芳烴連續重整裝置先進控制系統的開發和應用

杜鑫成，趙眾

(北京化工大學 信息科學與技術學院，北京 100029)

石油化工裝置一般包含加熱爐、反應器、精餾塔以及換熱器等諸多設備，單元之間以及各個單元內部變量之間的關聯性強，過程控制的難度較大。如何保證石油化工裝置的平穩安全操作[1]，并在該基礎上進一步提高產品質量和高附加值產品收率，同時做到節能降耗和安全環保等各項要求，已成為一個非常迫切的問題。

自20世紀80年代發展起來的先進控制技術，能夠解決常規PID控制無法解決的強耦合、非線性和大純滯后等問題。該技術是基于現代控制理論的最優控制技術、建模技術和基于經典控制理論的反饋控制技術相結合的一門新技術[2]。先進控制技術著眼于裝置的整體控制，即以整個裝置為控制對象，把被控變量、操作變量等眾多信息全部納入控制系統，同時具有良好的跟蹤性能，因而既保證了裝置的平穩運行，又可以實現卡邊操作；通過卡邊優化操作可以提高高附加值產品的收率，節能降耗，增加裝置的經濟效益。

根據某石化芳烴重整裝置生產過程中存在的控制難點，本文提出了芳烴連續重整裝置先進控制系統的控制目標、控制策略、系統結構及控制方案。利用機理建模，單值預估控制來搭建先進控制器，應用結果證實了所開發系統實現了質量指標的卡邊控制，降低了能耗，提升了裝置的平穩性。

1 工藝流程簡介

該連續重整裝置采用美國UOP公司超低壓連續重整技術，包括原料預處理、重整反應和分餾、芳烴抽提等過程[3]。原料石腦油在重整反應之前，先進行預處理，目的是為了去除硫、氮、水、砷、鉛、銅及烯烴等雜質，這是催化重整裝置中不可缺少的一部分。催化重整反應需要在一定溫度、壓力、催化劑作用和臨氫條件下進行，包括升壓、換熱、加熱、臨氫反應、冷卻、氣液分離及油品分餾等過程。最后需要進一步分離處理重整油。

原料預處理部分采用先加氫后分餾的流程，預分餾系統作用是從原料油切取合適沸程組分作為重整原料，并脫去原料油中的部分水分[4]。預加氫反應部分是將原料中的雜質轉化成易除去的H2S，H2O及NH3等物質，將有機金屬還原并吸附在催化劑表面上，脫水塔除去反應生成的H2S，H2O及NH3等組分。

重整單元包括重整反應及分餾兩部分。經過預處理后原料進入催化重整反應單元。比較典型的重整反應單元是UOP的疊置式反應器和IFP的并行排列反應器，這兩種應用較多的重整反應器一般由4個重整反應器和4個重整加熱爐組成[5]。重整反應的反應生成物經重整產物分離罐將反應的生成油和大量的氫氣分離；反應產物進入重整分餾單元，分離出的重整生成油進入穩定塔，塔頂分離出液態烴，塔底產品為滿足工藝要求的穩定汽油或芳烴原料。

2 先進控制系統方案

采用基于機理模型開發的多變量控制器，利用狀態反饋、多變量協調和多周期控制，對加熱爐出口溫度即反應器入口溫度、反應熱(深度)進行控制，保證反應器運行平穩，提高抑制干擾和適應變化的能力[6]，實現以下控制目的：

1)平穩控制各重整反應器的宏觀反應熱，維持反應深度平穩；同時保證反應器入口溫度控制在設定的范圍內，保證重整反應平穩。

2)控制重整反應器的反應熱分布和溫度分布。

3)提高重整生成油的芳烴含量。

4)滿足工藝所要求的氫/烴比。

5)滿足重整反應器加熱爐的約束條件。

6)加熱爐和反應器的各參數控制在約束范圍內，保證生產安全穩定。

3 先進控制器模型搭建

本文所述先進控制器搭建使用了PACROS Controller，它是基于機理分析的狀態空間模型，線性和非線性統一的具有可測狀態反饋的變結構模型預估控制器[7]。

3.1 重整反應器反應熱計算

重整反應是一系列吸熱的化學反應過程，單位進料在反應過程中所需熱量，本文稱為宏觀反應熱，是一個極好的衡量反應深度的標志。實驗和工業生產數據表明： 當原料性質和催化劑一定時，反應熱與反應產物中產品分布一一對應。

重整反應在催化劑層內進行，設該空間內沿軸向各點溫度與濃度分布相同，沿徑向則不相同，為分布參數系統。反應熱計算基本方法基于反應器動態熱平衡[8-9]：

1)反應吸熱量為正值。

2)反應器原料： 第一反應器中含有石腦(原料)油和氫氣兩個組分，第二、三、四反應器中為前一反應器反應產物。

4)宏觀反應熱是指各反應器反應吸熱量與第一反應器石腦油流量之比。

第一反應器反應熱：

(1)

第二、三反應器的反應熱，忽略其中的加氫裂化反應，則與第一反應器相似：

(2)

(3)

設加氫裂化油流量GCrack=G0, 1-GdC5-GH，其中：GdC5為脫戊烷油流量(脫戊烷塔底流量+液位積蓄變化量)；GH為產出純氫氣流量；裂化放出的熱量為Qcrack=hcrackGcrack，hcrack=920 kJ/kg，則第四反應器(末反應器)反應熱：

(4)

3.2 重整反應器建模

3.2.1假設與變量

按反應熱與反應器入口(爐出口溫度)溫度控制采用相同操作變量(火嘴前壓力PID給定)的“并行”方案建模。模型結構為

Y=CX+DV

(5)

假設： 火嘴前壓力響應較快，忽略其PI控制中積分作用，用一階模型代替PID控制回路[10]，避免在模型中引入PI參數。為簡化徑向床層反應器，用兩個串聯的一階單元近似，相應的狀態變量為床層中部溫度和反應器出口溫度[11]。

1)狀態變量X包含參數見表1所列。

2)操縱變量U包含以下參數：

a)火嘴前壓力PI控制器給定值(%)：ui1=PIC2070.SP，PIC2074.SP， PIC2078.SP， PIC2082.SP。

表1 狀態變量包含參數

b)燃料氣罐壓力：u12=PIC1258.SP，u22=PIC1260.SP。

3)被控變量Y包含以下參數：y1,y2,y3,y4=1～4號爐出口溫度(反應器入口溫度)；y5,y6,y7=1～3反應器總反應熱。

4)可測干擾V包含以下參數：v1=油氣流量(FIC2002)，v2=循環氣流量(FI2003A)，v3=燃料氣壓力(PIC8007)，v4=再生段壓差(PDI130)。

3.2.2重整反應器模型

1)平穩控制。維持靈敏板溫度TIC2046和再沸溫度TIC2053在給定值上；維持回流罐液位LIC2006、塔底液位LIC2005平穩。

2)分離效果控制。維持塔頂餾出物C6組分合格；維持塔底C5組分合格。即當原料流量和組成變化時，只控制塔頂產品合格，塔底產品可能不合格，故均需控制。塔頂為給定點控制，塔底為區域控制，只要使塔底產品中C5組分在給定指標(上限)之下即可。

3)上下游協調。維持脫戊烷塔、塔底、回流罐液位平穩，并在給定區域(上下限)內的同時，使脫戊烷塔進料流量、重整油塔進料流量、脫丁烷塔進料流量無大的波動，變化平緩。多變量協調在各種工況下，自動選擇操作變量(MV)，使被控變量(CV)達到控制要求，使MV及其相關變量(RV)不超限，是多變量協調的主要功能。包含塔頂C6組分、塔頂溫度、回流罐液位、回流罐抽出量、去脫丁烷塔流量之間的協調；塔底溫度、塔底液位、再沸溫度與再沸流量、塔底抽出流量之間的協調。

4)可測干擾預估前饋。包含： 原料油流量、回流溫度、燃油壓力等。

5)火嘴前壓力。假設忽略PI控制器中的積分作用，則：

(6)

bi11=ai11(i=1, 2, 3)

(7)

bi11=ai11(i=4)

ai23xi3+ai26xi-1, 6

(8)

7)爐出口溫度：

ai32xi2-ai33xi3+ai36xi-1,6+

fi31ΔGr+fi32ΔFcycl

(9)

8)反應器床層入口溫度：

(10)

ai43=ai44

9)反應器床層中部溫度：

λiT1riGr(xi4+xi5)]=-ai55xi5+ai54xi4+

fi51Gr+fi52Fcycl

(11)

10)反應器出口溫度：

(xi5-xi6)-λ2iT2riGr(xi5+xi6)]=

-ai66xi6+ai65xi5+fi61Gr+fi62Fcycl

(12)

ai65=SmG0-λ2iT2riGr

ai66=SmG0+λ1iT1riGr

11)一號爐入口溫度：

(13)

一號爐被控變量(xi3,Hri)：

(xi6-x31+i)]

(14)

式中：x27+i(t)=xi5(t-Td),x31+i(t)=xi6(t-Td)。

4 催化重整裝置先進控制實施效果

根據以上機理建模以及預估控制器搭建，將其運用至催化重整裝置中。該先進控制器于2018年8月正式投入運行，經過3個月的運行，取得了良好的控制效果。先進控制投用前與投用后16 h的效果如圖1～圖4所示。

由圖1～圖4可知，在未投用先進控制器前，重整裝置主要控制方案為PID控制，部分溫度波動較大，在投用先進控制后，有效減小了溫度波動幅度。對裝置采取相同時間的常規控制與先進控制對比標定，經過計算，得到如下結果：

圖1 先控投用前重整反應單元一爐一反主要變量變化趨勢

圖2 先控投用后重整反應單元一爐一反主要變量變化趨勢

圖3 先控投用前重整反應單元三爐三反主要變量變化趨勢

圖4 先控投用后重整反應單元三爐三反主要變量變化趨勢

1)能有效改善操作平穩性，減小產品質量波動，其中主要的重整加熱爐爐膛溫度波動標準偏差降低了30%。

2)保證產品質量，實現主要產品質量在線預測。

3)實現卡邊操作和優化控制，最終芳烴產率提高了0.35%。

4)提高系統應用水平，保證系統上線及維保期內100%投用。

5)裝置能耗降低2.5 kg標油/t以上，提高裝置的經濟效益。

5 結束語

本文提出了芳烴連續重整裝置先進控制系統的控制目標、控制策略、系統結構及控制方案。利用機理建模構建了重整反應器的狀態空間模型，利用單值預估控制開發先進控制器，應用結果證實了所開發系統實現了質量指標的卡邊控制，降低了能耗，提升了裝置的平穩性。