柴油加氫改質(zhì)裝置反沖洗過程優(yōu)化控制

劉會平，陳郇，李大字

(1. 中國寰球工程有限責任公司 東南亞地區(qū)管理公司，新加坡 416202；2. 北京化工大學 信息科學與技術(shù)學院，北京 100029)

加氫改質(zhì)裝置是石油化工行業(yè)常見的重要的二次加工裝置，通過在一定條件下的加氫技術(shù)來深度提升油品質(zhì)量[1]。為減少系統(tǒng)中重質(zhì)成分在管道內(nèi)的積聚，以防管路阻塞，實現(xiàn)對管道的定期沖洗，自動反沖洗過程是其中的重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)采用過濾后的清潔油品沖洗過濾器和排污油罐。但投運后自動反沖洗頻率高，造成該過程中由于原料油的流量突然變化使得原料油緩沖罐液位發(fā)生很大的波動，會對整個裝置都有很大的影響[2]。為了解決該問題，一種方法是使用前饋串級回路，通過控制原料油進料量以提前調(diào)節(jié)原料油緩沖罐液位，雖然該方法能有較強的抗干擾能力，但使得系統(tǒng)的響應(yīng)變得較慢[3]。另一種方法是采用自抗擾控制，該方法擁有很強的抗干擾能力與快速的響應(yīng)時間，所以本文將該控制算法應(yīng)用在原料油緩沖罐液位的控制中，以獲得更好的控制性能。

1 問題描述

本文以某公司柴油加氫改質(zhì)裝置為研究對象，原料油緩沖罐控制回路如圖1所示。自上游而來的原料油需經(jīng)過自動反沖洗過濾器過濾，再經(jīng)換熱器(E213，E211)冷卻后，進入原料緩沖罐(D101)。當流入過濾器的原料油進出口兩端差壓(PISA202)達到設(shè)定值時自動啟動反沖洗操作。在對D101罐進行反沖洗時，由于沖洗介質(zhì)為原料油，原料油進口流量的突然變化，造成D101罐液位(LIC601)波動較大，其波動范圍為55%～65%，同時造成罐頂壓力(PIC601)和E211溫度(TIC101)等控制回路的波動，給后續(xù)流程造成影響。

圖1 原料油緩沖罐控制示意

2 自抗擾控制

自抗擾控制算法自提出以來已經(jīng)在許多實際過程中得到應(yīng)用與驗證[4-5]，該算法在繼承傳統(tǒng)PID對模型無依賴的優(yōu)勢外，還具有較強的抗干擾能力。本文將其應(yīng)用在液位LIC601的控制中，使得原料油緩沖罐環(huán)境變化對周圍回路的影響降到最小。該算法最早由韓京清教授提出[6]，最初提出時為非線性形式，雖然具有很好的控制性能，但由于參數(shù)眾多，在實際應(yīng)用中較難推廣。高志強在該基礎(chǔ)上提出線性自抗擾控制算法，并提出帶寬參數(shù)化的調(diào)參方法[7-8]，使得自抗擾控制在實際生產(chǎn)中獲得進一步的推廣應(yīng)用[9]。

線性自抗擾控制器主要包含“擴張狀態(tài)觀測器”和“線性狀態(tài)誤差反饋”兩個部分，其中“擴張狀態(tài)觀測器”主要實時估計系統(tǒng)的各個狀態(tài)與異于標準型的“總擾動”，進而通過“線性狀態(tài)誤差反饋”對估計出來的“總擾動”進行實時補償以獲得期望的控制性能。線性自抗擾控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 線性自抗擾控制器結(jié)構(gòu)示意

圖2中，r(t)為給定值信號；u(t)為控制信號；y(t)為被控對象的輸出信號；z1，z2， …zn為擴張狀態(tài)觀測器所估計的系統(tǒng)狀態(tài)；zn+1為擴張狀態(tài)觀測器所估計的系統(tǒng)總擾動；b0為被控對象增益的估計值；ω(t)為外界擾動；u0(t)為誤差反饋控制量。

一階自抗擾控制器的控制作用u0一般選擇比例作用，如式(1)所示：

(1)

3 方案改進

LIC601的穩(wěn)定與否，對整個反沖洗過程的順利運行有至關(guān)重要的作用。提出的改進方法是根據(jù)LIC601波動曲線，基于自抗擾控制的串級及流量補償控制方案。改進方案如下：

1)增加原料油進料量控制器FIC101與LIC601構(gòu)成自抗擾的串級前饋控制回路。

2)當PISA202達到設(shè)定差壓時，反沖洗開始，在串級控制的基礎(chǔ)上增加一個可自由給定的原料油進料量，當反沖洗結(jié)束時，該增加量自動終止，使反沖洗過程中LIC601回路中控制閥提前調(diào)節(jié)，減少液位波動，同時減少反沖洗對原料罐周邊回路的影響。

改進后控制方案如圖3所示。

圖3 原料油緩沖罐改進后控制方案示意

由圖3可知，計算補償模塊實現(xiàn)上述基于自抗擾控制的串級及流量補償控制方案，該方案在DCS中實現(xiàn)。

4 方案驗證

將該改進方案在D101罐的液位控制中實現(xiàn)，罐液位h、E211出口溫度θ改進前后控制性能對比見表1所列，控制效果對比如圖4所示。

表1 改進方案與單回路PID控制方案控制性能對比

從表1可以明顯看出，改進方案相比于單回路PID控制方案，液位和溫度等值的波動更小，抗干擾的能力得到了很大的提升，這一點也可以在圖4中的對比得以驗證。

圖4 改進方案與單回路PID控制方案控制效果對比示意

從圖4可以看出，D101罐的液位LIC601與E211出口溫度TIC101的實際測量值在PID控制時具有周期性的大波動，控制效果不理想。在采用了改進方案之后，在干擾下可以很快地跟蹤新的設(shè)定值，并且沒有超調(diào)，波動也相對較小。顯示了其對設(shè)定值變化時的跟蹤能力很好，相比于原系統(tǒng)中的大超調(diào)與長時間相比，抗擾性能大幅提升。

5 結(jié)束語

本文針對加氫改質(zhì)裝置中原料油緩沖罐液位的控制問題進行優(yōu)化，將單回路控制方案改為串級加前饋方案，并通過加入線性自抗擾控制器，使得原料油緩沖罐液位能快速跟蹤設(shè)定值，同時也有很強的抗干擾能力，相比于單回路PID控制方法，在控制性能上有了較大的提升。