先進控制技術在常減壓裝置中的應用

王成林

（中國石油化工股份有限公司廣州分公司，廣東 廣州510726）

0 引言

以預測控制為主要特征的先進控制，由于可以改善過程動態控制的性能，減少過程變量的波動幅度，使之更接近其優化目標值，從而將生產裝置推向更接近其約束邊界條件下運行，最終達到增強裝置運行的穩定性和安全性、保證產品質量的均勻性、提高目標產品收獲率、增加裝置處理量、降低運行成本等目的，而在煉油企業中得到廣泛的應用。

常減壓裝置是煉油企業的龍頭裝置。常減壓裝置因處理量較大，其絕對能耗比較高［1］，在整個煉油企業的耗能中占15%～20%［2－3］。可見對常減壓裝置實施先進控制以降低其能耗，提高其附加值產品收率意義十分重大。

1 常減壓裝置工藝流程簡介及先進控制技術應用難點

某石化企業#1常減壓蒸餾裝置采用初餾—常壓—減壓蒸餾—電精制及輕烴回收工藝流程。裝置由A、B 2套常壓系統和1套減壓系統構成，設計加工能力520萬t/年：常壓蒸餾A為300萬t/年，常壓蒸餾B為220萬t/年。主要產品為汽油、煤油、柴油、減壓蠟油和渣油。

在當前原油價格多變的市場環境下，為降低成本，原油同時采購自各個地方，性質各不相同。常減壓裝置有時四五種原油混煉，原油頻繁切換，且原油在原油罐中分層會造成輕重變化。這種加工原油性質的頻繁變化給常減壓裝置平穩操作和先進控制的應用帶來了巨大困難。#1常減壓裝置原來在2001年實施了先進控制，由于大部分控制器在原油性質頻繁變化時存在質量控制指標偏差大、不穩定等問題而處于停用狀態。國內煉油企業特別是沿江沿海企業也常遇到類似問題。當原油性質變化較大時，控制器不能及時調整過來，往往需要操作員切除控制器，手動調穩后再將控制器投用［4］。控制器在原油切換過程中魯棒性較差，當原油切換頻繁或混合性質不均勻時，多步預測難以準確實現，調控性能不能令人滿意［5］。原料性質不穩定是阻礙先進控制技術在常減壓裝置中推廣應用及提高應用水平的一個主要原因［6］。

2 DMCplus先進控制技術

2.1 先進控制技術基本原理

先進控制技術以多變量模型預測控制（DMC算法）為代表。模型預測控制的基本思想是采用過程模型預測未來時刻的輸出，用對象實際輸出與模型預測輸出的差值修正過程模型，以實現最優控制模型預測控制。從基本思想來看，預測控制優于PID控制［7］。其基本特征包括預測模型、反饋校正和滾動優化［7－8］。模型預測控制組成變量分為3類：（1）控制器的控制目標即被控變量（CV）；（2）控制器為達到其控制目標所采取的控制手段即操縱變量（MV）；（3）可以被測量但不能操縱又對CV有明顯影響的干擾變量（DV）。先進控制技術原理示意圖如圖1所示。

圖1 先進控制技術原理示意圖

2.2 Aspen DMCplus

Aspen DMCplus技術是一種針對近似線性過程對象發展出來的線性先進控制技術，其優勢一方面在于該技術在原DMC算法的基礎上做了一定程度的創新，增強了模型預測控制在工業應用中的魯棒性；另一方面該技術在產品內部嵌入了在線優化器，可用于獲取經濟優化目標，使先進控制器在保證控制對象平穩的基礎上可進行經濟優化。

在Aspen DMCplus技術中，操作變量和被控變量的穩態優化目標值是采用線性規劃/二次規劃來計算得到的。一般用經濟指標與約束條件進行比較后決定優化目標值，也就是說，要選擇能夠滿足所有約束的經濟效益最佳的操作點。

2.3 Aspen IQ

軟測量儀表技術也往往與先進控制技術相伴，Aspen公司的IQ技術是其中一種代表性技術。軟測量儀表技術用以解決類似質量參數這些無法或難以在線直接測量的被控變量如何納入先進控制器構成實時閉環控制回路的問題。

3 先進控制系統設計方案

為了解決原有先進控制方案無法適應加工原油性質頻繁變化的問題，對#1常減壓蒸餾裝置先進控制系統進行了重新設計和實施。采用Aspen公司的DMCplus先進控制技術，通過建立裝置的過程模型，并結合原油切換過程表征，研究開發了7個先進控制器，包括A區常壓蒸餾控制器、B區常壓蒸餾控制器、常壓爐A支路平衡控制器、常壓爐B支路平衡控制器、減壓爐支路平衡控制器、加熱爐燃燒控制器和減壓塔控制器。

3.1 常壓蒸餾控制器

常壓蒸餾控制器的控制目標包括：（1）穩定產品質量，實現質量卡邊控制，并增加高附加值產品收率；（2）實現原油罐切換過程平穩過渡；（3）節能。

3.1.1 油品揮發度工藝計算

針對原油切換，先進控制系統主要面臨以下難題：（1）油質變化頻繁。目前大型常減壓裝置常常要處理數十多種原油，在線調和，進料變化繁復，對每次加工的原油實時進行油品分析也不現實。（2）切換動態。原油混合的均勻程度及在儲罐中分層和管道中滯留，使得預知進塔原油的實時狀況十分困難。（3）密度不可靠。直接用原油密度來甄別油的輕重亦不可行。首先，密度儀安裝于脫水脫鹽前，不能代表脫后原油；其次，密度儀的穩定性、準確性常受質疑。（4）原油輕重度量。原油有輕重變化，需要用某一特征數代表，才能真正在先進控制系統中發揮作用。為開發能適應原油切換的控制系統，需要設計一即時反映原油輕重的量化指標，以此作為前饋信息來指導切換期間的質量控制。

一定量的常底油加熱到一定溫度進入常壓塔閃蒸段后，輕重油品對熱負荷具有不同的影響：輕油會產生較多油氣，從而導致整個塔的冷凝負荷上升，即頂回流負荷和頂循、中循負荷都將相應增加以冷凝更多的油氣，否則，塔壓和頂溫將失控；反之，重油進塔后，上升油氣減少，為維持一定的塔壓和頂溫，各個冷凝負荷包括頂回流、頂循、中循負荷將下降。這樣，基于塔的熱平衡的計算具有以下2個優點：首先是實時性，進塔的油品變化幾乎與熱負荷變化同時；其次是冷凝負荷大致與閃蒸油氣量成比例。

根據這一原理可以計算出一個代表實時油品輕重的參數，可將它稱為油品揮發度，定義為單位溫差、單位進料對應的總熱負荷。揮發度越大，油品越輕；揮發度越小，油品越重。

采用產品質量軟測量方案，塔頂汽油干點由塔頂溫經壓力校正計算而得，側線產品質量與側線抽出溫度以及油品揮發度密切關聯。伴隨油品切換過程，塔的壓力會變化，根據塔頂汽油干點的預測，控制器將分別自動調整初餾塔和常壓塔頂溫設定值，保證汽油產品質量。同時，控制器會隨著油品揮發度變化自動在適當的時候對各個側線抽出量作出適當調整，以完成原油切換過程的平穩過渡。

3.1.2 能量回收環節節能

常減壓裝置的剩余熱量，主要是蒸餾塔塔頂回流和各中段回流取出的，熱流的溫位沿塔徑方向從上而下依次升高。因而為提高原油的最終換熱溫度，應合理分配取熱，增加高溫位熱源熱量供給，進行常壓塔的優化控制是重要的措施之一。

通常，熱流溫位沿常壓塔的塔徑方向自上而下依次升高，因而在保證常壓塔汽液相分布均勻和產品質量合格的前提下，應盡量提高二中和一中循環量，盡量降低冷回流量，最大限度地使高溫位熱源多換熱，可提高熱量利用率。在具體實施過程，合理設置先進控制器的優化參數可實現該功能。

3.1.3 控制器架構

常壓蒸餾控制器包括A區常壓蒸餾控制器和B區常壓蒸餾控制器，2先進控制器架構類似，控制周期都為1 min，具體控制器結構如表1所示。

表1 常壓蒸餾控制器變量表

3.2 加熱爐支路平衡和燃燒控制器

在熱量的傳輸和轉換環節，能量的利用率為86.9%。在直接損失的能量中，加熱爐的排煙熱損失占總供入能量的8.45%。為此，設計加熱爐燃燒控制器，用于平穩加熱爐出口溫度，提高熱效率，降低排煙熱損失。除此以外，為減少原油各支路進加熱爐最終混合后的熱損失，提高加熱爐加熱原油的效率，針對原油加熱流程設計加熱爐支路平衡控制器。

加熱爐支路平衡和燃燒控制器包括4個先進控制器：常壓爐A支路平衡控制器、常壓爐B支路平衡控制器、減壓爐支路平衡控制器和加熱爐燃燒控制器，控制目標為平穩加熱爐出口溫度、爐膛負壓和煙氣氧含量，實現加熱爐各支路進料流量和出口溫度均衡，提高加熱爐的效率，在能量傳輸和轉換環節節能降耗。4個先進控制器的控制周期都為30 s，3個支路平衡控制器架構類似，具體結構如表2所示，加熱爐燃燒控制器結構如表3所示。

表2 加熱爐支路平衡控制器變量表

表3 加熱爐燃燒控制器變量表

4 先進控制系統控制效果

4.1 原油切換過程過渡平穩

常壓蒸餾控制器設計了油品揮發度工藝計算，實時表征煉制原油輕重。在裝置原油切換過程中，常壓蒸餾控制器會自動調節常壓塔一中流量、二中流量、頂循流量和各側線抽出溫度，以保證原油切換過程中常壓塔工藝參數平穩，產品質量合格。圖2顯示了A區常壓塔油品切換操作過程中各相關參數調整變化情況。

4.2 產品質量軟測量

在油品揮發度工藝計算基礎上，利用裝置的溫度、壓力、流量和軟測量建模技術，開發了A/B區初頂油干點、A/B區常頂油干點、A/B區常一線干點、A/B區常一線閃點、A/B區常三線95%等產品質量軟測量。各產品質量軟測量變量（CV）用于先進控制器嚴格控制，各項質量指標控制良好。

4.3 先進控制器控制效果

先進控制器投用后，裝置操作更加平穩，各項控制指標達到標準方差減少20%～30%的目標。自2012年3月投用以來，所有控制器的投用率都在98%以上。同時，由于控制精度的提高，實現了對主要生產指標和質量指標的卡邊控制，提高了目的產品收率，節省了能源，達到了增加裝置效益的目的。

圖2 A區常壓塔油品切換操作曲線

5 結語

針對常減壓裝置工藝特點和先進控制技術應用難點重新設計和實施先進控制系統。通過引入油品揮發度作為即時反映原油輕重的量化指標，并以此作為前饋信息來指導原油切換期間的質量控制，實現了原油切換過程的平穩過渡。應用結果表明，經重新設計和實施，先進控制系統有較強的適應性、穩定性和較高的投用率。先進控制技術的應用使裝置運行更加平穩，在降低能耗的同時提高了目標產品的收率和收益，取得了良好的應用效果。

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