IPC全流程智能控制在1000萬噸/年常減壓裝置的開發及應用

楊 昕

（中石化天津石化公司，天津 300271）

0 引言

隨著石化生產過程信息化水平的提高，石化生產過程進一步向信息化、數字化、智能化方向發展，開發和應用智能控制技術，優化生產操作，降低生產成本，提高企業經濟效益，提升自身的競爭力是石化行業迎接挑戰的重要對策。

目前，天津石化1000萬噸/年常減壓裝置主要采用常規PID控制，控制器參數主要靠人工經驗的方法整定。常壓爐及減壓爐均為8支路進料，支路溫度均衡為手動調節，操作勞動強度大。為提升天津石化1000萬噸/年常減壓裝置的智能化水平，在常減壓裝置進一步開展IPC全流程智能控制的開發及應用，包括智能PID控制、多變量智能控制、智能函數控制等，全流程智能控制投用后，裝置自控率、平穩率大大提升，換熱終溫提升2℃，常壓爐出口溫差降至0.6℃，減壓爐出口溫差降至1.1℃，操作工作量減少了67%以上，裝置報警數量減少65%以上，裝置能耗降低7.57%。經核算，每年可增加經濟效益1519.2萬元。

1 常減壓裝置

中國石油化工股份有限公司天津分公司100萬噸/年乙烯及配套項目1000萬噸/年常減壓蒸餾裝置由中國石油化工工程建設公司設計，燕華公司施工，2007年12月動工建設，2009年6月建成，2009年12月投產。裝置主要加工沙重、科威特、巴士拉輕、卡斯蒂利亞、榮卡多混合原油，處理能力為1060萬噸/年，主要分為常壓系統、減壓系統和輕烴回收系統[1]。各部分作用如下：

1）常壓系統

常壓系統的任務是將原油按照不同的餾程經常壓塔分離成石腦油、航煤、柴油、常壓渣油，航煤作為航煤加氫的原料，柴油與減壓分離出的柴油合并作為柴油加氫原料。

2）減壓系統

減壓系統的任務是在負壓的條件下，從常壓渣油中進一步分離出柴油與常壓柴油，合并作為柴油加氫原料，減壓輕蠟油作為加氫裂化原料，減壓重蠟油作為蠟油加氫原料，塔底產物減壓渣油作為延遲焦化原料。

3）輕烴回收系統

輕烴回收系統的任務是將常壓塔餾出的石腦油進行分離，主要得到液態烴、輕石腦油、重石腦油。液態烴去脫硫裝置脫硫，輕石腦油、重石腦油分別作為乙烯料及重整料。

2 IPC全流程智能控制技術

IPC全流程智能控制技術是信息化和工業化深度融合的智能控制技術[2]。該技術包括智能建模、智能PID控制、智能變參數非線性區域控制、烽燧控制、多變量智能控制、智能函數控制、專家系統、最優控制方案設計等關鍵技術。主要技術內容如下：

1）智能建模[3]。將大數據挖掘、優化方法與在線閉環建模集成，不需要任何測試就能直接建立閉環控制系統中的連續對象傳遞函數模型，針對多輸入多輸出系統，能建立多變量系統連續模型庫，實現在線自學習智能建模，形成全工況模型庫。

2）智能PID控制[4,5]。采用智能PID控制技術，基于多工況模型庫，自動設計智能PID控制器，將全裝置PID控制器改造為智能控制器，實現全裝置智能精準控制，對全裝置所有控制回路實現智能PID控制。

3）智能變參數非線性區域控制[6]。智能變參數非線性區域控制技術是一種融合了智能建模、模糊控制和專家系統的新型智能控制方法，能將傳統的液位-流量串級控制進一步升級為智能變參數非線性區域控制，能有效發揮液位的緩沖作用，盡可能使流量穩定，減少對下游工段的影響。

4）烽燧控制[7]。基于生產裝置物料和能量的動態平衡和靜態平衡的控制思想，設計烽燧控制方案，有效調整與工藝過程相關的控制回路，達到解決石化生產過程干擾傳遞的控制難題，保證系統穩定運行。

5）智能函數控制。基于生產大數據及專家知識，對指定控制回路按照設定的函數設計智能函數控制，函數可以自行設定，解決人工操作粗放，影響生產平穩運行難題。

6）多變量智能控制[8]。針對復雜的控制對象，定制開發和設計多變量智能控制解決方案，實現復雜單元和對象的多個變量的智能控制。

7）專家系統。基于生產大數據、機理模型及專家經驗，形成專家知識庫，通過推理機決策，實現實時專家智能控制。

8）最優控制設計。基于生產大數據、專家系統、混合精英搜索和參數相關性分析方法，優化原有控制方案，解決控制回路設計缺陷，實現全裝置最優控制。

3 技術應用

結合天津石化的生產需求及控制難題，在天津石化1000萬噸/年常減壓裝置進一步開展IPC全流程智能控制的開發及應用，主要開發及應用內容包括：智能PID控制、多變量智能控制、智能函數控制等。具體技術應用如下：

3.1 智能PID控制應用

采用智能建模技術和智能PID控制技術，對常減壓裝置180余個控制回路實施智能PID控制，達到小超調或無超調跟蹤設定值變化，使其快速平穩運行，自動采集生產運行大數據，自動建立多工況多時段智能模型庫，設計智能控制器[3]，將傳統PID控制全部升級為智能控制，增強抗干擾能力，減少系統的非正常、大范圍波動。

3.2 多變量智能控制應用

在1000萬噸/年常減壓裝置開發了多變量智能控制方案，包括常壓爐多變量智能控制及減壓爐多變量智能控制，具體如下：

3.2.1 常壓爐的多變量智能控制方案

常壓爐智能控制方案包括：支路溫度均衡、爐出口溫度智能函數控制、爐膛負壓、氧含量控制和故障診斷與防御控制，實現了常壓爐的一體化智能操作。多變量智能控制方案原理圖及流程圖如圖1。

1）支路溫度均衡控制

新增閃蒸塔底液位501LIC10401B控制8支路進料量。同時通過8支路出口溫度的偏差來均衡調整8支路流量，從而實現8支路溫度的均勻控制。

2）爐出口溫度智能函數控制

爐出口溫度智能函數控制可實現平穩升降爐出口溫度，實現自動提降出口溫度。

3）爐膛負壓及氧含量控制

新增爐膛負壓控制器PIC41305A控制手操器HIC41302A；新增爐膛負壓控制器PIC41305B控制手操器HIC41302B；新增氧含量控制器AIC41303控制手操器HIC41310；新增氧含量控制器AIC41304控制手操器HIC41311；常壓爐煙道蝶閥手操器由手動控制變為自動控制。

4）故障診斷與防御控制

為防止誤操作以及測量值突變造成的閥位突變，對爐膛負壓和氧含量增加了故障診斷與防御控制。

圖1 常壓爐多變量智能控制原理圖Fig.1 The principle diagram of multi-variable intelligent control of atmospheric pressure furnace

3.2.2 減壓爐多變量智能控制

減壓爐多變量智能控制方案包括：支路溫度均衡、爐出口溫度智能函數控制、爐膛負壓、氧含量故障診斷與防御控制，并在操作畫面中增加了調出各智能控制方案的按鈕，方案原理圖及流程圖見圖2。

1）支路溫度均衡控制

為實現減壓爐8支路出口溫度均衡控制，開發了支路溫度均衡控制。該方案的思想是通過8支路爐出口溫度的偏差來調整8支路進料量。

2）爐出口溫度智能函數控制

開發了爐出口溫度智能函數控制，可實現平穩升降爐出口溫度。

3）爐膛負壓及氧含量控制

圖2 減壓爐多變量智能控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of multi-variable intelligent control of decompression furnace

新增爐膛負壓控制器PIC41301A控制手操器HIC41301A；新增爐膛負壓控制器PIC41301C控制手操器HIC41301B；新增氧含量控制器AIC41302控制手操器HIC41308；新增氧含量控制器AIC41305控制手操器HIC41309；減壓爐煙道擋板手操器由手動控制變為自動控制。

4）故障診斷與防御控制

為防止誤操作以及測量值突變造成的閥位突變，對爐膛負壓和氧含量增加了故障診斷與防御控制。

3.3 智能函數控制應用

根據裝置生產要求及控制需求，開發智能函數控制，可自動平穩提降負荷、溫度等，同時兼顧下游關鍵變量波動范圍，降低操作人員勞動強度。常減壓裝置開發了多個智能函數控制器，包括常一中回流量、常二中回流量等。

4 應用效果

4.1 智能PID控制

常減壓裝置180余個控制回路實施智能PID控制后，控制回路控制性能得到大大提升，主要控制回路均方差大大降低。

如常壓塔底液位，投用智能控制后，波動范圍明顯減少，控制精度提升。

4.2 多變量智能控制

1）常壓爐多變量智能控制

常壓爐多變量智能控制投用后，常壓爐F101出口溫度8支路達到了八線合一。

負壓實現了自動調節，投用效果如圖5。

圖3 常壓塔底液位智能PID控制效果曲線Fig.3 The effect curve of intelligent PID control of the liquid level at the bottom of the atmospheric tower

圖4 常壓爐支路溫度均衡控制效果圖Fig.4 The effect of temperature equalization control of the branch circuit of the atmospheric pressure furnace

圖5 常壓爐爐膛負壓控制效果曲線Fig.5 The effect curve of negative pressure control in the furnace chamber of atmospheric pressure furnace

圖6 常壓爐氧含量控制效果曲線Fig.6 Control effect curve of oxygen content in atmospheric furnace

圖7 減壓爐支路溫度均衡控制效果圖Fig.7 Effect diagram of temperature equalization control of decompression furnace branch

氧含量實現了自動調節，控制更加平穩，投用效果如圖6。

2）減壓爐多變量智能控制

減壓爐多變量智能控制投用后，實現了八線合一，控制效果如圖7。

圖8 減壓爐爐膛負壓控制效果曲線Fig.8 Curve of negative pressure control effect of decompression furnace chamber

負壓實現了自動調節，波動范圍明顯降低，投用效果如圖8。

氧含量實現了自動調節，控制更加平穩，投用效果如圖9。

圖9 減壓爐氧含量控制效果曲線Fig.9 Control effect curve of oxygen content in decompression furnace

4.3 智能函數控制

原油進料負荷投用智能函數控制后，提降量過程全部計算機化，大大減輕操作勞動強度。

5 結論

IPC全流程智能控制投用后，提升裝置自控率及平穩率，自控率提升至99%以上，平穩率達到100%，提升換熱效率，換熱終溫提高2℃左右。常壓爐及減壓爐實現多變量智能控制，常壓爐出口溫差由3℃降至0.6℃，減壓爐出口溫差由3℃降至1.1℃，加熱爐氧含量、爐膛負壓全部實現自動調節，操作工作量減少了67%以上，裝置報警數量減少65%以上，裝置能耗降低7.57%。經核算，每年可增加經濟效益1519.2萬元。通過IPC智能控制的投用，全面提升了裝置自動化及智能化運行水平，實現了卡邊操作，為后續生產裝置的穩定運行提供了有力支撐。