先進(jìn)過程控制在氣分裝置中的應(yīng)用

張韶煜，柴昕，劉炳杰

（1.洛陽三隆安裝檢修有限公司，河南 洛陽471012；2.中國石化股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽471012；3.浙江中控軟件技術(shù)有限公司，杭州310053）

先進(jìn)過程控制（APC）技術(shù)是流程企業(yè)綜合自動化的重要組成部分，也是生產(chǎn)裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行和節(jié)能降耗增效的主要手段之一。中國石化股份有限公司洛陽分公司氣分裝置于2011年11月采用先進(jìn)控制，開展優(yōu)化工作，提升了該裝置優(yōu)化與節(jié)能應(yīng)用的水平。

1 流程特點(diǎn)

氣分裝置主要包括液化石油氣脫硫醇和氣體分餾兩個生產(chǎn)單元。原料由催化裂化裝置和焦化裝置分別提供，即液化石油氣脫硫醇后，作為氣體分餾裝置的進(jìn)料。氣體分餾裝置利用物理分離的原理，對液化石油氣中各組分在同一壓力下具有不同的揮發(fā)度加以分離，生產(chǎn)出較高純度的丙烯、丙烷等產(chǎn)品。此次采用APC技術(shù)的氣體分餾單元，采用脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯精餾塔、脫異丁烷塔四塔流程。

2 裝置現(xiàn)狀與控制方案

2.1 裝置現(xiàn)狀

氣分裝置采用CS3000集散控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行集中控制，具備實(shí)施APC的基礎(chǔ)平臺。目前采用的常規(guī)PID控制，通常是針對單輸入單輸出對象的單變量控制，而對于精餾塔這樣具有多變量、有約束邊界、強(qiáng)耦合的復(fù)雜對象，難以實(shí)現(xiàn)在大擾動和多約束條件下的品質(zhì)控制，無法滿足生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量和收率控制的要求。

目前氣分裝置存在以下3個控制問題：裝置中一部分重要回路不能投自動，需要手動調(diào)節(jié)，存在控制不及時(shí)的問題，不能達(dá)到平穩(wěn)的控制效果；裝置內(nèi)的干擾因素較多，各個目標(biāo)互相制約，比如：T503A／B，無法通過人為操作實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)優(yōu)。裝置內(nèi)部熱集成度高、耦合嚴(yán)重，無法通過常規(guī)控制實(shí)現(xiàn)單元間解耦控制。

2.2 實(shí)施范圍與控制目標(biāo)

實(shí)施范圍包括脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯精餾塔（A／B）、丙烯精餾塔（C／D）、脫異丁烷塔及其相關(guān)部分。

氣分裝置APC實(shí)施后，要進(jìn)一步提高氣分裝置的自動化水平、抗干擾能力和關(guān)鍵工藝參數(shù)的平穩(wěn)率，并在確保裝置安全平穩(wěn)的前提下，優(yōu)化分餾塔的操作，提高目標(biāo)產(chǎn)品的切割精度，提高高價(jià)位產(chǎn)品（丙烯）拔出率，降低裝置能耗和操作人員勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率。具體建設(shè)目標(biāo)如下：

穩(wěn)定裝置的操作，要求關(guān)鍵控制變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差比之前降低30%以上；符合所有工藝和安全的約束條件；提高裝置的自動控制水平，降低勞動強(qiáng)度，在正常生產(chǎn)條件下，控制器的在線投用率達(dá)90%以上；實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊控制，丙烯收率提高0.5%；提高丙烯拔出率，獲得最大的產(chǎn)量；裝置總能耗降低0.3%，最大程度地提高能量利用效率。

2.3 技術(shù)路線

該項(xiàng)目采用了具有良好魯棒性的多變量預(yù)測控制軟件DMC plus，其可以在較寬的范圍內(nèi)，適應(yīng)由各種干擾和不確定因素所引起的控制器模型與裝置實(shí)際模型之間的誤差。同時(shí)還具有產(chǎn)品價(jià)值優(yōu)化功能，可以實(shí)現(xiàn)裝置經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化目標(biāo)。DMC plus控制器設(shè)計(jì)了多個子控制器。子控制器將大型單一控制器分割為邏輯過程部分，可以同時(shí)從控制器中開啟或者關(guān)閉一組有關(guān)的操作變量和被控變量。子控制器可以讓操作更簡單，但又不會改變控制器內(nèi)在的總體協(xié)調(diào)優(yōu)化的真正結(jié)構(gòu)。因此，APC系統(tǒng)將裝置的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)通過大控制器統(tǒng)籌考慮和優(yōu)化，再將實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的調(diào)節(jié)手段分解給子控制器來實(shí)現(xiàn)。

控制產(chǎn)品質(zhì)量是裝置優(yōu)化控制的基礎(chǔ)，只有在產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，才能追求產(chǎn)品的產(chǎn)量最大和生產(chǎn)的消耗最小。在產(chǎn)品的質(zhì)量控制中，實(shí)時(shí)在線質(zhì)量分析數(shù)據(jù)是十分重要的。

2.4 總體結(jié)構(gòu)

氣分裝置的APC系統(tǒng)包括脫丙烷塔控制器、脫乙烷塔控制器、丙烯精餾塔（A／B）控制器、丙烯精餾塔（C／D）控制器及脫異丁烷塔控制器。各控制器相互獨(dú)立，又有一定的內(nèi)在聯(lián)系，共同保證了裝置生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

同時(shí)，通過丙烯精餾塔塔頂在線分析儀表，以丙烯純度為控制目標(biāo)之一，融合于APC系統(tǒng)中，指導(dǎo)氣分裝置的日常生產(chǎn)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)“卡邊控制”，提高丙烯產(chǎn)品的收率，降低裝置生產(chǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 先進(jìn)控制系統(tǒng)總體框架示意

2.5 軟硬件平臺

氣分裝置APC系統(tǒng)通過OPC Server與CS3000系統(tǒng)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，在APC服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)控制器運(yùn)行，在CS3000系統(tǒng)平臺上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和具體調(diào)節(jié)，共同實(shí)現(xiàn)氣分裝置平穩(wěn)控制和“卡邊”優(yōu)化。APC軟件運(yùn)行在APC服務(wù)器上，APC服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows 2003Sever SP2。APC軟件為AspenTech的DMC Plus多變量預(yù)測控制系統(tǒng)，其主要包括：AspenTech DMC Plus，AspenTech IQ，CIMIO for OPC等組件。

3 APC系統(tǒng)方案實(shí)施

3.1 控制器設(shè)計(jì)

從統(tǒng)一整體考慮，通過物料平衡和能量平衡兩大方面實(shí)現(xiàn)控制策略：

1）物料平衡。引入脫丙烷塔進(jìn)料作為主要前饋?zhàn)兞?，充分發(fā)揮脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯精餾塔（A／B）、丙烯精餾塔（C／D）和脫異丁烷塔塔底液位及相關(guān)緩沖罐的緩沖作用，實(shí)現(xiàn)5塔之間物料傳遞平衡，繼而實(shí)現(xiàn)整個氣分裝置物料平衡。

2）能量平衡。能量平衡主要體現(xiàn)在冷熱媒部分，策略實(shí)現(xiàn)也主要包括兩方面：對于單個精餾塔而言，實(shí)現(xiàn)提餾段與精餾段之間供熱和取熱平衡，保證該塔內(nèi)部組分分布；對于單元間供熱和取熱而言，特別是塔頂取熱系統(tǒng)（主要是循環(huán)冷卻水），實(shí)現(xiàn)供熱介質(zhì)或取熱介質(zhì)平衡過渡，消除由于單元間某一股介質(zhì)調(diào)整幅度大對整個單元的影響，實(shí)現(xiàn)整個供熱或取熱系統(tǒng)內(nèi)部變量的解耦。

3.2 基礎(chǔ)控制的完善

對APC涉及的變送器、調(diào)節(jié)閥重新進(jìn)行校驗(yàn)，并重新整定相關(guān)回路的PID參數(shù)。更新在線分析儀，便于實(shí)現(xiàn)控制器對產(chǎn)品質(zhì)量的控制。

一些參與APC的測量值無法滿足APC的要求，項(xiàng)目組利用DCS的濾波器模塊對測量值進(jìn)行濾波處理，改善先進(jìn)控制器的實(shí)施條件。

3.3 安全策略

1）中間點(diǎn)的建立。為實(shí)現(xiàn)APC和優(yōu)化系統(tǒng)與常規(guī)控制之間的切換，需要在DCS中建立中間位號。這些中間位號包括：DCS通信保護(hù)程序相關(guān)位號，控制器開關(guān)、報(bào)警位號，APC和優(yōu)化系統(tǒng)位號。

2）通信監(jiān)控程序。為保障系統(tǒng)安全，在APC上位機(jī)和DCS之間的通信中斷、APC上位機(jī)發(fā)生死機(jī)等異常狀況時(shí)，需要切除APC和優(yōu)化系統(tǒng)，并給出報(bào)警提示便于操作人員進(jìn)行處理。這些功能是通過在DCS上建立通信監(jiān)控程序來實(shí)現(xiàn)的。

3）安全切換程序。安全切換程序包括控制器安全的投運(yùn)和摘除、設(shè)定值和操作變量的上下限保護(hù)與報(bào)警。安全切換程序的主要目的是實(shí)現(xiàn)APC系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)的切換工作。為了讓APC系統(tǒng)具有良好的靈活性，APC系統(tǒng)每一回路均可以自由切換。

3.4 建立APC界面

為滿足APC操作的需要，對DCS進(jìn)行在線下裝，組態(tài)了APC的操作畫面、切換和保護(hù)邏輯，在滿足APC控制器操作和裝置安全需求的同時(shí)，也考慮到操作人員的使用習(xí)慣，并且盡量減少DCS控制站的工作負(fù)荷和ACG數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)荷，使DCS既能充分滿足APC的要求，又能保證裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 運(yùn)行效果

4.1 提升控制品質(zhì)

該項(xiàng)目實(shí)施之后，主要工藝參數(shù)的控制效果得到明顯改善，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)控制，達(dá)到了預(yù)期控制效果，各精餾塔關(guān)鍵工藝指標(biāo)數(shù)據(jù)比APC投運(yùn)前有了較大程度的改善，波動幅度減小。現(xiàn)選取具有代表性的回路進(jìn)行比較，如圖2～圖5所示。

圖2 脫乙烷塔塔底溫度

圖3 丙烯精餾塔（A／B）塔頂回流罐液位

圖4 丙烯精餾塔（C／D）丙烯體積分?jǐn)?shù)

圖5 丙烯精餾塔（C／D）塔頂回流罐液位

4.2 效益估算

氣分裝置APC投用以后，對氣分裝置操作參數(shù)、指標(biāo)逐步進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和質(zhì)量的卡邊操作，提高了丙烯產(chǎn)量，降低了丙烷中丙烯體積分?jǐn)?shù)，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)裝置效益最大化的目的。

4.2.1 裝置能耗分析

氣分裝置從2012年4月APC投入運(yùn)行之后，經(jīng)過近半年的運(yùn)行、優(yōu)化，裝置平均能耗降低見表1所列，節(jié)能效果明顯。

表1 氣分裝置能耗數(shù)據(jù) kJ／t

4.2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

投用APC后，通過質(zhì)量“卡邊”操作，指標(biāo)得到優(yōu)化，降低了丙烯塔塔底丙烯攜帶量，2012年與2013年1～4月同期對比見表2所列，丙烷中丙烯體積分?jǐn)?shù)由0.420%降至0.056%。

表2 氣分裝置2012年與2013年1～4月丙烷中丙烯體積分?jǐn)?shù)對比 %

按目前產(chǎn)量計(jì)算，月可多產(chǎn)丙烯約15.5t，如果丙烯按9 000元／t、原料液化石油氣按平均價(jià)6 000元／t計(jì)算，則每月可多創(chuàng)效益約4.65萬元。

5 結(jié)束語

該公司氣分裝置APC系統(tǒng)各單元控制器已經(jīng)投入連續(xù)運(yùn)行，明顯降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)丙烯質(zhì)量的卡邊操作，降低丙烷中的丙烯體積分?jǐn)?shù)和裝置能耗，并提高了丙烯產(chǎn)量和裝置的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

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