先進過程控制在氣分裝置中的應用

張韶煜，柴昕，劉炳杰

（1.洛陽三隆安裝檢修有限公司，河南 洛陽471012；2.中國石化股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽471012；3.浙江中控軟件技術有限公司，杭州310053）

先進過程控制（APC）技術是流程企業綜合自動化的重要組成部分，也是生產裝置安全平穩運行和節能降耗增效的主要手段之一。中國石化股份有限公司洛陽分公司氣分裝置于2011年11月采用先進控制，開展優化工作，提升了該裝置優化與節能應用的水平。

1 流程特點

氣分裝置主要包括液化石油氣脫硫醇和氣體分餾兩個生產單元。原料由催化裂化裝置和焦化裝置分別提供，即液化石油氣脫硫醇后，作為氣體分餾裝置的進料。氣體分餾裝置利用物理分離的原理，對液化石油氣中各組分在同一壓力下具有不同的揮發度加以分離，生產出較高純度的丙烯、丙烷等產品。此次采用APC技術的氣體分餾單元，采用脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯精餾塔、脫異丁烷塔四塔流程。

2 裝置現狀與控制方案

2.1 裝置現狀

氣分裝置采用CS3000集散控制系統（DCS）進行集中控制，具備實施APC的基礎平臺。目前采用的常規PID控制，通常是針對單輸入單輸出對象的單變量控制，而對于精餾塔這樣具有多變量、有約束邊界、強耦合的復雜對象，難以實現在大擾動和多約束條件下的品質控制，無法滿足生產過程中產品質量和收率控制的要求。

目前氣分裝置存在以下3個控制問題：裝置中一部分重要回路不能投自動，需要手動調節，存在控制不及時的問題，不能達到平穩的控制效果；裝置內的干擾因素較多，各個目標互相制約，比如：T503A／B，無法通過人為操作實現最佳調優。裝置內部熱集成度高、耦合嚴重，無法通過常規控制實現單元間解耦控制。

2.2 實施范圍與控制目標

實施范圍包括脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯精餾塔（A／B）、丙烯精餾塔（C／D）、脫異丁烷塔及其相關部分。

氣分裝置APC實施后，要進一步提高氣分裝置的自動化水平、抗干擾能力和關鍵工藝參數的平穩率，并在確保裝置安全平穩的前提下，優化分餾塔的操作，提高目標產品的切割精度，提高高價位產品（丙烯）拔出率，降低裝置能耗和操作人員勞動強度，提高勞動生產率。具體建設目標如下：

穩定裝置的操作，要求關鍵控制變量的標準偏差比之前降低30%以上；符合所有工藝和安全的約束條件；提高裝置的自動控制水平，降低勞動強度，在正常生產條件下，控制器的在線投用率達90%以上；實現產品質量的卡邊控制，丙烯收率提高0.5%；提高丙烯拔出率，獲得最大的產量；裝置總能耗降低0.3%，最大程度地提高能量利用效率。

2.3 技術路線

該項目采用了具有良好魯棒性的多變量預測控制軟件DMC plus，其可以在較寬的范圍內，適應由各種干擾和不確定因素所引起的控制器模型與裝置實際模型之間的誤差。同時還具有產品價值優化功能，可以實現裝置經濟效益的優化目標。DMC plus控制器設計了多個子控制器。子控制器將大型單一控制器分割為邏輯過程部分，可以同時從控制器中開啟或者關閉一組有關的操作變量和被控變量。子控制器可以讓操作更簡單，但又不會改變控制器內在的總體協調優化的真正結構。因此，APC系統將裝置的經濟目標通過大控制器統籌考慮和優化，再將實現經濟目標的調節手段分解給子控制器來實現。

控制產品質量是裝置優化控制的基礎，只有在產品質量合格的前提下，才能追求產品的產量最大和生產的消耗最小。在產品的質量控制中，實時在線質量分析數據是十分重要的。

2.4 總體結構

氣分裝置的APC系統包括脫丙烷塔控制器、脫乙烷塔控制器、丙烯精餾塔（A／B）控制器、丙烯精餾塔（C／D）控制器及脫異丁烷塔控制器。各控制器相互獨立，又有一定的內在聯系，共同保證了裝置生產的穩定運行。

同時，通過丙烯精餾塔塔頂在線分析儀表，以丙烯純度為控制目標之一，融合于APC系統中，指導氣分裝置的日常生產與優化，實現“卡邊控制”，提高丙烯產品的收率，降低裝置生產能耗，實現良好的經濟價值?？傮w結構如圖1所示。

圖1 先進控制系統總體框架示意

2.5 軟硬件平臺

氣分裝置APC系統通過OPC Server與CS3000系統進行雙向數據通信，在APC服務器上實現控制器運行，在CS3000系統平臺上實現現場數據采集和具體調節，共同實現氣分裝置平穩控制和“卡邊”優化。APC軟件運行在APC服務器上，APC服務器操作系統采用Windows 2003Sever SP2。APC軟件為AspenTech的DMC Plus多變量預測控制系統，其主要包括：AspenTech DMC Plus，AspenTech IQ，CIMIO for OPC等組件。

3 APC系統方案實施

3.1 控制器設計

從統一整體考慮，通過物料平衡和能量平衡兩大方面實現控制策略：

1）物料平衡。引入脫丙烷塔進料作為主要前饋變量，充分發揮脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯精餾塔（A／B）、丙烯精餾塔（C／D）和脫異丁烷塔塔底液位及相關緩沖罐的緩沖作用，實現5塔之間物料傳遞平衡，繼而實現整個氣分裝置物料平衡。

2）能量平衡。能量平衡主要體現在冷熱媒部分，策略實現也主要包括兩方面：對于單個精餾塔而言，實現提餾段與精餾段之間供熱和取熱平衡，保證該塔內部組分分布；對于單元間供熱和取熱而言，特別是塔頂取熱系統（主要是循環冷卻水），實現供熱介質或取熱介質平衡過渡，消除由于單元間某一股介質調整幅度大對整個單元的影響，實現整個供熱或取熱系統內部變量的解耦。

3.2 基礎控制的完善

對APC涉及的變送器、調節閥重新進行校驗，并重新整定相關回路的PID參數。更新在線分析儀，便于實現控制器對產品質量的控制。

一些參與APC的測量值無法滿足APC的要求，項目組利用DCS的濾波器模塊對測量值進行濾波處理，改善先進控制器的實施條件。

3.3 安全策略

1）中間點的建立。為實現APC和優化系統與常規控制之間的切換，需要在DCS中建立中間位號。這些中間位號包括：DCS通信保護程序相關位號，控制器開關、報警位號，APC和優化系統位號。

2）通信監控程序。為保障系統安全，在APC上位機和DCS之間的通信中斷、APC上位機發生死機等異常狀況時，需要切除APC和優化系統，并給出報警提示便于操作人員進行處理。這些功能是通過在DCS上建立通信監控程序來實現的。

3）安全切換程序。安全切換程序包括控制器安全的投運和摘除、設定值和操作變量的上下限保護與報警。安全切換程序的主要目的是實現APC系統與常規控制系統的切換工作。為了讓APC系統具有良好的靈活性，APC系統每一回路均可以自由切換。

3.4 建立APC界面

為滿足APC操作的需要，對DCS進行在線下裝，組態了APC的操作畫面、切換和保護邏輯，在滿足APC控制器操作和裝置安全需求的同時，也考慮到操作人員的使用習慣，并且盡量減少DCS控制站的工作負荷和ACG數據傳輸的負荷，使DCS既能充分滿足APC的要求，又能保證裝置的安全穩定運行。

4 運行效果

4.1 提升控制品質

該項目實施之后，主要工藝參數的控制效果得到明顯改善，實現了平穩控制，達到了預期控制效果，各精餾塔關鍵工藝指標數據比APC投運前有了較大程度的改善，波動幅度減小?，F選取具有代表性的回路進行比較，如圖2～圖5所示。

圖2 脫乙烷塔塔底溫度

圖3 丙烯精餾塔（A／B）塔頂回流罐液位

圖4 丙烯精餾塔（C／D）丙烯體積分數

圖5 丙烯精餾塔（C／D）塔頂回流罐液位

4.2 效益估算

氣分裝置APC投用以后，對氣分裝置操作參數、指標逐步進行優化，實現節能和質量的卡邊操作，提高了丙烯產量，降低了丙烷中丙烯體積分數，最終達到實現裝置效益最大化的目的。

4.2.1 裝置能耗分析

氣分裝置從2012年4月APC投入運行之后，經過近半年的運行、優化，裝置平均能耗降低見表1所列，節能效果明顯。

表1 氣分裝置能耗數據 kJ／t

4.2.2 經濟效益分析

投用APC后，通過質量“卡邊”操作，指標得到優化，降低了丙烯塔塔底丙烯攜帶量，2012年與2013年1～4月同期對比見表2所列，丙烷中丙烯體積分數由0.420%降至0.056%。

表2 氣分裝置2012年與2013年1～4月丙烷中丙烯體積分數對比 %

按目前產量計算，月可多產丙烯約15.5t，如果丙烯按9 000元／t、原料液化石油氣按平均價6 000元／t計算，則每月可多創效益約4.65萬元。

5 結束語

該公司氣分裝置APC系統各單元控制器已經投入連續運行，明顯降低了操作人員的勞動強度，可以實現丙烯質量的卡邊操作，降低丙烷中的丙烯體積分數和裝置能耗，并提高了丙烯產量和裝置的綜合經濟效益。

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