輕烴芳構(gòu)化裝置自動控制優(yōu)化與提升

胡海龍

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812）

某公司新建50萬噸/年輕烴芳構(gòu)化裝置，該裝置是餾分油綜合利用項目的補充完善，裝置的建設有助于優(yōu)化調(diào)整企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進一步提高效益、滿足目標市場需求。

該裝置采用中石化石油化工科學研究院（RIPP）與中石化洛陽工程有限公司（LPEC）共同開發(fā)的移動床輕烴芳構(gòu)化技術，催化劑采用新一代連續(xù)芳構(gòu)化催化劑LAC-1[1-2]。裝置以混合輕烴、液化氣為原料，生產(chǎn)芳烴組分，并副產(chǎn)丙烷、富氫干氣等產(chǎn)品。本輕烴芳構(gòu)化裝置由芳構(gòu)化反應部分、產(chǎn)品分離部分、催化劑再生部分及公用工程四個部分組成。裝置于2020 年 7月8日10點投料反應進料，7月12日產(chǎn)品全部且催化劑循環(huán)燒焦，裝置取得一次開車成功。

1 影響自控水平的因素

1.1 PID參數(shù)設置不合理，裝置自控率不高

輕烴芳構(gòu)化裝置共有控制回路115個，日常操作投用自動控制的回路約70個，自控率僅為61%，實際儀表自控率不高。主要原因是沒有自控專業(yè)人員對裝置控制參數(shù)進行優(yōu)化和PID整定，個別工藝控制回路自開車以來就沒有投用自動控制。個別回路是投了幾次后投不上，要么跟蹤太慢，要么波動范圍太大。

1.2 部分串級控制回路無法投用

本裝置設計了較多的串級控制，比如加熱爐出口溫度控制、塔液位控制等。優(yōu)化前，輕烴芳構(gòu)化裝置很多單回路控制都達不到控制效果，更何況串級控制或分程控制等這些比較復雜控制系統(tǒng)?；蛘呔褪邱詈弦蛩剌^多，上下游無法做到均勻調(diào)節(jié)，無法克服干擾，導致生產(chǎn)過程中串級控制效果不好。操作工無法正常投用串級控制

1.3 操作強度大

正是因為當前輕烴芳構(gòu)化裝置自控率偏低，自動控制的回路運行效果差，導致裝置波動頻繁，進而使裝置產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。部分回路雖能夠投自動，但稍有干擾，就起不到快速調(diào)整的作用，不得不切換手動進行人為干預。如此反復，操作工不愿意投自動使用，手動操作量明顯增加。同時，受自控水平不高的影響，操作工長此以往又養(yǎng)成了手動操作的思維，對自控認識不足，總是認為手動操作更穩(wěn)定。然而大量事實證明，手動控制無法達到生產(chǎn)要求。

1.4 裝置部分控制方案不符合當前生產(chǎn)實際

輕烴芳構(gòu)化裝置受催化劑再生燒焦能力不足的困擾，目前處理量僅為設計的60%負荷。部分原設計控制回路不再適應當前工況，而且有個別流量計儀表不好用，具體體現(xiàn)在實際測量值波動大、低流量運行時無顯示，另外還有量程不足，甚至還出現(xiàn)過瞬間離線無顯示等情況。因此，小部分自動控制方案已不能滿足實際生產(chǎn)需要。

2 解決問題的辦法

為解決以上問題，大榭石化組織人員需要對輕烴芳構(gòu)化裝置的工藝流程進行綜合分析，在保證安全生產(chǎn)的前提下，提出開展PID整定工作。充分利用現(xiàn)有的信息化建設實施自控率、報警的實時監(jiān)控。組織裝置工藝人員對不合理，對不符合當前生產(chǎn)實際的控制回路進行優(yōu)化，促使操作工改變手動操作的不良習慣，大幅提升裝置自動控制水平[3-5]。

3 開展PID整定工作

3.1 經(jīng)驗整定法

所謂經(jīng)驗整定法就是通過先根據(jù)經(jīng)驗給出一個PID參數(shù), 然后投入自動，再觀察運行的曲線趨勢,然后趨勢, 反復調(diào)試參數(shù), 直至出現(xiàn)滿意的曲線趨勢, 最后得到PID控制參數(shù)。

經(jīng)驗整定法的大體步驟是“先整定比例度, 再給積分時間, 最后才是微分時間”。

1）整定的時候，比例度先由小變到大，整個過程觀察趨勢變化, 直至得到調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)反應快，且波動小的趨勢。

2）比例度調(diào)整好了，則觀察實際值能不能正?；氐皆O定值來，如果不能，就產(chǎn)生了余差，就得加入積分時間。先將原來的比例減小為原來的50%～80%, 然后再將積分時間設置一個較大值, 觀測曲線趨勢。如果還有余差，繼續(xù)減小積分時間,使它的積分作用進一步放大。一直調(diào)整至曲線平滑不毛躁為止, 這樣就得到了比例和積分的參數(shù)。

3）以上就是PI比例積分控制，它只能消除余差。如果趨勢還是跟不上, 太慢了，需要超前調(diào)節(jié)。那么要考慮則應加入微分時間, 構(gòu)成PID控制。我們先不給微分時間，D設定為0。然后給一個比較小的數(shù)值, 數(shù)值越大，微分作用越強，反復嘗試一直達到理想的控制效果和 PID參數(shù)。

3.2 臨界比例度法

臨界比例度法與經(jīng)驗湊試法有一些類似，也有一點相反，具體步驟如下[6-7]：

1）我們先手動控制穩(wěn)定后, 設定一個合適的比例值，積分時間給一個較大數(shù)值, 微分時間設置為零，這個時候相當于只有比例在起作用，然后投入自動。

2）修改設定值，讓設定值有一個明顯階躍的變化, 觀察曲線趨勢能否調(diào)整到位

3）根據(jù)曲線趨勢的變化，從大到小逐步把比例減小，再看趨勢的變化是出現(xiàn)了發(fā)散的還是衰減，如是衰減的就把比例度繼續(xù)減??；如是發(fā)散的就把比例度放大。

4）反復調(diào)整, 直到曲線波動按一定的幅度和周期發(fā)生振蕩, 也就是說持續(xù)多次等幅振蕩即沒有出現(xiàn)發(fā)散，也沒有衰減。這個比例就是我們的臨界比例度δk。

5）這時候查看曲線振蕩的趨勢, 記錄振蕩的第一個波峰到第二個波峰的時間，這個時間就是我們的臨界周期Tk。

6）然后再通過以下表格計算出參數(shù)，設定后再次投入自動，觀察趨勢變化。這時多數(shù)情況下都能平穩(wěn)運行了。如果還沒有達到想要的狀態(tài)，再進行參數(shù)微調(diào)就可以了。

表1 PID參數(shù)整定經(jīng)驗公式

3.3 串級回路的整定

串級控制要求比較高，需要具有一定的抗干擾能力。比如V203穩(wěn)定塔回流罐液化氣出裝置流量是T205脫丙烷塔的進料量，上下游聯(lián)系十分密切。這種情況就允許使V203的液位可以在一定范圍內(nèi)緩慢變化，但出口流量一定要相對穩(wěn)定。這就是串級均勻控制[8-10]。

對于這種情況，PID參數(shù)整定一般采用經(jīng)驗逼近法，也就是先按經(jīng)驗法將主、副調(diào)節(jié)器的比例值設置為一個較大的數(shù)值，先大慢慢地到小來調(diào)整，按照“先副后主”的原則，讓流量調(diào)節(jié)緩慢而均勻，最后再加點積分時間。多數(shù)情況下主回路設置P、I比例積分參數(shù)，副回路只設置P比例參數(shù)就可以達到想要的效果了。

如果主、副參數(shù)整定不正確，很有可能會出現(xiàn)流量波動的危險。這時可以調(diào)整副回路比例，讓它減小一些。也可以減小一些積分時間，避免整個系統(tǒng)波動。同樣道理，我們也可以增加一些比例度或者積分時間，讓主、副回路調(diào)節(jié)變慢一些，避免整個系統(tǒng)波動。不過這樣做的結(jié)果會帶來副作用，就是調(diào)節(jié)質(zhì)量下降了，跟不上變化，也克服不了干擾。如果一直整定沒有效果，那就要考慮這個控制方案是不是合理。不合理的控制方案，單靠PID參數(shù)整定是沒法做到提高控制質(zhì)量的。

4 PID整定案例說明

4.1 以穩(wěn)定塔底重沸爐F201出口溫度控制回路TIC20505為例

當穩(wěn)定塔底重沸爐出口溫度降低時，進入控制器TIC20505的信號減小，其為反作用，輸出信號增大；而燃料氣流量調(diào)節(jié)閥FIC21401為風關閥，經(jīng)過中控轉(zhuǎn)化調(diào)節(jié)閥FIC21401開度開大，燃料氣流量增加，穩(wěn)定塔底重沸爐出口溫度上升，達到工藝控制要求。

當穩(wěn)定塔底重沸爐出口溫度升高時，進入控制器TIC20505的信號增大，其為反作用，輸出信號減少；而燃料氣流量調(diào)節(jié)閥FIC21401為風關閥，經(jīng)過中控轉(zhuǎn)化調(diào)節(jié)閥FIC21401開度開小，燃料氣流量減少，穩(wěn)定塔底重沸爐出口溫度降低，達到工藝控制要求。

經(jīng)PID整定后，副回路P：480, I：30, D：0，主回路P：80, I：270, D：40，壓力高選回路P：80,I：300, D：0。串級可以正常投用。流程如圖2所示。

圖2 加熱爐出口溫度控制回路示意圖

5 結(jié)束語

每一個工藝、每一臺設備的控制回路要求也不一樣，所使用的調(diào)節(jié)辦法也是不同的，需要根據(jù)實際綜合運用。如果這個控制回路要求不高，通常使用比例就可以了。大部分情況下使用比例和積分控制就能滿足平穩(wěn)的需要，絕大多數(shù)場合是用不到微分時間的。像溫度控制通常比較滯后，才會使用微分時間，即便如此也不需要太長的微分時間。最后，參數(shù)整定過程不能影響正常生產(chǎn)。

通過自動控制優(yōu)化與提升項目的實施，輕烴芳構(gòu)化裝置自動控制率大幅提升至90%以上，工藝操作更加平穩(wěn)，提升了裝置物料平衡、節(jié)能降耗、加工量等綜合指標。此外裝置運行更加安全高效，在平穩(wěn)運行下設備壽命也將得到延長，從而保證裝置長周期運行。自控水平提高了，也改變操作人員原先手動操作的習慣，降低操作人員的工作強度，同時也為輕烴芳構(gòu)化裝置下一步產(chǎn)品優(yōu)化提供有力的基礎保證。