先進(jìn)控制技術(shù)在常壓蒸餾裝置的應(yīng)用

劉建周 雷紅星

一 引言

石油化工裝置一般具有時變性、非線性、耦合性及外部擾動的隨機(jī)性和不可檢測等特性，因而，流程工業(yè)過程的控制系統(tǒng)設(shè)計存在著極大的困難，而傳統(tǒng)的PID控制算法則難以滿足其控制質(zhì)量和效益要求。積極開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)控制和實時優(yōu)化，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而增強(qiáng)自身的競爭力是煉化行業(yè)迎接挑戰(zhàn)的重要對策。

慶陽石化公司通過實施先進(jìn)控制系統(tǒng)，采用具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的多變量預(yù)測控制軟件PACROS在常壓爐和常壓塔兩個單元應(yīng)用，增強(qiáng)了裝置運行平穩(wěn)性，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量卡邊控制，提高目標(biāo)產(chǎn)品收率，同時減輕操作人員勞動強(qiáng)度，解決了裝置控制難點，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

二 工藝介紹

慶陽石化常壓蒸餾裝置為燃料型常壓蒸餾裝置，目前年處理量為370萬噸，原料以長慶混合油為主，裝置包括常壓爐和常壓塔兩部分，主要產(chǎn)品有常頂油、常一線油、常二線油、常三線油和常壓渣油。

原油分兩路經(jīng)脫前換熱器進(jìn)行換熱，隨后合并進(jìn)入一級電脫鹽罐D(zhuǎn)-101A和二級電脫鹽罐D(zhuǎn)-101B，脫后原油分兩路分別換熱至177℃和183℃，混合后進(jìn)入閃蒸塔C-101。閃蒸塔頂油氣進(jìn)入常壓塔的第20塊塔板，閃蒸塔底油經(jīng)經(jīng)常壓爐加熱至365℃后進(jìn)入常壓塔C-102進(jìn)行分離。常壓塔設(shè)三條側(cè)線，一個頂回流，一個頂循和兩個中段回流，常一、常二和常三線都設(shè)計了汽提塔，采用過熱蒸汽汽提。常頂汽油作為后續(xù)汽油加氫裝置原料，常一線航煤作為后續(xù)航煤加氫原料，常二、常三柴油作為后續(xù)柴油加氫原料。塔底渣油作為催化原料出裝置。

三 過程控制問題分析

常壓蒸餾裝置整體控制效果比較理想，原料性質(zhì)平穩(wěn)，裝置運行相對穩(wěn)定，生產(chǎn)工藝和設(shè)備運行正常，現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)良好，采用ABB AC800F控制系統(tǒng)，PID控制回路自控率高，達(dá)到95%以上。但在控制方面主要仍存在可提升的空間：

（一）加熱爐未實現(xiàn)支路平衡控制，存在各支路出口溫度不均衡，偏差過大，影響爐管壽命，嚴(yán)重時影響爐子壽命；

從圖表中可以看出，出口溫度最高達(dá)365.7℃，最低359.7℃，偏差達(dá)6℃，具有一定的優(yōu)化空間。

（二）常規(guī)PID控制抗干擾能力有限，常規(guī)PID控制屬于偏差控制，只有存在偏差時才會進(jìn)行調(diào)節(jié)，如進(jìn)料量或瓦斯壓力波動導(dǎo)致爐出口溫度發(fā)生波動，當(dāng)該溫度產(chǎn)生波動時PID控制器才會進(jìn)行調(diào)整，存在調(diào)整不及時的缺點。

（三）裝置存在部分變量為非PID點，如氧含量、負(fù)壓等，該類變量通常需要操作人員手動調(diào)節(jié)相關(guān)變量來實現(xiàn)控制，本文中氧含量和負(fù)壓需要調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)前蝶閥和煙道擋板來控制，存在調(diào)節(jié)不及時或調(diào)節(jié)量無法準(zhǔn)確確定的問題，并且會增加操作人員的勞動強(qiáng)度。

（四）常壓塔各產(chǎn)品質(zhì)量需化驗室分析得出結(jié)果，不僅無法進(jìn)行實時控制，并且存在產(chǎn)品質(zhì)量過剩問題，影響生產(chǎn)裝置輕油收率。

綜上所述，在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用先進(jìn)控制軟件PACROS，選擇合適的控制策略，通過實施先進(jìn)控制技術(shù)，可有效解決上述問題。

四 狀態(tài)反饋模型預(yù)測算法

被控過程的數(shù)學(xué)模型可由如下狀態(tài)控制方程描述。

五 先進(jìn)控制器設(shè)計

常壓蒸餾裝置采用ABB AC800F控制系統(tǒng)，采用多變量預(yù)估控制技術(shù)，并結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的在線計算，對各關(guān)鍵設(shè)備或單元實施先進(jìn)控制。

（一）系統(tǒng)部署

常壓蒸餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)通過兩臺高性能計算機(jī)分別作為先進(jìn)控制系統(tǒng)運行平臺及系統(tǒng)性能監(jiān)控平臺。先進(jìn)控制系統(tǒng)與DCS的連接通訊通過OPC接口實現(xiàn)，這種連接方式可以保證先進(jìn)控制系統(tǒng)有一個高性能的通用平臺，同時又確保整個系統(tǒng)的安全性和可靠性，如圖1所示。

（二）功能設(shè)計

先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計了加熱爐單元、常壓塔單元兩個控制器以及加熱爐支路平衡控制系統(tǒng)，相應(yīng)的工藝計算及產(chǎn)品質(zhì)量計算由軟儀表系統(tǒng)提供。

1、工藝指標(biāo)計算

生產(chǎn)的目的是獲得合格的產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量實驗室分析數(shù)據(jù)往往存在長時間滯后的問題，無法滿足在線實時控制和優(yōu)化操作的要求。為解決這類問題，軟測量技術(shù)隨之發(fā)展起來。軟測量技術(shù)就是利用易測的過程變量（常稱為輔助變量），依據(jù)這些易測變量與難以直接測量的待測過程變量（常稱為主導(dǎo)變量）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（軟測量模型），通過各種數(shù)學(xué)計算和估計方法，從而實現(xiàn)對待測過程變量的在線估計。

常壓裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)主要產(chǎn)品質(zhì)量計算指標(biāo)如下：

2、加熱爐控制器

加熱爐為裝置提供熱量，是一個多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。爐出口溫度的變化直接影響過氣化率，進(jìn)而影響產(chǎn)品分布；爐膛負(fù)壓是保證加熱爐安全燃燒的一個重要指標(biāo)；氧含量和排煙溫度則是提高熱效率，降低能耗的主要指標(biāo)。針對加熱爐單元，采取如下控制策略：

（1）采用預(yù)測控制算法，利用狀態(tài)反饋、多變量協(xié)調(diào)和多周期控制，對常壓爐單元各關(guān)鍵變量進(jìn)行控制，提高裝置運行平穩(wěn)率，并實時監(jiān)測生產(chǎn)運行狀態(tài)，及時調(diào)節(jié)，確保生產(chǎn)參數(shù)不超報警限，保證裝置的生產(chǎn)安全。

（2）利用先進(jìn)控制算法，平穩(wěn)控制煙氣氧含量和排煙溫度，并避免預(yù)熱器、煙囪出現(xiàn)露點腐蝕的前提下，降低氧含量及排煙溫度，進(jìn)而提高加熱爐熱效率。

（3）將瓦斯壓力、進(jìn)料量作為前饋變量，根據(jù)前饋變量對被控變量的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)影響關(guān)系，實現(xiàn)多變量預(yù)測控制，提高抗干擾能力。

（4）將煙氣氧含量、排煙溫度與鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等變量納入系統(tǒng)中，實現(xiàn)兩者間的閉環(huán)控制，統(tǒng)一操作手法，減輕了操作人員勞動強(qiáng)度，取得良好社會效益。

加熱爐控制器變量列表如下：

3、常壓塔控制器

常壓蒸餾的主要任務(wù)是按產(chǎn)品方案將原油切割成符合質(zhì)量要求的半成品，為煉油廠二次加工裝置、化工裝置提供優(yōu)質(zhì)原料。常壓塔是蒸餾裝置的核心設(shè)備之一，常壓塔的工藝技術(shù)條件、運行狀況直接影響裝置的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品收率、裝置能耗、經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備運行周期。針對常壓塔單元，采取如下控制策略：

（1）通過軟測量技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的實時計算，并在滿足控制精度的前提下，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的閉環(huán)控制，確保產(chǎn)品質(zhì)量合格。

（2）實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊控制，提高輕質(zhì)油收率。

（3）在滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下，優(yōu)化中段回流取熱比例，降低過汽化率，減少燃料消耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

（4）充分考慮裝置存在的干擾，作為前饋變量納入先進(jìn)控制系統(tǒng)。前饋變量能預(yù)測各事件對被控變量的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)影響，多變量控制器據(jù)此作出相應(yīng)的前饋補(bǔ)償控制以平穩(wěn)生產(chǎn)，提供抗干擾能力。

4、加熱爐支路平衡系統(tǒng)

加熱爐支路平衡系統(tǒng)在保持總進(jìn)料不變的前提下，通過對四路支路流量進(jìn)行優(yōu)化分配，以實現(xiàn)各支路出口溫度相近的目的。

常壓爐為東西爐膛布局，每側(cè)各分兩支進(jìn)料，先進(jìn)控制策略為首先判斷東西側(cè)爐膛支路偏差，若東側(cè)或西側(cè)支路偏差為有差，則單獨調(diào)整各側(cè)的支路流量；若東側(cè)或西側(cè)支路偏差為無差范圍，則再判定東西兩側(cè)平均溫度的偏差。

同時加熱爐支路平衡系統(tǒng)設(shè)定了提降量操作，操作人員改變總進(jìn)料目標(biāo)值，則系統(tǒng)自動實現(xiàn)提量或降量。

為防止各支路流量偏差過大，將支路流量偏差作為約束變量，當(dāng)達(dá)到約束上限或下限時，則停止對流量的再分配。

六 應(yīng)用效果

先進(jìn)控制應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在提高裝置運行平穩(wěn)性，減少各支路溫度偏差，增加高價值產(chǎn)品收率等方面。

（一）提高裝置運行平穩(wěn)性

先進(jìn)控制系統(tǒng)充分發(fā)揮模型預(yù)測與多變量控制的特點，提高裝置抗干擾能力，通過定量計算，重要變量波動的均方差降低20%以上，提高了裝置的平穩(wěn)率，減輕操作人員勞動強(qiáng)度。下面結(jié)果為72小時對比統(tǒng)計結(jié)果。

（二）降低各支路溫度偏差

支路平衡的目的是解決各支路出口溫度偏差過大，影響加熱爐安全運行的問題，通過實際運行，各支路溫度偏差圍繞零點上下波動，無明顯偏差過大現(xiàn)象發(fā)生。

（三）提高輕油收率

在平穩(wěn)控制的基礎(chǔ)上通過對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行卡邊操作，實現(xiàn)了提高高價值產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1、原油性質(zhì)統(tǒng)計

對標(biāo)定期間原油性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計，表明原油性質(zhì)穩(wěn)定，滿足有效對比的條件。

2、輕油收率統(tǒng)計

輕油收率統(tǒng)計包括常頂汽油、常一線航煤、常二及常三柴油。

在原料性質(zhì)、處理量及產(chǎn)品指標(biāo)基本一致的情況下，先進(jìn)控制系統(tǒng)相對于常規(guī)控制輕油收率提高 0.3%，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

七 結(jié)論

通過實施先進(jìn)控制，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，從而將生產(chǎn)裝置推至更接近其約束邊界條件下運行，最終達(dá)到增強(qiáng)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，推動企業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)。

作者單位：中國石油天然氣股份有限公司慶陽石化分公司