中國石化先進過程控制應(yīng)用現(xiàn)狀

趙恒平

（石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司上海分公司，上海 200120）

隨著原油價格不斷攀升、原油的質(zhì)量大幅度降低，石化企業(yè)的加工成本越來越高，這使得石化企業(yè)不得不以節(jié)能降耗為著力點，努力提高裝置的生產(chǎn)效益。先進過程控制（advanced process control，簡稱“APC”或“先進控制”）直接對生產(chǎn)裝置實施優(yōu)化控制，把效益目標(biāo)直接落實到閥門，是裝置進一步挖潛增效的有效手段；APC能夠解決常規(guī)PID控制無法解決的延遲、耦合等問題，使裝置操作更加平穩(wěn)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)裝置的卡邊操作，提高高附加值產(chǎn)品收率，降低裝置能耗。

中國石化十多年的APC推廣應(yīng)用經(jīng)驗表明，APC不僅提高了裝置的控制能力和管理水平，提升了企業(yè)的競爭能力，推動了工廠的科技進步，而且還為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

1 APC技術(shù)及國內(nèi)外發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 APC技術(shù)介紹

傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)對于一般的工業(yè)生產(chǎn)過程基本上都能滿足控制要求，再加上這種控制方式比較簡單，也容易操作，所以受到工業(yè)界的普遍歡迎；但是，隨著工業(yè)生產(chǎn)過程規(guī)模的擴大和復(fù)雜性的增加，對產(chǎn)品質(zhì)量和過程被控變量的波動范圍要求越來越嚴格，特別是對于那些與工業(yè)企業(yè)經(jīng)濟效益密切相關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)過程，簡單的PID控制系統(tǒng)已遠遠不能適應(yīng)。具體表現(xiàn)在：①PID控制系統(tǒng)波動較大，難以實現(xiàn)卡邊控制；②簡單的PID控制方法不能實現(xiàn)多變量協(xié)調(diào)控制。

自20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論，在航空航天領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用以后，人們一直尋求各種現(xiàn)代控制算法，企圖能在復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程控制中應(yīng)用。經(jīng)過三十多年的努力，首先是基于模型的預(yù)測控制方法，由過程控制界的兩位開拓者，法國的Richalet[1]和美國的Culter[2]在1980年前后提出，并在復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中取得成功應(yīng)用，從而形成了先進控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用的新 時代。

先進控制技術(shù)是指一類在動態(tài)環(huán)境中基于生產(chǎn)實踐模型，尤其是動態(tài)數(shù)學(xué)模型的控制策略，借助計算機的計算能力將工藝生產(chǎn)協(xié)調(diào)控制在一個最佳狀態(tài)的技術(shù)；先進控制技術(shù)是在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上，采用先進的建模、多變量預(yù)估控制、軟測量技術(shù)[3]等手段，對裝置或工藝單元進行多變量協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。通過實施先進控制，為操作人員提供一個方便的工具，承擔(dān)大多數(shù)常規(guī)操作任務(wù)（相當(dāng)于一個優(yōu)秀的操作員全天24h工作），可以改善過程動態(tài)控制的性能、減少過程變量的波動幅度，使之能更接近其優(yōu)化目標(biāo)值，從而實現(xiàn)生產(chǎn)裝置的卡邊控制，最終達到增強裝置運行的穩(wěn)定性和安全性、保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性、提高目標(biāo)產(chǎn)品收率、增加裝置處理量、降低運行成本、減少環(huán)境污染等目的。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

1.2.1 國外發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

國外著名石化企業(yè)先進控制系統(tǒng)在生產(chǎn)裝置上已經(jīng)普遍應(yīng)用，在美國、西歐、日本等發(fā)達國家超過半數(shù)以上的生產(chǎn)裝置都實施了先進控制技術(shù)，美國90%的重點裝置已經(jīng)普及了先進控制。目前，企業(yè)應(yīng)用重點已經(jīng)從裝置優(yōu)化轉(zhuǎn)向煉廠整體優(yōu)化，部分企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)與供應(yīng)鏈系統(tǒng)集成。

（1）ExxonMobil廣泛采用先進控制技術(shù)，已在煉油、石化等眾多裝置上實施了先進控制項目，通過技術(shù)轉(zhuǎn)移，ExxonMobil已建立了自己的先進控制工程實施隊伍及先進控制系統(tǒng)應(yīng)用維護隊伍。

（2）Dow化學(xué)公司在全球15套乙烯裝置上實施了先進控制與實時優(yōu)化，在減少裝置波動，提高目的產(chǎn)品收率以及節(jié)能降耗方面，4年內(nèi)累計所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益高達1.75億美元。

（3）Chevron在所屬的8個煉油廠主要裝置實施了先進控制系統(tǒng)，并在系統(tǒng)維護方面采用了智能化自動測試軟件工具，應(yīng)用于控制器維護。

（4）BP廣泛實施了先進控制系統(tǒng)，包括乙烯、聚乙烯、聚丙烯、PX、PTA等裝置。

1.2.2 國內(nèi)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

對于國內(nèi)的大型石化企業(yè)，先進控制技術(shù)與產(chǎn)品都有了普遍應(yīng)用，但應(yīng)用規(guī)模各不相同。目前多數(shù)用于煉油裝置，近年來，由于產(chǎn)品與技術(shù)的發(fā)展，先進控制在化工裝置開始應(yīng)用，并取得了較好的應(yīng)用效果；今后一段時間內(nèi)，化工裝置（例如乙烯、聚乙烯、聚丙烯等）的先進控制系統(tǒng)應(yīng)用仍是一個重點。隨著先進控制系統(tǒng)應(yīng)用普及，生產(chǎn)裝置區(qū)域優(yōu)化、實時優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)管控一體化將成為其應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

在先進控制系統(tǒng)項目的實施方面，大型石化公司已經(jīng)開始根據(jù)企業(yè)的信息化發(fā)展規(guī)劃進行統(tǒng)一規(guī)劃，堅持效益優(yōu)先的原則，首先在煉化主體裝置實施先進控制系統(tǒng)，并開始實施區(qū)域優(yōu)化，取得了顯著的效果。

（1）中國石化作為國內(nèi)引進先進控制技術(shù)較早的企業(yè)，從20世紀(jì)90年代初就開始在煉油裝置上進行先進控制應(yīng)用的試點工作，截至2014年5月，已經(jīng)立項建設(shè)APC項目200多套，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

（2）中國石油已在40多套生產(chǎn)裝置實施先進控制，中海油也在惠州煉化公司重整、焦化、加氫裂化、乙烯等多套煉化裝置應(yīng)用了先進控制技術(shù)，均取得了很好的效益。

部分大型石化公司已經(jīng)建立先進控制技術(shù)維護中心，通過先進控制維護管理平臺，統(tǒng)一對本公司的先進控制系統(tǒng)進行維護。這種系統(tǒng)維護模式已經(jīng)初見成效，將成為今后我國先進控制系統(tǒng)運行維護的發(fā)展趨勢。

2 中國石化APC建設(shè)與應(yīng)用情況

中國石化APC技術(shù)推廣應(yīng)用工作是由總部統(tǒng)一規(guī)劃的，項目實施采用了先試點后推廣的方法。從1996年開始進行APC項目的首批試點工作，包含常減壓、催化裂化、聚丙烯等12套裝置。試點成功后，在中國石化總部統(tǒng)一組織和領(lǐng)導(dǎo)下，進行了較大規(guī)模的推廣應(yīng)用；特別是2012年以來，按照集團公司黨組領(lǐng)導(dǎo)關(guān)于“信息化要在提高生產(chǎn)運營效率、經(jīng)濟效益，促進安全環(huán)保、節(jié)能減排上發(fā)揮作用，進一步提高信息化投資回報”的要求，中國石化進一步加強了APC建設(shè)管理，強化了APC應(yīng)用的考核和運維支持，APC在質(zhì)量控制、挖潛增效、節(jié)能降耗等方面取得了明顯的效果。

2.1 建設(shè)與應(yīng)用情況

截止到2014年5月，在中國石化APC立項建設(shè)的二百多套裝置中，其中的135套（其中煉油裝置78套，化工裝置57套）實現(xiàn)了在線實時監(jiān)控 運行。

中國石化APC應(yīng)用主要集中在常減壓（16套）、催化裂化（26套）、延遲焦化（20套）、重整（18套）、加氫（裂化9套，處理3套，精制9套）、氣體（22套）、芳烴（12套）、PP（20套）、PE（12套）、PTA（7套）、乙烯（7套）等16類裝置。

近幾年，對于部分新建煉化企業(yè)，一旦裝置開工運行正常后，就開始在常減壓、催化裂化、延遲焦化、連續(xù)重整等主要裝置上實施APC技術(shù)，一次性實現(xiàn)全廠主要生產(chǎn)裝置的APC全覆蓋。

2.2 應(yīng)用效果

煉化企業(yè)生產(chǎn)裝置實施APC技術(shù)，效果非常明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）提高了裝置平穩(wěn)率，減輕了操作人員的勞動強度。APC的應(yīng)用使裝置的運行參數(shù)保持平穩(wěn)，減小了操作波動，提高了裝置平穩(wěn)率。煉油裝置主要被控工藝參數(shù)的平均方差降低了20%以上，化工裝置主要被控工藝參數(shù)的平均方差降低了15%以上；APC根據(jù)設(shè)定目標(biāo)值或范圍實時自動調(diào)節(jié)多個相關(guān)參數(shù)，改變了以前人工單回路調(diào)節(jié)的裝置操作模式，減輕了操作人員的勞動強度，統(tǒng)一了操作方法，減少了人工調(diào)節(jié)所帶來的干擾。

（2）實現(xiàn)了卡邊控制，提高了高價值產(chǎn)品收率。APC不僅使裝置運行更加平穩(wěn)，并且可以實現(xiàn)實時卡邊控制，以提高高價值產(chǎn)品收率。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，APC投用后，常減壓、催化裂化、延遲焦化、連續(xù)重整、加氫裂化、氣分等裝置主要產(chǎn)品的收率可提高0.25%以上。如某延遲焦化裝置APC投用后，通過質(zhì)量卡邊操作，輕油收率提高1.48%，年增經(jīng)濟效益1399萬元。

（3）降低了單位增加值能耗，節(jié)能降耗效果明顯。APC綜合考慮加熱爐的各種工藝約束和設(shè)備限制，平衡加熱爐各支路流量和溫度等，從而降低燃氣消耗和排煙溫度，提高能源使用效率。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，APC投用后，裝置能耗降低0.25%以上；加氫精制、硫黃回收、酸性水處理、制氫等環(huán)保（輔助）裝置能耗降低0.5%以上。如某連續(xù)重整裝置APC投用后，瓦斯的月平均單耗下降了1.3739kg/t原料，年創(chuàng)經(jīng)濟效益445萬元。

根據(jù)中國石化已驗收APC項目的效益統(tǒng)計，煉油裝置平均每套年效益571.5萬元，化工裝置每套平均年效益366.7萬元，135套裝置每年約創(chuàng)效益5億多元，具體見圖1。

圖1 中國石化煉化裝置APC實施效益分析

2.3 系統(tǒng)運行與維護

為加強APC系統(tǒng)現(xiàn)場運行狀態(tài)的跟蹤考核，中國石化組織起草了《中國石化先進控制（APC）應(yīng)用管理辦法》、《中國石化先進控制（APC）應(yīng)用評價辦法》，落實各級管理、維護及使用人員的職責(zé)，建立了月度運維考核機制，形成了中國石化APC系統(tǒng)運行維護管理體系（圖2）；并依托石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司上海分公司（以下簡稱“石化盈科上海分公司”）成立了中國石化APC技術(shù)支持中心，對已上線的APC系統(tǒng)進行維護和技術(shù)支持。

圖2 中國石化APC系統(tǒng)運行維護管理體系

圖3 中國石化APC運行監(jiān)控系統(tǒng)

為了更好地對APC建設(shè)和應(yīng)用情況進行跟蹤檢查和監(jiān)督管理，2011年中國石化APC技術(shù)支持 中心開發(fā)了“中國石化APC運行監(jiān)控系統(tǒng)”，通過該系統(tǒng)可實時監(jiān)控各APC系統(tǒng)在線運行情況，按月評價各下屬企業(yè)APC應(yīng)用水平，發(fā)布中國石化APC應(yīng)用和維護管理進展情況，并提供在線技術(shù)交流和技術(shù)支持。實時監(jiān)控頁面見圖3。

伴隨著APC運維管理體系的不斷完善，近三年，各企業(yè)普遍增強了APC應(yīng)用工作的重視程度，加強了APC應(yīng)用考核力度，借助APC監(jiān)控平臺及時發(fā)現(xiàn)并解決APC運行中出現(xiàn)的問題，不斷提高APC的應(yīng)用水平，各類裝置控制器投用率均在90%以上，具體見圖4。

2.4 技術(shù)培訓(xùn)

圖4 中國石化APC投用率

APC技術(shù)是一項專業(yè)性、技術(shù)性很強的跨學(xué)科綜合性技術(shù)，為保證APC項目的成功并持續(xù)獲得效 益，需要對各級領(lǐng)導(dǎo)、項目開發(fā)人員、維護人員及操作人員進行APC技術(shù)培訓(xùn)。目前中國石化已形成完整的APC培訓(xùn)體系（圖5），從3個層次培養(yǎng)企業(yè)APC開發(fā)、應(yīng)用、運維技術(shù)人員，已累計培訓(xùn)企業(yè)人員近千人。

通過理論基礎(chǔ)、工程技術(shù)以及運維技術(shù)培訓(xùn)，使項目開發(fā)人員及維護人員明白APC控制機理、實施策略和APC系統(tǒng)的使用與維護方法，基本上可以解決日常生產(chǎn)運行過程中APC出現(xiàn)的簡單問題；通過操作培訓(xùn)，使操作人員能夠熟練地掌握和應(yīng)用先進控制，充分發(fā)揮APC的效果。

3 中國石化APC應(yīng)用經(jīng)驗

不同于其他信息化系統(tǒng)，APC系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用水平不僅受制于現(xiàn)場工藝、儀表條件，而且與領(lǐng)導(dǎo)重視程度、維護使用人員能力息息相關(guān)，導(dǎo)致系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用困難重重。

中國石化堅持推廣應(yīng)用APC系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)十幾年，歷經(jīng)坎坷，目前基本上得到了各級領(lǐng)導(dǎo)、裝置工藝和操作人員的認可，并且大多數(shù)裝置效益非常明顯?？偨Y(jié)起來，成功的經(jīng)驗主要有以下幾個方面。

圖5 中國石化APC技術(shù)培訓(xùn)體系

（1）領(lǐng)導(dǎo)重視、組織落實。為全面提升中國石化生產(chǎn)裝置APC系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用水平，在總部層面上，在APC領(lǐng)導(dǎo)小組的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，組建了以煉油事業(yè)部、化工事業(yè)部為APC應(yīng)用管理牽頭部門，以信息系統(tǒng)管理部為項目立項、建設(shè)等綜合管理部門，中國石化APC技術(shù)支持中心具體負責(zé)項目實施、日常技術(shù)支持和服務(wù)工作；在企業(yè)層面上，各企業(yè)均成立了APC應(yīng)用領(lǐng)導(dǎo)小組和工作小組，結(jié)合本單位實際情況制定了APC應(yīng)用管理考核辦法，負責(zé)APC項目的實施、跟蹤、考核及日常運行維護等工作企業(yè)負責(zé)日常運行和維護。

（2）總體規(guī)劃、分步實施，穩(wěn)步推廣應(yīng)用APC。結(jié)合多年的APC的建設(shè)經(jīng)驗和APC具有優(yōu)化裝置操作，獲取最大經(jīng)濟效益的特點，中國石化采取了“總體規(guī)劃、分步實施、效益優(yōu)先、成批推廣”的建設(shè)原則，并按照“裝置三年無大改造、現(xiàn)場基礎(chǔ)條件好、企業(yè)重視、人員到位”的標(biāo)準(zhǔn)選擇實施裝置，以確保保項目的順利實施，并發(fā)揮應(yīng)有的作用。

（3）建立穩(wěn)定的APC實施隊伍。中國石化APC系統(tǒng)建設(shè)由石化盈科上海分公司負責(zé)。石化盈科上海分公司從2004年起組建APC項目部專門負責(zé)先進控制的實施、新技術(shù)推廣、人員培訓(xùn)、運行監(jiān)控與現(xiàn)場維護等技術(shù)支持與服務(wù)工作。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，石化盈科上海分公司形成了一支國內(nèi)規(guī)模最大的APC項目實施專業(yè)技術(shù)隊伍，擁有了一批深入了解中國石化APC系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)人員，具有豐富的APC項目設(shè)計、實施和運維經(jīng)驗。

（4）持續(xù)關(guān)注及總結(jié)。中國石化在APC系統(tǒng)項目建設(shè)與應(yīng)用實踐過程中，持續(xù)不斷地分析實施和應(yīng)用APC系統(tǒng)的成功經(jīng)驗，并總結(jié)APC系統(tǒng)性能下降的原因，形成并不斷充實應(yīng)用APC知識庫，提煉總結(jié)APC系統(tǒng)應(yīng)用關(guān)鍵要素。目前中國石化通過持續(xù)關(guān)注及總結(jié)，已提煉出建好和用好APC系統(tǒng) 的五大關(guān)鍵要素，即實施條件、控制技術(shù)、實施方法、崗位與考核、長期維護機制。

（5）重視APC系統(tǒng)運行維護。為確保APC系統(tǒng)的性能優(yōu)化和長期運行，中國石化依托石化盈科上海分公司成立了APC系統(tǒng)運維技術(shù)支持中心，負責(zé)中國石化APC系統(tǒng)運行維護工作，并開發(fā)APC監(jiān)控軟件對系統(tǒng)投用情況進行實時監(jiān)視，確保投入運行的APC系統(tǒng)都納入中國石化總部監(jiān)控。運維技術(shù)支持中心依據(jù)監(jiān)控情況及時提供技術(shù)支持，保證APC系統(tǒng)的正常運行，并依據(jù)故障情況提供高效有序的系統(tǒng)維護服務(wù)。

4 結(jié) 語

國內(nèi)外的成功經(jīng)驗和中國石化二十多年來APC建設(shè)的實踐充分說明了實施APC是大幅提高煉油化工裝置控制水平的必然選擇，是用先進信息技術(shù)改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要手段，是煉油化工企業(yè)提高生產(chǎn)力水平的有效途徑。

當(dāng)前，智能工廠被列為中國石化信息化四大示范工程之一，在智能工廠試點建設(shè)方案中，APC是智能工廠的重要建設(shè)內(nèi)容，是煉化企業(yè)提高盈利能力的重要手段。未來三年，中國石化將會圍繞智能化工廠建設(shè)，在鞏固已有APC建設(shè)的基礎(chǔ)上，加快煉化企業(yè)APC建設(shè)推進步伐，以實現(xiàn)多數(shù)煉化企業(yè)的主要生產(chǎn)裝置實現(xiàn)APC控制。伴隨著三年規(guī)劃的實施，未來中國石化的APC建設(shè)和應(yīng)用工作必將邁向一個新的階段，再創(chuàng)APC建設(shè)和應(yīng)用的輝煌。

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[2] Culter C R，Ramaker B L. Dynamic matrix control——A computer control algorithm[C]//Proc.JACC. San Francisco，1980.

[3] 俞金壽，劉愛倫，張克進. 軟測量技術(shù)及其在石油化工中的應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.