新建乙烯及煉油改擴(kuò)建裝置的全流程控制優(yōu)化

楊利豐，汪 博，張志鍵

（中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103）

0 引言

中化泉州新建的乙烯及煉油改擴(kuò)建裝置2020年9月中交后陸續(xù)開始開工，全廠DCS控制系統(tǒng)采用橫河的VP系統(tǒng)。裝置的自動控制功能沒有進(jìn)行集中優(yōu)化，對裝置的開工進(jìn)度、安全運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)率具有一定的影響，且存在以下問題：

1）PID參數(shù)未整定，設(shè)置參數(shù)值P=100，I=20，D=0。因?yàn)椴糠盅b置流程長，耦合性強(qiáng)，被控變量類型多，初始PID值無法滿足回路的自動控制要求。

2）裝置采用國內(nèi)外先進(jìn)工藝流程，工藝包中含有大量的串級、超馳、比值和前饋等復(fù)雜回路，其控制邏輯組態(tài)復(fù)雜。出于安全考慮很多測量點(diǎn)和控制點(diǎn)設(shè)置聯(lián)鎖，控制回路波動大易觸發(fā)聯(lián)鎖裝置停工。

3）沒有在線數(shù)據(jù)參考及裝置工況不穩(wěn)定，增大了控制優(yōu)化的難度。

傳統(tǒng)的控制優(yōu)化是在一個相對較穩(wěn)的工況下進(jìn)行測試并獲取過程數(shù)據(jù)，進(jìn)而建模和計算參數(shù)。裝置初次開工投產(chǎn)在線數(shù)據(jù)無法獲取，增加了控制優(yōu)化的難度，另外開工時干擾因素多，易造成裝置操作不穩(wěn)定。裝置不穩(wěn)定無法用常規(guī)調(diào)試方法進(jìn)行整定，裝置也存在一些工藝指標(biāo)缺少，控制回路或上下游關(guān)聯(lián)的過程控制缺少串級等控制回路，無法實(shí)現(xiàn)裝置的全流程自動控制。

4）操作人員對控制的理解各不相同，增加了控制回路的投用難度。

由于開工過程中倒班操作和工藝特點(diǎn)的原因，會造成操作人員對控制方案的不理解，出現(xiàn)控制回路不敢投用自動模式或習(xí)慣性手動操作[1]的情況。

5）原控制方案設(shè)計不合理。

由于工況和設(shè)備問題，造成原控制方案無法正常投用自動。

6）開工期間少數(shù)儀表閥門和設(shè)備因?yàn)楣r不達(dá)標(biāo)或本身問題，無法參與自動控制過程，造成自動回路控制投用困難。

7）在開工及生產(chǎn)階段裝置控制不穩(wěn)定和報警設(shè)置的不合理均會產(chǎn)生大量的無效過程報警信息，真實(shí)重要的報警會被大量無效報警覆蓋影響操作人員的注意力，真實(shí)的報警信息如果不能及時發(fā)現(xiàn)會存在安全隱患。

針對以上問題需要啟動裝置全流程控制優(yōu)化工作，進(jìn)行參數(shù)整定、優(yōu)化控制器形式以及控制方案的變更優(yōu)化，采用先進(jìn)控制的思想理念整定控制器參數(shù)，減少開工裝置的過渡時間，使裝置安全高質(zhì)量的快速進(jìn)入平穩(wěn)生產(chǎn)狀態(tài)。

1 全流程優(yōu)化范圍內(nèi)容

1.1 裝置控制優(yōu)化的實(shí)施范圍

圍繞乙烯裂解、汽油加氫、芳烴抽提、丁二烯、MTBE、聚 乙 烯HDPE、聚 丙 烯PP、EVA、EOEG、PX、POSM、凝析油聯(lián)合、干氣精制、連續(xù)重整和柴油加氫裂化裝置，共15套裝置3460個控制回路展開工作，搭建自控平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)、報警操作監(jiān)控系統(tǒng)，同時進(jìn)行優(yōu)化控制器形式、整定控制器參數(shù)，達(dá)到生產(chǎn)裝置的全流程自動控制、報警梳理、一鍵操作、無報警操作時長統(tǒng)計等功能。

1.2 全流程控制優(yōu)化內(nèi)容

整個項目的實(shí)施工作主要分為監(jiān)控系統(tǒng)平臺的搭建和控制系統(tǒng)優(yōu)化兩大部分。

1.2.1 搭建監(jiān)控系統(tǒng)平臺

1）自控平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)平臺

自控平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)平臺搭建包括裝置調(diào)研、原始數(shù)據(jù)收集，確定及建立數(shù)據(jù)通信連接，搭建自控平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)框架，裝置自控率的統(tǒng)計[2]、綜合查詢[3]、平穩(wěn)率[4]、評比等功能的設(shè)計與實(shí)施。

2）報警操作監(jiān)控系統(tǒng)平臺

報警操作監(jiān)控系統(tǒng)平臺搭建包括裝置調(diào)研，確定及建立數(shù)據(jù)通信連接，搭建報警操作監(jiān)控系統(tǒng)框架，報警操作原始數(shù)據(jù)分析，裝置報警操作的統(tǒng)計、查詢等功能的設(shè)計與實(shí)施。

1.2.2 控制系統(tǒng)優(yōu)化

1）初設(shè)PID參數(shù)，根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系，用實(shí)驗(yàn)的方法來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)[5]。逐一檢查復(fù)雜控制邏輯和控制器的正反作用，核實(shí)設(shè)置的正確性。

2）優(yōu)化已投用控制回路的PID參數(shù)，在油運(yùn)、循環(huán)及待料階段就有部分控制回路滿足自動投用條件可以長期投用。先期對這些控制回路進(jìn)行PID參數(shù)的優(yōu)化，可減輕在正式投料時的優(yōu)化工作量并有助于裝置更快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

3）投料后，全面優(yōu)化各控制回路的PID參數(shù)。由于前期已經(jīng)預(yù)設(shè)了PID參數(shù)回路，可直接投用自動。若控制效果不佳，利用在線數(shù)據(jù)對被控對象進(jìn)行特性辨識，重新計算PID參數(shù)，按照此方法優(yōu)化每個控制回路。

4）尋找解決方案，提出控制方案變更進(jìn)行深度優(yōu)化。此階段大部分的控制回路已投上自動控制模式，但是還有個別回路處于手動模式，這類回路是操作工不敢投或是控制效果不佳，一直用手動模式來控制的。還有可能是控制方案與目前工況不相符，投不上自動，原因分析后提出控制方案變更進(jìn)行解決。

5）應(yīng)用新控制方案減少回路的操作次數(shù)，實(shí)現(xiàn)裝置的全流程自動控制。個別裝置自控率雖然較高但是DCS的操作記錄也多，相應(yīng)說明內(nèi)操的操作頻次較多。原因是初始控制方案不合適，需要全面分析自控回路的必要性，有針對性地提出控制變更，降低操作頻次，實(shí)現(xiàn)“全流程自動”和“一鍵操作”[6]。

6）初始設(shè)置的控制方案和控制參數(shù)未必一直適用，在裝置工況變化較大時必須進(jìn)行修改。當(dāng)回路的控制效果不好時內(nèi)操會提前發(fā)現(xiàn)，及時聯(lián)系優(yōu)化人員共同分析原因和提出解決辦法，最終達(dá)到理想的控制效果。通過這種方式，除了強(qiáng)化內(nèi)操對控制的理解，也提高了操作水平和裝置自控平穩(wěn)率。

7）進(jìn)行裝置報警優(yōu)化是全流程控制的重要環(huán)節(jié)，報警設(shè)置的不正確或管理不到位會使報警信息混亂，不利于操作人員發(fā)現(xiàn)問題，易產(chǎn)生安全隱患。通過對裝置報警情況進(jìn)行梳理與分析，消除無效報警，進(jìn)行報警信息統(tǒng)計，完善報警管理在生產(chǎn)過程中十分必要。

2 實(shí)施效果

經(jīng)過近10個月的努力，完成了全廠自控平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)平臺、報警操作監(jiān)控系統(tǒng)平臺的搭建與上線，完成15套裝置的全流程控制優(yōu)化、報警優(yōu)化、一鍵操作、無報警操作時長等所有工作，達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。各裝置優(yōu)化后，自控率達(dá)到99.20%，優(yōu)化后的平穩(wěn)率達(dá)到99.21%，自動控制水平大幅度提升，回路控制效果明顯改善，串級等復(fù)雜控制回路投用自動運(yùn)行，裝置操作次數(shù)不斷下降，報警數(shù)據(jù)量明顯減少。控制方案也更加完善與合理，全流程控制優(yōu)化完成的主要工作如下：

1）優(yōu)化控制回路3460個。

2）控制方案修改復(fù)雜回路25個，相關(guān)回路57個。

3）提出并修改DCS組態(tài)問題112項。

4）搭建投用自控率監(jiān)控系統(tǒng)1套。

5）搭建投用控制平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)1套。

6）搭建投用報警監(jiān)控系統(tǒng)1套。

7）搭建投用操作記錄監(jiān)控系統(tǒng)1套。

2.1 管理創(chuàng)新效果提升

2.1.1 自控平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)平臺

自控平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)是對生產(chǎn)裝置的自控率、平穩(wěn)率進(jìn)行監(jiān)控、評比、考核的智能信息化管理平臺[7]，架設(shè)于企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)，采用B/S架構(gòu)。具備權(quán)限的用戶可以訪問該系統(tǒng)，隨時對各套生產(chǎn)裝置的自控率、平穩(wěn)率等相關(guān)信息進(jìn)行監(jiān)控，可查詢裝置實(shí)時和歷史自控率、平穩(wěn)率并且都以圖形顯示[8]。監(jiān)控系統(tǒng)平臺也方便管理部門對各套裝置的自動控制水平、運(yùn)行平穩(wěn)水平進(jìn)行有效的管理與考核，有利于企業(yè)智能自動化程度的全面提升。

2.1.2 報警操作監(jiān)控系統(tǒng)平臺

報警操作監(jiān)控系統(tǒng)是對生產(chǎn)裝置的報警、操作進(jìn)行監(jiān)控、評比、考核的一個信息化管理平臺，采用B/S架構(gòu)。具備權(quán)限的用戶可以訪問該系統(tǒng)，隨時對各套生產(chǎn)裝置的報警、操作等相關(guān)信息進(jìn)行監(jiān)控，可以檢索、分類查詢[9]各裝置報警操作情況，便于管理部門對企業(yè)內(nèi)各套裝置的報警、操作進(jìn)行有效的管理與考核。

2.1.3 裝置自控率提升

乙烯及煉油改擴(kuò)建裝置在投產(chǎn)后自動控制水平快速提升，投產(chǎn)3個月后自控率均達(dá)到95%以上，回路控制質(zhì)量大幅度改善，為生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)高效創(chuàng)造了有利條件。

2.1.4 裝置全流程控制優(yōu)化做法

實(shí)施人員在開工前檢查控制邏輯組態(tài)功能，預(yù)設(shè)PID參數(shù)，梳理流程及各系統(tǒng)間的相互影響，培訓(xùn)操作人員熟悉控制方案的目的和投用方法。達(dá)到投用自動模式的控制回路要求投用自動，正常生產(chǎn)時持續(xù)對各裝置的控制回路進(jìn)行深度優(yōu)化，確保各裝置控制率及平穩(wěn)率不斷提高，典型做法如下：

1）乙烯裂解裝置精餾塔采用開式熱泵工藝，塔頂氣相從乙烯機(jī)二段吸入升壓后，氣相分為兩路：一路經(jīng)二段出口去乙烯精餾塔當(dāng)再沸熱源，冷凝后與乙烯塔回流一起返回塔內(nèi)；另一路氣相繼續(xù)升壓，經(jīng)冷凝成液相后用作乙烯精餾塔和乙烷塔回流，富余液相產(chǎn)品送出裝置，塔底乙烷送回裂解爐繼續(xù)裂解，乙烯塔控制不穩(wěn)會影響裂解爐有效運(yùn)行時間。

表1 裝置項目實(shí)施前后自控率對比表Table 1 Comparison table of automatic control rate before and after the implementation of the device project

乙烯塔原控制方案為86層塔盤溫度控制乙烯機(jī)二段排氣流量閥，二段排氣流量與回流流量相加用于控制回流閥。開工階段該控制方案不能投用自動，原因是二段排氣流量在經(jīng)過塔底再沸器后未完全液化，介質(zhì)氣液兩相造成流量頻繁波動，無法投用自動控制。修改控制方案為86層塔盤溫度直接與回流流量串級控制，二段排氣流量單回路控制，經(jīng)控制方案優(yōu)化后回路投用自動控制達(dá)到了控制要求。

2）EVA裝置反應(yīng)器壓力控制根據(jù)牌號要求控制在140 MPa～200 MPa內(nèi)，通過反應(yīng)器出料側(cè)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。初期控制效果不理想，在系統(tǒng)升壓控制回路中設(shè)置爬坡功能，按一定速度進(jìn)行升壓，升到終止壓力后則開始保壓。經(jīng)過參數(shù)方案優(yōu)化后，反應(yīng)器壓力控制滿足了生產(chǎn)控制要求。

3）柴油加氫裂化裝置的直餾柴油和催化柴油進(jìn)入反應(yīng)器發(fā)生加氫精制和裂化反應(yīng)，生成小分子的輕質(zhì)油送入乙烯和重整裝置。柴油進(jìn)入反應(yīng)器之前要脫除較大的固體顆粒，設(shè)置了過濾器、緩沖罐沖洗控制程序，根據(jù)過濾器的差壓或使用時間進(jìn)行沖洗。每次沖洗時緩沖罐液位的大幅度變化使控制器的輸出也會發(fā)生較大變化，造成液位超調(diào)。為解決此問題改進(jìn)控制方案，增加了流量表FIQC10102與液位LIC10101進(jìn)行低選控制，以防止在反沖洗時進(jìn)料流量快速波動變化。優(yōu)化改進(jìn)后，控制回路投用自控平穩(wěn)。

4）全流程控制優(yōu)化乙烯裂解裝置共計更改控制方案9個，正反作用8項，增加濾波6項，更正量程32個，具體控制方案變更如下：

修正7個裂解爐汽包的三沖量控制邏輯，將流量前饋信號的輸出從PV更正為DPV。

修改高壓脫丙烷塔溫度控制邏輯，將靈敏板溫度改成塔底溫度TIC30055。

修改乙炔加氫反應(yīng)器R301B和R301C入口溫度的控制方案，由原來的溫度控制換熱和差壓換熱副線變成了溫度分程控制換熱和副線。

廢堿氧化系統(tǒng)的T962罐液位控制方案，由原來的液位與外送流量串級控制優(yōu)化成液位控制進(jìn)料閥，外送流量單回路自動控制。

脫甲烷塔增加了另一塊塔盤溫度TIC40029，可與原塔盤溫度TIC40031選擇控制再沸流量。

脫甲烷汽提塔增加了另一塊塔盤溫度TIC40011，可與原塔盤溫度TIC40012選擇控制再沸閥。

脫甲烷塔頂壓控的偏差死區(qū)范圍縮小。

乙烯精餾塔原設(shè)計的溫度TIC50015控制流量FI50009與FIC50008的總和修改成TIC50015直接控制FIC50008流量，F(xiàn)I50009變成單回路流量控制FIC50009。

廢堿氧化T962大罐液位原設(shè)計LIC96014與廢堿外送FIC96002串級控制，變更成LIC96014控制進(jìn)料閥HV96001。

2.1.5 裝置平穩(wěn)率提升

各裝置在開工初期時平穩(wěn)率較低，隨著全流程控制優(yōu)化的進(jìn)行，各裝置平穩(wěn)率明顯提升到96%以上，為生產(chǎn)運(yùn)行的平穩(wěn)高效運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件，各裝置優(yōu)化前后平穩(wěn)率對比見表2。

表2 實(shí)施優(yōu)化前后平穩(wěn)率對比表Table 2 Comparison table of stabilization rate before and after optimization

2.1.6 裝置報警次數(shù)的優(yōu)化

通過控制系統(tǒng)的優(yōu)化，改善了回路的控制效果，降低了一定數(shù)量的過程報警。但系統(tǒng)中仍存在大量的報警數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析各裝置的報警數(shù)據(jù)，對報警數(shù)據(jù)逐一制定措施解決，最終各裝置報警數(shù)量大幅度降低，裝置優(yōu)化前后報警數(shù)量變化表見表3。

表3 裝置優(yōu)化前后報警次數(shù)對比表Table 3 Comparison of alarm times before and after device optimization

2.1.7 回路操作次數(shù)的優(yōu)化

通過開展過程綜合監(jiān)控與控制器優(yōu)化，回路控制效果改善的同時裝置操作次數(shù)明顯減少，裝置運(yùn)行更加平穩(wěn)。串級及復(fù)雜控制回路的正常投用使裝置自動控制水平進(jìn)一步提高，改善了裝置內(nèi)部各環(huán)節(jié)的上下游關(guān)系，也實(shí)現(xiàn)了對某些工藝參數(shù)的高精度自動控制。實(shí)現(xiàn)裝置全流程自動控制的同時，也降低了人員操作強(qiáng)度，裝置操作優(yōu)化前后具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 裝置優(yōu)化前后操作次數(shù)對比表Table 4 Comparison of the number of operations before and after device optimization

2.1.8 實(shí)現(xiàn)一鍵操作和無報警操作時長功能

“一鍵操作”是指裝置在提負(fù)荷或者降負(fù)荷時，只需要在DCS上改變負(fù)荷的設(shè)定值或閥位值1次，下游流程的相關(guān)流量在液位、溫度、壓力控制器的作用下能夠相應(yīng)變化，符合控制要求，使工藝過程快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不再需要人為手動更改相關(guān)流量設(shè)定值。

“一鍵操作”將裝置內(nèi)由人來下決策操作的局部控制形成全流程閉環(huán)控制，降低操作人員工作強(qiáng)度，提高裝置的自動化和智能化水平。

“無報警操作時長”是簡化的裝置綜合指標(biāo)，裝置的方案設(shè)計、設(shè)備狀態(tài)、自控水平、操作技能、管理水平均會有影響。對于已建成或已投產(chǎn)的裝置而言，提高無報警操作時長最直接有效的方法是進(jìn)行全流程控制優(yōu)化及過程報警監(jiān)控優(yōu)化，其次可通過無報警操作時長監(jiān)控系統(tǒng)來管理和分析影響時長的原因及因素。

3 取得創(chuàng)新成果目標(biāo)

通過對新建乙烯及煉油改擴(kuò)建裝置的全流程控制優(yōu)化，取得成果目標(biāo)如下：

1）實(shí)時自控率達(dá)95%以上，月均自控率達(dá)到98%以上。

2）實(shí)時平穩(wěn)率達(dá)95%以上，月均平穩(wěn)率達(dá)到98%以上。

3）各裝置日均過程報警降至≤150次/100個控制回路，或在裝置開工3個月內(nèi)降至10%以下。

4）各裝置日均操作次數(shù)降至≤100次/100個控制回路，或在裝置開工3個月內(nèi)降至10%以下。

5）實(shí)現(xiàn)裝置的全流程自動控制，“一鍵操作”和“長時間無報警操作”。

4 結(jié)論

通過實(shí)施全廠裝置的全流程自動控制優(yōu)化，最終提高了儀表自控率及平穩(wěn)率，使裝置在最佳的生產(chǎn)狀態(tài)下長周期運(yùn)行，有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，節(jié)約原材料和能源，降低生產(chǎn)成本，使企業(yè)獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。通過搭建全流程自動控制優(yōu)化系統(tǒng)平臺，提高了控制回路的自控率。利用自動控制技術(shù)，將裝置內(nèi)上下游流程控制方案進(jìn)行整體優(yōu)化[10]，根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果及控制目標(biāo)修改，達(dá)到裝置全流程控制優(yōu)化目的，也促進(jìn)了企業(yè)管理水平及自動控制領(lǐng)域的效果提升。