先進控制技術在常壓蒸餾裝置的應用

劉建周 雷紅星

一 引言

石油化工裝置一般具有時變性、非線性、耦合性及外部擾動的隨機性和不可檢測等特性，因而，流程工業過程的控制系統設計存在著極大的困難，而傳統的PID控制算法則難以滿足其控制質量和效益要求。積極開發和應用先進控制和實時優化，提高企業經濟效益，進而增強自身的競爭力是煉化行業迎接挑戰的重要對策。

慶陽石化公司通過實施先進控制系統，采用具有國內自主知識產權的多變量預測控制軟件PACROS在常壓爐和常壓塔兩個單元應用，增強了裝置運行平穩性，實現產品質量卡邊控制，提高目標產品收率，同時減輕操作人員勞動強度，解決了裝置控制難點，取得了明顯的經濟效益和社會效益。

二 工藝介紹

慶陽石化常壓蒸餾裝置為燃料型常壓蒸餾裝置，目前年處理量為370萬噸，原料以長慶混合油為主，裝置包括常壓爐和常壓塔兩部分，主要產品有常頂油、常一線油、常二線油、常三線油和常壓渣油。

原油分兩路經脫前換熱器進行換熱，隨后合并進入一級電脫鹽罐D-101A和二級電脫鹽罐D-101B，脫后原油分兩路分別換熱至177℃和183℃，混合后進入閃蒸塔C-101。閃蒸塔頂油氣進入常壓塔的第20塊塔板，閃蒸塔底油經經常壓爐加熱至365℃后進入常壓塔C-102進行分離。常壓塔設三條側線，一個頂回流，一個頂循和兩個中段回流，常一、常二和常三線都設計了汽提塔，采用過熱蒸汽汽提。常頂汽油作為后續汽油加氫裝置原料，常一線航煤作為后續航煤加氫原料，常二、常三柴油作為后續柴油加氫原料。塔底渣油作為催化原料出裝置。

三 過程控制問題分析

常壓蒸餾裝置整體控制效果比較理想，原料性質平穩，裝置運行相對穩定，生產工藝和設備運行正常，現場執行機構良好，采用ABB AC800F控制系統，PID控制回路自控率高，達到95%以上。但在控制方面主要仍存在可提升的空間：

（一）加熱爐未實現支路平衡控制，存在各支路出口溫度不均衡，偏差過大，影響爐管壽命，嚴重時影響爐子壽命；

從圖表中可以看出，出口溫度最高達365.7℃，最低359.7℃，偏差達6℃，具有一定的優化空間。

（二）常規PID控制抗干擾能力有限，常規PID控制屬于偏差控制，只有存在偏差時才會進行調節，如進料量或瓦斯壓力波動導致爐出口溫度發生波動，當該溫度產生波動時PID控制器才會進行調整，存在調整不及時的缺點。

（三）裝置存在部分變量為非PID點，如氧含量、負壓等，該類變量通常需要操作人員手動調節相關變量來實現控制，本文中氧含量和負壓需要調整鼓風機前蝶閥和煙道擋板來控制，存在調節不及時或調節量無法準確確定的問題，并且會增加操作人員的勞動強度。

（四）常壓塔各產品質量需化驗室分析得出結果，不僅無法進行實時控制，并且存在產品質量過剩問題，影響生產裝置輕油收率。

綜上所述，在常規PID控制的基礎上，通過應用先進控制軟件PACROS，選擇合適的控制策略，通過實施先進控制技術，可有效解決上述問題。

四 狀態反饋模型預測算法

被控過程的數學模型可由如下狀態控制方程描述。

五 先進控制器設計

常壓蒸餾裝置采用ABB AC800F控制系統，采用多變量預估控制技術，并結合產品質量指標的在線計算，對各關鍵設備或單元實施先進控制。

（一）系統部署

常壓蒸餾裝置先進控制系統通過兩臺高性能計算機分別作為先進控制系統運行平臺及系統性能監控平臺。先進控制系統與DCS的連接通訊通過OPC接口實現，這種連接方式可以保證先進控制系統有一個高性能的通用平臺，同時又確保整個系統的安全性和可靠性，如圖1所示。

（二）功能設計

先進控制系統設計了加熱爐單元、常壓塔單元兩個控制器以及加熱爐支路平衡控制系統，相應的工藝計算及產品質量計算由軟儀表系統提供。

1、工藝指標計算

生產的目的是獲得合格的產品，產品質量實驗室分析數據往往存在長時間滯后的問題，無法滿足在線實時控制和優化操作的要求。為解決這類問題，軟測量技術隨之發展起來。軟測量技術就是利用易測的過程變量（常稱為輔助變量），依據這些易測變量與難以直接測量的待測過程變量（常稱為主導變量）之間的數學關系（軟測量模型），通過各種數學計算和估計方法，從而實現對待測過程變量的在線估計。

常壓裝置先進控制系統主要產品質量計算指標如下：

2、加熱爐控制器

加熱爐為裝置提供熱量，是一個多變量、強耦合的復雜系統。爐出口溫度的變化直接影響過氣化率，進而影響產品分布；爐膛負壓是保證加熱爐安全燃燒的一個重要指標；氧含量和排煙溫度則是提高熱效率，降低能耗的主要指標。針對加熱爐單元，采取如下控制策略：

（1）采用預測控制算法，利用狀態反饋、多變量協調和多周期控制，對常壓爐單元各關鍵變量進行控制，提高裝置運行平穩率，并實時監測生產運行狀態，及時調節，確保生產參數不超報警限，保證裝置的生產安全。

（2）利用先進控制算法，平穩控制煙氣氧含量和排煙溫度，并避免預熱器、煙囪出現露點腐蝕的前提下，降低氧含量及排煙溫度，進而提高加熱爐熱效率。

（3）將瓦斯壓力、進料量作為前饋變量，根據前饋變量對被控變量的動態、穩態影響關系，實現多變量預測控制，提高抗干擾能力。

（4）將煙氣氧含量、排煙溫度與鼓風機轉速及引風機轉速等變量納入系統中，實現兩者間的閉環控制，統一操作手法，減輕了操作人員勞動強度，取得良好社會效益。

加熱爐控制器變量列表如下：

3、常壓塔控制器

常壓蒸餾的主要任務是按產品方案將原油切割成符合質量要求的半成品，為煉油廠二次加工裝置、化工裝置提供優質原料。常壓塔是蒸餾裝置的核心設備之一，常壓塔的工藝技術條件、運行狀況直接影響裝置的產品質量、產品收率、裝置能耗、經濟效益和設備運行周期。針對常壓塔單元，采取如下控制策略：

（1）通過軟測量技術，實現產品質量的實時計算，并在滿足控制精度的前提下，實現產品質量的閉環控制，確保產品質量合格。

（2）實現產品質量的卡邊控制，提高輕質油收率。

（3）在滿足產品質量要求的前提下，優化中段回流取熱比例，降低過汽化率，減少燃料消耗，實現節能降耗。

（4）充分考慮裝置存在的干擾，作為前饋變量納入先進控制系統。前饋變量能預測各事件對被控變量的動態、穩態影響，多變量控制器據此作出相應的前饋補償控制以平穩生產，提供抗干擾能力。

4、加熱爐支路平衡系統

加熱爐支路平衡系統在保持總進料不變的前提下，通過對四路支路流量進行優化分配，以實現各支路出口溫度相近的目的。

常壓爐為東西爐膛布局，每側各分兩支進料，先進控制策略為首先判斷東西側爐膛支路偏差，若東側或西側支路偏差為有差，則單獨調整各側的支路流量；若東側或西側支路偏差為無差范圍，則再判定東西兩側平均溫度的偏差。

同時加熱爐支路平衡系統設定了提降量操作，操作人員改變總進料目標值，則系統自動實現提量或降量。

為防止各支路流量偏差過大，將支路流量偏差作為約束變量，當達到約束上限或下限時，則停止對流量的再分配。

六 應用效果

先進控制應用效果主要體現在提高裝置運行平穩性，減少各支路溫度偏差，增加高價值產品收率等方面。

（一）提高裝置運行平穩性

先進控制系統充分發揮模型預測與多變量控制的特點，提高裝置抗干擾能力，通過定量計算，重要變量波動的均方差降低20%以上，提高了裝置的平穩率，減輕操作人員勞動強度。下面結果為72小時對比統計結果。

（二）降低各支路溫度偏差

支路平衡的目的是解決各支路出口溫度偏差過大，影響加熱爐安全運行的問題，通過實際運行，各支路溫度偏差圍繞零點上下波動，無明顯偏差過大現象發生。

（三）提高輕油收率

在平穩控制的基礎上通過對產品質量進行卡邊操作，實現了提高高價值產品質量的目的。

1、原油性質統計

對標定期間原油性質進行統計，表明原油性質穩定，滿足有效對比的條件。

2、輕油收率統計

輕油收率統計包括常頂汽油、常一線航煤、常二及常三柴油。

在原料性質、處理量及產品指標基本一致的情況下，先進控制系統相對于常規控制輕油收率提高 0.3%，取得了明顯的經濟效益。

七 結論

通過實施先進控制，可以改善過程動態控制的性能，減少過程變量的波動幅度，使之能更接近其優化目標值，從而將生產裝置推至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，提高目標產品收率，增加裝置處理量，降低運行成本，推動企業實現高質量發展的目標。

作者單位：中國石油天然氣股份有限公司慶陽石化分公司