IPC全流程智能控制在1000萬(wàn)噸/年常減壓裝置的開發(fā)及應(yīng)用

楊 昕

（中石化天津石化公司，天津 300271）

0 引言

隨著石化生產(chǎn)過(guò)程信息化水平的提高，石化生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)一步向信息化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，開發(fā)和應(yīng)用智能控制技術(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)操作，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，提升自身的競(jìng)爭(zhēng)力是石化行業(yè)迎接挑戰(zhàn)的重要對(duì)策。

目前，天津石化1000萬(wàn)噸/年常減壓裝置主要采用常規(guī)PID控制，控制器參數(shù)主要靠人工經(jīng)驗(yàn)的方法整定。常壓爐及減壓爐均為8支路進(jìn)料，支路溫度均衡為手動(dòng)調(diào)節(jié)，操作勞動(dòng)強(qiáng)度大。為提升天津石化1000萬(wàn)噸/年常減壓裝置的智能化水平，在常減壓裝置進(jìn)一步開展IPC全流程智能控制的開發(fā)及應(yīng)用，包括智能PID控制、多變量智能控制、智能函數(shù)控制等，全流程智能控制投用后，裝置自控率、平穩(wěn)率大大提升，換熱終溫提升2℃，常壓爐出口溫差降至0.6℃，減壓爐出口溫差降至1.1℃，操作工作量減少了67%以上，裝置報(bào)警數(shù)量減少65%以上，裝置能耗降低7.57%。經(jīng)核算，每年可增加經(jīng)濟(jì)效益1519.2萬(wàn)元。

1 常減壓裝置

中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司100萬(wàn)噸/年乙烯及配套項(xiàng)目1000萬(wàn)噸/年常減壓蒸餾裝置由中國(guó)石油化工工程建設(shè)公司設(shè)計(jì)，燕華公司施工，2007年12月動(dòng)工建設(shè)，2009年6月建成，2009年12月投產(chǎn)。裝置主要加工沙重、科威特、巴士拉輕、卡斯蒂利亞、榮卡多混合原油，處理能力為1060萬(wàn)噸/年，主要分為常壓系統(tǒng)、減壓系統(tǒng)和輕烴回收系統(tǒng)[1]。各部分作用如下：

1）常壓系統(tǒng)

常壓系統(tǒng)的任務(wù)是將原油按照不同的餾程經(jīng)常壓塔分離成石腦油、航煤、柴油、常壓渣油，航煤作為航煤加氫的原料，柴油與減壓分離出的柴油合并作為柴油加氫原料。

2）減壓系統(tǒng)

減壓系統(tǒng)的任務(wù)是在負(fù)壓的條件下，從常壓渣油中進(jìn)一步分離出柴油與常壓柴油，合并作為柴油加氫原料，減壓輕蠟油作為加氫裂化原料，減壓重蠟油作為蠟油加氫原料，塔底產(chǎn)物減壓渣油作為延遲焦化原料。

3）輕烴回收系統(tǒng)

輕烴回收系統(tǒng)的任務(wù)是將常壓塔餾出的石腦油進(jìn)行分離，主要得到液態(tài)烴、輕石腦油、重石腦油。液態(tài)烴去脫硫裝置脫硫，輕石腦油、重石腦油分別作為乙烯料及重整料。

2 IPC全流程智能控制技術(shù)

IPC全流程智能控制技術(shù)是信息化和工業(yè)化深度融合的智能控制技術(shù)[2]。該技術(shù)包括智能建模、智能PID控制、智能變參數(shù)非線性區(qū)域控制、烽燧控制、多變量智能控制、智能函數(shù)控制、專家系統(tǒng)、最優(yōu)控制方案設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。主要技術(shù)內(nèi)容如下：

1）智能建模[3]。將大數(shù)據(jù)挖掘、優(yōu)化方法與在線閉環(huán)建模集成，不需要任何測(cè)試就能直接建立閉環(huán)控制系統(tǒng)中的連續(xù)對(duì)象傳遞函數(shù)模型，針對(duì)多輸入多輸出系統(tǒng)，能建立多變量系統(tǒng)連續(xù)模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)在線自學(xué)習(xí)智能建模，形成全工況模型庫(kù)。

2）智能PID控制[4,5]。采用智能PID控制技術(shù)，基于多工況模型庫(kù)，自動(dòng)設(shè)計(jì)智能PID控制器，將全裝置PID控制器改造為智能控制器，實(shí)現(xiàn)全裝置智能精準(zhǔn)控制，對(duì)全裝置所有控制回路實(shí)現(xiàn)智能PID控制。

3）智能變參數(shù)非線性區(qū)域控制[6]。智能變參數(shù)非線性區(qū)域控制技術(shù)是一種融合了智能建模、模糊控制和專家系統(tǒng)的新型智能控制方法，能將傳統(tǒng)的液位-流量串級(jí)控制進(jìn)一步升級(jí)為智能變參數(shù)非線性區(qū)域控制，能有效發(fā)揮液位的緩沖作用，盡可能使流量穩(wěn)定，減少對(duì)下游工段的影響。

4）烽燧控制[7]。基于生產(chǎn)裝置物料和能量的動(dòng)態(tài)平衡和靜態(tài)平衡的控制思想，設(shè)計(jì)烽燧控制方案，有效調(diào)整與工藝過(guò)程相關(guān)的控制回路，達(dá)到解決石化生產(chǎn)過(guò)程干擾傳遞的控制難題，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5）智能函數(shù)控制。基于生產(chǎn)大數(shù)據(jù)及專家知識(shí)，對(duì)指定控制回路按照設(shè)定的函數(shù)設(shè)計(jì)智能函數(shù)控制，函數(shù)可以自行設(shè)定，解決人工操作粗放，影響生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行難題。

6）多變量智能控制[8]。針對(duì)復(fù)雜的控制對(duì)象，定制開發(fā)和設(shè)計(jì)多變量智能控制解決方案，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜單元和對(duì)象的多個(gè)變量的智能控制。

7）專家系統(tǒng)?；谏a(chǎn)大數(shù)據(jù)、機(jī)理模型及專家經(jīng)驗(yàn)，形成專家知識(shí)庫(kù)，通過(guò)推理機(jī)決策，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)專家智能控制。

8）最優(yōu)控制設(shè)計(jì)?；谏a(chǎn)大數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)、混合精英搜索和參數(shù)相關(guān)性分析方法，優(yōu)化原有控制方案，解決控制回路設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)現(xiàn)全裝置最優(yōu)控制。

3 技術(shù)應(yīng)用

結(jié)合天津石化的生產(chǎn)需求及控制難題，在天津石化1000萬(wàn)噸/年常減壓裝置進(jìn)一步開展IPC全流程智能控制的開發(fā)及應(yīng)用，主要開發(fā)及應(yīng)用內(nèi)容包括：智能PID控制、多變量智能控制、智能函數(shù)控制等。具體技術(shù)應(yīng)用如下：

3.1 智能PID控制應(yīng)用

采用智能建模技術(shù)和智能PID控制技術(shù)，對(duì)常減壓裝置180余個(gè)控制回路實(shí)施智能PID控制，達(dá)到小超調(diào)或無(wú)超調(diào)跟蹤設(shè)定值變化，使其快速平穩(wěn)運(yùn)行，自動(dòng)采集生產(chǎn)運(yùn)行大數(shù)據(jù)，自動(dòng)建立多工況多時(shí)段智能模型庫(kù)，設(shè)計(jì)智能控制器[3]，將傳統(tǒng)PID控制全部升級(jí)為智能控制，增強(qiáng)抗干擾能力，減少系統(tǒng)的非正常、大范圍波動(dòng)。

3.2 多變量智能控制應(yīng)用

在1000萬(wàn)噸/年常減壓裝置開發(fā)了多變量智能控制方案，包括常壓爐多變量智能控制及減壓爐多變量智能控制，具體如下：

3.2.1 常壓爐的多變量智能控制方案

常壓爐智能控制方案包括：支路溫度均衡、爐出口溫度智能函數(shù)控制、爐膛負(fù)壓、氧含量控制和故障診斷與防御控制，實(shí)現(xiàn)了常壓爐的一體化智能操作。多變量智能控制方案原理圖及流程圖如圖1。

1）支路溫度均衡控制

新增閃蒸塔底液位501LIC10401B控制8支路進(jìn)料量。同時(shí)通過(guò)8支路出口溫度的偏差來(lái)均衡調(diào)整8支路流量，從而實(shí)現(xiàn)8支路溫度的均勻控制。

2）爐出口溫度智能函數(shù)控制

爐出口溫度智能函數(shù)控制可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)升降爐出口溫度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提降出口溫度。

3）爐膛負(fù)壓及氧含量控制

新增爐膛負(fù)壓控制器PIC41305A控制手操器HIC41302A；新增爐膛負(fù)壓控制器PIC41305B控制手操器HIC41302B；新增氧含量控制器AIC41303控制手操器HIC41310；新增氧含量控制器AIC41304控制手操器HIC41311；常壓爐煙道蝶閥手操器由手動(dòng)控制變?yōu)樽詣?dòng)控制。

4）故障診斷與防御控制

為防止誤操作以及測(cè)量值突變?cè)斐傻拈y位突變，對(duì)爐膛負(fù)壓和氧含量增加了故障診斷與防御控制。

圖1 常壓爐多變量智能控制原理圖Fig.1 The principle diagram of multi-variable intelligent control of atmospheric pressure furnace

3.2.2 減壓爐多變量智能控制

減壓爐多變量智能控制方案包括：支路溫度均衡、爐出口溫度智能函數(shù)控制、爐膛負(fù)壓、氧含量故障診斷與防御控制，并在操作畫面中增加了調(diào)出各智能控制方案的按鈕，方案原理圖及流程圖見圖2。

1）支路溫度均衡控制

為實(shí)現(xiàn)減壓爐8支路出口溫度均衡控制，開發(fā)了支路溫度均衡控制。該方案的思想是通過(guò)8支路爐出口溫度的偏差來(lái)調(diào)整8支路進(jìn)料量。

2）爐出口溫度智能函數(shù)控制

開發(fā)了爐出口溫度智能函數(shù)控制，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)升降爐出口溫度。

3）爐膛負(fù)壓及氧含量控制

圖2 減壓爐多變量智能控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of multi-variable intelligent control of decompression furnace

新增爐膛負(fù)壓控制器PIC41301A控制手操器HIC41301A；新增爐膛負(fù)壓控制器PIC41301C控制手操器HIC41301B；新增氧含量控制器AIC41302控制手操器HIC41308；新增氧含量控制器AIC41305控制手操器HIC41309；減壓爐煙道擋板手操器由手動(dòng)控制變?yōu)樽詣?dòng)控制。

4）故障診斷與防御控制

為防止誤操作以及測(cè)量值突變?cè)斐傻拈y位突變，對(duì)爐膛負(fù)壓和氧含量增加了故障診斷與防御控制。

3.3 智能函數(shù)控制應(yīng)用

根據(jù)裝置生產(chǎn)要求及控制需求，開發(fā)智能函數(shù)控制，可自動(dòng)平穩(wěn)提降負(fù)荷、溫度等，同時(shí)兼顧下游關(guān)鍵變量波動(dòng)范圍，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。常減壓裝置開發(fā)了多個(gè)智能函數(shù)控制器，包括常一中回流量、常二中回流量等。

4 應(yīng)用效果

4.1 智能PID控制

常減壓裝置180余個(gè)控制回路實(shí)施智能PID控制后，控制回路控制性能得到大大提升，主要控制回路均方差大大降低。

如常壓塔底液位，投用智能控制后，波動(dòng)范圍明顯減少，控制精度提升。

4.2 多變量智能控制

1）常壓爐多變量智能控制

常壓爐多變量智能控制投用后，常壓爐F101出口溫度8支路達(dá)到了八線合一。

負(fù)壓實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，投用效果如圖5。

圖3 常壓塔底液位智能PID控制效果曲線Fig.3 The effect curve of intelligent PID control of the liquid level at the bottom of the atmospheric tower

圖4 常壓爐支路溫度均衡控制效果圖Fig.4 The effect of temperature equalization control of the branch circuit of the atmospheric pressure furnace

圖5 常壓爐爐膛負(fù)壓控制效果曲線Fig.5 The effect curve of negative pressure control in the furnace chamber of atmospheric pressure furnace

圖6 常壓爐氧含量控制效果曲線Fig.6 Control effect curve of oxygen content in atmospheric furnace

圖7 減壓爐支路溫度均衡控制效果圖Fig.7 Effect diagram of temperature equalization control of decompression furnace branch

氧含量實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制更加平穩(wěn)，投用效果如圖6。

2）減壓爐多變量智能控制

減壓爐多變量智能控制投用后，實(shí)現(xiàn)了八線合一，控制效果如圖7。

圖8 減壓爐爐膛負(fù)壓控制效果曲線Fig.8 Curve of negative pressure control effect of decompression furnace chamber

負(fù)壓實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，波動(dòng)范圍明顯降低，投用效果如圖8。

氧含量實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制更加平穩(wěn)，投用效果如圖9。

圖9 減壓爐氧含量控制效果曲線Fig.9 Control effect curve of oxygen content in decompression furnace

4.3 智能函數(shù)控制

原油進(jìn)料負(fù)荷投用智能函數(shù)控制后，提降量過(guò)程全部計(jì)算機(jī)化，大大減輕操作勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié)論

IPC全流程智能控制投用后，提升裝置自控率及平穩(wěn)率，自控率提升至99%以上，平穩(wěn)率達(dá)到100%，提升換熱效率，換熱終溫提高2℃左右。常壓爐及減壓爐實(shí)現(xiàn)多變量智能控制，常壓爐出口溫差由3℃降至0.6℃，減壓爐出口溫差由3℃降至1.1℃，加熱爐氧含量、爐膛負(fù)壓全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，操作工作量減少了67%以上，裝置報(bào)警數(shù)量減少65%以上，裝置能耗降低7.57%。經(jīng)核算，每年可增加經(jīng)濟(jì)效益1519.2萬(wàn)元。通過(guò)IPC智能控制的投用，全面提升了裝置自動(dòng)化及智能化運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)了卡邊操作，為后續(xù)生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力支撐。