柴油加氫改質裝置反沖洗過程優化控制

劉會平，陳郇，李大字

(1. 中國寰球工程有限責任公司 東南亞地區管理公司，新加坡 416202；2. 北京化工大學 信息科學與技術學院，北京 100029)

加氫改質裝置是石油化工行業常見的重要的二次加工裝置，通過在一定條件下的加氫技術來深度提升油品質量[1]。為減少系統中重質成分在管道內的積聚，以防管路阻塞，實現對管道的定期沖洗，自動反沖洗過程是其中的重要環節，該環節采用過濾后的清潔油品沖洗過濾器和排污油罐。但投運后自動反沖洗頻率高，造成該過程中由于原料油的流量突然變化使得原料油緩沖罐液位發生很大的波動，會對整個裝置都有很大的影響[2]。為了解決該問題，一種方法是使用前饋串級回路，通過控制原料油進料量以提前調節原料油緩沖罐液位，雖然該方法能有較強的抗干擾能力，但使得系統的響應變得較慢[3]。另一種方法是采用自抗擾控制，該方法擁有很強的抗干擾能力與快速的響應時間，所以本文將該控制算法應用在原料油緩沖罐液位的控制中，以獲得更好的控制性能。

1 問題描述

本文以某公司柴油加氫改質裝置為研究對象，原料油緩沖罐控制回路如圖1所示。自上游而來的原料油需經過自動反沖洗過濾器過濾，再經換熱器(E213，E211)冷卻后，進入原料緩沖罐(D101)。當流入過濾器的原料油進出口兩端差壓(PISA202)達到設定值時自動啟動反沖洗操作。在對D101罐進行反沖洗時，由于沖洗介質為原料油，原料油進口流量的突然變化，造成D101罐液位(LIC601)波動較大，其波動范圍為55%～65%，同時造成罐頂壓力(PIC601)和E211溫度(TIC101)等控制回路的波動，給后續流程造成影響。

圖1 原料油緩沖罐控制示意

2 自抗擾控制

自抗擾控制算法自提出以來已經在許多實際過程中得到應用與驗證[4-5]，該算法在繼承傳統PID對模型無依賴的優勢外，還具有較強的抗干擾能力。本文將其應用在液位LIC601的控制中，使得原料油緩沖罐環境變化對周圍回路的影響降到最小。該算法最早由韓京清教授提出[6]，最初提出時為非線性形式，雖然具有很好的控制性能，但由于參數眾多，在實際應用中較難推廣。高志強在該基礎上提出線性自抗擾控制算法，并提出帶寬參數化的調參方法[7-8]，使得自抗擾控制在實際生產中獲得進一步的推廣應用[9]。

線性自抗擾控制器主要包含“擴張狀態觀測器”和“線性狀態誤差反饋”兩個部分，其中“擴張狀態觀測器”主要實時估計系統的各個狀態與異于標準型的“總擾動”，進而通過“線性狀態誤差反饋”對估計出來的“總擾動”進行實時補償以獲得期望的控制性能。線性自抗擾控制器結構如圖2所示。

圖2 線性自抗擾控制器結構示意

圖2中，r(t)為給定值信號；u(t)為控制信號；y(t)為被控對象的輸出信號；z1，z2， …zn為擴張狀態觀測器所估計的系統狀態；zn+1為擴張狀態觀測器所估計的系統總擾動；b0為被控對象增益的估計值；ω(t)為外界擾動；u0(t)為誤差反饋控制量。

一階自抗擾控制器的控制作用u0一般選擇比例作用，如式(1)所示：

(1)

3 方案改進

LIC601的穩定與否，對整個反沖洗過程的順利運行有至關重要的作用。提出的改進方法是根據LIC601波動曲線，基于自抗擾控制的串級及流量補償控制方案。改進方案如下：

1)增加原料油進料量控制器FIC101與LIC601構成自抗擾的串級前饋控制回路。

2)當PISA202達到設定差壓時，反沖洗開始，在串級控制的基礎上增加一個可自由給定的原料油進料量，當反沖洗結束時，該增加量自動終止，使反沖洗過程中LIC601回路中控制閥提前調節，減少液位波動，同時減少反沖洗對原料罐周邊回路的影響。

改進后控制方案如圖3所示。

圖3 原料油緩沖罐改進后控制方案示意

由圖3可知，計算補償模塊實現上述基于自抗擾控制的串級及流量補償控制方案，該方案在DCS中實現。

4 方案驗證

將該改進方案在D101罐的液位控制中實現，罐液位h、E211出口溫度θ改進前后控制性能對比見表1所列，控制效果對比如圖4所示。

表1 改進方案與單回路PID控制方案控制性能對比

從表1可以明顯看出，改進方案相比于單回路PID控制方案，液位和溫度等值的波動更小，抗干擾的能力得到了很大的提升，這一點也可以在圖4中的對比得以驗證。

圖4 改進方案與單回路PID控制方案控制效果對比示意

從圖4可以看出，D101罐的液位LIC601與E211出口溫度TIC101的實際測量值在PID控制時具有周期性的大波動，控制效果不理想。在采用了改進方案之后，在干擾下可以很快地跟蹤新的設定值，并且沒有超調，波動也相對較小。顯示了其對設定值變化時的跟蹤能力很好，相比于原系統中的大超調與長時間相比，抗擾性能大幅提升。

5 結束語

本文針對加氫改質裝置中原料油緩沖罐液位的控制問題進行優化，將單回路控制方案改為串級加前饋方案，并通過加入線性自抗擾控制器，使得原料油緩沖罐液位能快速跟蹤設定值，同時也有很強的抗干擾能力，相比于單回路PID控制方法，在控制性能上有了較大的提升。