煉油工業(yè)過程的控制和研究

＊邢 勐

（中國石油化工股份有限公司煉油事業(yè)部 北京 100728）

引言

從一定程度上來說，煉油工業(yè)為人們的生產(chǎn)生活提供了許多的便利，并且它也能夠?yàn)橄鄳?yīng)的產(chǎn)業(yè)提供原材料，煉油工業(yè)是我國最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，它與我國的國際民生與國家的發(fā)展有著非常重要的聯(lián)系。在世界五百強(qiáng)的前十名當(dāng)中，煉油企業(yè)所處的地位不可撼動。煉油工業(yè)屬于一種連續(xù)過程工業(yè)，這種工業(yè)對于自動控制方面的要求是比較高的，煉油工業(yè)在很早之前就已經(jīng)開始應(yīng)用過程控制技術(shù)，隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，越來越多的大規(guī)模連續(xù)過程工業(yè)出現(xiàn)在人們面前，在這樣的背景下，過程控制已經(jīng)成為了其必要的一部分，它能夠有效地保證煉油的高品質(zhì)和高產(chǎn)量，并且還能夠從一定程度上降低工業(yè)生產(chǎn)的成本。

1.煉油工業(yè)過程先進(jìn)控制的研究現(xiàn)狀

對于煉油工業(yè)生產(chǎn)過程的控制來說，它需要符合實(shí)際流程工業(yè)發(fā)展的需求，并且煉油工業(yè)生產(chǎn)過程的控制和相關(guān)的控制理論，涉及到的控制工具和一些相關(guān)的學(xué)科的發(fā)展之間都有著不可分割的聯(lián)系。從20世紀(jì)40年代經(jīng)典控制論的形成以來，PID控制被應(yīng)用到了相關(guān)的流程工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，推動了流程工業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展；之后的50年代便繁衍出了工程控制論，工程控制論的出現(xiàn)，有效地推動了PID技術(shù)有關(guān)的一些控制技術(shù)的發(fā)展。直到今天，這些控制技術(shù)仍然被廣泛地應(yīng)用在我國的相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中。

在1992年，國外的一些新型的、先進(jìn)的控制軟件被初次應(yīng)用到了我國的煉油行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，主要應(yīng)用在催化裂化裝置當(dāng)中，但是并沒有取得很大的突破，只是單單將一般的PID控制方案轉(zhuǎn)化為了多變量控制，此種用模型預(yù)測控制的多變量控制的主要目的就是為了能夠利用穩(wěn)定性較高的卡邊優(yōu)化控制來達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，爭取將經(jīng)濟(jì)效益以最大程度被提高，但是當(dāng)時(shí)的情況是普遍裝置產(chǎn)能過剩，在這樣的背景下，并不能夠把先進(jìn)控制的作用以最大程度地發(fā)揮出來。

國外相關(guān)的公司有著一些比較先進(jìn)的控制軟件，再加上其公司有著很強(qiáng)的研發(fā)能力以及一些在國外的相關(guān)成功應(yīng)用案例，和我國的相關(guān)企業(yè)互相合作，便在很短的時(shí)間內(nèi)就將我國的石化行業(yè)壟斷，在這樣的背景下，我國的高校在國家和相關(guān)行業(yè)的支持下，加大力度開展模型預(yù)測控制應(yīng)用技術(shù)以及工程化軟件的研究，研發(fā)出了與國外相關(guān)先進(jìn)軟件水平同等的工程化先進(jìn)控制軟件，被廣泛地應(yīng)用到相關(guān)的行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，并取得了優(yōu)異的成績。但是當(dāng)時(shí)因?yàn)橐恍┮蛩氐南拗?，比如國?nèi)研發(fā)的支持力度不夠，這種軟件在一些方面與國外的先進(jìn)控制軟件相比較還是有些落后，并且當(dāng)時(shí)相關(guān)的絕大多數(shù)企業(yè)對國外的軟件更加信任一些，導(dǎo)致我國的先進(jìn)軟件的發(fā)展受到一定的限制。但是國內(nèi)先進(jìn)控制軟件產(chǎn)品的發(fā)展在降低國外控制軟件的壟斷價(jià)格上起到了至關(guān)重要的作用，并且在這樣的背景下還培養(yǎng)了一批相應(yīng)的人才，同時(shí)也得到了相關(guān)的技術(shù)儲備。

在最近這些年來，我國清華大學(xué)相關(guān)的研究團(tuán)隊(duì)對于先進(jìn)控制軟件的推廣與應(yīng)用當(dāng)中存在的問題和困難開始進(jìn)一步深入地研究與探討，在先進(jìn)控制軟件不能夠很好地滿足我國發(fā)展現(xiàn)狀上做出了相應(yīng)的改善，有效地減少了非線性、事變特性以及負(fù)荷變化等因素。對先進(jìn)控制軟件作用的限制，從而研發(fā)出了更加能夠彰顯我國特色的先進(jìn)控制技術(shù)軟件，同時(shí)所研發(fā)出的先進(jìn)控制軟件也擁有著自己的知識產(chǎn)權(quán)，被成功地應(yīng)用到相關(guān)工業(yè)的生產(chǎn)過程當(dāng)中，從很大程度上解決了我國先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用困難以及效益久久發(fā)揮不出來的問題，得到了社會的廣泛認(rèn)可。

2.煉油工業(yè)過程先進(jìn)控制存在的問題和解決思路

從20世紀(jì)中期一直到現(xiàn)在，這一整個時(shí)間段當(dāng)中，有很多的嶄新的、先進(jìn)的控制方法被研究出來，并且在煉油工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中被應(yīng)用，如今可以說成是大型生產(chǎn)裝置當(dāng)中的一部分。充分彰顯出了我國現(xiàn)代化的水平，并且其它相關(guān)的一些過程工業(yè)也開始逐漸地應(yīng)用起來。

因?yàn)樵跓捰凸I(yè)開展的過程當(dāng)中，原油的成分具有一定的多變性，這對先進(jìn)控制技術(shù)作用的發(fā)揮會造成一定的限制，因?yàn)橄冗M(jìn)控制技術(shù)而所獲得的油品質(zhì)量控制的主要依靠就是軟測量，但是就我國當(dāng)前的情況來看，絕大多數(shù)煉油行業(yè)所獲得的加工原油渠道不明，并且原油品質(zhì)的高低不同，有較多的劣質(zhì)原油，這就無法有效地控制原油的性質(zhì)，從而對軟測量模型的進(jìn)度會造成一定程度的影響，這樣情況的出現(xiàn)就使得油品質(zhì)量的控制不能夠得到充分的保障，所以提高經(jīng)濟(jì)效益更是空談，導(dǎo)致先進(jìn)控制技術(shù)的作用不能夠得到有效地發(fā)揮。就當(dāng)前的情況來看，很大一部分的應(yīng)用先進(jìn)控制的場合主要應(yīng)用的是寬度較大的質(zhì)量指標(biāo)約束區(qū)域或者是應(yīng)用較低的加權(quán)系數(shù)，這樣做的目的主要在于解決油品質(zhì)量閉環(huán)控制方面的難題，但是這樣做有一個弊端就是導(dǎo)致先進(jìn)控制的價(jià)值和意義被抹掉了。因此，在實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中，原油成分性質(zhì)不斷變化的背景下，怎樣將先進(jìn)控制的作用充分地發(fā)揮出來是當(dāng)下值得探討的問題。

這個問題的主要切入點(diǎn)可以是研究出怎樣減少原油成分和性質(zhì)的變化對軟測量模型精度所造成的影響，也可以說是怎樣能夠有效地控制原油性質(zhì)和成分變化的頻率。而調(diào)度優(yōu)化能夠在迎合市場實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，以最大程度減少對原料成分的改變，進(jìn)而能夠有效地保證生產(chǎn)過程當(dāng)中的穩(wěn)定性，調(diào)度優(yōu)化能夠?yàn)檎５纳a(chǎn)運(yùn)行提供充分的保障，并且能夠?qū)捰蜕a(chǎn)從整體上進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)樵陂_展煉油生產(chǎn)過程當(dāng)中所應(yīng)用的原料的組成十分復(fù)雜，并且這些復(fù)雜的混合物能夠被有效地利用起來，所以將原料的調(diào)度優(yōu)化進(jìn)行利用是可行的，但是其中也存在著一定的復(fù)雜性，并且，模型的準(zhǔn)確描述對調(diào)度優(yōu)化也會造成一定的限制。

在煉油開展的過程當(dāng)中的復(fù)雜程度與建立調(diào)度模型的難易程度是成正比的：

（1）不同原料進(jìn)料的各方面也不一樣，具體表現(xiàn)在其生產(chǎn)出油成品的收率以及其各種成分的含量，并且其加工過程中所需投入的成本也不同，對其的消耗也不同，所以說只應(yīng)用一個單一模型對煉油生產(chǎn)的整個過程進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化是比較片面的。

（2）就算在進(jìn)料原油相同的基礎(chǔ)上，因?yàn)橄嚓P(guān)的生產(chǎn)方案之間有些出入，油品所采用的加工方式和手段都不同，會使得油品成品的收率以及存在各種元素的含量也不同；如果油品生產(chǎn)的過程當(dāng)中由于裝置操作不當(dāng)或者是出現(xiàn)了違和原本調(diào)度方案當(dāng)中的相關(guān)操作要求，會使得所建立出的調(diào)度優(yōu)化模型缺乏一定的適應(yīng)性。

（3）因?yàn)闊捰偷纳a(chǎn)過程是比較漫長的，調(diào)動方案的不同，在對其進(jìn)行操作和所要付出的代價(jià)之間會存在著一定的差異，舉例來說，對上游裝置進(jìn)行調(diào)整的調(diào)度方案要比下游裝置進(jìn)行調(diào)整的調(diào)度方案的操作過程所要耗費(fèi)的時(shí)間要更多一些，而且會對其它的一些生產(chǎn)裝置造成一定的影響。對于傳統(tǒng)的調(diào)度建模方法來說，其缺乏對當(dāng)前這種狀況的適應(yīng)性，并且也沒有能夠?qū)ζ鋵?shí)施有效解決的方法。

這些情況的出現(xiàn)，使得本有的調(diào)度模型并不能夠充分滿足實(shí)際當(dāng)中的調(diào)度需求，導(dǎo)致現(xiàn)有的調(diào)度方法的效果不能夠很好地發(fā)揮出來。當(dāng)前應(yīng)用模型的單一性不能夠?qū)⑾嚓P(guān)的進(jìn)料原油以及相關(guān)裝置的優(yōu)化方法的實(shí)際情況很好地反應(yīng)出來，在一些資料當(dāng)中雖然有提到相關(guān)的模型方案，但是單單依靠調(diào)度領(lǐng)域本身以及傳統(tǒng)的建模途徑同樣不能很好地實(shí)現(xiàn)。煉油生產(chǎn)過程當(dāng)中存在的一些調(diào)度優(yōu)化的相關(guān)問題，雖然被許多的學(xué)術(shù)界所報(bào)道，但是實(shí)際上卻極度缺少成功的應(yīng)用案例，對于這些問題的探討更多的是計(jì)劃優(yōu)化。在工業(yè)界當(dāng)中，應(yīng)用比較多的是一個相關(guān)的調(diào)度排產(chǎn)作業(yè)的驗(yàn)證平臺，但是它對過程模型描述和全廠調(diào)度優(yōu)化大規(guī)模優(yōu)化求解問題并沒有進(jìn)行相應(yīng)的解決。就當(dāng)前的情況來看，調(diào)度主要依靠的是相關(guān)調(diào)度人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以此來維持生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在產(chǎn)品與原料的市場供應(yīng)以及需求方面的變化也都是需要相關(guān)的調(diào)度人員來處理，由于一些因素的影響而導(dǎo)致出現(xiàn)了限產(chǎn)或者是停產(chǎn)的情況亦是如此。如果在實(shí)際的生產(chǎn)過程當(dāng)中，出現(xiàn)了過濾過程時(shí)間長或者是產(chǎn)品的需求變化過快的情況，相關(guān)的調(diào)度人員一般都是應(yīng)用過調(diào)的手段，這樣做便會使得生產(chǎn)過程當(dāng)中運(yùn)行方案的切換頻率更高，便更進(jìn)一步導(dǎo)致原油生產(chǎn)原料以及相關(guān)設(shè)備上的更換更加頻繁，這樣情況的出現(xiàn)，會導(dǎo)致油品生產(chǎn)的過程波動幅度過大，不能夠得到穩(wěn)定的運(yùn)行，在這樣的情況下，先進(jìn)控制的作用也不能夠很好地發(fā)揮出來，所以，優(yōu)化調(diào)度的有效執(zhí)行能夠很大程度上解決先進(jìn)控制過程當(dāng)中存在的問題。

當(dāng)前我國的相關(guān)智能煉油場的示范企業(yè)主要應(yīng)用的是對線性模型的計(jì)劃改善之后的結(jié)果，利于流程模型來做好相關(guān)的調(diào)整工作，這樣便能夠從一定程度上加大計(jì)劃優(yōu)化成功的概率，進(jìn)而有效地減輕調(diào)度優(yōu)化的難度，使計(jì)劃優(yōu)化和調(diào)度優(yōu)化同步，但是還是有一個關(guān)鍵性的問題沒有得到有效地解決，那就是適應(yīng)不同原油以及不同操作模式的模型描述問題，不能夠很好地滿足調(diào)度優(yōu)化與快速調(diào)度的需求。對于煉油工業(yè)過程的控制來說，當(dāng)前還是有原油性質(zhì)變化頻繁而影響軟測量模型精確程度的、調(diào)度模型的描述在不同原油與不同的操作手段下的問題仍然有一大部分優(yōu)化問題沒有得到解決等，這些問題對于先進(jìn)控制的應(yīng)用以及先進(jìn)控制作用的發(fā)揮都有著非常重要的影響。

3.結(jié)束語

總的來說，在時(shí)代的發(fā)展下，過程控制被賦予新的意義，在煉油工業(yè)工程的控制當(dāng)中，理論和技術(shù)的同步發(fā)展為其過程的控制提供了更先進(jìn)和更實(shí)用的手段，過程控制的前景是非常廣闊的，還需要相關(guān)的專業(yè)人員進(jìn)行更深入的探索和研究。