（化学工程专业论文）对大连石化的连续重整装置实施先进控制技术的初步研究.pdf

对大连石化连续重整装置实施先进控制技术的初步研究 闰秀华( 化学工程) 指导教师：杨向平 摘要 本文通过国内外控制现状的分析，对大连石化连续重整装置实施 a p c 系统的初步研究，选定和设计了a p c 系统的实施范围和功能目标。 采用技术判别法剔除异常数据、数据标准化处理来选定a p c 测控参量： 预加氢反应系统采用了非自衡过程的动态矩阵控制方法对塔底液位进行 了有效控制；对反应器部分采用控制压缩机转速平稳氢油比的策略：对 加热炉单元则运用闭环控制系统动态矩阵方法去控制烟气氧含量，通过 实验确定了预测长度域、控制时域长度、误差矩阵、控制矩阵、采样周 期、建模时域长度等的值：对c 4 c 5 塔顶采用回流罐出口流量，进料量， 塔顶压力，进料温度和液化气排出量等多变量广义预测控制系统，确定 了控制回路：开发了蒸发汽提塔c 1 0 1 的馏程和干点的软测量技术。 效益分析说明，实施a p c 系统后，重整汽油液收将提高o 9 ，提高反 应转化率1 1 ，提高氢气产率l 2 ，降低装置能耗2 以上，回收塔塔 顶回流比降低5 以上，降低了运行成本。按加工量6 0 万吨年计算，年 经济效益在8 5 3 8 5 万元左右，投资回收期视不同的工况，为半年至一年 半。 关键词：连续重整，软测量，多变量约束控制，a p c ，卡边操作 i i p r e l i m i n a r ys t u d yo na d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o lt oc c r i np e t r o c h i n ad a l i a np e t r o c e m i c a lc o m p a n y y a nx i u h u a ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yy a n gx i a n g - p i n g a b s t r a c t t h i sp a p e rg i v e si n i t i a ls t u d yo fa d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o li m p l e m e n t e d i nc c ri nt h ep e t r o c h i n ad a l i a np e t r o c h e m i c a lc o m p a n yt h r o u g ht h e a n a l y s i so fp r e s e n ts i t u a t i o no f c o n t r o la th o m ea n da b r o a d t h ep r e p a r a t i o n s b e f o r ei m p l e m e n t i n ga p ca r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n da p c si m p l e m e n t s c o p ea n df u n c t i o n a lo b j e c t i v ea r ea l s od e s i g n e d r e s e a r c ha n dd e v e l o p c o n t r o lp a r a m e t e r sf o ra p cb a s e do nt e c h n i c a ld i s c r i m i n a n c et or e m o v e a b n o r m a ld a t aa n ds t a n d a r d i z a t i o nt om a n a g ec o n t r o l l e dv a r i a b l e d y n a m i c m a t r i xc o n t r o l ( d m c ) a l g o r i t h mo nt h ei n t e 弘a lp r o c e s si sa p p l i e dt ot h e l e v e lc o n t r o ls y s t e mo ft o w e rb o t t o mo fp r e - h y d r o g e n a t i o np l a n t t h eh 2 h c c o n t r o ls t r a t e g y ，w h i c hc o n t r o l st h es p e e do fc o m p r e s s o r , i so b t a i n e di n r e a c t o r t h eo x y g e nc o n t e n tc o n t r o li nt h eh e a t i n gf u r n a c ef u m ei sr e a l i z e d w i t hd m c ，b a s e do nc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m t h ev a l u e ，s u c ha sp r e d i c t d a t ad i r e c t e dd a t af i e l dl e n 昏h ，t i m e d o m a i n ，e r r o rm a r x ，c o n t r o lm a t r i x ，t h e s a m p l i n gp e r i o d ，a n d t h e m o d e l i n g t i m e d o m a i ni sd e t e r m i n a t ew i t h e x p e r i m e n t t h ec l o s e dl o o pf o rt h em u l t i v a r i a b l eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v e c o n t r o ls y s t e mi sd e r i v e df r o mt h ef o l l o w i n gf a c t s ：f l o wo fc 4 c 5r e t u r n i i i t a n k so u t l e t ，f l o wo fi t si n l e t ，p r e s s u r eo ft a n kt o p ，t e m p e r a t u r eo fi t sf l o wo f i n l e ta n df l o wo fl i q u e f i e dp e t r o l e u mg a sd i s c h a r g er a t e r e s e a r c ha n d d e v e l o p d i s t i l l a t i o n r a n g e ( ) a n dn a p h t h ad r yp o i n t b a s e do n s o f t - m e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei ne v a p o r a t i o ns t r i p p e r ( c - 1 0 1 ) t h ea n a l y s i so f b e n e f i t s h o w s ，t h el i q u i dy i e l d o fr e f o r m e d g a s o l i n e ，i n v e r s i o n o f r e a c t i o n ，a n dt h ep r o d u c t i v i t i e so fh y d r o g e nw i l li n c r e a s eo 9 ，1 1 a n d 1 2 r e s p e c t i v e l y , e n e r g yc o n s u m p t i o no fu n i ta n dt h er e f l u x r a t i oo f r e c o v e r yt o w e rw i l ld e c r e a s ea t ) o v e2 a n d5 ，a n dt h eo p e r a t i o nc o s t r e d u c e d o b v i o u s l y t h e t o t a lb e n e f i tw i l lr e a c h8 5 3 8 5m i l l i o ny u a n a n n u a l l y w i t h a l la n n u a l o u t p u t o fo 6 m t a t h e p a y b a c kp e r i o dw h i c h d e p e n d so nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o ni s0 5 1 5 y e a r s k e yw o r d s ： c o n t i n u o u s r e f o r m i n g ，s o f t - m e a s u r e m e n t ，m u l t i v a r i a b l e c o n t r o l ，a p c ，m o s te c o n o m i c a lo p e r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：雌州年彦月4 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 学生签名： 导师签名： 秽一年s 月尸日 酬年5 - 月p 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 随着汽车工业的发展及各国对环保要求的日益严格。世界范围内车 用汽油低铅和无铅化进程加快了，这对重整工艺产生很大影响。特别是 新配方汽油的提出，促进了重整工艺向低压、高温、商苛刻度方向的发 展。面对炼油企业生产过程本身所具有的流程长、设备多、变量相互关 联耦合、非线性强、滞后大，环境条件变化大和影响因素多等特征，常 规控制越来越难保证装置在工况变化和大扰动时仍有较好的控制性能。 先进控制a p c 就是在这种背景下应运而生，并在国内外相关装置上 得到关泛应用，并取得了显著的经济效益和社会效益。 随着现代化工装置的日益大型化，设备的容积也不断增加，许多设 备积聚的物料量相当可观，因而经常可以看到许多控制回路都有较大的 时间滞后，也即对于主要工艺参数的延迟响应时间可达数十分钟、主要 时间常数可接近1 小时。作为大多数d c s 控制器的基础的常规p i d 算法 对于具有较大纯滞后的回路其效果是很差的。操作人员还可以发现对于 时间常数较大的回路，手动控制也是相当困难的。 化工过程的种种操作特性叠加的结果是当采用标准的控制器和标准 的控制策略时，装置的某些部分会变得难以控制，从而影响到产品的质 量以及装置的经济效益。然而通过采用先进控制( a p c ) 可以极大地改 善装置的操作和控制，较好地解决传统控制方法难以解决的问题。 到了2 0 世纪8 0 年代，r i c h a l e t 和c u l t e r 等人同时推出了基于模型预 测控制方法( m p c ) 软件系统。许多人，如m o r a r i ，g a r c i a 和b i e g l e r 等 致力于开发能够实用的带有控制和状态变量约束的基于模型预测控制软 件包和它的推广应用工作。从1 9 8 0 年到1 9 9 5 年期间，在工业过程控制 领域中掀起了现代过程控制理论的研究高潮。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃的发展， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 先进控制控制理论所带来的巨大经济效益，促使大量工业装置纷纷在已 有d c s 的基础上配备了先进控制系统。经过2 0 年左右的发展，先进控 制技术在许多方面目前已经十分成熟：各种多变量预估控制的理论基础 已被广泛认同：多变量预估控制涉及的范围不断的扩充：各种多变量预 估控制软件包不断涌现；大量的先迸控制正在各种工业装置中实施。 d c s 控制自7 0 年代初进入工业装置以来，基本上不考虑变量之问 的相互影响，将操作变量( m a n i p u l a t e dv a i l a b l e ，m v ) 和控制变量 ( c o n t r o l l e dv a r i a b l e ，c v ) 之间的关系设定为一一对应的关系。图1 1 给 出了操作变量和控制变量之间的关系，即任何一个调节变量的变化，都 会影响到所有的控制变量。 m v l m v 2 m v 3 m 4 4 妄否乏乏 爱誊 c v l c v 2 c v 3 c v 4 图1 - 1 实际过程操作变量与控制变量的相互影响 图l - 2 是精馏塔的传统控制策略，共设置了3 个控制回路。三个控 制回路彼此独立，各自进行调节，并不考虑任何一个操作变量变化之后， 对其他控制变量所产生的影响。这种影响是必然存在的，例如塔釜加热 量的变化，其影响经过一段时间之后，必须会传递到塔顶，引起塔顶产 品质量的变化。对于传统的d c s 控制方法，只有等到这一时刻，塔顶控 制器才能动作，调整回流量。这样就造成调节器总是处于不断的、此起 彼伏的调整之中，使装置难以实现平稳操作。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 图1 2 精馏塔传统控制策略 a p c 的调节方式则不同，如图1 3 所示。所有控制变量的变化，如 塔顶、塔釜产品质量的波动，塔内压差的变化均送往a p c 包中。考虑到 操作变量对不同控制变量影响的大小，通过模型的预估计算，分别得到 对塔顶回流量，塔顶压力及再沸器加热介质流量的调节值，由a p c 系统 发出信号，同时进行调节。 工i 二i 图1 - 3 精馏塔先进控制策略 本工作在介绍a p c 技术发展的概况和大连石化公司连续重整装置 控制技术水平的基础上，分析了目前控制现状，针对该装置的特点，确 定了a p c 硬件平台、a p c 与d c s 的接口。a p c 上位机采用s i e m e n s 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 工业p c 机，操作系统为w i n d o w sn t 4 0 + s p 6 。并详细指出了a p c 实施 前的现场准备工作。 本工作还选定和设计了a p c 系统的实施范围和功能耳标。范围是原 料预处理、重整反应和芳烃分离三大部分。目标为装置的抗干扰能力、 操作平稳率、反应迸料杂质含量合格性、重整反应器的反应温度和压力、 及时调整芳烃分离系统的工艺操作参数、提高加热炉效率，节约燃料。 本工作还对该控制方案进行了分析。结果说明，采用多变量控制系 统，同时配以氢气压缩机等的卡边控制策略、合适的软测量技术，将会 大大提升整体控制水平。这也是本工作的创新之处。 最后，本文提出a p c 控制器应该选择p r o f i tc o n t r o l l e r 。而且对实施 该a p c 系统后的效益进行了分析。结果是：重整汽油液收将提高0 9 、 提高反应转化率1 1 、提高氢气产率1 2 、降低装置能耗2 以上、回 收塔塔顶回流比降低5 以上。按加工量6 0 万吨，年计算，年经济效益在 8 5 3 8 5 万元左右，回收投资期视不同的工况，为半年至一年半。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章a p c 技术 第2 章a p c 技术 2 1a p c 概念和策略分类 a p c ：它不仅仅是多处理器计算机的使用或工艺软件环境，也不是 单指复杂控制算法的应用，而是一个包含了从控制工程、信号处理、统 计学、决策理论、人工智能到软件和硬件工程技术的实践。 该思想的中心是要求从工程的角度来认识问题，并结合控制技术的 合理应用来理解过程对象的行为。由于先进控制内涵丰富，时代特征较 强，所以到目前为止，还没有严格、统一的定义。人们根据应用程度对 过程控制策略进行分类如下【l j ： 经典方法：增益调节、时滞补偿、解耦控制、选择性超驰控制。 流行方法：模型预测控制、内膜控制，自适应控制、统计质量控制。 潜在技术：最优控制、专家控制、模糊控制、神经网络控制、非线 性控制。 研究热点：鲁棒控制、h o o 和肛综合。 2 2a p c 的过程模型 根据控制的要求，模型必须包含能够预测改变过程操作条件所引起 后果的信息。根据采用的方法不同，大致可分为四种模型【2 】。 ( 1 ) 机理模型( f i r s tp r i n c i p l em o d e l ) 对那些过程清楚且特征明显的对象，可以用一组微分方程来描述它 的动态过程。机理模型通常是根据化学或物理的基本原理来建立的，其 最终的模型取决于系统：以集中参数表示，则用常微分方程来描述：以分 布参数表示，用偏微分方程来描述常微分方程以一维方式来描述。通常 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章a p c 技术 是时间，如油罐中的液位随时间的变化。偏微分方程用状态空间来描述， 如油罐中未充分混合液体的温度分布。一般情况下，分布参数模型比较 复杂而且难以建立，其解法也更麻烦。通过简化一些假设，可以用一系 列常微分方程来表示分布参数模型。两者都可细分为线性和菲线性的。 在很多情况下，由于时间和资金的限制，开发机理模型不太现实，尤其 是那些对象过程比较模糊或者所得方程复杂无法求解时，使用来自对象 的数据建立的黑箱模型( 经验模型) 就有优势。 ( 2 ) 黑箱模型( b l a c kb o xm o d e l ) 黑箱模型简单地描述了系统输入与输出的函数关系，它是通过对实 际工业过程的历史生产数据的分析，采用合适的数学方法而建立起来的。 与机理模型相比，黑箱模型的函数参数没有任何物理意义，但它如 果能可靠地表示出过程行为的一些趋势，那么黑箱模型的方法同样是有 效的，而且开发黑箱模型的成本往往要比机理模型低的多。 它能进一步细分为线性和非线性两种时序。线性的主要有传递函数 模型和时序模型，对于样本数据系统，该描述是任意的。其唯一的区别 是时序模型中，变量是作为随机变量。若没有随机影响，传递函数模型 和时序模型等价。给定相关的数据，可使用许多的技术来识别线性黑箱 模型参数。最常用的是基于最 、- - 乘法的算法。在非线性的时序中，通 过加权交叉产品的组合及表达式中变量的幂次来对过程的非线性行为进 行建模。其函数参数依然是线性的，这样使用最小二乘法进行识别就方 便了。由于理论方面的逐渐成熟和计算机强大的运算功能，当前使用神 经网络对非线性系统进行建模已很流行。 ( 3 ) 定性模型( q u a l i t a t i v em o d e l ) 在过程工业中，有许多涉及传热、传质和化学反应的对象，由于其 非线性、机理复杂、检测困难且具有不确定性，难以建立合适的数学模 型。在这种情况下可以考虑建立定性模型。 其最简单的形式是基于规则的模型，使用“如果那么否则”来描述过 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章a p c 技术 程行为。这些规则来自人类专家。同样的，遗传算法和规则归纳技术也 可以应用到过程数据中以产生这些描述的规则。 更高级的方法是利用定性物理理论，它通过产生一些代数形式来克 服纯粹基于规则模型的缺点以获得精确的数学模型的方法。 在定性模型中，定性传递函数( q t f ) 应用在过程监控中似乎最为 合适，它保留了许多传统传递函数所具有的特性，尤其是具有体现过程 行为暂时性方面的能力。模糊模型则是将有关的过程经验和直觉构成自 然语言形式的规则。 ( 4 ) 统计模型( s t a t i s t i c a lm o d e l ) 由于过程系统的不定性使得统计的方法成为了必要。该技术在统计 数据分析、信息理论、策略理论和决策系统理论中有广泛的应用。 概率模型由变量的概率密度函数表征，它给出变量出现某一值的可 能性。通过监测两变量的变化。然后量化它们之间的相似程度可以得出 相关性模型。对于过程监控的模型分类如图2 1 。 图2 l 模型分类示意图 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章a p c 技术 2 3 基于模型的控制 ( 1 )内膜控制( i n t e r n a lm o d e lc o n t r 0 1 ) 内膜控制优点是设计简单、控制性能较好，在系统稳定性分析和鲁 棒性理论分析方面具有优势，是基于模型控制策略的重要基础，所有基 于模型的控制器都可以在其结构框架中进行设计。 内膜控制结构由g a r c i a 和m o r a r i 在1 9 8 2 年完整提出并发展，将其 推广到多输入多输出系统和非线性过程后，使得基于过程动态模型的求 逆来设计控制器的思想得以实现( 内膜控制结构图如图2 - 2 ) 。 如果过程模型是可逆的，则控制器仅是模型的逆变换。如果模型精 确且无干扰，则没有过滤器的话控制效果非常的理想。即若能了解过程 的行为，反馈就没有必要了。 扭望f 输出 图2 - 2 内膜控制结构图 ( 2 )模型预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 模型预测控制是一种基于模型的闭环优化控制策吲4 1 。它利用模型 预估未来时刻被控对象的运动和误差，作为确定当前时刻控制作用的依 据，使之适应动态系统所具有的存储性和因果性的特点。模型预测控制 具有的特征和优点有：建立预测模型方便；采用滚动优化策略；采用误 差反馈校正。 由于模型预测控制是一种开放式的控制策略，体现了人们处理不确 r 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章a p c 技术 定性问题时的一种通用思想方法，其算法对模型的要求低，控制效果好。 鲁棒性强，能有效克服过程的不确定性、非线性和关联性，方便的处理 过程被控变量和操作变量中的各种约束。 从其基本原理出发，当前常见的有三种基本预测控制算法：模型算 法控制( m a c ) 、动态矩阵控制( d m c ) 和广义预测控制( g p c ) 。以 模型算法为例介绍其组成： 预测模型：设被控对象响应序列为h ( i ) ，则线性模型为 k ( 七) = 日( f ) u ( k - i ) ( 2 一i ) i = l 其中，匕( t ) 为输出，“( 七) 为输入，k 为采样周期数，n 为卷积相乘数， 第i 个采样时刻输出的预估值为： y p ( k + j ) = h ( i ) u ( k + j - i ) ( 2 2 ) 反馈修正： 匕( 尼+ ，) = 匕( 】 + _ ，) + j ，( 尼) 一匕( 后) ( 2 3 ) 其中y ( k ) 为实测输出值，y p ( k ) 为预估值，则输出响应预估误差为： p ( - ，) = y a k + _ ，) 一k ( j j + _ ，) ( 2 - 4 ) 其中y s ( 州) 为输出值： 经推理得修正误差： ， 。 p ( ) = + s ( o “( k + y - i ) ( 2 - 5 ) j 对未来第l 步到第r 步的预估误差e 为： e = 岛+ a a u ( 2 6 ) 其中 e = p ( 1 ) ，p ( 2 ) ，一，p ( r ) r ( 2 7 ) 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章a p c 技术 a s ( j ) r x l 动态矩阵 最优控制：目标函数采用二次性指标函数 e 7 q e + i a u 7 u ( 2 8 ) ( 3 ) 自适应控制( s e l f - a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 对于没有时问滞后的一阶和二阶线性系统，传统的p i d 控制能够完 全胜任。但对于非线性系统，最初的p i d 控制器的设计不再适用了。 可以采用在一个自适应框架中运行控制器的技术。自适应控制的基 本原理是让控制器在变化的环境中，根据一定的规则对自身特性进行修 正，达到在某种判据下的最优。以模型参考控制及自整定为代表的传统 的自适应控制算法一般都需要某种方式的辨识以获得过程的动态特性。 自适应控制器的结构如图2 - 3 4 1 ： 堕盟 输出 i 詈单 匪 二尸 图2 - 3 自适应控制器模型 理论上，所有基于模型的控制器都能以自适应的模式运行，但有的 情况下，由于系统的非线性，自适应机制可能不够快、无法获取过程特 性的变化。在这种情况下利用非线性模型来设计控制器比较合适。如今， 非线性时序及神经网络已应用在这方面。 ( 4 ) 智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 模糊控制是一种基于规则的控制，直接采用语言型控制规则，其依 据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识。它在设计中不需要建 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章a p c 技术 立被控对象的精确数学模型，所以控制机理和策略易于接受和理解，设 计简单，便于应用1 5 i o 模糊控制方块图如图2 - 4 。模糊控制器的结构如图2 5 。 图2 - 4 模糊控制方块图 图2 - 5 模糊控制器结构 神经网络控制( n e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1 ) 神经控制系统的研究集中在基于模型的神经控制，神经网络与p i d 、 模糊等结合的控制以及神经非模型控制。前者比较典型的有神经网络模 型参考自适应控制、神经内膜控制。神经网络模型参考自适应控制【6 】方 案如图2 6 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章a p c 技术 v 图2 - 6 神经网络模型参考自适应控制 专家控制( e x p e r tc o n t r 0 1 ) 专家系统是模拟专家决策能力的计算机系统【7 1 。专家系统技术能把 数学算法和控制工程师的操作经验融合到一起，最大限度的利用已有知 识，达到传统控制方式难以取得的控制效果。 与传统控制相比，专家控制利用先验知识和在线信息，具备实时推 理和决策能力。能对时变系统、非线性系统和易受各种干扰的受控过程 给出有效的控制决策，它能够代替熟练操作工人完成程序性任务，能适 应操作环境变化剧烈，要求在有限时间内做出决策结果，需要专家经验 的场合【踟。 2 4a p c 控制的特点 a p c 的主要特点可以归纳如下。 ( 1 ) 控制性能【9 】 与传统的p i d 控制不同，a p c 通常是一种基于模型的控制策略， 如模型预测控制。它能够处理多输入、多输出的控制问题。目前，专家 控制、神经控制和模糊控制等智能控制技术正成为先进控制的一个重要 发展方向。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章a p c 技术 a p c 通常用于处理复杂的多变量过程控制问题。如大时滞、多变 量耦合、被控变量与控制变量存在着各种约束等。先进控制是建立在常 规单回路控制之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生 产过程动态特性和操作要求。 a p c 的实现需要足够的计算能力作为支持。 a p c 从整体上提高了装置的控制水平，使控制变量的波动更小，操 作更加平稳。这样控制变量波动的平均值就更贴近规定的工艺条件或约 束条件。这就是俗称的“卡边控制”，如图2 7 所示。由于装置的操作平 稳、波动的幅度明显减小，因而也就带来了可观的经济效益。 值得提出的是先进控制只是将整个装置控制在要求的工艺规定或约 束值附近，使其波动最小，至于这些工艺规定或约束是否合理，就不是 a p c 的任务了1 1 0 】。 工艺规定 或约束值 平均值 常规控制先进控制使平氇值更靠近 波动减小工艺规定或约束值 图2 - 7 先进控制和常规控制的性能比较 ( 2 ) a p c 的核心是多变量预估控制 a p c 软件根据装置的实时数据，采用多变量模型预估计算，计算出 最优的设定值，送往控制器执行。 ( 3 ) 控制范围扩大 多变量预估控制使得控制整个装置，而不仅仅只是装置的一部分成 为可能，控制范围不再只是针对某个具体的工艺测量值或与之有关的变 量，而是一组这样的测量值或者整个装置的所有变量。 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章a p c 技术 ( 4 ) 显著的经济效益 实施a p c 可以使装置在最大经济效益的条件下操作，获得最大的产 量、最大的转化率和最低的装置操作费用。 ( 5 ) 在各种条件下均有较高的在线因子 先进控制具有很高的在线因子，通常在9 5 或更高。 ( 6 ) 维护工作量较小 先进控制与传统的p i d 控制相比，具有很高的鲁棒性。因而其维护 工作量也大大的降低。通常先进控制的各项技术都纳入一个统一的软件 包，便于安装和投入运行。 ( 7 ) 投资回收期短 对于大多数先进控制，投资回收期都在半年到一年之间。一般来说， 装置的规模愈大，效益愈明显。在国外，a p c 常指以多变量预测控制技 术为核心的控制策略。目前国外炼油企业大部分装置都已经实现了 a p c i l l 1 3 1 。 2 5 多变量预估控制的执行步骤 ( 1 ) 预估计算 利用装置的动态模型和当前装置的工艺参数，计算出控制变量，如 产品组成、温度等的预期变化值。 ( 2 ) 最优目标计算 利用适当的计算方法，如线性规划，确定符合所有约束的最优稳态 工艺条件。 ( 3 ) 控制设定值计算 基于预估的控制变量预期轨迹以及根据线性规划得到的最优控制目 标，计算出各个操作变量的预期设定值的最佳组合。通过操作变量的调 整，驱动装置朝着所希望的操作区域移动，而不违反所有的约束条件或 者操作变量的极限值。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章a p c 技术 ( 4 ) 执行过程 第一组预期的操作变量设定值付诸实施后，每一次执行多变量预估 控制时，控制变量的预估值都要采用当前的装置测量值进行计算并予以 更新，以保证多变量预估控制和实际装置的一致性。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章a p c 实施方案的确定和效果 第3 章a p g 实施方案的确定和效果 本章将通过对大连石化连续重整装置设各情况，仔细权衡各个操作 单元的控制指标的权重，根据现场调节经验，结合重要参量的卡边控制， 提出a p c 方案的实施步骤、功能设计、控制软件，确定最终的方案。并 且对方案实施以后的经济效益做详细的分析。 3 1 大连石化连续重整装置总体情况 大连石化股份有限公司炼油厂连续重整装置( c c r ) 于2 0 0 1 年l o 月建成投产。该装置采用美国环球油品公司( u o p ) 的重整第三代催化 剂连续再生工艺，是目前世界上最先进的重整工艺。装置由预处理、重 整反应、催化剂连续再生、拔头油稳定、芳烃苯分离等五部分组成。其 规模是：预处理是7 2 万屯年，重整反应是6 0 万吨年，催化剂连续再生 循环量是4 5 4 k 蚰，拔头油稳定是1 4 万吨年，芳烃苯分离是1 5 万吨年。 它可以生产高辛烷值汽油和苯等原料，同时副产一定数量的氢气。控制 系统d c s 采用美国h o n e w e l l 的t p s 3 0 0 0 ，该装置是目前国内已建成 的技术最先进，生产高辛烷值的重整装置之一。 连续重整装置的原料为常减压装置提供的直馏汽油馏分( 附表a ) ， 通过原料预处理、重整反应、催化剂再生三个工序，把低辛烷值的直馏 石脑油转化为富含芳烃的高辛烷值汽油组分、c 5 馏分、c 6 馏分，拔头 油及含氢气体。c 5 馏分和拔头油送入拔头油稳定，生产液化气、发泡剂 及异戊烷：c 6 馏分送入苯分离工段生产苯，原料及产品均用泵送入或送 出装置。工艺流程总图见图3 1 。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章a p c 实施方案的确定和效果 图3 - i 连续重整工艺流程图 3 2 目前连续重整装置所面临的控制难点 目前大连石化连续重整装置控制存在不少的问题。经全面分析研究， 主要有以下的一些控制难点。 ( 1 ) 许多重要的工艺参数需手动调节，存在控制不及时的问题，也不 能达到平稳和一致的控铝f 效果。 ( 2 ) 装置的干扰因素多，对塔的影响大。如：进料流量的变化、进料 组分波动、溶剂质量的变化、溶剂温度的波动以及环境条件变化 等，这些因素均影响装置的平稳操作： ( 3 ) 由于装置中存在着溶剂循环、烃循环和水循环，且装置间是上下 游的工艺关系，因此装置中的许多变量存在着较强耦合关联性， 带来操作与控制上的困难。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章a p c 实施方案的确定和效果 ( 4 ) 工艺设计不合理，在芳烃分离系统中，经常出现非芳含苯超标的 情况，使得装置操作经常非计划性降量。 ( 5 ) 电加热器由于受到加热空气里的氯腐蚀，运行不正常，反应段和 还原段的温度波动较大，很难控制平稳。 这些都是亟待解决的控制问题。 3 3 实施a p c 的平台及必要条件的确定 a p c 开发和工程实施的成功，除了开发者必须具有丰富的工程经验、 采用成熟的a p c 软件之外，现场基本条件的准备、对装置工艺过程和操 作特点的准确了解和把握，也是必不可少的前提。 3 3 1 硬件平台的确定 根据本装置的控制点数目、设备运行可靠性要求，以及改造的投入 情况，最佳的配置原则如下。 目前大连石化连续重整装置采用h o n e y w e l l 公司t p s 3 0 0 0d c s 系 统，选用h o n e y w e l l 公司的a p pn o d e ，以完成对实时数据库的管理和配 置o p c 标准接口( 如图3 2 ，图3 - 3 所示) ，而且满足a p c 系统的性能、 安装、运行和可靠性要求。h o n e y w e l l 控制站采用o p c 协议，具有r w 功能，容量在1 0 0 0 点左右。 现场需要的基础条件的配套：利用现有h o n e y w e l lt p s 3 0 0 和a p p n o d e 的开放性设计。这样实施a p c 工程就不需要另外配接口硬件和a p c 操作站，可以利用原d c s 站。 a p c 对现场仪表的要求非常苛刻，改造时要按以下要求进行。 ( 1 ) 测量仪表必须运行正常1 1 4 】，精度符合中国石油天然气集团公 司的专业设备规范要求。 ( 2 ) 现有的质量分析仪必须运行正常，精度符合中国石油天然气 1 r 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章a p c 实施方案的确定和效果 集团公司的专业设备规范要求。 - _ o p ch i f e l f a c e 图3 - 2t p s 3 0 0 0 系统o p c 数据交换方式 图3 - 3 先进控制系统硬件结构原理图 ( 3 ) 参与回路控制的控制点必须都自动或串级。 ( 4 ) 调节阀必须性能优良。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章a p c 实施方案的确定和效果 ( 5 ) 必须根据a p c 实施的需要，及时增加其它必要的仪表和控 制回路【15 1 。 3 3 2 必要条件的确定 3 3 2 1 实施的条件分析 检查装置现场仪表、分析控制站d c s 在用和配置情况。对 h o n e y w e l lt p s 3 0 0 0 系统进行组态下装，增加先进控制系统的操作变量和 控制变量，以及相应的操作画面、历史趋势、事件记录等d c s 资源。 我们对系统的剩余容量是否满足先进控制系统项目的要求要进行考 查，通过对实际硬件软件容量的统计，现有的系统完全可以满足上先进 控制项目的要求，不需要对现有的控制系统进行扩容。但是，由于a p p 节点版本的升级，需要对t p s 3 0 0 0 的6 2 2 版本进行升级改造。 装置的基本情况和a p c 系统的基本功能。 现在运行的控制系统的自动控制投用率是9 1 ，为了全面的进行先 进控制改造，装置的自动投用率应该在9 8 以上。 我们对装置的控制回路的自动控制投用情况进行了逐一统计、分析， 操作人员能够把控制回路由手动( m a n ) 位置打到自动( a u t o ) 位置， 由手动( m a n ) 改到串级( c a s ) 位置，仪表功能是正常的。 针对芳烃分离系统的非芳超标问题。通过分析，我们认为是设计不 合理，造成分离塔的温度控制波动太频繁，波动幅度太大。应该用分程 控制分离塔的入口的蒸汽线，而用单回路控制侧线。 a p c 的控制目标和质量指标。 通过调研、分析，我们决定对连续重整装置的三部进行先进控制， 并且确定了相应的控制目标和质量指标。 3 3 2 2 现场软点控制器p i d 参数的选择 对于a p c 实施过程中要用到的软点控制器p i d 参数，我们采用采取 蹲点细调的原始办法，力求最终得到的p 、i 、d 参数是“好值”：控制性 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章a p c 卖施方案的确定和效果 能稳定，波动较小。调节频次低的参数。 在参数的选择方面，我们采用技术判别方法进行了异常数据剔除。 然后将过程数据进行了标准化处理。 在实际测量中，记录的严重失误或仪器仪表的突然波动，都会造成 异常的测量结果，这称之为异常数据【1 6 】。判断样本数据是否为异常数据， 可用两类方法进行鉴别，一类是技术判别法，即根据物理或化学性质进 行技术分析，以判别偏差较大的数据是否确系异常；另一类为统计判别 法，即单纯的应用数学的方法做出鉴别。在技术方法无法确定异常时， 统计判别法就显得较为有效了。 我们的具体方法是这样的。如果某辅助变量的数据长时间处于零点 附近或满量程附近，被认为现场采样系统故障，数据异常予以剔除。 进行过程数据的标准化处理是因为：实际过程测量的数据有着不同 的工程单位，各变量的大小之间在数值上也可能相差几个数量级，直接 使用原始测量数据进行计算可能丢失信息和引起数值计算上的不稳定， 因此需要采用适当的因子对数据进行标度，进行过程数据标准化处理1 1 7 1 ， 以改进算法的精度和计算的稳定性【1 8 】。 我们对现场采集数据进行标准化处理是采用仪表中常用的引用误差 分析法。辅助变量x i ，( 其中i 为辅助变量序号) ，假设其工程量程范 围为 m i n ，m a x ，则辅助变量x i 经标准化处理后记为工，其关系式为 i = 瓦x , f - m 丽i n ，i 幽 3 - 1 ) 通过在线调整观察测试，我们确定的实际应用的一些d c s 软点控制 器p 、i 、d 参数整定值见表3 - 1 。 2 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章a p c 实施方案的确定和效果 3 3 2 3 软仪表的离线开发蒸发汽提塔c 1 0 1 馏程和干点的软测量技 术开发 为了实现各精馏塔的质量“卡边”控制，在保证其分离精度的前提 下降低能耗，我们使用了软测量技术。所谓“软测量”就是根据机理分 析与数据回归等方法建立起数学模型，以相关可测过程变量作为输入， 给出被测量参数的实时估计值 * 9 e s l 。 根据a p c 系统的初步设计，我们进行了部分必要的软仪表( 在线工 艺计算) 模型的离线开发。 在系统中涉及到许多在线的软仪表计算，主要有馏程、干点、c 5 、 芳烃收率等进行计算。开发的主要步骤为： 采用t o o k i t 软测量算法对馏分的a s t m 恩氏蒸馏1 0 点、9 0 点进行逐个塔板计算，并用化验室分析数据进行偏差( b i a s ) 校正，使 之符合实际工况【2 6 】： 反应一再生部分机理模型的计算和化验室校正； 回归计算，对于无法用t o o k i t 软测量算法的软仪表计算点， 采用回归计算的方法。 下面，我们重点介绍蒸发汽提塔c 1 0 1 的馏程和干点的软测量技 术开发实践。 ( 1 ) 模型关联变量的选择 分析关联变量和被关联变量的相关性的方法有多种，本模型开发中 2 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章a p c 实施方案的确定和效果 采用的是e x c e l 的相关性分析法，从众多的变量中选择相关性较大的变 量作为模型的候选关联变量，并结合工艺理论，最后确定。 初馏点( 1 0 ) 的计算关联变量 v l c - 1 0 1 蒸发汽提塔迸料总量与c 1 0 2 拔头油汽提塔出料量比 v 2 _ 弋1 0 1 回流比 v 3 c 1 0 1 塔底温度 v 4 c 1 0 1 塔底返塔压力与加热炉f 1 0 2 瓦斯压力之差 v 广一c 1 0 1 进料量与出蒸发塔回流罐d 1 0 3 的干气量之比 初馏点( 9 0 ) 的计算关联变量 v l c 一1 0 1 重沸器返塔温度 v 2 一c 1 0 1 进料温度 v 3 c 1 0 1 塔底温度 v 4 c - 1 0 1 进料量与出蒸发塔回流罐d 1 0 3 的干气量之比 干点的计算关联变量 v i c - l o i 塔顶温度 v 2 一c 1 0 1 进料温度 v 3 一c 1 0 1 塔顶压力 v 4 一c 1 0 1 塔底温度 v 5 一c 1 0 1 进料量与回流量之比 ( 2 )模型的建立 采用下列三种不同类型的关系式，分别进行回归。 5 线性关系：t ( ) = 4 巧+ 4 ( 3 2 ) ， - - z r 关系, ：t ( ) = e 2 + 4 ( 3 3 ) ，z l 3 55 三次关系：t ( ) = z a y , + z b ，2 + g 3 + 4 ( 3 4 ) 忙ll ；i扭l 2 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章a