煉油企業(yè)儀表自控率提升應用實踐

計國忠

（中國石化安慶分公司煉油二部，安徽安慶 246000）

生產(chǎn)裝置的自動化水平直接關(guān)系到裝置運行的穩(wěn)定性、安全性，也直接影響崗位技能操作人員的勞動強度。隨著社會發(fā)展企業(yè)自動化水平不斷提升，對生產(chǎn)裝置自控率日益重視，某石化集團規(guī)定各裝置自控率水平不得低于95%，力爭達到98%以上。某石化企業(yè)裝置多、流程復雜，而該石化企業(yè)煉油二部各裝置自控率水平普遍僅為35%～45%，嚴重制約了裝置生產(chǎn)的穩(wěn)定性、安全性。在此背景下，該石化企業(yè)于2019年7月開始實施自控率提升項目，要求通過技術(shù)攻關(guān)實現(xiàn)煉油二部所有裝置自控率水平不低于95%。

1 現(xiàn)狀與問題分析

1.1 裝置儀表自控率偏低

自控率提升項目實施前，該石化企業(yè)煉油單元各裝置儀表自控率普遍較低，各裝置不參與統(tǒng)計回路的數(shù)量較多，很多關(guān)鍵工藝控制點長期處于手動控制，裝置運行既不穩(wěn)定也不安全。表1為該石化企業(yè)煉油單元各裝置項目實施前自控率調(diào)查情況。

1.2 裝置串級等復雜控制回路投用率低

串級控制是裝置控制回路設計中常見的復雜控制回路，對于生產(chǎn)裝置及工藝指標控制有很重要影響，較多串級或比值控制與裝置產(chǎn)品質(zhì)量及反應深度等直接相關(guān)。目前，裝置對單個控制回路的參數(shù)整定與優(yōu)化尚不成熟，很難對串級控制、比值控制等復雜控制進行優(yōu)化與投用，導致裝置實際串級投用效果較差或無法投用串級控制。項目實施前復雜控制回路投用率情況見表2。 制回路跟蹤效果差，控制回路波動大等方面，詳見表1。

表1 項目實施前各裝置自控率調(diào)查

例如：Ⅲ-催化裝置穩(wěn)定塔底液位控制120LIC 30301 雖然處于自動狀態(tài)，但由于參數(shù)不合理，且受到進料影響，導致液位波動較大，波動幅度為36%～68%。過大幅度的液位波動直接影響穩(wěn)定塔的穩(wěn)定操作，甚至影響穩(wěn)定塔的分離效果，閥位輸出的寬幅度調(diào)節(jié)也使得送往S-zorb裝置汽油流量不能穩(wěn)定，影響S Zorb裝置的穩(wěn)定運行。優(yōu)化前控制情況如圖1所示。

表2 項目實施前各裝置串級投用率情況

1.3 裝置部分工藝參數(shù)控制效果提升空間大

裝置各被控變量的穩(wěn)定控制是裝置總體安全、穩(wěn)定運行的前提基礎(chǔ)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，項目實施前除了手動控制回路控制精度低問題之外，很多回路雖投用自動控制，但實際控制效果一般，主要體現(xiàn)在控

圖1 Ⅲ-催化裝置120LIC30301優(yōu)化前趨勢

表3 項目實施部分回路波動情況舉例

2 措施與效果

在前期充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對不同裝置在自控率方面存在的問題逐一進行分析、完善、制定方案和對接整改。

2.1 利用PID 參數(shù)整定器

針對調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)的PID 參數(shù)不合適問題，項目實施人員在充分的調(diào)研與數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上對各裝置的自控回路進行控制特性建模，通過內(nèi)?？刂坪蚉ID相結(jié)合的方法，采用內(nèi)模-PID技術(shù)，進一步優(yōu)選PID 控制器形式和整定PID 參數(shù)，使控制回路穩(wěn)定、響應速度快、控制精度高。

除參數(shù)整定外，還通過對工藝控制要求的具體分析，結(jié)合應用實際選擇合適的控制器類型。經(jīng)參數(shù)逐級優(yōu)化后大部分回路能實現(xiàn)自動控制，且效果良好。如柴油加氫裝置C-201 分餾塔底液位控制164LIC20101通過參數(shù)優(yōu)化投用了自動，效果如圖2所示。

圖2 164LIC20101優(yōu)化前后對比

2.2 督促儀表專業(yè)處理好儀表閥門問題

在PID參數(shù)整定過程中，項目實施人員通過對控制特性的分析研究，發(fā)現(xiàn)有部分不能實現(xiàn)自控的回路是由于儀表閥門存在問題如調(diào)節(jié)閥TV1606 卡頓，導致S-zorb反應器R-101入口總管溫度TIC1606無法投用自動控制。針對這些回路，優(yōu)化實施人員進行了詳細分析驗證，并與裝置工藝技術(shù)員逐一探討確認，確保儀表調(diào)節(jié)閥靈活好用。并再次對該控制回路進行PID參數(shù)整定等工作，最終實現(xiàn)自動控制回路的投用且效果良好。

例如上述S-zorb 反應器R-101 入口總管溫度TIC1606，經(jīng)過閥門儀表問題處理以及參數(shù)優(yōu)化投用后，控制效果如圖3所示。

2.3 優(yōu)化工藝控制方案

圖3 TIC1606優(yōu)化前后對比

除了部分控制回路的PID 參數(shù)設置不匹配外，還存在部分控制回路因為控制方案不合理或不完善導致無法實現(xiàn)自動控制的情況。針對這類問題，項目實施人員與工藝技術(shù)人員根據(jù)裝置具體的工藝控制要求，結(jié)合上下游關(guān)系，經(jīng)過充分討論并通過反復測試驗證最終確定最合適的控制方案，以實現(xiàn)裝置整體的全流程自動控制。經(jīng)過優(yōu)化控制方案的控制回路投用后，均取得了良好的控制效果，達到了預期的控制目標。

以優(yōu)化加熱爐控制方案為例進行說明。

2.3.1 加熱爐控制存在的問題

該石化企業(yè)煉油單元加熱爐基本依靠經(jīng)驗手動控制調(diào)整變量，即使個別控制回路投用自動也只能是短暫維持，稍有擾動就需要人工干預，否則可能被控對象產(chǎn)生更大波動甚至發(fā)散。實際操作中為了維持加熱爐的簡單穩(wěn)定，避免“爐膛回火”“冒黑煙”等現(xiàn)象，經(jīng)常是犧牲工藝參數(shù)控制精度，無法實現(xiàn)精細化操作。如加熱爐內(nèi)氧含量的工藝指標要求控制在2%～4%，操作人員往往需要頻繁調(diào)節(jié)仍經(jīng)常超工藝指標。

加熱爐出口溫度、加熱爐氧含量等關(guān)鍵控制回路基本上處于手動操作狀態(tài)，主要存在以下問題：

（1）加熱爐被加熱介質(zhì)出口溫度波動大，控制精度低，不利于催化劑的長周期運行。

（2）加熱爐氧含量波動大，頻繁超工藝指標。氧含量過高或過低都會降低加熱爐效率，增加燃料氣的消耗，同時氧含量過低也對加熱爐的操作帶來安全風險。

2.3.2 加熱爐控制優(yōu)化方案

（1）合理準確分析加熱爐的熱效率，根據(jù)數(shù)學模型確定優(yōu)化方向。通過采用數(shù)值擬合的方法得到過程量與所測到量關(guān)系，如溫度、燃料氣壓力、氧含量等，以及研究與熱效率相關(guān)性較大的變量，找到適宜的熱效率分析方法，從而確定加熱爐優(yōu)化的主導方向。

（2）根據(jù)全流程自動化思想減少支路不平衡帶來的干擾。利用先進控制技術(shù)，避免多變量強關(guān)聯(lián)問題，以支路進料流量、支路出口溫度為參量進行支路溫度平衡分析，盡量保證各支路溫度平衡的有效控制。

（3）爐出口溫度高精度、高抗干擾性投用自動控制。加熱爐出口溫度一般采用溫度與瓦斯壓力串級控制，或者采用出口溫度與爐膛溫度串級控制，優(yōu)化前溫度復雜回路控制投用率低，控制效果差。出口溫度穩(wěn)定是后續(xù)工藝生產(chǎn)穩(wěn)定的前提，所以加熱爐優(yōu)化的首要任務是保證爐出口溫度的穩(wěn)定控制，能夠為后續(xù)優(yōu)化提供調(diào)節(jié)空間。

（4）氧含量自動控制投用，合理化控制參數(shù)。氧含量的影響因素和調(diào)節(jié)手段較為復雜，需要對控制氧含量的手段如風門開度、煙道擋板、鼓風機、引風機變頻進行逐一攻關(guān)，并制定自動控制。

2.3.3 優(yōu)化控制效果

以該石化企業(yè)煉油單元連續(xù)液相柴油加氫裝置的反應加熱爐F-101為例。F-101系統(tǒng)的控制變量是爐出口溫度，用燃料氣為操作變量，組成一個簡單的溫度-流量串級回路控制系統(tǒng)。

如圖4 所示，加熱爐投用的是串級回路控制系統(tǒng)，串級回路由兩個檢測變送器（主測量變送器、副測量變送器）、兩個控制器（主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器）、一個調(diào)節(jié)閥所組成。其中溫度控制器輸入為加熱爐出口溫度，輸出作為流量控制器的給定；流量控制器的輸入為燃料氣流量，輸出為控制調(diào)節(jié)閥。在穩(wěn)定工況下，爐出口溫度和燃料氣的流量相對穩(wěn)定，調(diào)節(jié)閥保持一定的開度。

圖4 加熱爐F-101溫度-流量串級控制系統(tǒng)組成

（1）F-101出口管之一溫度控制164TIC10601優(yōu)化前處于手動狀態(tài)，受瓦斯性質(zhì)如瓦斯壓力、組成的變化以及進料溫度的影響，要穩(wěn)定控制164TIC10601，往往需要頻繁調(diào)整瓦斯量。優(yōu)化參數(shù)并投用串級后，出口溫度能穩(wěn)定跟蹤給定值，164TIC10601副回路實現(xiàn)自動控制。

（2）連續(xù)液相柴油加氫裝置反應加熱爐氧含量控制164AIC15101優(yōu)化前處于自動狀態(tài)，但由于參數(shù)設置不合理，由圖5 可以看出，優(yōu)化前受瓦斯性質(zhì)影響加熱爐氧含量波動很大，甚至常高于4%的控制指標。進行參數(shù)優(yōu)化后加熱爐氧含量能夠穩(wěn)定控制在2%～4%。

圖5 柴油加氫加熱爐優(yōu)化前后 氧含量控制164AIC15101對比

加熱爐各控制回路投自動控制后，加熱爐出口溫度的穩(wěn)定，爐膛負壓、氧含量控制平穩(wěn)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定控制，也使燃料氣的消耗大幅降低，同時也為裝置的進一步優(yōu)化運行提供良好基礎(chǔ)。

2.4 其他完善措施

另外，DCS控制系統(tǒng)還存在一些組態(tài)搭建不夠完善的地方，甚至存在個別組態(tài)錯誤的情況，無法完全實現(xiàn)設計的邏輯控制。針對這類問題，項目實施人員、裝置工藝人員、儀表管理技術(shù)人員共同進行了逐一討論、驗證、修正，予以解決。

3 成果與討論

3.1 自控率穩(wěn)步提升

經(jīng)過該石化企業(yè)煉油單元與各方的不懈努力，該石化企業(yè)煉油單元各裝置自控率均有顯著提升。項目實施前各裝置平均自控率為41.1%，優(yōu)化后提升至98%以上，部分裝置甚至可以達到100%。各裝置自控率優(yōu)化前后對比見圖6。

圖6 某石化企業(yè)煉油單元優(yōu)化前后自控率對比

3.2 生產(chǎn)平穩(wěn)率全面提升

經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化及全流程自動控制實施，該石化企業(yè)煉油單元各裝置參數(shù)的平穩(wěn)率均有一定程度提高。2021年4月該石化企業(yè)煉油單元各裝置生產(chǎn)平穩(wěn)率如表4所示，平均為97.93%，滿足實際控制平穩(wěn)率≥96%的要求。

3.3 裝置疑難問題解決

項目實施前該石化企業(yè)煉油單元重油加氫裝置、柴油加氫裝置、RLG裝置的新氫壓縮機，無級量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)長期處于手動控制，不僅調(diào)整操作工作量大，而且很難穩(wěn)定控制反應系統(tǒng)壓力，也增加了新氫壓縮機的電能消耗，該問題一直困擾著裝置操作和技術(shù)人員。通過此次優(yōu)化，目前幾套裝置的新氫壓縮機的無級調(diào)量系統(tǒng)均能實現(xiàn)自動控制且效果良好，為裝置進一步節(jié)能降耗提供基礎(chǔ)。

表4 煉油單元各裝置平穩(wěn)率

4 總結(jié)

該石化企業(yè)煉油單元自控率提升項目的實施具有重要現(xiàn)實意義。一方面有效降低了操作人員勞動強度；另一方面大幅提升裝置自控水平，各項控制指標也得到提升，有利于裝置節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量及收率，為公司帶來可觀的經(jīng)濟效益；特別是一些關(guān)鍵的環(huán)保指標控制難度降低，有利于裝置節(jié)能減排，具有一定社會效益；項目實施后裝置平穩(wěn)率大幅度提升，提高了裝置運行安全系數(shù)。

項目實施過程中，一些外部條件也影響部分控制回路。比如燃料氣系統(tǒng)組分波動較大必然引起壓力波動，這種相互影響往往使得控制回路無法及時跟蹤，因此，自控率的提升還需要更多外部條件 配合。