先進(jìn)過(guò)程控制在催化裂化裝置上的應(yīng)用課程設(shè)計(jì)

《先進(jìn)過(guò)程控制》課程作業(yè)

題目：先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)在催化裂化領(lǐng)域的應(yīng)用

   學(xué)生姓名：田*

   學(xué)    號(hào)：201*309

   專    業(yè)：控制工程

   班    級(jí)：研2017-11

先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)在催化裂化領(lǐng)域的應(yīng)用

田俊

內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院

摘要：催化裂化裝置是石油加工過(guò)程中經(jīng)濟(jì)效益最高、工藝最復(fù)雜的生產(chǎn)裝置，在操作控制上稍有所改進(jìn)或提高，就會(huì)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益，于是在催化裂化裝置應(yīng)用先進(jìn)控制（APC）技術(shù)就成了企業(yè)提高效益的明智選擇。本文結(jié)合洛陽(yáng)石化I套催化裂化裝置的實(shí)際應(yīng)用情況，介紹了先進(jìn)控制系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)組成，并詳細(xì)闡述了裝置上先進(jìn)控制器的投用過(guò)程。APC采用動(dòng)態(tài)機(jī)理模型，以常規(guī)PID為基礎(chǔ)，在催化裂化裝置實(shí)施反再分餾和吸收穩(wěn)定部分先進(jìn)控制，設(shè)計(jì)了反再分餾和吸收穩(wěn)定先進(jìn)控制器，并詳細(xì)分析了兩個(gè)控制器的設(shè)計(jì)思想，最終使控制平穩(wěn)性得到加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量卡邊控制，顯著地降低了各塔設(shè)備的操作波動(dòng)、能耗與運(yùn)行成本，提高了高價(jià)值產(chǎn)品（液收）收率。APC技術(shù)在I套催化裂化裝置獲得了成功應(yīng)用，取得了預(yù)期的控制效果，給企業(yè)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

引言

催化裂化作為煉油、煉化行業(yè)的核心加工裝置，顯然提高裝置的生產(chǎn)水平對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起著重要作用。但催化裂化工藝由于其過(guò)程的復(fù)雜性，很難用精確的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)一般也難于提供可靠的質(zhì)量分析儀表進(jìn)行檢測(cè)、分析進(jìn)料組成的變化�；�于這些復(fù)雜的情況，采用DCS的常規(guī)PID控制很難及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)常造成操作波動(dòng)，影響裝置的經(jīng)濟(jì)效益。于是在催化裂化裝置應(yīng)用先進(jìn)控制（APC）技術(shù)就成了眾多企業(yè)提高效益的明智選擇。洛陽(yáng)石化分公司面對(duì)不斷變化的市場(chǎng)需求和運(yùn)行環(huán)境，為了取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，I套催化裂化裝置于2012年5月引入先進(jìn)控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)投用以來(lái)已連續(xù)運(yùn)行兩年多時(shí)間，觀測(cè)其運(yùn)行狀況一直比較穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

采用APC技術(shù)可以在DCS系統(tǒng)常規(guī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，投入少量的資金及勞動(dòng)力，就能產(chǎn)生較好的收益，使工藝參數(shù)尤其是分餾塔、穩(wěn)定塔的操作條件控制更加穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)卡邊操作，使產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力得到提高，因而產(chǎn)生較好的收益。

1先進(jìn)控制系統(tǒng)概況。

1.1先進(jìn)控制技術(shù)概述[1,2]

先進(jìn)控制是通過(guò)安裝于計(jì)算機(jī)上的特殊軟件與DCS上的PID調(diào)節(jié)器配合應(yīng)用，對(duì)裝置進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，同時(shí)滿足生產(chǎn)中多個(gè)控制要求的技術(shù)。因?yàn)橥饨邕\(yùn)行環(huán)境不斷變化，而且參數(shù)具有未知性、時(shí)變性、突變性以及不穩(wěn)定性，復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)往往具有不可預(yù)測(cè)性，這時(shí)用來(lái)處理復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制效果不好，常規(guī)PID控制器很少考慮到變量之間的相互作用，而且是在被控參數(shù)產(chǎn)生偏差后才進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于裝置變量之間總是存在相互作用，因此采用先進(jìn)控制技術(shù)往往效果較好。先進(jìn)控制器中包含有裝置信息，根據(jù)來(lái)自系統(tǒng)外部的干擾信息和生產(chǎn)中的調(diào)節(jié)信息，先進(jìn)控制器可以預(yù)測(cè)出裝置未來(lái)的變化趨勢(shì)。先進(jìn)控制在滿足了多個(gè)控制要求之后，能夠根據(jù)操作人員設(shè)置的參數(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)綜合效益的最大化。

先進(jìn)控制是一套工業(yè)應(yīng)用軟件，它將整個(gè)生產(chǎn)裝置或者某個(gè)工藝單元作為一個(gè)整體研究對(duì)象，首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，量化描述各變量之間的相互關(guān)系，建立過(guò)程多變量控制器模型。利用該模型可以預(yù)測(cè)裝置的變化，提前調(diào)節(jié)多個(gè)相關(guān)的操作變量，因而可提高裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)施先進(jìn)控制，改善工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)品質(zhì)，減少關(guān)鍵變量的波動(dòng)幅度，使其更接近于理想目標(biāo)值，從而將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程推向更接近裝置約束臨界條件下運(yùn)行，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)率及生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)處理能力，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本、減少裝置能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益，最大限度地滿足動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的需求，提高目標(biāo)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2先進(jìn)控制技術(shù)的工作原理

多變量先進(jìn)控制技術(shù)，是以過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其上位機(jī)為實(shí)施平臺(tái)，以常規(guī)控制為基礎(chǔ)，突破了常規(guī)PID控制的控制回路各自獨(dú)立的工作模式，以整個(gè)生產(chǎn)裝置或裝置單元為對(duì)象，根據(jù)各變量間的模型關(guān)系，利用先進(jìn)控制方法對(duì)裝置實(shí)施協(xié)調(diào)統(tǒng)一的控制。

現(xiàn)階段先進(jìn)控制技術(shù)在石油化工生產(chǎn)裝置的應(yīng)用，普遍采用的是預(yù)測(cè)控制技術(shù)。預(yù)測(cè)控制技術(shù)，采用“模型預(yù)測(cè)、反饋校正、滾動(dòng)優(yōu)化”的控制算法，根據(jù)對(duì)將來(lái)幾步的預(yù)測(cè)，決定走當(dāng)前一步，參見(jiàn)圖1。而常規(guī)PID控制，是基于誤差的控制，即“走一步，看一步”。

圖1 預(yù)測(cè)控制基本原理示意圖

由于先進(jìn)控制把主要被控對(duì)象和控制量全部納入控制系統(tǒng)，因而具有良好的跟蹤性能。先進(jìn)控制在偏差控制的基礎(chǔ)上，將過(guò)程模型作為控制器內(nèi)部模型，提高過(guò)程信息和知識(shí)利用率，可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。[3-5]

1.3先進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]

先進(jìn)控制軟件是美國(guó)AspenTech公司的DMCplus，控制系統(tǒng)如圖2所示�；�于不可測(cè)變量在線計(jì)算和常規(guī)PID控制系統(tǒng)的先進(jìn)控制系統(tǒng)，上連優(yōu)化，下接常規(guī)控制。其主要目的是取得比常規(guī)PID控制更好的控制性能，質(zhì)量平穩(wěn)卡邊，在不超約束的條件下，使生產(chǎn)過(guò)程隨時(shí)運(yùn)行在優(yōu)化狀態(tài)，尤其對(duì)多變量互相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)過(guò)程，PID控制常常無(wú)能為力，先進(jìn)控制具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其主要特點(diǎn):通過(guò)調(diào)整常規(guī)PID控制器的給定值，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制器的控制作用，即PID的給定被作為先進(jìn)控制的操作變量。當(dāng)先進(jìn)控制投用后，作為先進(jìn)控制調(diào)節(jié)手段的PID控制器的給定值由先進(jìn)控制調(diào)整，不再由操作員調(diào)整。

圖2 先進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2、先進(jìn)控制系統(tǒng)的實(shí)施

2.1 反再分餾先進(jìn)控制器

催化裂化分餾塔的任務(wù)主要是把反應(yīng)送來(lái)的油氣混合物按沸點(diǎn)范圍分割為富氣、汽油、輕柴油和油漿等餾分，并保證各個(gè)餾分的質(zhì)量符合規(guī)定的要求。

反再分餾先進(jìn)控制器運(yùn)行周期為1分鐘，控制器見(jiàn)圖3：

圖3 反再分餾先控系統(tǒng)操作畫(huà)面

分餾系統(tǒng)先進(jìn)控制器主要有以下控制指標(biāo)：

1）重要變量平穩(wěn)控制。包括分餾塔頂溫度、塔底溫度、各側(cè)線抽出溫度以及回流罐液位和塔底液位的平穩(wěn)控制。

2)質(zhì)量卡邊控制。通過(guò)利用基于過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的軟測(cè)量技術(shù)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)給出分餾塔塔底液位、溫度及各產(chǎn)品質(zhì)量，將其控制在合格的范圍內(nèi)，并對(duì)粗汽油、輕柴油產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)質(zhì)量卡邊控制。

3）多變量協(xié)調(diào)。在各種工況下，自動(dòng)選擇操作變量MV，使其被控變量CV達(dá)到控制要求，使操作變量及其相關(guān)變量不超限。

4)實(shí)時(shí)優(yōu)化，節(jié)能降耗。在保證塔頂、塔底溫度及產(chǎn)品質(zhì)量合格的情況下，適當(dāng)降低塔底換熱器取熱或塔頂回流量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

2.2吸收穩(wěn)定先進(jìn)控制器

吸收穩(wěn)定單元的主要作用是加工來(lái)自分餾塔頂油氣分離器的粗汽油和富氣，分離出瓦斯和液化氣，并產(chǎn)出合格的穩(wěn)定汽油。由于涉及各塔、分離罐的串聯(lián)操作，上游出料波動(dòng)會(huì)對(duì)下游液位產(chǎn)生干擾，有時(shí)候會(huì)引起較大波動(dòng)。設(shè)計(jì)吸收穩(wěn)定先進(jìn)控制器的主要目的是通過(guò)實(shí)施非線性液位以及液位速率控制，可以維持各塔、分離罐液位平穩(wěn)，并在給定區(qū)域內(nèi),使上游出料波動(dòng)減小，變化平緩，這樣對(duì)后續(xù)單元操作以及轉(zhuǎn)化率的計(jì)算都有益處。

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)先進(jìn)控制器運(yùn)行周期為1分鐘，控制器見(jiàn)圖4：

圖4 吸收穩(wěn)定先控系統(tǒng)操作畫(huà)面

吸收穩(wěn)定系統(tǒng)先進(jìn)控制器主要有以下控制指標(biāo)：

1）上下游協(xié)調(diào)控制。通過(guò)實(shí)施液位以及液位速率控制，可以維持各塔底、分離罐液位平穩(wěn)，并在給定區(qū)域內(nèi)，使進(jìn)料流量變化平緩。

2)支路平衡以及液位非線性控制。吸收塔、解析塔和穩(wěn)定塔都存在著支路平衡控制問(wèn)題，同時(shí)還存在著液位控制問(wèn)題。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)大的非線性液位及支路平衡控制方案，在實(shí)現(xiàn)各支路溫差控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了吸收穩(wěn)定單元各塔液位的非線性控制。

3、先進(jìn)控制器的投用

1、控制器的投用

1）檢查，工況正常，儀表數(shù)據(jù)顯示正常，各CV和MV的上、下限設(shè)置合理。

2）檢查，計(jì)時(shí)器運(yùn)行正常。

3）符合條件后，先檢查各CV投入狀態(tài)，如果不為“投用”，則修改其為“投

用”。檢查各CV的投用狀態(tài)是否都為”GOOD”，如果不是，依據(jù)操作畫(huà)面使用說(shuō)明中羅列的情況一一排除原因，解決不了的異常情況交由工程師處理。各約束狀態(tài)是否都為”NORMAL”，如果不是，再次檢查上、下限設(shè)置是否合理。

4）檢查底層控制回路的控制模式是否處于投用APC要求的投用前（MAN或

者AUT），如果不是，修改為APC要求的投用前的控制模式AUT或MAN，兩個(gè)先進(jìn)控制器MV回路的投用前回路模式及投用后回路模式詳見(jiàn)表1：

表1 先進(jìn)控制器MV回路的投用前后回路模式

• 單個(gè)MV的投用
  

1）檢查該MV儀表數(shù)據(jù)/當(dāng)前值顯示正常，上、下限設(shè)置合理 。

2）檢查該MV的控制模型是否處于投用APC要求的控制前模式，如果不是，則需要將回路模式切換為自動(dòng)AUT或者手動(dòng)MAN模式。

3）將MV投用開(kāi)關(guān)，切換到“投用”狀態(tài)。

3、單個(gè)CV的投用

1)檢查該CV儀表數(shù)據(jù)/當(dāng)前值顯示正常，上、下限設(shè)置合理。

2)啟動(dòng)該CV投用開(kāi)關(guān)，等待MV的投用狀態(tài)顯示為”GOOD”， 則此時(shí)該變量進(jìn)入先進(jìn)控制監(jiān)控，該變量投用過(guò)程結(jié)束。

4、單個(gè)DV的投用

DV的投用和切除操作由儀表工程師在上位機(jī)進(jìn)行。

1）檢查該DV儀表數(shù)據(jù)/當(dāng)前值顯示正常。

2）啟動(dòng)該DV投用開(kāi)關(guān)，等待MV的投用狀態(tài)顯示為”GOOD”， 則此時(shí)該變量進(jìn)入先進(jìn)控制監(jiān)控，該變量投用過(guò)程結(jié)束。

4、先進(jìn)控制器的實(shí)施效果[7,8]

該系統(tǒng)自2012年5月投用,經(jīng)過(guò)兩年多的不斷調(diào)整與完善，各項(xiàng)功能均達(dá)到了預(yù)期目的，先進(jìn)控制系統(tǒng)已經(jīng)初步發(fā)揮了作用，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：裝置提高液收(汽油+柴油+液態(tài)烴)收率0.75%以上，這部分提高主要來(lái)自于焦炭、油漿等重組分產(chǎn)品產(chǎn)率的降低；系統(tǒng)自動(dòng)化水平大大提高，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；系統(tǒng)運(yùn)行安全平穩(wěn)；改善了系統(tǒng)控制性能，主要控制指標(biāo)平穩(wěn)性提高；在平穩(wěn)操作的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)主要參數(shù)實(shí)行卡邊控制，提高高價(jià)值產(chǎn)品收率，卡邊控制帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

I套催化裂化裝置使用先進(jìn)控制系統(tǒng)后，總體提高液收0.75%以上。液收是本裝置重要產(chǎn)品，提高其收率意味著經(jīng)濟(jì)效益的提升，先進(jìn)控制投用前后具體各產(chǎn)品收率變化情況如表2。

表2 先進(jìn)控制投用前后各產(chǎn)品收率變化情況

此外，先進(jìn)控制投用前后（2013年相比2012年1-4月）統(tǒng)計(jì)裝置平穩(wěn)率提高了0.2%，產(chǎn)品質(zhì)量2012年1 -4月有24個(gè)點(diǎn)超廠控指標(biāo)，而2013年僅有8個(gè)點(diǎn)超標(biāo)，質(zhì)量合格率提高了1.5%。由此可見(jiàn),先進(jìn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用顯著地提高了各塔設(shè)備的操作平穩(wěn)性，并實(shí)現(xiàn)了部分產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的卡邊控制，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低操作難度。與此同時(shí)，隨著裝置平穩(wěn)性進(jìn)一步的改善，使各塔設(shè)備的能耗大幅度地下降，實(shí)現(xiàn)裝置的安全、高產(chǎn)、低耗、節(jié)能和減排。

5、結(jié)論

經(jīng)過(guò)兩年多的運(yùn)行，先進(jìn)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)便。實(shí)踐證明先進(jìn)控制技術(shù)在I套催化裂化裝置上的應(yīng)用效果是明顯的，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為石油化工流程工業(yè)企業(yè)更好地實(shí)現(xiàn)“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”提供更有力的支撐和保障，該先進(jìn)控制系統(tǒng)是把高科技含量技術(shù)成果應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)裝置上的一次成功應(yīng)用。

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