先進(jìn)控制技術(shù)推進(jìn)煉化公司化工生產(chǎn)節(jié)能增效

唐娟

摘要：近年來，石化企業(yè)在能源消耗和能效水平方面面臨巨大壓力，先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)作為一項(xiàng)節(jié)能降耗技術(shù)措施，已在蘭州石化化工生產(chǎn)過程中成功應(yīng)用，在節(jié)能增效中發(fā)揮了重要的作用。本文首先簡要介紹了先進(jìn)控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的技術(shù)基礎(chǔ)，包括軟測量技術(shù)、多變量預(yù)測控制、先進(jìn)控制與常規(guī)控制的綜合與集成。隨后詳細(xì)論述了先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)在丙烯腈、芳烴抽提、乙烯、聚丙烯等重點(diǎn)裝置為代表的化工生產(chǎn)過程中推動節(jié)能增效的典型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)控制；節(jié)能；化工過程

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）31-0204-03

Advanced Control Technology to Promote Energy Conservation of Chemical Production For Refining & Chemical Company

TANG Juan

（Lanzhou Research Institute of Petrochemical Industries Co， Lanzhou 730060， China）

Abstract： In recent years， facing tremendous pressure in the energy consumption and energy efficiency levels for the petrochemical plants， advanced control and optimization technology as an energy saving technology measures has been successfully applied in Lanzhou petrochemical chemical production process， which play an important role in the energy saving and efficiency. First， this paper introduces the technological base to realize energy saving and efficiency， including soft measurement technology， multi variable predictive control， and advanced control and conventional controls Synthesis and integration. And then ， it discusses in detail the typical application of advanced control and optimization technology in the process of chemical production， focusing on Acrylonitrile Unit， Aromatics Unit， Ethylene Unit， and Polypropylene Unit.

Key words： advanced control technology； energy conservation； chemical production

1 概述

國家“十二五”規(guī)劃提出了節(jié)能減排的目標(biāo)和要求，石油石化等高耗能行業(yè)企業(yè)到2015年末完成單位GDP工業(yè)增加值能耗分別比2010年下降18%，主要污染物排放總量減少10%的目標(biāo)。規(guī)劃明確提出石油化工行業(yè)節(jié)能途徑與措施：全面推廣大型乙烯裂解爐等技術(shù)；重點(diǎn)推廣裂解爐空氣預(yù)熱、優(yōu)化換熱流程、優(yōu)化中段回流取熱比、中低溫余熱利用、滲透汽化膜分離、氣分裝置深度熱聯(lián)合、高效加熱爐、高效換熱器等技術(shù)和裝備；示范推廣透平壓縮機(jī)組優(yōu)化控制技術(shù)、燃?xì)廨啓C(jī)和裂解爐集成技術(shù)等；研發(fā)推廣乙烯裂解爐溫度與負(fù)荷先進(jìn)控制技術(shù)、C2加氫反應(yīng)過程優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)等。針對乙烯、芳烴、合成材料及單體等石油化工行業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品提出了指導(dǎo)性節(jié)能措施。

石油化工行業(yè)面臨嚴(yán)峻的節(jié)能減排形勢，“十二五”是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排約束性目標(biāo)的關(guān)鍵時期。石油化工行業(yè)節(jié)能減排工作開展需全方面行動，加強(qiáng)能源管理，開發(fā)節(jié)能生產(chǎn)工藝、節(jié)能設(shè)備與技術(shù)評價、能源管控人才培養(yǎng)等方面同時進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)石化工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。除節(jié)能管理措施外，節(jié)能減排技術(shù)的突破是石油化工行業(yè)降低能耗的關(guān)鍵。近年來，隨著某蘭州石化公司“十一五”、“十二五”信息化發(fā)展規(guī)劃的建設(shè)與實(shí)施，先進(jìn)控制與優(yōu)化、能源管理系統(tǒng)（EMS）、流程模擬及生產(chǎn)全過程評估、排產(chǎn)系統(tǒng)等信息化技術(shù)在化工過程節(jié)能降耗中得到廣泛應(yīng)用。先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)在多套重點(diǎn)裝置的成功實(shí)施在促進(jìn)化工生產(chǎn)過程節(jié)能增效中發(fā)揮了重要的作用。國外先進(jìn)的石油化工企業(yè)已經(jīng)走在該領(lǐng)域的前沿，應(yīng)用實(shí)踐表明先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用廣泛、運(yùn)行水平良好、投用率高、效果明顯、投資回報率高，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、減排增效的良好技術(shù)手段。

2 先進(jìn)控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的技術(shù)基礎(chǔ)

2.1軟測量技術(shù)簡介

軟測量技術(shù)基本思想是把自動控制理論與生產(chǎn)工藝過程有機(jī)結(jié)合起來，應(yīng)用特定的計算機(jī)技術(shù)，針對一些難以測量或暫時不能測量的重要變量，選擇另外一些容易測量的變量，通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷和估計，以軟件來代替硬件（傳感器）功能，它的核心技術(shù)是建模。這類方法具有響應(yīng)迅速，連續(xù)給出主導(dǎo)變量信息，且具有投資低、維護(hù)保養(yǎng)簡單等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)階段工業(yè)過程的軟測量實(shí)現(xiàn)流程主要包括：輔助變量的選擇、過程數(shù)據(jù)的預(yù)處理、軟測量的建模和模型的校正。

2.2預(yù)測控制技術(shù)

預(yù)測控制有三個基本特征：模型預(yù)測、反饋校正、滾動優(yōu)化。預(yù)測控制是一種基于模型的控制算法，這一模型稱為預(yù)測模型。預(yù)測模型的功能是根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入預(yù)測其未來輸出。狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)這類傳統(tǒng)的模型都可以作為預(yù)測模型。對于線性穩(wěn)定對象，甚至階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)這類非參數(shù)模型也可直接作為模型使用。此外，非線性系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)的模型，只要具備上述功能，也可以在這類系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測控制時作為預(yù)測模型使用。

反饋校正的形式是多樣的，不論采取何種修正形式，模型預(yù)測控制都把優(yōu)化建立在系統(tǒng)實(shí)際的基礎(chǔ)上，并力圖在優(yōu)化時對系統(tǒng)未來的動態(tài)行為做出較準(zhǔn)確的預(yù)測。因此，模型預(yù)測控制中的優(yōu)化不僅基于模型，而且構(gòu)成了閉環(huán)優(yōu)化。為了在模型失配中時有效地消除靜差，可以在模型預(yù)測值的基礎(chǔ)上附加一個誤差項(xiàng)。在預(yù)測控制中使用一種反饋修正法，即閉環(huán)預(yù)測。

預(yù)測控制中的優(yōu)化是一種有限時段的滾動優(yōu)化。在每一采樣時刻，優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及從該時刻起未來有限的時間，而到下一采樣時刻，這一優(yōu)化時段同時向前推進(jìn)。因此，預(yù)測控制不是用一個對全局相同的優(yōu)化性能指標(biāo)，而是在每一時刻有一個相對于該時刻的優(yōu)化性能指標(biāo)。不同時刻優(yōu)化性能指標(biāo)的相對形式是相同的，但其絕對形式，即所包含的時間區(qū)域是不同的。因此，在預(yù)測控制中，優(yōu)化不是一次離線進(jìn)行，而是反復(fù)在線進(jìn)行，這就是滾動優(yōu)化的含義。

2.3先進(jìn)控制與常規(guī)控制的集成

1）軟硬件平臺

先進(jìn)控制系統(tǒng)一般建立在集散控制系統(tǒng)（DCS）之上實(shí)施，采用先進(jìn)控制上位機(jī)方式實(shí)現(xiàn)。多變量控制系統(tǒng)的輸入輸出變量可分為被控變量、操縱變量和干擾變量，先進(jìn)控制上位機(jī)選用可24小時運(yùn)行的服務(wù)器，為先進(jìn)控制提供相關(guān)運(yùn)算運(yùn)行環(huán)境，具體操作在DCS中實(shí)現(xiàn)。先進(jìn)控制硬件系統(tǒng)由先控服務(wù)器和工程師站兩臺上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、DCS應(yīng)用站下位機(jī)構(gòu)成。上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與DCS應(yīng)用站連接在以太網(wǎng)上，由于上位機(jī)與下位機(jī)通過OPC標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議建立了數(shù)據(jù)傳送的物理鏈接，先進(jìn)控制系統(tǒng)與DCS控制站實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳送的物理鏈接。根據(jù)各裝置生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，選用合適的先進(jìn)控制軟件平臺。

2）先進(jìn)控制與集散控制（DCS）無擾切換

先進(jìn)控制器通常運(yùn)行在上位機(jī)上，其輸出的操作變量為DCS上PID回路的設(shè)定值。在常規(guī)控制時，PID回路由操作人員手工設(shè)定。APC控制器的輸出作為PID基本回路設(shè)定值的前提是當(dāng)前調(diào)節(jié)回路處在先控運(yùn)行狀態(tài)，這樣就存在先控運(yùn)行模式和常規(guī)運(yùn)行模式兩種運(yùn)行模式之間的無擾切換問題。先進(jìn)控制操作界面、邏輯切換及有關(guān)保護(hù)程序在DCS中實(shí)現(xiàn)，即保證了先控系統(tǒng)運(yùn)行時生產(chǎn)裝置的安全，同時又滿足了操作人員的操作習(xí)慣。根據(jù)生產(chǎn)裝置對先進(jìn)控制系統(tǒng)的安全要求，在DCS中建點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)安全切換程序。

3 先進(jìn)控制技術(shù)在煉化公司化工生產(chǎn)中的典型應(yīng)用

目前，先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)在蘭州石化公司生產(chǎn)過程中的11單元、500萬噸/年常減壓、550萬噸/年常減壓、300萬噸/年重催、烷基化、連續(xù)重整、延遲焦化等裝置，以及化工生產(chǎn)過程的苯乙烯裝置、40萬噸/年芳烴抽提裝置、乙烯裂解爐、丙烯腈裝置、聚丙烯裝置和丁二烯裝置等重點(diǎn)裝置得到成功應(yīng)用，為煉化行業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。下面是著重論述先進(jìn)控制技術(shù)作為工業(yè)節(jié)能新技術(shù)在蘭州石化石化公司化工生產(chǎn)過程中的典型應(yīng)用情況。

3.1先進(jìn)控制技術(shù)在丙腈烯裝置中的應(yīng)用

蘭州石化公司丙烯腈裝置采用美國索荷俄公司丙烯氨氧化專利技術(shù)，將丙烯、氨和空氣按一定比例在鉬系催化劑作用和一定溫度、壓力條件下在流化床反應(yīng)器中進(jìn)行氧化反應(yīng)得到主產(chǎn)物丙烯腈及副產(chǎn)物乙腈、氫氰酸等。裝置采用丙烯、氨、空氣為原料，在硫化床反應(yīng)器中通過催化劑制得丙烯腈，裝置生產(chǎn)能力為3.12萬噸/年，裝置分合成、分離、后處理、乙腈四個工序。

針對丙烯腈反應(yīng)器控制情況和用戶的需求，設(shè)計反應(yīng)器溫度和進(jìn)料量先進(jìn)控制的方案。反應(yīng)溫度的主要控制手段是26組撤熱水，微調(diào)（反應(yīng)溫度小于5℃）可以通過丙烯進(jìn)料量實(shí)現(xiàn)。廣義預(yù)測控制（GPC）的被控制變量為反應(yīng)溫度，GPC的控制量為丙烯進(jìn)料量的調(diào)整值，這個調(diào)整值與丙烯進(jìn)料量的設(shè)定值（車間生產(chǎn)任務(wù)決定）相加作為實(shí)際的丙烯進(jìn)料PID回路設(shè)定值，通過微量的丙烯流量變化達(dá)到調(diào)整反應(yīng)溫度的效果。通過對反應(yīng)器運(yùn)行機(jī)理及歷史數(shù)據(jù)分析，建立了反應(yīng)溫度、丙烯進(jìn)量、氨進(jìn)量、空氣進(jìn)量、反應(yīng)壓力及飽和蒸汽壓力的GPC控制，將反應(yīng)溫度控制在0.5℃之內(nèi)，平穩(wěn)操作，提高丙烯腈的收率。對丙烯腈裝置流化床催化反應(yīng)器進(jìn)行操作優(yōu)化，考慮到丙烯腈流化床反應(yīng)器的復(fù)雜性，在項(xiàng)目實(shí)施過程中采用了基于多元逐步回歸分析的在線優(yōu)化。建立丙烯腈產(chǎn)量的Hammerstein模型，再計算滿足各種約束條件的反應(yīng)器優(yōu)化操作參數(shù)。

根據(jù)項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)定數(shù)據(jù)，在常規(guī)操作時溫度運(yùn)行方差為0.08，溫度最大波動1.15℃；在GPC控制時溫度運(yùn)行方差為0.01，溫度最大波動0.4℃。兩組運(yùn)行數(shù)據(jù)比較，反應(yīng)溫度方差減少了88.2%。在一定的反應(yīng)器負(fù)荷下，在線優(yōu)化方法，計算出相應(yīng)的優(yōu)化操作參數(shù)，調(diào)整反應(yīng)器操作參數(shù)的設(shè)定值，從而改善反應(yīng)器的操作條件，能夠自動跟蹤反應(yīng)器負(fù)荷、工藝條件和環(huán)境等不確定因素，使反應(yīng)器一直處于良好的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在線優(yōu)化，使反應(yīng)器工作在最優(yōu)的操作條件下，達(dá)到了降低原料丙烯、氨的單耗，抑制副產(chǎn)物生成，降低催化劑損耗，延長催化劑壽命，提高丙烯腈收率。

3.2 先進(jìn)控制技術(shù)在芳烴抽提裝置中的應(yīng)用

40萬噸/年芳烴抽提裝置是蘭州石化公司大乙烯裝置配套項(xiàng)目，采用北京金偉暉工程技術(shù)有限公司研發(fā)的SUPER-SAE-Ⅱ芳烴抽提技術(shù)。以乙烯副產(chǎn)裂解汽油經(jīng)加氫后的加氫汽油為原料，經(jīng)抽提、精餾后生產(chǎn)三苯。裝置于2007年6月29日建成投產(chǎn)。由抽提單元、精餾單元、溶劑再生單元、輔助單元、蒸汽及冷凝水單元五個單元組成。

芳烴抽提裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)建立1個大的APC-Adcon控制器來對裝置進(jìn)行控制。整個控制器由提單元、水循環(huán)系統(tǒng)、精餾單元三個部分組成，包括7個子控制器。抽提單元由抽提塔子控制器、汽提塔子控制器、回收塔子控制器構(gòu)成，精餾單元針對苯塔、甲苯塔、二甲苯塔設(shè)計了3個子控制器。裝置的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)通過多變量模型預(yù)測控制和過程參數(shù)平穩(wěn)控制基礎(chǔ)上的“卡邊”優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)用戶方提供裝置標(biāo)定報告，芳烴抽提裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)使裝置重要運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行方差減小40%以上；主要產(chǎn)品（苯、甲苯及混合碳八芳烴）產(chǎn)率由投用先控前的98.7%提高到目前的99.03%，提高了0.33%；裝置綜合能耗下降0.76kgEO/t加氫汽油，降低了能源消耗量；溶劑消耗量降低1%以上。

3.3 先進(jìn)控制技術(shù)在乙烯裝置裂解爐中的應(yīng)用

46萬噸/年乙烯裝置裂解爐采用KBR和ExxonMobil共同開發(fā)的SC-1型管式裂解爐?？梢约庸ぬ幚硎X油、加氫尾油、LPG、丙烷、循環(huán)乙烷/丙烷等五種原料。裂解爐的工藝流程可分為原料預(yù)熱、對流段、輻射段、高溫裂解氣急冷和熱量回收等幾個部分。

乙烯裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)以模型預(yù)測控制為技術(shù)手段，為每臺裂解爐設(shè)計了一個平均COT溫度控制器，一個裂解爐管出口溫度平衡控制器及總進(jìn)料流量提、降量控制器。

整個5臺裂解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)正式投入運(yùn)行后，經(jīng)生產(chǎn)裝置連續(xù)運(yùn)行考驗(yàn)，控制系統(tǒng)反映出良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，改善了裂解爐的運(yùn)行狀態(tài)，提高了控制品質(zhì)，大幅度降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。根據(jù)裝置連續(xù)運(yùn)行的結(jié)果，通過對比先控投用前后的標(biāo)定數(shù)據(jù)，取得如下控制效果：平均COT溫度波動幅度由投用前的士5℃左右下降到士1℃，大干擾時，由原來的土10℃下降到±3℃以內(nèi)；管間溫差由原來的6℃左右下降到2℃以內(nèi)，溫度的波動小了，超高溫現(xiàn)象減少。

3.4 先進(jìn)控制技術(shù)在聚丙烯裝置中的應(yīng)用

30萬噸/年聚丙烯裝置采用意大利Basell公司的Spheripol-Ⅱ代聚丙烯工藝技術(shù)，2006年10月建成投產(chǎn)。裝置設(shè)計生產(chǎn)能力為30萬噸/年聚丙烯顆粒，年操作8000小時，可生產(chǎn)均聚物（56個牌號）、無規(guī)共聚物（21個牌號）、抗沖共聚物（26個牌號）共103個產(chǎn)品牌號，產(chǎn)品用途覆蓋面廣，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)。

先進(jìn)控制系統(tǒng)采用多層次結(jié)構(gòu)。由軟測量系統(tǒng)根據(jù)軟測量機(jī)理模型，利用DCS常規(guī)控制層提供的生產(chǎn)過程的實(shí)時可測數(shù)據(jù)計算控制熔融指數(shù)、等規(guī)度和懸臂梁沖擊強(qiáng)度等聚丙烯產(chǎn)品重要的質(zhì)量指標(biāo)。先進(jìn)控制層根據(jù)基于機(jī)理分析的狀態(tài)空間模型，利用軟測量提供的質(zhì)量指標(biāo)以及DCS常規(guī)控制層提供的生產(chǎn)過程實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測和控制，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量指標(biāo)的閉環(huán)控制，針對200單元的R200單環(huán)管預(yù)聚合反應(yīng)器和R201、R202雙環(huán)管聚合反應(yīng)器以及400單元?dú)庀嗑酆戏磻?yīng)器實(shí)施先進(jìn)控制，控制器包括反應(yīng)溫度、反應(yīng)密度、氫氣濃度、熔融指數(shù)、等規(guī)度、反應(yīng)器壓力、懸臂梁沖擊強(qiáng)度、乙烯含量等16個被控變量。同時，以催化劑作為操作手段對丙烯聚合產(chǎn)量進(jìn)行“卡邊”約束優(yōu)化。自動牌號切換系統(tǒng)通過先進(jìn)控制系統(tǒng)和常規(guī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個牌號的自動切換，聚丙烯裝置重點(diǎn)實(shí)施T38F、T30S、T28FE等三種熔融指數(shù)相近牌號的切換控制與配方管理。

在保證產(chǎn)品質(zhì)量前提下，穩(wěn)定了反應(yīng)器反應(yīng)溫度，減少夾套水水量，節(jié)省燃料氣消耗量，起到節(jié)能節(jié)水作用。根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)，R201與R202反應(yīng)溫度投用先進(jìn)控制前后方差分別減少28%、26%，R201與R202反應(yīng)密度投用先控前后方差分別減少25.7%、26.9%，R201與R202熔融指標(biāo)投用先控前后方差分別減少26.6%、26.7%。產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，穩(wěn)定提升了產(chǎn)品質(zhì)量，通過產(chǎn)量優(yōu)化控制，提高了裝置處理量，增加了經(jīng)濟(jì)效益。牌號切換過程以最優(yōu)的路徑平滑協(xié)調(diào)地完成切換過程，減少了牌號切換時間及過渡料，牌號切換時間減少了30%以上。

4 結(jié)論

在建設(shè)節(jié)約型社會、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色工廠的要求下，石化企業(yè)在節(jié)能減排方面面臨巨大壓力，但節(jié)能降耗也有很大潛力空間。相對節(jié)能管理措施，節(jié)能技術(shù)措施對節(jié)能目標(biāo)更重要，先進(jìn)控制技術(shù)作為新節(jié)能技術(shù)在節(jié)能降耗方面的作用不容忽視。先進(jìn)控制技術(shù)已經(jīng)在蘭州石化公司化工生產(chǎn)過程得到廣泛成功應(yīng)用，先進(jìn)控制保證過程參數(shù)的穩(wěn)定，并達(dá)到比常規(guī)控制精度要高的技術(shù)指標(biāo)，從而穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量，而在線優(yōu)化（RTO，Real Time Optimization）與MES（ManufacturingExecutionSystem）、ERP（Enterprise Resource Planning）、APS（Advanced Planning System）等信息化技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置操作優(yōu)化使裝置長期處于最優(yōu)或良好的狀態(tài)，有效推動企業(yè)生產(chǎn)安全、自動化和信息化程度、節(jié)能減排、增產(chǎn)增效等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，是化工過程節(jié)能增效的加速器。

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