法中，在所述的清焦自动控制过程中，控制清焦尾气干气中氧气浓 度大于12%且二氧化碳浓度低于8%，在不能满足这种要求下，需要将清焦参数调整回调 整前的数值。如果清焦尾气干气中氧气浓度过低或二氧化碳浓度过高，说明焦碳燃烧反应 过于剧烈，反应放出的大量热会烧坏裂解炉炉管。在本发明的清焦控制逻辑程序中，其调节的原则是优先调整清焦空气和清焦蒸汽 的流量，其次调整炉管出口温度。清焦控制逻辑程序根据工业裂解炉清焦尾气干气中的二 氧化碳、一氧化碳和氧气浓度的实时在线分析数据，自动调节清焦时的空气量、水蒸汽量、 炉管出口温度。本发明方法所述的清焦控制逻辑程序调节清焦各控制变量的过程中，空气与水蒸 汽的最大质量流速比例应不高于1 1，且水蒸汽和空气的总质量流速必须在文丘里控制 的范围内，即水蒸汽与空气总质量流率使文丘里前后压力比大于0. 9 ；如果空气与水蒸汽 最大质量比例达到1 1，清焦控制逻辑程序默认只能调节炉管出口温度，若炉管出口温度 调节到程序所允许的最高值，必须等到辐射段炉管焦烧干净后再向纯空气清焦过渡，即清 焦尾气干气中二氧化碳浓度小于0.2%。在本发明的方法中，所述的工业裂解炉辐射段炉管清焦结束标准是清焦尾气干气 中的二氧化碳浓度，按照所述的清焦尾气干气中的二氧化碳浓度低于0. 2%的标准来执行。在所述的工业裂解炉辐射段自动清焦过程中，一般将所述的炉管出口温度(COT) 控制在780 870°C之间。当清焦尾气干气中二氧化碳浓度较低时(低于4% )，可采用提 高炉管出口温度来加快清焦速率，温度提高幅度一般为5 30°C。炉管出口温度调整后清焦控制逻辑程序会自动监测碳氧化物和氧气的浓度变化情况，如果二氧化碳的浓度不高于 8%,氧气浓度不低于12%，否则程序自动将修改的炉管出口温度调节回到上一步的数值。 裂解炉辐射段在线清焦过程共分三个步骤程序初始化阶段；辐射段炉管清焦阶 段；辐射段炉管清焦结束阶段。自动控制程序的执行顺序如下1、程序初始化阶段程序启动后，首先对清焦蒸汽流量、清焦空气流量、炉管出口温度等内部变量进行 初始化，并自动识别清焦尾气在线分析仪器的分析结果信号。由操作人员确认所有的现场操作都已经执行完毕，现场在线分析设备数据接入正 常，且已准备好进入自动控制烧焦阶段，如未被确认则程序处于等待状态，直到全部确认。 由操作人员点击开始进入清焦自动控制阶段。2、辐射段炉管清焦阶段进入清焦自动控制程序后，清焦控制逻辑程序通过裂解炉DCS系统获取现场分析 仪器在线分析的清焦尾气中二氧化碳、一氧化碳和氧气的浓度数据，并依据判断原则每隔 1-30分钟对清焦尾气干气分析数据进行判断是否需要调整清焦各控制变量，实现清焦过程 各参数的自动控制，直至辐射段清焦过程结束。调整清焦各参数后最少保持15分钟，方可 以再次进行参数调整。在清焦过程自动控制过程中，清焦自动控制程序对清焦蒸汽流量、清焦空气流量、 炉管出口温度等重要变量进行监测，一旦出现偏差过大的情况，程序将进入保持状态，同时 显示报警信息，进行声音报警。3、辐射段炉管清焦结束阶段当清焦控制逻辑程序监测到清焦尾气中二氧化碳的浓度小于0. 2%时，程序自动 提醒操作人员，清焦尾气分析数据已合格，可以进入废热锅炉清焦阶段。由操作人员手动终 止清焦自动控制程序，并调整到纯空气废热锅炉清焦阶段。
图1为采用原清焦程序时清焦尾气干气中二氧化碳和一氧化碳浓度分布图。图2为采用本发明的方法时清焦尾气干气中的二氧化碳和一氧化二碳浓度分布 图。
具体实施例方式下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发 明的范围在权利要求书中提出。实施例1将本发明的方法应用于裂解炉辐射段清焦过程。该工业裂解炉为SL-I型裂解炉， 裂解原料可以采用石脑油、重柴油和加氢尾油，年产10万吨乙烯。裂解炉原有的辐射段在 线清焦程序为21步，设计时间为23小时(不包括蒸汽吹扫炉管时间)，按照原清焦程序的 一氧化碳和二氧化碳浓度曲线图如图1所示，原清焦程序列于表1。通过使用本发明的自动控制清焦方法，根据在线分析仪器现场分析的数据，由清 焦控制模块自动控制清焦过程，具体列于表1，清焦尾气中一氧化碳和二氧化碳浓度分布图见图2。采用本发明的自动控制清焦方法，从清焦第1步到第15步纯空气清焦之前只使用 了 6. 5小时，比原清焦程序节约了 72%的时间。按照本发明的方法清焦控制程序模块根据清焦尾气分析结果所调整的各项参数 见表1。进入自动清焦过程后，清焦蒸汽初始流量为5500Kg/h，初始空气流量为初始蒸汽 流量的1/20，前4个步骤保持蒸汽流量不变，仅调整空气流量，二氧化碳浓度由刚开始的 5. 0 %下降到4. 5 %，一氧化碳浓度由3. 5 %下降到2. 8 %，直到第4步，二氧化碳浓度稳定 在4. 3%左右，一氧化碳浓度却在持续下降。此时开始降低水蒸汽流量，同时提高空气流量。 第6步开始，二氧化碳浓度已低于4%，故开始提高炉管出口温度，并同时调整清焦蒸汽和 清焦空气流量，直到11步，炉管出口温度调整到清焦控制逻辑程序要求的最高温度。在调 整过程中二氧化碳 和一氧化碳浓度都持续下降，所以每一时间步的时间均为15分钟。第12 步后，二氧化碳浓度降到约0. %。按照裂解炉清焦操作要求，清焦尾气中二氧化碳浓度必 须小于0.2%，辐射段炉管清焦合格，因此第13步清焦时间持续了 120分钟以后，二氧化碳 浓度由0.7%下降到0. 1%。烧焦尾气分析结果合格后，增大空气量同时减少水蒸汽量，逐 渐向纯空气过渡，直至到14步，裂解炉辐射段清焦过程结束。在整个自动控制清焦过程中 二氧化碳浓度始终低于8%，因此该自动控制清焦方法确保了炉管在清焦过程中的安全。表1、清焦控制逻辑程序具体执行的清焦程序对比
权利要求
裂解炉辐射段在线快速清焦过程的自动控制方法，其特征在于，在工业裂解炉辐射段清焦过程中，实时在线分析清焦尾气干气的一氧化碳、二氧化碳和氧气的浓度，将在线分析结果远传入裂解炉集散控制系统中，集散控制系统的清焦控制逻辑程序根据在线分析数据调整进入裂解炉的蒸汽流量、空气流量和炉管出口温度中的一个、两个或三个清焦参数。
2.如权利要求1所述的自动控制方法，其特征在于，在保持清焦参数至少15分钟不变 后，在满足以下条件中至少一个时(a)所述的清焦尾气干气中二氧化碳浓度为C02^ 6%，且所述的清焦尾气干气 中一氧化碳和二氧化碳的浓度均保持稳定；(b)所述的清焦尾气干气中二氧化碳浓度为C02^ 6%，且所述的清焦尾气干气 中一氧化碳的浓度持续下降；(c)所述的清焦尾气干气中二氧化碳浓度为C02^ 6%，且持续下降；调节裂解炉清焦参数的措施为以当前参数值为基础，增加10% 100%的空气流量 和减少5% 25%的蒸汽量，空气与水蒸汽的最大质量流速比例不高于1 1，且水蒸汽与 空气总质量流率使文丘里前后压力比大于0. 9 ；当清焦尾气干气二氧化碳浓度低于4%时，以当前参数值为基础，增加10% 100%的 空气流量、减少5% 25%的蒸汽量和提高5°C 30°C的炉管出口温度；当炉管出口温度调 节到清焦控制逻辑程序所允许的最高温度时，延长烧焦时间至二氧化碳浓度小于0. 2%，辐 射段炉管自动控制清焦过程结束；在每步参数调节后，如果清焦尾气干气中氧气浓度大于12%且二氧化碳浓度低于 8%，则执行调整后的参数，否则退回调整前的参数。
3.如权利要求1或2所述的自动控制方法，其特征在于，集散控制系统的清焦控制逻辑 程序每隔1 30分钟对清焦尾气干气分析数据进行判断以确定是否需要调节清焦参数。
4.如权利要求1或2所述的自动控制方法，其特征在于，在清焦控制逻辑程序调整清焦 参数的前4个步骤，优选的保持清焦蒸汽流量不变，仅提高清焦空气流量。
5.如权利要求1所述的自动控制方法，其特征在于，集散控制系统的清焦控制逻辑程 序将裂解炉辐射段清焦起始阶段的蒸汽流量、空气流量和炉管出口温度变量进行初始化， 并装入工作内存中。
6.如权利要求5所述的自动控制方法，其特征在于，初始炉管出口温度为780 800 °C。
7.如权利要求5所述的自动控制方法，其特征在于，优选的初始炉管出口温度为 800 °C。
8.如权利要求5所述的自动控制方法，其特征在于，初始蒸汽流量为裂解炉吹扫蒸汽流量。
9.如权利要求5所述的自动控制方法，其特征在于，初始空气流量为蒸汽流量的 1/20 1/2。
10.如权利要求5所述的自动控制方法，其特征在于，优选的初始空气流量为蒸汽流量 的 1/10。
全文摘要
本发明涉及一种乙烯工业裂解炉辐射段在线快速清焦过程的自动控制的方法，该方法是由裂解炉集散控制系统中的清焦控制逻辑程序根据在线监测的清焦尾气中一氧化碳、二氧化碳和氧气浓度含量的高低以及变化趋势，自动保持和调整水蒸汽流量、空气流量和炉管出口温度。使用该方法可以实现裂解炉辐射段自动清焦控制，并可以监控裂解炉的清焦过程，减少裂解炉的清焦时间，提高工业裂解炉的在线使用率，从而提高了工业裂解炉的年产量。
文档编号C07C11/04GK101872205SQ20091008293
公开日2010年10月27日 申请日期2009年4月27日 优先权日2009年4月27日
发明者张永刚, 李蔚, 杜志国, 王国清, 王申祥, 郏景省 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