先進控制技術(shù)在聚丙烯裝置的應(yīng)用

江柱鳴，施英鵬，馮桂球

（中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東茂名 525000）

先進控制技術(shù)在聚丙烯裝置的應(yīng)用

江柱鳴，施英鵬，馮桂球

（中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東茂名 525000）

重點介紹了AspenTech公司的Apollo過程控制優(yōu)化軟件在茂名分公司聚丙烯裝置上的應(yīng)用，結(jié)合雙方的技術(shù)和經(jīng)驗，對先進控制功能技術(shù)特點和應(yīng)用結(jié)果進行闡述，并通過實際測試效果對比分析，闡明了過程控制優(yōu)化實施的先進性、穩(wěn)定性和高效性。

聚丙烯；先進控制；AspenTech-Apollo；控制器

就中國石化行業(yè)而言，加入WTO后，能源和原材料的價格持續(xù)上漲，面對石化產(chǎn)品市場的競爭日趨激烈化，挖潛增效已在石化企業(yè)中廣為推行，各企業(yè)在完善基礎(chǔ)控制系統(tǒng)的同時，越來越意識到過程控制優(yōu)化的重要性。然而，就過程控制技術(shù)而言，基本上都是采用PID（比例積分微分）常規(guī)控制技術(shù)，缺乏適合本裝置生產(chǎn)特點的先進控制軟件。因此保持原有工藝和設(shè)備不變，在DCS控制基礎(chǔ)上實施先進過程控制技術(shù)（Advanced Process Control，簡稱APC），提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降低物耗能耗，從而提高經(jīng)濟效益滿足市場要求，已成為目前國內(nèi)外石化企業(yè)行之有效的重要手段。

1 先進控制技術(shù)概述

1.1 先進控制的含義

先進控制技術(shù)是以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的各種優(yōu)于常規(guī)控制的高級控制技術(shù)的總稱，是通過模型計算技術(shù)，建立生產(chǎn)過程的模型，計算出一些常規(guī)測量和簡單計算無法測知的質(zhì)量指標(biāo)，并預(yù)報其在未來一段時間內(nèi)的變化情況，為生產(chǎn)操作提供指導(dǎo)，從而提高生產(chǎn)過程的可操作性；在模型計算的基礎(chǔ)上，采用多變量控制技術(shù)或其它先進控制手段，對生產(chǎn)關(guān)心的物化參數(shù)或質(zhì)量指標(biāo)直接或間接地監(jiān)控，提高整個生產(chǎn)的操作和管理水平，得到更大效益。

1.2 先進控制的典型策略及優(yōu)點

目前先進控制的典型策略是多變量預(yù)測控制和智能控制。包括模型預(yù)測、推斷、協(xié)調(diào)、質(zhì)量卡邊等。相較于傳統(tǒng)常規(guī)控制，其主要優(yōu)點：

（1）與傳統(tǒng)PID控制不同，先進控制是基于模型的控制策略，更適于處理復(fù)雜的多變量過程控制；

（2）先進控制建立在DCS上的動態(tài)協(xié)調(diào)約束控制，適應(yīng)實際生產(chǎn)過程的動態(tài)特性及操作要求。

2 先進控制方案

先進控制系統(tǒng)是在DCS控制系統(tǒng)上采用上位機方式實現(xiàn)的，它的優(yōu)化運算在上位機實現(xiàn)，但操作是在DCS中完成，兩者之間通過OPC標(biāo)準接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.2 先進控制系統(tǒng)組成

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)（見圖1）

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.2 系統(tǒng)設(shè)計

主要采用Aspentech先進的Apollo多變量非線性控制器，進行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。控制方案使用模塊化設(shè)計，便于根據(jù)需要分塊投運及運維。

（1）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分三層：

DCS層：控制系統(tǒng)底層，完成常規(guī)任務(wù)。

OPC（通訊接口）：DCS與上位機接口站點。

上位機：其中一臺服務(wù)器安裝Apollo軟件套裝和AspenIQ軟件套裝。另一臺服務(wù)器安裝配方管理軟件ARM和牌號切換管理軟件ATM以及實時數(shù)據(jù)庫IP21。

（2）先進控制分為幾大模塊：產(chǎn)品質(zhì)量控制器、濃度控制器、軟儀表、自動牌號切換及配方管理TM。包括兩個Apollo控制器和IQ軟儀表協(xié)同工作。

控制器采用雙層結(jié)構(gòu)。

上層為質(zhì)量控制器，任務(wù)是利用進料比完成對于熔融指數(shù)和密度的控制。

下層為產(chǎn)率控制器，任務(wù)是利用對進料等調(diào)節(jié)手段實現(xiàn)對變量的控制。產(chǎn)率控制器的目標(biāo)是穩(wěn)定生產(chǎn)，提高抗干擾能力，減少波動，在一定的約束條件下，實現(xiàn)產(chǎn)量的最大化。

軟儀表，根據(jù)已有測量的一些相關(guān)變量以及工藝設(shè)備技術(shù)參數(shù)，通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷和估計難于或暫時不能用硬儀表測量的重要變量，以軟件來代替儀表功能。

自動牌號切換及配方管理，在進行牌號自動切換時根據(jù)事先制定的策略及步驟把這些控制點的設(shè)定值連同質(zhì)量工藝參數(shù)一起輸出到相關(guān)的控制器或DCS設(shè)定點。除此之外，還存儲由自動切換牌號時多變量非線性控制器的整定參數(shù)，以便在實施自動切換時指導(dǎo)控制器做出適當(dāng)（如超調(diào)、操作上下限等）的控制作用。

2.3 控制器應(yīng)用情況分析

2.3.1 催化劑流率計算與控制

經(jīng)過項目實施，開發(fā)投用催化劑流率的計算模型和先進控制后，消除了因催化劑流率波動而造成的生產(chǎn)負荷波動。

催化劑進料率實現(xiàn)了閉環(huán)控制，結(jié)束了以往手動操作催化劑計量泵沖程的歷史。該控制點的運算控制周期為1分鐘，操作頻度遠遠高于操作工手動操作，真正做到了催化劑進料的實時控制。

2.3.2 反應(yīng)器漿料密度控制

選取了環(huán)管產(chǎn)率作為唯一的擾動變量（DV），雖然符合工藝特點和控制要求，但實際上環(huán)管反應(yīng)器的運行方式（可變停留時間）決定了環(huán)管產(chǎn)率并非真正的獨立變量，它是受到環(huán)管單體進料率影響的。因為當(dāng)進料率發(fā)生變化時，由于反應(yīng)器物料的停留時間發(fā)生變化，會造成該反應(yīng)器產(chǎn)率的變化，因此該APC控制器內(nèi)的操控變量（MV）與擾動變量（DV）產(chǎn)生卷繞效應(yīng)（Convolution）。為了消除這種卷繞效應(yīng)，實際建模采用了與機理計算相結(jié)合的方法，即利用工藝原理在新建的數(shù)據(jù)表格里根據(jù)MV、DV來計算CV的理論值，根據(jù)操作經(jīng)驗篩選保留合理的數(shù)值，在IQ powertools中導(dǎo)入建立模型，從而消除了MV與DV歷史數(shù)據(jù)的卷繞效應(yīng)。

2.3.3 進料氫濃度控制

氫氣濃度控制投運后，控制器行為顯示出較大的不穩(wěn)定性，MV常常超調(diào)較多，即使增加MV的抑制因子（Move Suppression）或增加CV的懲罰因子（EqualConcern Error）也很難取得較好的效果，然而模型的穩(wěn)態(tài)增益符合工藝機理，表明模型是正確的。我們對H 2流率DCS回路投自動控制觀察發(fā)現(xiàn)：該回路本身的控制品質(zhì)較差，最大偏差超過6%。為此，我們在控制器中，對CV的當(dāng)前值進行了處理，即使用基于H2控制回路SP值作為輸入變量的IQ預(yù)測值作為CV的當(dāng)前值，效果良好。

2.3.4 牌號自動切換控制

AspenTech提供配方管理和切換管理軟件來完成配方和牌號切換，能夠?qū)嵤┡浞綌?shù)據(jù)庫中配置的各種數(shù)據(jù)。配方數(shù)據(jù)將會和切換邏輯組合在一起進行實施。切換過程將是一個包括自動閉環(huán)執(zhí)行和需要操作員進行干預(yù)的邏輯的組合過程。

在控制器調(diào)整工藝的過程中，軟儀表起到了重要的指導(dǎo)作用。通過連續(xù)計算當(dāng)前的熔融指數(shù)，并把結(jié)果傳給控制器，使得控制器得知當(dāng)前工藝處于什么狀態(tài)，從而及時的做出調(diào)整。

在牌號切換過程中仍然需要實驗室取樣分析，目的是校正軟儀表的計算值。

可見，牌號切換的核心是控制器，所有的主要動作都是由控制器來實現(xiàn)的。而配方管理和切換管理軟件的作用是告訴控制器朝哪個方向走。

在切換過程中雖然有很多步驟是由控制器自動實施的，但是中間仍然需要操作員進行干預(yù)和確認，如現(xiàn)場流程準備的確認，開始和結(jié)束的判斷等。如果切換過程中發(fā)生意外的情況，操作員隨時可以中斷切換，關(guān)閉控制器，實現(xiàn)手動操作。

3 先進控制投運效果

運行表明，該系統(tǒng)增強了裝置的抗干擾能力，提高了裝置生產(chǎn)的平穩(wěn)性，減輕了操作人員工作負荷。另外，結(jié)合產(chǎn)品配方管理和牌號自動切換，縮短了過渡時間，減少了過渡產(chǎn)品。同時，由于控制水平的提高，實現(xiàn)了主要生產(chǎn)指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)的精細平穩(wěn)控制，增加了裝置效益，減少了能耗。主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

3.1 降低了操作工的勞動強度

過程控制優(yōu)化系統(tǒng)投用后，提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性，在正常平穩(wěn)生產(chǎn)中，控制器可以較好的完成自動調(diào)節(jié)，降低了操作工的勞動強度。

3.2 提高了裝置運行平穩(wěn)率和安全性

過程控制優(yōu)化投用后，各主要CV的波動明顯減小，裝置的操作不需人工干預(yù)，幾個主要控制參數(shù)明顯平穩(wěn)。各參數(shù)投運前后效果比較：

（1）氫氣濃度AIC201/202

各牌號加權(quán)平均后，AIC201標(biāo)準偏差降低42.81%，AIC202標(biāo)準偏差降低32.56%。

（2）環(huán)管密度DIC241/251

各牌號加權(quán)平均后，DIC241標(biāo)準偏差降低54.10%，DIC251標(biāo)準偏差降低64.42%。

（3）R202粉料熔融指數(shù)

各牌號加權(quán)平均后，R202粉料熔融指數(shù)標(biāo)準偏差降低39.76%。

（4）產(chǎn)率控制

投運前平均產(chǎn)率為40997.59 kg/h（2011.8.15～2011.12.25平均值）。

投運后平均產(chǎn)率達42109.95 kg/h（2012.12.25～2012.12.29平均值）。

平均提高幅度為：（42109.95-40997.59）/40997.59× 100%=2.713%

（5）自動牌號切換

Z30S切換至PPH-T03由人工切換的5小時縮短到4小時，節(jié)省時間20%；

F300M切換至PPH-F03D由人工切換的13.5小時縮短到9小時，節(jié)省時間30%。

投運后牌號切換跟之前人工切換同比大大節(jié)省了切換時間。

4 技術(shù)創(chuàng)新

4.1 新技術(shù)的使用

本裝置先進控制系統(tǒng)采用了國際上最先進的非線性建模技術(shù)，主要表現(xiàn)在環(huán)管密度和產(chǎn)品熔融指數(shù)的建模和控制方面。

4.1.1 環(huán)管密度的控制

在實施先進控制之前，2個環(huán)管密度是采取串級控制，單純依靠調(diào)節(jié)丙烯進料，波動幅度比較大。在實施先進控制時，需要將串級打開，綜合考慮環(huán)管產(chǎn)率和丙烯進料的關(guān)系，將環(huán)管產(chǎn)率作為干擾變量。但是實際上環(huán)管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)決定了產(chǎn)率并非真正的獨立變量，它是受到環(huán)管單體進料率影響的。

另外，反應(yīng)溫度的變化也必須要考慮，因為它不但會影響產(chǎn)率，同時也影響純液相丙烯的密度，從而也影響到環(huán)管密度。

實踐證明，采用新技術(shù)建立的模型魯棒性和控制精度都非常好，不但使兩個環(huán)管密度的控制水平得到很大提高，標(biāo)準偏差分別降低了54%和64%，而且也有利于產(chǎn)率的穩(wěn)定控制，大幅度地提高了裝置的平穩(wěn)運行水平。

4.1.2 熔融指數(shù)的控制

聚丙烯裝置的熔融指數(shù)模型采用了最新的非線性BDN有界微分網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該技術(shù)是Aspentech的專利技術(shù)。通過應(yīng)用有界微分網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了：

（1）只用一個模型就覆蓋了所有牌號；

（2）實現(xiàn)了牌號切換過程中熔融指數(shù)預(yù)測的無縫連接；

（3）實現(xiàn)了對于模型增益的準確把握，確保了控制動作的方向性和準確性；

（4）通過軟儀表的校正機制，有效地減少了分析誤差所造成的影響。

此技術(shù)有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量的預(yù)測和控制品質(zhì)，熔融指數(shù)標(biāo)準偏差平均降低40%。

4.2 制定與本裝置相匹配的控制器策略和架構(gòu)

先進控制技術(shù)是在裝置已有控制系統(tǒng)之上，采用多變量預(yù)估技術(shù)進行更精細更穩(wěn)定的控制，而現(xiàn)場的每個裝置都有自己的特點，即使同類型的裝置，在具體的控制細節(jié)方面也有差別。

在項目開始階段，設(shè)計參考了其他的成功案例。但是隨著項目的不斷深入，對于聚丙烯裝置的了解不斷加深，原來的方案不能完全體現(xiàn)聚丙烯裝置的特點。通過和技術(shù)人員和操作人員進行了充分的交流和溝通，設(shè)計出與本地裝置相匹配的控制器策略和架構(gòu)，因此，不論是從控制器的結(jié)構(gòu)還是從所采用的建模技術(shù)，都具有了完全不同的設(shè)計，同時也獲得了比最初設(shè)計更好的控制效果。最為突出的創(chuàng)新改進如下：

（1）產(chǎn)率的控制采用了一個非常特殊的邏輯。這個特殊的邏輯使得產(chǎn)率控制的精確度相對于人工控制成倍提高，能夠幾乎以切線的方式逼近目標(biāo)值。即使在大幅度的負荷調(diào)整的情況下，仍然能夠完成平穩(wěn)控制，沒有出現(xiàn)負荷超調(diào)現(xiàn)象。

（2）牌號切換期間實現(xiàn)了產(chǎn)率的平穩(wěn)過渡。通常情況下，人工牌號切換期間，產(chǎn)率波動比較大。而利用自動化切換則把產(chǎn)率的波動降到了最低程度。這里面的技術(shù)關(guān)鍵在于氫氣和催化劑在時間上的配合和銜接。

（3）首次采用利用氫氣丙烯質(zhì)量比來控制氫氣濃度。以往的控制方案在控制氫氣濃度的時候，往往是采用直接控制氫氣流量的方式。為此，特地在DCS上新建了控制回路。實踐證明，此項創(chuàng)新大大提高了系統(tǒng)的魯棒性，控制效果非常理想，環(huán)管氫濃度標(biāo)準偏差分別降低43%和33%。

5 結(jié)語

自整個系統(tǒng)投用以來，一直保持良好持續(xù)的運行。但是涉及多學(xué)科多專業(yè)的特點，要保障其長期投用需要一支完全掌握過程控制優(yōu)化技術(shù)又緊貼生產(chǎn)裝置的先進控制維護專業(yè)隊伍，以保持過程控制優(yōu)化時時處在最優(yōu)的運行狀態(tài)下運行，其使用質(zhì)量及投用率的高低均取決于操作工的積極性。因此，要使過程控制優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)生較大的效益，必須保證所有控制器的投用以及相應(yīng)的被控變量CV和操作變量MV都設(shè)定的比較合理，這就需要建立相應(yīng)的獎勵機制和考核機制，從而保障先進控制系統(tǒng)的高投用率。

［1］陳軍.先進控制在聚丙烯環(huán)管工藝裝置上的應(yīng)用［D］.北京：北京化工大學(xué)，2003.

［2］王雪松.先進控制技術(shù)在煉油裝置中的應(yīng)用［J］.石油化工自動化，2007（1）.

［3］趙克勤.聚丙烯裝置先進控制技術(shù)應(yīng)用［J］.煉油設(shè)計，2000（2）.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.19.040

F272.7；TQ208

A

1673-0194（2015）19-0072-03

2015-07-30