基于非線性多變量優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

鄭文生，錢坤(安徽萬緯工程管理有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246001)

基于非線性多變量優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

鄭文生，錢坤
(安徽萬緯工程管理有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246001)

針對(duì)汽油調(diào)和過程中的非線性調(diào)和效應(yīng)及多變量影響等因素，提出了非線性多變量優(yōu)化控制系統(tǒng)方案，包括系統(tǒng)的硬件和軟件配置、約束條件、多變量優(yōu)化控制器、優(yōu)化模型、比例調(diào)和控制、在線分析儀分析等，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化建模、模型調(diào)整、各控制器之間的通信和數(shù)據(jù)傳送。實(shí)際結(jié)果表明： 該設(shè)計(jì)方案能穩(wěn)定、有效地應(yīng)用在油品調(diào)和生產(chǎn)裝置中，并指出了系統(tǒng)集成中的注意事項(xiàng)。

非線性 多變量 優(yōu)化建模 在線控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

油品調(diào)和是成品油生產(chǎn)的重要工序。在調(diào)和過程中，存在著參調(diào)組分油中烴類之間的相互作用所引起的非線性調(diào)和效應(yīng)，很難對(duì)調(diào)和后成品油的質(zhì)量指標(biāo)做出直接準(zhǔn)確的預(yù)測和控制。同時(shí)，煉油裝置工藝操作的波動(dòng)又會(huì)引起參調(diào)組分汽油多種質(zhì)量指標(biāo)的變化，這些多變量因素增加了成品油質(zhì)量指標(biāo)的不確定性，從而導(dǎo)致了調(diào)和合格率低，重調(diào)次數(shù)增加或者成品油存在質(zhì)量過剩而造成浪費(fèi)，影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。油品調(diào)和非線性多變量優(yōu)化控制系統(tǒng)能對(duì)成品油的質(zhì)量進(jìn)行精確控制，從而提高了成品油質(zhì)量。

中國石油化工股份有限公司某分公司含硫原油加工適應(yīng)性改造及油品質(zhì)量升級(jí)工程是中國石化進(jìn)行油品質(zhì)量升級(jí)的戰(zhàn)略部署工程之一，其中新建一套汽油在線優(yōu)化調(diào)和裝置，采用非線性多變量優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行成品油生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)調(diào)整和油品質(zhì)量升級(jí)。

1 調(diào)和裝置概況

該調(diào)和裝置采用管道和靜態(tài)混合器進(jìn)行調(diào)和，現(xiàn)場設(shè)備主要包括油品儲(chǔ)罐、工藝管線、靜態(tài)混合器、調(diào)節(jié)閥、精密質(zhì)量流量計(jì)、組分油泵、在線分析儀等，控制系統(tǒng)包括在線優(yōu)化調(diào)和[1]、罐區(qū)自動(dòng)化、罐區(qū)計(jì)量等。

調(diào)和裝置既能調(diào)和來自組分儲(chǔ)罐的組分汽油(靜態(tài))，又能調(diào)和來自煉油裝置的組分汽油(動(dòng)態(tài))。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)組分汽油可以同時(shí)進(jìn)行調(diào)和。參與調(diào)和的有S-Zorb[2]汽油(催化汽油經(jīng)S-Zorb裝置脫硫后汽油)、重整汽油、抽余油、拔頭油等組分油和甲基環(huán)戊二烯三羰基錳(MMT)添加劑。組分油和添加劑經(jīng)過管道和靜態(tài)混合器在線優(yōu)化調(diào)和，分別調(diào)和出滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的國Ⅳ汽油。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1優(yōu)化控制流程

優(yōu)化控制系統(tǒng)采用非線性多變量優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，在線近紅外分析儀和在線總硫分析儀對(duì)各組分油和成品汽油進(jìn)行在線檢測分析，分散型控制系統(tǒng)(DCS)對(duì)組分油進(jìn)行在線比例調(diào)和控制。

1) 組分油、成品汽油通過采樣探頭采樣和快速回路輸送，將試樣送至預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。處理后的試樣輸送到在線近紅外分析儀進(jìn)行光譜分析，在線實(shí)時(shí)檢測分析出各組分油及調(diào)和后成品汽油中的辛烷值(RON和MON)、抗爆指數(shù)、蒸餾點(diǎn)、烯烴和芳烴體積分?jǐn)?shù)、密度、蒸汽壓、苯體積分?jǐn)?shù)、氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)等質(zhì)量指標(biāo)。同時(shí)通過在線總硫分析儀，對(duì)S-Zorb汽油及調(diào)和后的成品汽油進(jìn)行檢測分析總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2) 把分析得出的成品汽油的質(zhì)量指標(biāo)同優(yōu)化控制服務(wù)器中的優(yōu)化模型相比較，計(jì)算出各調(diào)和組分油的配方和體積流量。

3) 由優(yōu)化控制服務(wù)器發(fā)出指令，通過DCS把指令下達(dá)到各組分油管道上的調(diào)節(jié)閥。各組分油按不同的比例被送入管道，經(jīng)液體湍流擴(kuò)散和靜態(tài)混合器混合，達(dá)到均勻混合狀態(tài)，最終調(diào)和出與優(yōu)化模型一致的93號(hào)、97號(hào)乙醇汽油及93號(hào)、97號(hào)車用汽油，分別輸送到各標(biāo)號(hào)汽油的成品油油罐。優(yōu)化控制系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 優(yōu)化控制系統(tǒng)流程示意

2.2非線性多變量優(yōu)化控制

非線性多變量優(yōu)化控制系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)優(yōu)化技術(shù)，針對(duì)單個(gè)調(diào)和批次，根據(jù)成品油產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、優(yōu)化約束條件、優(yōu)化控制目標(biāo)(生產(chǎn)成本最低、質(zhì)量過剩最小、最接近優(yōu)化模型等)、組分油成本、組分油體積流量等參數(shù)以及在線分析儀提供的組分油及成品油質(zhì)量分析值等，動(dòng)態(tài)計(jì)算最優(yōu)化[3]的調(diào)和配方(即各調(diào)和組分油參與調(diào)和的量)，對(duì)成品油性質(zhì)實(shí)施在線卡邊或區(qū)域優(yōu)化控制，確保成品油質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到優(yōu)化控制的目標(biāo)。

2.2.1優(yōu)化約束條件

優(yōu)化控制的一系列主要約束條件： 基于管道體積流量控制調(diào)節(jié)閥，使得調(diào)和體積流量控制在優(yōu)化控制正常工作范圍之內(nèi)；基于組分油的性質(zhì)在優(yōu)化控制的可用性范圍之內(nèi)；基于產(chǎn)品操作和計(jì)劃調(diào)度比例約束條件。

2.2.2優(yōu)化控制目標(biāo)

優(yōu)化控制系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)是提高汽油辛烷值，控制蒸汽壓和餾程，控制烯烴和芳烴體積分?jǐn)?shù)及降低苯體積分?jǐn)?shù)、硫和鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在汽油中加入MMT添加劑，以提高成品汽油的辛烷值，降低汽車尾氣中排放的污染物。調(diào)和后的成品汽油的品種和參數(shù)見表1所列。

表1 調(diào)和后各成品汽油的參數(shù)

從表1中的分析數(shù)據(jù)得出，調(diào)和后的成品汽油中的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)均小于1×10-5，遠(yuǎn)小于國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)汽油質(zhì)量指標(biāo)(硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5×10-5)，可以達(dá)到國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)汽油質(zhì)量指標(biāo)(硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1×10-5)。

2.2.3優(yōu)化模型

優(yōu)化模型的建立是優(yōu)化控制系統(tǒng)的核心。汽油調(diào)和是一個(gè)非線性過程，各調(diào)和組分油之間存在著復(fù)雜的調(diào)和效應(yīng)。它們之間的非線性交互影響是汽油辛烷值(RON和MON)調(diào)和不可忽視的因素。因此，優(yōu)化模型使用非線性優(yōu)化技術(shù)。非線性優(yōu)化后的配方自動(dòng)下載到在線比例調(diào)和控制系統(tǒng)來自動(dòng)調(diào)整各組分油的比例。各個(gè)組分油對(duì)應(yīng)最優(yōu)化的調(diào)和比例，確保比例分配滿足各類約束條件，并對(duì)所有調(diào)和資源進(jìn)行整體優(yōu)化，從而使調(diào)和的效益指標(biāo)最大化。優(yōu)化模型[4]為

(1)

約束條件為

octmin i≤foct(xij，octj)+Δocti≤octmax i

(i=1,2, …,m；j=1,2, …,n)

fs(xij,ωsj)+Δωsi≤ωs max i

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

fole(xij,φole j)+Δφole i≤φole max i

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

frvp(xij,rvpj)+Δrvpi≤rvpmax i

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

式中：fole——烯烴體積分?jǐn)?shù)調(diào)和規(guī)則；foct——辛烷值調(diào)和規(guī)則；frvp——蒸汽壓調(diào)和規(guī)則；fs——硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)和規(guī)則；octj——汽油組分j的實(shí)際辛烷值；octmin i,octmax i——成品汽油i的辛烷值指標(biāo)；pi——成品汽油i的價(jià)格,元/t；qij——參與成品汽油i調(diào)和的組分油j的價(jià)格,元/t；rvpj——汽油組分j的蒸汽壓，kPa；rvpmax i——成品汽油i的蒸汽壓指標(biāo)，kPa；ωsj——汽油組分j的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ωs max i——成品汽油i的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)，%；xij——參與成品汽油i調(diào)和的汽油組分j的實(shí)時(shí)體積流量，m3/h；Δocti——成品汽油i的辛烷值偏差；Δrvpi——成品汽油i的蒸汽壓偏差，kPa；Δωsi——成品汽油i的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏差，%；Δφolei——成品汽油i的烯烴體積分?jǐn)?shù)偏差，%；ηj——汽油組分j的可用量，m3；φole j——汽油組分j的烯烴體積分?jǐn)?shù)，%；φole max i——成品汽油i的烯烴體積分?jǐn)?shù)，%。

從式(1)可以看出，優(yōu)化模型的關(guān)鍵是在約束條件中建立各汽油調(diào)和組分性質(zhì)的調(diào)和規(guī)則[5]。辛烷值作為衡量成品汽油品質(zhì)的主要指標(biāo)之一，其調(diào)和規(guī)則具有較強(qiáng)的非線性關(guān)系。

2.2.4模型的調(diào)整

優(yōu)化模型隨著優(yōu)化控制進(jìn)程不斷地進(jìn)行調(diào)整，使優(yōu)化模型最接近實(shí)際的工藝參數(shù)。通過比較優(yōu)化模型的品質(zhì)預(yù)估[6]值和優(yōu)化控制的實(shí)際參數(shù)，結(jié)合組分油和調(diào)和后的成品汽油的在線實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行調(diào)整。

3 系統(tǒng)總體構(gòu)架

優(yōu)化控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架由優(yōu)化控制、DCS控制和在線分析儀及現(xiàn)場儀表三部分組成，如圖2所示。

3.1優(yōu)化控制

優(yōu)化控制由優(yōu)化控制服務(wù)器、配方管理服務(wù)器、防火墻和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備和優(yōu)化軟件組成。

優(yōu)化控制服務(wù)器安裝非線性多變量優(yōu)化控制軟件，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的動(dòng)態(tài)配方優(yōu)化，并將優(yōu)化配方經(jīng)交換機(jī)及OPC(OLE for Process Control)服務(wù)器傳輸?shù)桨惭b在DCS控制站上的比例調(diào)和控制軟件。比例調(diào)和控制軟件根據(jù)優(yōu)化配方，對(duì)相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。

配方管理服務(wù)器安裝調(diào)和配方管理軟件。調(diào)和配方管理與該公司計(jì)劃調(diào)度管理系統(tǒng)進(jìn)行集成，對(duì)調(diào)和配方和生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)進(jìn)行管理。

圖2 優(yōu)化控制系統(tǒng)構(gòu)架

3.2DCS控制

DCS由控制器、OPC服務(wù)器和比例[7]調(diào)和控制軟件組成。OPC服務(wù)器采集調(diào)和過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將它們傳送到優(yōu)化控制系統(tǒng)。在線比例調(diào)和控制軟件執(zhí)行調(diào)和品質(zhì)優(yōu)化控制軟件下達(dá)的控制指令，采集與監(jiān)控調(diào)和過程的每一個(gè)參數(shù)，根據(jù)控制回路設(shè)定的PID[8]參數(shù)，及時(shí)在DCS中進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)各組分油體積流量進(jìn)行比例控制，確保被調(diào)和的產(chǎn)品符合配方各項(xiàng)指標(biāo)的要求。

3.3在線分析儀系統(tǒng)

在線分析儀系統(tǒng)由在線近紅外分析儀和在線總硫分析儀組成，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。

3.3.1在線近紅外分析儀[9]

在線近紅外分析儀采用先進(jìn)的傅立葉變換近紅外光譜技術(shù)，采集與監(jiān)測各調(diào)和組分油以及成品汽油所要求的物化品質(zhì)，實(shí)時(shí)地傳送到DCS。在線近紅外分析儀配備了計(jì)算傅立葉變換的計(jì)算機(jī)、調(diào)和校正模型以及試樣預(yù)處理系統(tǒng)。

經(jīng)過預(yù)處理的試樣進(jìn)入流通池進(jìn)行光譜分析。被流通池中試樣吸收后的近紅外光經(jīng)光檢測器進(jìn)行光電檢測、模數(shù)轉(zhuǎn)換和傅立葉變換后，得到在線測量結(jié)果。

3.3.2在線總硫分析儀

優(yōu)化控制系統(tǒng)采用在線總硫分析儀對(duì)S-Zorb汽油及調(diào)和后的成品汽油進(jìn)行總硫檢測分析。

在線總硫分析儀應(yīng)用氧化轉(zhuǎn)化爐和紫外熒光檢測技術(shù)，將經(jīng)預(yù)處理的試樣注入載氣中，試樣與空氣混合后在轉(zhuǎn)化爐中燃燒，將試樣中的所有硫化物轉(zhuǎn)換成二氧化硫。從轉(zhuǎn)化爐出來的氣體進(jìn)入熒光室，熒光室中的聚光鏡將紫外光聚集到反光鏡組件上，組件選擇性地反射一定波長的激化態(tài)二氧化硫分子。當(dāng)激化態(tài)二氧化硫分子衰變?yōu)檩^低能量狀態(tài)時(shí)，釋放出與試樣中總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)成一定比例的紫外熒光，經(jīng)紫外熒光檢測器檢測放大后得到與其相應(yīng)的總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)[10]。

4 結(jié)束語

非線性多變量優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，首先要考慮在線優(yōu)化、檢測分析、罐區(qū)計(jì)量、DCS控制及計(jì)劃調(diào)度管理等系統(tǒng)的集成。在設(shè)計(jì)和集成過程中，要進(jìn)行接口開發(fā)、優(yōu)化流程確定、優(yōu)化模型建模、DCS組態(tài)、軟件調(diào)試等一系列工作。其中各個(gè)系統(tǒng)之間的接口軟件開發(fā)是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。只有做好這些工作，才能使優(yōu)化控制系統(tǒng)真正發(fā)揮有效的作用，生產(chǎn)出高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品，為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。

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GE檢測控制技術(shù)推出高精度超聲波流量計(jì)

2013年8月，通用電氣檢測控制技術(shù)最新推出了旗下Panametrics超聲波流量計(jì)產(chǎn)品系列中的一個(gè)新成員Sentinel LCT4高精度超聲波流量計(jì)。它是專為高黏度測量而設(shè)計(jì)，適用于原油及各類液態(tài)介質(zhì)的測量。具高可靠性和重復(fù)性，嚴(yán)格符合OIML R117-1標(biāo)準(zhǔn)。Sentinel LCT4在繼承Sentinel LCT高可靠性的同時(shí)，進(jìn)一步提升了美學(xué)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)更緊湊，電纜內(nèi)置，緩沖棒不再外露，取消了接線盒，但仍保持了超聲波流量計(jì)的所有優(yōu)點(diǎn)：

·無漂移，無需定期標(biāo)定

·無壓損

·無管徑限制

·無活動(dòng)部件，前端無需安裝過濾器/濾網(wǎng)

主要應(yīng)用：

·液體貿(mào)易結(jié)算

·液體長輸與調(diào)配

·管網(wǎng)泄漏檢測

·原油成品油測量

·超高/低溫流體測量

·任何要求高精度測量的液體

由于全球?qū)υ托枨蟮某掷m(xù)增長，對(duì)油品貿(mào)易計(jì)量的精度也提出越來越高的要求。超聲波流量計(jì)由于兼具高精準(zhǔn)度和寬量程比，在原油、成品油和LNG的計(jì)量方面已經(jīng)逐步從裝置內(nèi)擴(kuò)展到對(duì)外貿(mào)易結(jié)算領(lǐng)域。為此，GE在2011年推出Sentinel系列產(chǎn)品。該系列的產(chǎn)品采用時(shí)差法原理、多通道設(shè)計(jì)，結(jié)合GE獨(dú)有的波導(dǎo)束技術(shù)和CFD仿真模型，實(shí)現(xiàn)精度為0.15%級(jí)的測量。同時(shí)，該系列產(chǎn)品不受流體黏度限制，極大地?cái)U(kuò)展了在長輸管線多流體測量方面的應(yīng)用。(通用電氣檢測控制技術(shù)(上海)有限公司)

ApplicationofControlSystemBasedonNonlinearMultivariableOptimization

Zheng Wensheng, Qian Kun

(Anhui Wanwei Engineering Management Co. Ltd., Anqing, 246001, China)

Considering the nonlinear blending effects and multivariable influencing factors in gasoline blending process, a control system based on nonlinear and multivariable optimization is proposed, which employs the configuration of hardware and software, constraint conditions, multivariable optimization controller, optimization model, control of ratio blending and on-line analyzer systems, etc. The optimization modeling, model adjustment, communication and data transmission between controllers are realized. Practical applications show the design is effective and stable in the production units of oil blending. The note of system integration is suggested.

nonlinear; multivariable; optimization modeling; on-line control; system structure

稿件收到日期：2013-02-26，修改稿收到日期2013-05-12。

鄭文生(1968—)，男，畢業(yè)于浙江大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)就職于安徽萬緯工程管理有限責(zé)任公司，長期從事石油化工工程建設(shè)咨詢和管理工作，任高級(jí)工程師。

TP273

B

1007-7324(2013)05-0016-04