多變量預測控制在異構脫蠟裝置加熱爐中的應用

潘利鵬， 樊君誼

(1.山西潞安煤基清潔能源有限公司，山西 襄垣 046200；2.山西星楓智控科技有限公司，山西 太原 030000)

引 言

潞安高硫煤清潔利用油化電熱一體化示范項目是一個煤炭高端轉化、深度轉化的示范項目，也是“技術創新+產業創新+商業模式創新”的一個示范?；A油分廠異構脫蠟裝置作為潞安清潔能源的關鍵裝置之一，是全球首套以煤基費托蠟為原料，采用美國雪佛龍公司的最先進的異構脫蠟(IDW)技術，生產35萬t/a優質的API III+類潤滑油基礎油，其產品品質與目前市場主流的三類油在黏度指數、低溫性能及蒸發損失等指標方面有十分明顯的優勢，打破了國內高端合成基礎油依賴進口的局面，填補了我國高端基礎油市場的空白。

異構脫蠟裝置共有4臺加熱爐，4臺加熱爐貫穿了整個裝置，是裝置的核心控制設備。但從加熱爐的控制現狀分析，常規的PID控制技術完全適應不了該過程的復雜特性，該過程控制存在具有大慣性、大滯后和非線性等問題[1]，導致傳統PID串級控制無法投用，加熱爐出口溫度控制難以保證，制約了異構脫蠟裝置的發展。本文以潞安集團異構脫蠟裝置的加熱爐為工業應用背景，采用多變量預測控制(MPC)軟件，結合生產狀況和實際操作經驗，針對4臺加熱爐分別建立過程模型，開發了4套智能控制軟件，實現了對加熱爐的智能控制，取得了良好的控制效果。

1 工藝簡介及控制分析

1 工藝流程簡介

異構脫蠟裝置是將來自油品加工廠加氫精制單元的精制減底油，和加氫裂化壓縮單元來的新鮮氫氣混合成混氫油，在一定溫度、壓力及催化劑條件下，經過加氫異構反應、后加氫精制反應，得到的加氫生成油再經過常壓分餾塔、輕減壓塔、產品汽提塔、重減壓塔、石腦油穩定塔生產合格的基礎油產品及副產品，主要產品有XLN、LN、MN、HN 及6cSt 調和潤滑油基礎油，副產品有輕柴油、重/混合柴油、穩定石腦油、LPG 及干氣。

在異構脫蠟裝置共有4臺加熱爐，分別是異構脫蠟進料加熱爐(F001)、分餾塔進料加熱爐(F002)、輕減塔進料加熱爐(F003)和重減壓塔進料加熱爐(F004)。加熱爐是該裝置的關鍵設備，對于加氫異構反應器的控制及后續的分餾塔、輕減壓塔、重減壓塔的各個產品質量和收率均起著至關重要的作用。

1.2 加熱爐控制現狀分析

異構脫蠟裝置目前已采用的是ABB公司的集散控制系統(DCS)。由于異構脫蠟裝置生產過程的工藝特點及常規控制系統的局限性，裝置的平穩操作和高質量控制難以進一步提高，尤其是作為該裝置關鍵設備的4臺加熱爐，而采用多變量預測控制技術能夠有效進一步提高裝置的平穩性和產品質量。

加熱爐目前存在的問題及控制難點是：1) 4臺加熱爐的加熱方式均采用的是燃料氣加熱，但是，由于燃料氣均來自其他裝置的副產物，燃料氣的組分、熱值容易受其他裝置影響，且震蕩嚴重，尤其是變壓吸附和氣化裝置的干擾較為嚴重，震蕩周期不固定；2) 裝置的干擾因素多，對加熱爐的影響大，如：異構脫蠟的原料組分波動、進料溫度、進料流量、裝置內系統的干擾以及環境條件變化等，這些因素均影響加熱爐的平穩操作；3) 溫度控制作為過程控制領域中最重要的控制參數之一，其中加熱爐控制是溫度控制的一個典型示例，加熱爐動態特征常具有大慣性、大滯后和非線性等特點，難以建立精確的數學模型，如果仍采用傳統的PID控制方式，控制精度及控制效果非常不理想，經常會出現震蕩，甚至發散的現象產生，PID串級控制均無法投用。因此，需要操作人員手動頻繁的調節來控制各個進料加熱爐出口溫度，操作人員的勞動強度特別大，同時也存在控制不及時的問題，也不能達到平穩和一致的控制效果[2]。

2 優化控制方案

2.1 多變量預測控制技術

多變量預測控制是一種基于預測模型的閉環優化控制策略。模型預測控制的基本出發點與傳統控制(如PID 控制)不同，傳統控制是根據過程當前和過去的輸出測量值與設定值的偏差來確定當前的控制輸入，而預測控制基于模型的預測控制，不但利用當前和過去的偏差值，還利用預測模型來預估過程未來的偏差值，以滾動優化確定當前的最優輸入策略[3]。

多變量預測控制一般有三個基本特征，即預測控制、反饋校正和滾動優化。預測控制是一種優化控制算法。但是，優化過程不是一次離線完成的，而是反復在線進行的。即在每一采樣時刻，優化性能指標只涉及從該時刻到未來的有限時間內，而到下一個采樣時刻，這一優化時段會同時向前推進，這就是滾動優化的概念。這種在線反復進行的優化算法，能有效克服和校正過程中的各種不確定性，保持最優控制[4]。模型預測控制正是以其建模方便、魯棒性強、適應范圍廣以及便于實施等優點，才使最優控制的思想在過程工業中得到實際應用，使得過程控制中強耦合、大時滯等難題迎刃而解。

2.2 多變量預測控制軟硬件組成結構

異構脫蠟多變量預測控制的平臺是DCS，采用上位機方式實現。為實現 MPC所有功能，需配置1臺專門的服務器，在服務器上安裝MPC系統軟件，該服務器通過交換機連接OPC服務器并與DCS系統進行通訊，完成組網實現讀寫功能和閉環控制。

OPC是與設備無關的標準軟件接口，通過OPC服務器訪問過程數據，可以克服各種網絡結構和網絡協議的差異，具有廣泛的適用性。實施過程中，需要在DCS系統中組態上位人機交互界面，用于顯示及操作，下位程序用于與MPC系統交互數據并實現MPC系統對DCS系統中變量的控制，達到MPC與DCS數據同步，實現MPC和DCS控制的無擾切換。MPC控制器投用以后，將取代操作工，對裝置的關鍵操作變量進行自動調節，實現優化控制。MPC系統利用自帶數據庫通過OPC從DCS上讀取過程數據，進行離線模型辨識、控制器設計與離線仿真，生成的最終模型裝入模型文件，進行在線RMPCT控制，并將計算出的最優結果寫到DCS系統相關回路的設定值上，從而實現MPC自動控制的目的[5]。

2.3 優化控制方案的實施

多變量預測控制器設計過程中，需要在對工藝技術了解的基礎上，根據生產需要和現狀，設計出有效的實施方案，并按照方案對相關設備進行階躍測試實驗，得到真實有效的實驗數據。利用數據整理分析，結合生產操作經驗，對各個加熱爐的各個數據進行數據回歸分析，得到加熱爐出口溫度控制的動態模型。利用MPC中的控制器設計軟件，按照加熱爐的工藝特點、工藝指標和控制要求并結合功能設計方案選取合理的操縱變量、被控變量及干擾變量搭建多變量預測控制器。最后利用在線運行軟件構成閉環的多變量預測控制系統運行，同時在線修正相關參數，讓控制器與運行設備完美切合，實現控制器系統上線運行[6]。

加熱爐是異構脫蠟裝置的關鍵設備，其出口溫度直接影響著下游設備的運行。四臺加熱爐分別對應不同的位置，異構脫蠟進料加熱爐后直接對應的是異構脫蠟反應器，如果加熱爐出口溫度過高，將會導致加氫反應器的溫度過高，造成反應器產生的熱量積聚，影響到裝置的安全生產；如果出口溫度過低，又會導致加氫反應溫度達不到，影響異構脫蠟反應進行，生產的基礎油產品傾點不合格。分餾塔進料加熱爐、輕減壓塔進料加熱爐、重減壓塔進料加熱爐分別連接的是各個分離塔，加熱爐的出口溫度大幅度波動，將會影響各個分離塔的操作，分離塔內的流程紊亂，產品互竄，嚴重制約著產品的質量。

3 多變量預測控制系統應用效果

加熱爐控制器的主要目標是保證加熱爐安全生產，實現出口溫度平穩控制，提高加熱爐熱效率，降低操作人員勞動強度，減少燃料氣消耗，消除對后系統的沖擊。其控制策略在于充分發揮多變量模型預測控制、多變量實時調節的優勢，解決各個加熱爐操作變量、被控變量、干擾變量的關系，控制器執行周期為1 min。加熱爐的操作變量均為各個加熱爐的燃料氣調節閥，被控變量設計為加熱爐出口溫度，干擾變量基本為進料流量、進料溫度和燃料氣的比重。圖1～圖4分別是F001～F004出口溫度在多變量預測控制器投用前后的效果對比圖，其中橫坐標是時間，選用的是5 day；縱坐標為溫度，選用的范圍均為15 ℃。

圖1 F001加熱爐出口溫度投用控制器前后對比圖

圖2 F002加熱爐出口溫度投用控制器前后對比圖

圖3 F003加熱爐出口溫度投用控制器前后對比圖

圖4 F004加熱爐出口溫度投用控制器前后對比圖

從圖1～圖4可以看出，多變量預測控制在加熱爐投用后取得了非?？捎^的效果。多變量預測控制充分利用控制器的模型預測和多變量協調特點，克服或抵御外部干擾，保證加熱爐出口溫度平穩運行，對整個裝置內的增產、提質、節能降耗，有著很大的作用。多變量預測控制實施后，在原有的DCS基礎上，又增加一道安全防線，進一步降低設備安全風險；同時，加熱爐出口溫度穩定后，能夠有效延遲加氫異構反應器的催化劑壽命及相應設備的壽命。目前，四臺加熱爐控制器投用率為100%，在正常生產情況下基本不需要人工操作就能夠平穩運行，操作人員勞動強度大大降低，同時對于外界干擾尤其是燃料氣的波動具有一定的克服能力。

4 結論

多變量預測控制在異構脫蠟裝置四臺加熱爐上成果應用，有效解決了常規PID控制中的易受干擾和滯后的難題，體現了其在溫度控制上的巨大優勢?，F場實際投用結果表明，該控制技術對提高加熱爐出口溫度的控制精度和平穩操作均有顯著功效，對企業可產生較大的經濟效益，值得在相關類型溫度控制上推廣應用。