基于DCS的汽油在線調合系統的設計與實現

王 瑞，王毅彪

（煉化公司 項目建設指揮部，陜西 洛川 727406）

08年延長石油新建延安石油化工廠，此項目是延長石油集團提高石化產品的深加工和新產品開發的能力，增加企業的經濟效益，實現油化并舉的重要項目。此項目建有120萬噸/年重整裝置、12萬噸/年MTBE裝置等6套主要裝置。所生產的重整汽油、MTBE與延安煉油廠生產的催化汽油均輸送到延煉惠家河成品油罐區進行在線調合。

1 項目實施的必要性

在實施調合項目之前條件比較落后，采用的是手動罐調，即經過人工運算或查表得出調合配方后，把不同的組分直接輸送到指定的成品罐，安裝在成品罐里的攪拌器進行攪拌均勻，實驗室化驗后如果不合格則再加入相關組分，然后繼續攪拌均勻，如此循環直到成品合格。這種原始的調合方式帶來的問題是：

1）罐的裝填系數低，罐存利用率低；

2）質量過剩大；

3）高質組分浪費現象較多；

4）難以同時兼顧多個質量指標的控制；

5）調合周期太長，能耗太大；

6）對突然加入的訂單難以快速反應；

7）一次調合成功率低，大約50%左右。

罐區沒有控制系統，所有工作手動完成，基礎條件較差，因此要想生產高質汽油，提高組分的利用價值，改善效益，進行汽油在線調合系統實施已經刻不容緩。

2 系統構成及主要功能

汽油在線調合系統包括在線調合控制系統、DCS、在線分析儀、現場儀表、調合頭等[1]，主要功能是根據手動輸入的組分配方及從現場采集到的油品分析數據等信息完成調合，使得調合好的汽油剛好合格，質量過剩最小[2]，罐區罐存的合理分配及罐區生產的自動化，產生最大可能的經濟效益。調合時所需要完成的泵、閥等的啟動和停止動作由DCS系統根據調合服務器的給定自動完成，調合服務器與DCS通過開放的OPC接口實現數據傳輸通訊。分析儀器工作站通過MODBUS通訊方式給DCS傳輸數據。系統構成如圖1所示。

圖1 汽油在線調合系統結構圖Fig.1 Structure diagram of on-line gasoline blending system

選型方案：

1）調合軟件包：ASPEN調合軟件包包括 InfoPlus.21、PIMS優化器、DMC Plus多變量預估控制器、ABML調合規則模型庫和顯示執行系統等。InfoPlus.21是當前在流程行業市場占有率最大的數據采集系統，可以和任何DCS/PLC等系統集成。Aspen Blend的成品油罐質量預測，罐底殘留補償等由PIMS優化器來完成。調合頭質量控制通過DMC Plus多變量預測技術來實現，它同時控制多個質量指標，保證成品油的所有質量指標合格。Aspen提供了完整的ABML調合規則模型庫，無需開發調合規則，為調合的精確控制及盡快建成投用提供了保證。

Aspen Blend可以與MBO（多周期調合優化）軟件集成自動接收生產方案和配方，或手動設置初始配方，其內置的PIMS優化器對罐存進行考慮，對整罐汽油的質量進行全程跟蹤和優化，利用ABML提供的調合規則對各個質量指標進行計算，采用多變量預估控制技術同時對各個質量指標進行實時控制，完成對不同質量指標的不同方向的卡邊生產。ASPEN BLEND調合軟件系統具備很好的集成能力，方便實現與其他控制系統的對接，不受DCS系統的限制和制約。Aspen Blend通過現場DCS系統的OPC接口，經過InfoPlus.21實時數據庫獲得實時數據。

2）分析儀使用GW（guided wave）的M412型NIR近紅外分析儀。近紅外光譜分析技術能在幾秒內，僅通過對樣品的一次近紅外光譜的簡單測量，就可以同時測定一個樣品的幾種至幾十種性質數據或濃度數據，而且對被測樣品無破壞和無污染，因此具有高效快速成本低和綠色的特點，近紅外測量光學探頭直接安裝在所要測量的工藝管線上，同時配有在線維護裝置。近紅外測量探頭與分析儀器之間的連接采用的是廠家專用的信號光纖。可以測定如油品的辛烷值、烯烴、苯、餾程、密度、凝固點、十六烷值、閃點、冰點 、PIONA組成、MTBE含量等。

3）過程控制系統：DCS系統采用橫河的CS3000過程控制系統[3-4]。控制系統采用冗余系統，CPU、通訊卡、電源卡、完全冗余，保證調合過程控制需要。為與調合系統數據交換需要，設置了單獨的OPC服務器。為保證調合系統正常投用，DCS需要實現的功能主要有以下：

①順控功能：設置、選泵、預啟動、啟動、漸升、運行、預停車、漸降、滴流、停車。

②操作功能：提量、降量、中斷、恢復、同步化。

③調合功能：初始配方、人工配方、微調配方。

④報警功能：事故報警、配方設置錯誤報警（正常化報警）、罐存報警等。

⑤預測功能：緩沖罐“高報和低報”時間。

⑥數據庫功能：時間、流量、質量等數據形成歷史記錄。

4）現場儀表：①調節閥采用無錫工裝KOSO調節閥。KOSO調節閥控制范圍大，可以在大范圍內進行準確控制，適合調合項目大范圍變化。②采用E+H質量流量計，精度選用0.1%。

3 調合技術方案

Aspen Blend接到調合訂單，會根據當前的情況對調合配方等進行進一步的驗證、自動調整，找出當前最佳的配方，自動實現汽油的在線優化調合動作，確保調合出的產品過剩最小、組分利用最合理、經濟效益最好。

汽油調合組分共有4種：催化汽油、重整汽油、重整輕汽油、MTBE，年產汽油總量預計300多萬噸/年。采用兩個調合頭，可以同時調合兩個不同辛烷值的產品。

Aspen Blend根據手動輸入的組分配方和調合牌號等信息，首先使用帶有非線性調合模型的優化工具，根據滿足最終成品罐質量規格的要求和經濟利益最大化的約束來優化設定調合頭質量范圍和最優配方，然后將配方和質量設定范圍送到Aspen Blend調合質量控制，質量控制采用Aspen DMC Plus多變量預測控制器技術來實現，DMC Plus通過預測模型對調合頭多個質量指標進行預測，并可以提前預測到各個質量指標的趨勢是否偏離，從而自動提前采取控制措施來達到卡邊控制各個質量指標的目的。DMC Plus根據預測的結果，提前微幅自動修改DCS系統中相關控制回路的設定值，從而可以使得整個調合過程平穩進行，各個質量指標在考慮經濟利益最大化的前提下達到卡邊控制。結合考慮罐底情況，使得一罐汽油生產完成時，汽油剛好合格，質量過剩最小，使得調合產生最大可能的經濟效益。從而以最優化的方案進行各個牌號的成品汽油的調合。具體調合技術方案如圖2所示。

調合時所需要完成的泵、閥等的啟動和停止動作由DCS系統自動完成。

成品油罐可以指定用途，比如，指定存放90#、93#或97#汽油，也可以設計成動態使用，即成品罐的使用隨實際情況而定，每個成品油罐都可以能夠存放所有汽油成品。

設計時還充分考慮到系統故障時的手工管道調合功能，確保無論在什么情況下，調合都能順利進行。

4 軟件程序設計

以下部分對AspenBlend的兩個主要模塊（Blend-QC和Blend-Opti）、項目測量單位（UOM）和一般工作流程進行了綜述。

4.1 Blend-QC調合質量控制器（DMCPlus）

調合質量控制器是指DMCPlus多變量預估控制器，每個調合頭需要定義被控變量（CV）和操作變量（MV）。操作變量是指可以通過DMCplus控制器進行調整的變量。被控變量是指受到操作變量的影響而改變的變量，通常指的是關鍵操作目標、質量指標等。

4.1.1 控制器目標

控制器需要實現以下操作目標：

1）使調合處于他們指定的動態質量目標范圍內。

2）使配方始終與他們的外部配方目標接近。

3）考慮工藝和設備限制。

注意：外部配方目標可以通過手工、在線優化器或者其他應用程序進行設置。

4.1.2 基本設計

圖2 調合技術方案Fig.2 Scheme of blending technology

調合頭質量控制分為兩個主要部分，調合控制器預運算和DMCplus控制器。調合頭控制器的預運算將更新增益和操作變量約束。增益計算采用與控制變量、組分和現有調合數據相關的增益進行計算。標準增益計算是基于為調合頭所選的屬性計算方法。操作變量的限制計算則考慮現有的操作條件、定義的訂單限制和控制器的操作范圍。

4.1.3 控制器結構和控制策略

1）每個調合頭都需要定義操作變量（MV）和被控變量（CV），典型的MV包括組分配方。典型的CV包括產品更新換代油的各種質量指標等。

2）在建模之前，還將進行一系列階躍測試。這些階躍測試的目的在于獲取動態過程模型。MV-CV模型增益實質上是動態的，可以通過預運算功能進行計算。

3）在模型中使用的數據是在DMCplus配置文件（CCF文件）中定義的。數據源包括IP.21記錄、DMCplus控制變量和常量。

4）調合質量控制器會在滿足所調汽油各個指標和各個約束的條件下，實現各個指標的卡邊控制，以減少質量過剩。通常情況下，調合質量控制器會每分鐘下載一個微調配方，保證調合汽油的質量均勻和穩定。

4.2 Blend-Opti調合優化器

Blend-Opti利用PIMS對整罐成品汽油進行優化。

4.2.1 優化器目標

在線優化的目標是在遵循調合指標和現有操作條件的情況下確定最佳配方。然后將優化配方送到質量控制器進行實施。通常優化器會每小時下載一次優化配方給質量控制器。優化器可以部署幾種“優化目標”。這些包括：利潤最大化、配方偏差最小化以及組分成本最小化。

4.2.2 基本設計

在線優化器利用PIMS來作為解算器。在設計中，它考慮了成品罐底油并利用了Aspen調合模型庫（Aspen Blend Model Library，簡稱ABML）。該優化器有3個部分：設置、解算器和輸出。優化器設置負責收集解算器所必需的數據和格式。優化器利用PIMS來作為解算器。優化器輸出負責讀取來自PIMS解算器的輸出結果，并將該值調整為能被質量控制器實施的格式。

4.2.3 優化過程的一般約束范圍

優化器是用來考慮組分庫存（包括產品）和屬性、調合規則、調合配方、成品罐底油（體積和屬性）以及設備限制。

4.3 項目測量單位

ASPEN對用于項目的所有非屬性數據的測量單位做了嚴格要求，具體如表1所示。

表1 項目測量單位Tab.1 The units of project measurement

4.4 工作流程

為了啟動，必須在AspenBlend訂單管理軟件上創建調合訂單。這可以通過手工輸入完成。一旦該訂單被定義好并且所有數據都已輸入，操作員（或者班長）將把狀態設定為“準備就緒”，標志著所有相關的數據都已輸入，調合可以進行下載和啟動了。接著，操作員將把訂單下載到DCS和BRC上[5]。在成功下載后，調合可以在調整控制應用程序中啟動。該事件將被AspenBlend識別，而該調合也將變為激活狀態。當調合處于激活狀態時，AspenBlend將執行控制和優化應用程序來調整組分配方以保證調合滿足規格要求。一旦調合達到目標調合量，調合將由BRC程序停止。該事件將被AspenBlend識別，而該調合也將結束。

5 投用效果

目前調合系統已經建成，DCS的BRC已經正常投用并能調出所要求的合格產品[6]。ASPEN BLEND和分析儀的建模工作完成后，整個系統已經投用。通過本改造項目實施可以達到以下效果：

1）通過調合系統的使用，可以節約高辛烷值組分2%～3%，節約辛烷值平均約0.2；

2）一次調成率提高，罐存儲量增加。過去一次調成率低，成品油罐收油留有一定的余量，現在在安全空高允許的前提下，平均可以提高罐存500M3，共計可以增加罐存8500M3；

3）調合周期縮短，節約了時間；

4）操作自動化程度提高，大大降低了勞動強度，方便了操作；

5）同時調合兩個不同辛烷值的產品。

汽油在線調合系統的建成投產，極大地提高了油品調合的自動化程度，產生了很好的經濟效益，值得推廣應用。

[1]孫根旺，趙小強，王亞玲，等.汽油在線優化調合控制模型及其應用[J].石油煉制與化工，1999（11）：33－36.SUN Gen-wang，ZHAO Xiao-qiang，WANG Ya-ling ，et al.Online optimization model for gasoline blending and its application[J].Petroleum Processing and Petrochemicals，1999（11）： 33－36.

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[4]橫河公司.橫河 DCS CENTUM CS3000生產控制系統[EB/OL].（2010-12-02） [2011-05-15].http://www.chuandong.com/publish/product/newOnline/2008/3.

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