煉油企業儀表自控率提升應用實踐

計國忠

（中國石化安慶分公司煉油二部，安徽安慶 246000）

生產裝置的自動化水平直接關系到裝置運行的穩定性、安全性，也直接影響崗位技能操作人員的勞動強度。隨著社會發展企業自動化水平不斷提升，對生產裝置自控率日益重視，某石化集團規定各裝置自控率水平不得低于95%，力爭達到98%以上。某石化企業裝置多、流程復雜，而該石化企業煉油二部各裝置自控率水平普遍僅為35%～45%，嚴重制約了裝置生產的穩定性、安全性。在此背景下，該石化企業于2019年7月開始實施自控率提升項目，要求通過技術攻關實現煉油二部所有裝置自控率水平不低于95%。

1 現狀與問題分析

1.1 裝置儀表自控率偏低

自控率提升項目實施前，該石化企業煉油單元各裝置儀表自控率普遍較低，各裝置不參與統計回路的數量較多，很多關鍵工藝控制點長期處于手動控制，裝置運行既不穩定也不安全。表1為該石化企業煉油單元各裝置項目實施前自控率調查情況。

1.2 裝置串級等復雜控制回路投用率低

串級控制是裝置控制回路設計中常見的復雜控制回路，對于生產裝置及工藝指標控制有很重要影響，較多串級或比值控制與裝置產品質量及反應深度等直接相關。目前，裝置對單個控制回路的參數整定與優化尚不成熟，很難對串級控制、比值控制等復雜控制進行優化與投用，導致裝置實際串級投用效果較差或無法投用串級控制。項目實施前復雜控制回路投用率情況見表2。 制回路跟蹤效果差，控制回路波動大等方面，詳見表1。

表1 項目實施前各裝置自控率調查

例如：Ⅲ-催化裝置穩定塔底液位控制120LIC 30301 雖然處于自動狀態，但由于參數不合理，且受到進料影響，導致液位波動較大，波動幅度為36%～68%。過大幅度的液位波動直接影響穩定塔的穩定操作，甚至影響穩定塔的分離效果，閥位輸出的寬幅度調節也使得送往S-zorb裝置汽油流量不能穩定，影響S Zorb裝置的穩定運行。優化前控制情況如圖1所示。

表2 項目實施前各裝置串級投用率情況

1.3 裝置部分工藝參數控制效果提升空間大

裝置各被控變量的穩定控制是裝置總體安全、穩定運行的前提基礎。調研發現，項目實施前除了手動控制回路控制精度低問題之外，很多回路雖投用自動控制，但實際控制效果一般，主要體現在控

圖1 Ⅲ-催化裝置120LIC30301優化前趨勢

表3 項目實施部分回路波動情況舉例

2 措施與效果

在前期充分調研的基礎上，針對不同裝置在自控率方面存在的問題逐一進行分析、完善、制定方案和對接整改。

2.1 利用PID 參數整定器

針對調研過程中發現的PID 參數不合適問題，項目實施人員在充分的調研與數據分析基礎上對各裝置的自控回路進行控制特性建模，通過內模控制和PID相結合的方法，采用內模-PID技術，進一步優選PID 控制器形式和整定PID 參數，使控制回路穩定、響應速度快、控制精度高。

除參數整定外，還通過對工藝控制要求的具體分析，結合應用實際選擇合適的控制器類型。經參數逐級優化后大部分回路能實現自動控制，且效果良好。如柴油加氫裝置C-201 分餾塔底液位控制164LIC20101通過參數優化投用了自動，效果如圖2所示。

圖2 164LIC20101優化前后對比

2.2 督促儀表專業處理好儀表閥門問題

在PID參數整定過程中，項目實施人員通過對控制特性的分析研究，發現有部分不能實現自控的回路是由于儀表閥門存在問題如調節閥TV1606 卡頓，導致S-zorb反應器R-101入口總管溫度TIC1606無法投用自動控制。針對這些回路，優化實施人員進行了詳細分析驗證，并與裝置工藝技術員逐一探討確認，確保儀表調節閥靈活好用。并再次對該控制回路進行PID參數整定等工作，最終實現自動控制回路的投用且效果良好。

例如上述S-zorb 反應器R-101 入口總管溫度TIC1606，經過閥門儀表問題處理以及參數優化投用后，控制效果如圖3所示。

2.3 優化工藝控制方案

圖3 TIC1606優化前后對比

除了部分控制回路的PID 參數設置不匹配外，還存在部分控制回路因為控制方案不合理或不完善導致無法實現自動控制的情況。針對這類問題，項目實施人員與工藝技術人員根據裝置具體的工藝控制要求，結合上下游關系，經過充分討論并通過反復測試驗證最終確定最合適的控制方案，以實現裝置整體的全流程自動控制。經過優化控制方案的控制回路投用后，均取得了良好的控制效果，達到了預期的控制目標。

以優化加熱爐控制方案為例進行說明。

2.3.1 加熱爐控制存在的問題

該石化企業煉油單元加熱爐基本依靠經驗手動控制調整變量，即使個別控制回路投用自動也只能是短暫維持，稍有擾動就需要人工干預，否則可能被控對象產生更大波動甚至發散。實際操作中為了維持加熱爐的簡單穩定，避免“爐膛回火”“冒黑煙”等現象，經常是犧牲工藝參數控制精度，無法實現精細化操作。如加熱爐內氧含量的工藝指標要求控制在2%～4%，操作人員往往需要頻繁調節仍經常超工藝指標。

加熱爐出口溫度、加熱爐氧含量等關鍵控制回路基本上處于手動操作狀態，主要存在以下問題：

（1）加熱爐被加熱介質出口溫度波動大，控制精度低，不利于催化劑的長周期運行。

（2）加熱爐氧含量波動大，頻繁超工藝指標。氧含量過高或過低都會降低加熱爐效率，增加燃料氣的消耗，同時氧含量過低也對加熱爐的操作帶來安全風險。

2.3.2 加熱爐控制優化方案

（1）合理準確分析加熱爐的熱效率，根據數學模型確定優化方向。通過采用數值擬合的方法得到過程量與所測到量關系，如溫度、燃料氣壓力、氧含量等，以及研究與熱效率相關性較大的變量，找到適宜的熱效率分析方法，從而確定加熱爐優化的主導方向。

（2）根據全流程自動化思想減少支路不平衡帶來的干擾。利用先進控制技術，避免多變量強關聯問題，以支路進料流量、支路出口溫度為參量進行支路溫度平衡分析，盡量保證各支路溫度平衡的有效控制。

（3）爐出口溫度高精度、高抗干擾性投用自動控制。加熱爐出口溫度一般采用溫度與瓦斯壓力串級控制，或者采用出口溫度與爐膛溫度串級控制，優化前溫度復雜回路控制投用率低，控制效果差。出口溫度穩定是后續工藝生產穩定的前提，所以加熱爐優化的首要任務是保證爐出口溫度的穩定控制，能夠為后續優化提供調節空間。

（4）氧含量自動控制投用，合理化控制參數。氧含量的影響因素和調節手段較為復雜，需要對控制氧含量的手段如風門開度、煙道擋板、鼓風機、引風機變頻進行逐一攻關，并制定自動控制。

2.3.3 優化控制效果

以該石化企業煉油單元連續液相柴油加氫裝置的反應加熱爐F-101為例。F-101系統的控制變量是爐出口溫度，用燃料氣為操作變量，組成一個簡單的溫度-流量串級回路控制系統。

如圖4 所示，加熱爐投用的是串級回路控制系統，串級回路由兩個檢測變送器（主測量變送器、副測量變送器）、兩個控制器（主調節器、副調節器）、一個調節閥所組成。其中溫度控制器輸入為加熱爐出口溫度，輸出作為流量控制器的給定；流量控制器的輸入為燃料氣流量，輸出為控制調節閥。在穩定工況下，爐出口溫度和燃料氣的流量相對穩定，調節閥保持一定的開度。

圖4 加熱爐F-101溫度-流量串級控制系統組成

（1）F-101出口管之一溫度控制164TIC10601優化前處于手動狀態，受瓦斯性質如瓦斯壓力、組成的變化以及進料溫度的影響，要穩定控制164TIC10601，往往需要頻繁調整瓦斯量。優化參數并投用串級后，出口溫度能穩定跟蹤給定值，164TIC10601副回路實現自動控制。

（2）連續液相柴油加氫裝置反應加熱爐氧含量控制164AIC15101優化前處于自動狀態，但由于參數設置不合理，由圖5 可以看出，優化前受瓦斯性質影響加熱爐氧含量波動很大，甚至常高于4%的控制指標。進行參數優化后加熱爐氧含量能夠穩定控制在2%～4%。

圖5 柴油加氫加熱爐優化前后 氧含量控制164AIC15101對比

加熱爐各控制回路投自動控制后，加熱爐出口溫度的穩定，爐膛負壓、氧含量控制平穩，實現了生產過程和產品質量的穩定控制，也使燃料氣的消耗大幅降低，同時也為裝置的進一步優化運行提供良好基礎。

2.4 其他完善措施

另外，DCS控制系統還存在一些組態搭建不夠完善的地方，甚至存在個別組態錯誤的情況，無法完全實現設計的邏輯控制。針對這類問題，項目實施人員、裝置工藝人員、儀表管理技術人員共同進行了逐一討論、驗證、修正，予以解決。

3 成果與討論

3.1 自控率穩步提升

經過該石化企業煉油單元與各方的不懈努力，該石化企業煉油單元各裝置自控率均有顯著提升。項目實施前各裝置平均自控率為41.1%，優化后提升至98%以上，部分裝置甚至可以達到100%。各裝置自控率優化前后對比見圖6。

圖6 某石化企業煉油單元優化前后自控率對比

3.2 生產平穩率全面提升

經過參數優化及全流程自動控制實施，該石化企業煉油單元各裝置參數的平穩率均有一定程度提高。2021年4月該石化企業煉油單元各裝置生產平穩率如表4所示，平均為97.93%，滿足實際控制平穩率≥96%的要求。

3.3 裝置疑難問題解決

項目實施前該石化企業煉油單元重油加氫裝置、柴油加氫裝置、RLG裝置的新氫壓縮機，無級量調節控制系統長期處于手動控制，不僅調整操作工作量大，而且很難穩定控制反應系統壓力，也增加了新氫壓縮機的電能消耗，該問題一直困擾著裝置操作和技術人員。通過此次優化，目前幾套裝置的新氫壓縮機的無級調量系統均能實現自動控制且效果良好，為裝置進一步節能降耗提供基礎。

表4 煉油單元各裝置平穩率

4 總結

該石化企業煉油單元自控率提升項目的實施具有重要現實意義。一方面有效降低了操作人員勞動強度；另一方面大幅提升裝置自控水平，各項控制指標也得到提升，有利于裝置節能降耗、提高產品質量及收率，為公司帶來可觀的經濟效益；特別是一些關鍵的環保指標控制難度降低，有利于裝置節能減排，具有一定社會效益；項目實施后裝置平穩率大幅度提升，提高了裝置運行安全系數。

項目實施過程中，一些外部條件也影響部分控制回路。比如燃料氣系統組分波動較大必然引起壓力波動，這種相互影響往往使得控制回路無法及時跟蹤，因此，自控率的提升還需要更多外部條件 配合。